環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中 AFTOX 模型和 SLAB 模型的運(yùn)用分析

肖億群（上海建科環(huán)境技術(shù)有限公司， 上海 200032）

科學(xué)技術(shù)的日新月異伴隨工業(yè)化快速發(fā)展，對(duì)化學(xué)品的使用需求不斷增加，其中涉及許多種類(lèi)的危險(xiǎn)化學(xué)品。危險(xiǎn)化學(xué)品在儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用過(guò)程中的泄漏事故時(shí)有發(fā)生，所造成的環(huán)境影響和生態(tài)破壞遠(yuǎn)超過(guò)事故本身。危險(xiǎn)化學(xué)品的意外泄漏具有事發(fā)突然、危害大且不易控制的特點(diǎn)，因此危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏擴(kuò)散模擬十分重要。采用可靠模型對(duì)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事故危害程度及影響范圍預(yù)測(cè)分析，并提出風(fēng)險(xiǎn)防范措施，使得環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)在一個(gè)可控水平，為項(xiàng)目決策提供技術(shù)依據(jù)。

1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型選擇

目前用于模擬危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏擴(kuò)散的有 ALOHA（Area Location of Hazardous Atmospheres，有害大氣區(qū)域定位）、DEGADIS（Dense GasAtmospheric Dispersion，重氣體擴(kuò)散）、SLAB（Atmospheric Dispersion Model for Denser than Air Releases，密度大于空氣的擴(kuò)散模型）、UDM（Unified Dispersion Model，泄漏擴(kuò)散模型）、INPUFF（GAUSS Puff Diffusion Model，高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模型）、CHARM（Complex Hazardous Air Release Mode，危險(xiǎn)物質(zhì)釋放復(fù)雜模型）、AFTOX（USAF Toxic Chemical Dispersion Model，美國(guó)空軍毒性化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散模型）等模型，各模型均有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署推薦的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型有 DEGADIS、SLAB、AFTOX 等 3 種模型，我國(guó)生態(tài)環(huán)境部和 HJ 169—2018《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》推薦的模型為 SLAB 模型和 AFTOX 模型。

AFTOX 模型和 SLAB 模型屬于平坦地形下的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故模擬預(yù)測(cè)模型。AFTOX 模型是由美國(guó)空軍開(kāi)發(fā)，以大氣擴(kuò)散原理和高斯數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的擴(kuò)散模型，可適用于非浮力中性氣體、浮力煙羽氣體擴(kuò)散的情況。AFTOX 模型可處理瞬間的或持續(xù)的、地面或具有一定高度的源釋放的氣體或液體。SLAB 模型是由美國(guó)能源部勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的重氣體擴(kuò)散模型，已通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和風(fēng)洞模擬驗(yàn)證，可以處理地面蒸發(fā)池、水平噴射源、垂向噴射源和瞬時(shí)排放源等 4 種類(lèi)型的排放源。通過(guò)求解物質(zhì)的質(zhì)量、動(dòng)量、能量和物質(zhì)的守恒方程，對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬。物質(zhì)連續(xù)排放（非常長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間）可被認(rèn)為是靜態(tài)煙羽形式的釋放。SLAB 模型在穩(wěn)定、中度穩(wěn)定、不穩(wěn)定氣象條件下均能達(dá)到比較好的模擬效果。

具體建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)選用哪種模型。通常情況下，密度小于空氣的輕質(zhì)氣體釋放，平坦地形下可以直接用 AFTOX 模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。密度大于空氣的氣體則應(yīng)根據(jù)理查德參數(shù)（Ri）和排放性質(zhì)進(jìn)行判斷煙團(tuán)/煙羽是否為重質(zhì)氣體。對(duì)于連續(xù)排放，Ri ≥ 1/6 為重質(zhì)氣體，Ri ＜ 1/6 為輕質(zhì)氣體；對(duì)于瞬時(shí)排放，Ri ＞ 0.04 為重質(zhì)氣體，Ri ≤ 0.04 為輕質(zhì)氣體。重質(zhì)氣體用 SLAB 模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，輕質(zhì)氣體用AFTOX 模型進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

2 模型運(yùn)用及參數(shù)選擇分析

每種環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型在運(yùn)行前都需要根據(jù)要求和實(shí)際情況輸入不同的參數(shù)。這些參數(shù)包括泄漏源參數(shù)、泄漏物質(zhì)物化參數(shù)、氣象參數(shù)、環(huán)境參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)等，其取值最終影響預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性。

2.1 泄漏源參數(shù)及物化性質(zhì)參數(shù)

泄漏源參數(shù)包括泄漏容器內(nèi)部溫度及壓力、容器裂口面積及形狀、容器裂口上部的液位高度、液體泄漏量、液池面積及液池平均深度、泄漏時(shí)間，參數(shù)根據(jù)泄漏源實(shí)際情況確定。泄漏物質(zhì)物化性質(zhì)參數(shù)包括物質(zhì)分子量、沸點(diǎn)、臨界溫度、臨界壓力、液體密度、蒸汽定壓比熱容、沸點(diǎn)時(shí)液體汽化熱、液體比熱容、比熱容比、飽和壓力常數(shù)等。一般風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)軟件包中包含化學(xué)品數(shù)據(jù)的文件，但不會(huì)囊括所有危險(xiǎn)化學(xué)品物質(zhì)名稱(chēng)和參數(shù)。經(jīng)常會(huì)遇到化學(xué)品的物化性質(zhì)參數(shù)不全，或者軟件中未提供該種物質(zhì)的物化性質(zhì)，此時(shí)需要從其他權(quán)威渠道找到相關(guān)參數(shù)輸入預(yù)測(cè)模型。如果泄漏物質(zhì)常溫下為氣體，且采用 AFTOX 模型預(yù)測(cè)時(shí)，只需要知道泄漏物質(zhì)名稱(chēng)、分子量及沸點(diǎn)即可。

AFTOX 模型和 SLAB 模型均無(wú)源強(qiáng)計(jì)算模塊，但一般環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)軟件包中除了預(yù)測(cè)模型外，也附帶源強(qiáng)計(jì)算模塊。使用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型時(shí)，可以先根據(jù)預(yù)測(cè)的具體情景，使用軟件包中的源強(qiáng)模塊計(jì)算一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)源強(qiáng)，再預(yù)測(cè)模型調(diào)用這個(gè)源強(qiáng)進(jìn)行預(yù)測(cè)?；蛘呤褂谜吒鶕?jù)物質(zhì)泄漏和蒸發(fā)的公式手動(dòng)計(jì)算一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)源強(qiáng)后，再將數(shù)據(jù)輸入相關(guān)的預(yù)測(cè)模型中。SLAB 模型是根據(jù)守恒原理模擬物質(zhì)泄漏擴(kuò)散后，得到泄漏物質(zhì)最終的一個(gè)近地面濃度，輸入預(yù)測(cè)模型的參數(shù)比 AFTOX 模型要多。其中，物化性質(zhì)參數(shù)物質(zhì)沸點(diǎn)、液體密度、蒸汽定壓比熱容、比熱容比等參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有明顯影響。

泄漏源參數(shù)和物化性質(zhì)參數(shù)是每個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)及找準(zhǔn)物質(zhì)性質(zhì)參數(shù)是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的根本。很多環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范措施也是針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)提出的，如直接降低風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)貯存量、用風(fēng)險(xiǎn)小的物質(zhì)替代風(fēng)險(xiǎn)大的物質(zhì)、加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防范措施等，使環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)在可接受水平。

2.2 氣象及環(huán)境參數(shù)

氣象參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型是必需的，氣象參數(shù)有大氣穩(wěn)定度、風(fēng)向、風(fēng)速及測(cè)量高度、氣溫及逆溫層高度等，環(huán)境參數(shù)主要有環(huán)境溫度、濕度及地表粗糙度等。預(yù)測(cè)風(fēng)向主要用于確定泄漏源下風(fēng)向影響的敏感受體，對(duì)泄漏物質(zhì)的最終落地濃度大小無(wú)影響。物質(zhì)泄漏一般在近地面排放并稀釋擴(kuò)散，主要受近地面風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度影響，逆溫層高度對(duì)泄漏物質(zhì)的最終落地濃度也基本無(wú)影響。

最新的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則 HJ 169—2018 直接規(guī)定了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)、二級(jí)評(píng)價(jià)所采用的氣象條件。其中，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)二級(jí)評(píng)價(jià)采用最不利氣象條件，即取 F 類(lèi)穩(wěn)定度、1.5 m/s 風(fēng)速、溫度 25 ℃ 、濕度 50%。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)評(píng)價(jià)采用上述最不利氣象條件以及事故發(fā)生地的最常見(jiàn)氣象條件分別進(jìn)行后果預(yù)測(cè)，最常見(jiàn)氣象條件由當(dāng)?shù)刈罱?3 a 內(nèi)的至少連續(xù) 1 a 氣象觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析得出。其包括出現(xiàn)頻率最高的穩(wěn)定度、該穩(wěn)定度下的平均風(fēng)速（非靜風(fēng)）、日最高平均氣溫、年平均濕度。根據(jù)大氣擴(kuò)散原理，影響污染物擴(kuò)散的氣象因子主要是大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速。大氣穩(wěn)定度是直接影響大氣污染物擴(kuò)散的極重要因素，大氣在豎直方向產(chǎn)生的強(qiáng)烈對(duì)流能夠使污染物迅速擴(kuò)散。相反，當(dāng)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，大氣上下對(duì)流速度減緩，使得污染物稀釋擴(kuò)散也減緩，而在局部區(qū)域大量積聚造成大氣污染。另外，風(fēng)速和污染物稀釋擴(kuò)散也有直接關(guān)系，根據(jù)高斯擴(kuò)散模式的表達(dá)式，在其他條件相同時(shí)，下風(fēng)向任意一點(diǎn)的污染物濃度與風(fēng)速成反比，風(fēng)速越大擴(kuò)散稀釋能力越強(qiáng)。因此，我們?cè)谑褂?AFTOX 模型和 SLAB 模型進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)時(shí)，按照風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)則要求應(yīng)預(yù)測(cè)一個(gè)最不利氣象條件的結(jié)果，一級(jí)評(píng)價(jià)還應(yīng)預(yù)測(cè)當(dāng)?shù)刈畛Ｒ?jiàn)氣象條件的結(jié)果。

AFTOX 模型和 SLAB 模型是平坦地形下的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，我們可以根據(jù)事故發(fā)生地的地表類(lèi)型，從模型中選擇地表的粗糙度。一般地表粗糙度大有利于對(duì)泄漏物質(zhì)的吸收，因此預(yù)測(cè)的泄漏物質(zhì)最終落地濃度結(jié)果會(huì)更小，影響也越小。

2.3 模型的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

采用 AFTOX 模型和 SLAB 模型進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)時(shí)，都有需要設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)，所設(shè)置的參數(shù)基本相同，包括預(yù)測(cè)模擬范圍、預(yù)測(cè)精度參數(shù)（每分鐘煙團(tuán)數(shù)、數(shù)值迭代）、預(yù)測(cè)高度、濃度平均時(shí)間等。模擬范圍、預(yù)測(cè)高度根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置便可。 AFTOX 模型預(yù)測(cè)精度為每分鐘釋放煙團(tuán)數(shù)，SLAB 模型預(yù)測(cè)精度為數(shù)值迭代參數(shù)。預(yù)測(cè)使用的氣象參數(shù)根據(jù)導(dǎo)則要求設(shè)定，排放源參數(shù)也是不變的。實(shí)際使用這 2 個(gè)模型預(yù)測(cè)時(shí)，改變每分鐘釋放煙團(tuán)數(shù)或數(shù)值迭代參數(shù)這 2 個(gè)系統(tǒng)精度參數(shù)值對(duì)最后預(yù)測(cè)結(jié)果影響很小，特別是使用大氣穩(wěn)定度為 F、風(fēng)速 1.5m/s 的氣象條件預(yù)測(cè)時(shí)，改變預(yù)測(cè)精度條件對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)影響。因此，這 2 個(gè)參數(shù)選用系統(tǒng)默認(rèn)的即可。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中濃度平均時(shí)間是需要著重考慮的，濃度平均時(shí)間對(duì)預(yù)測(cè)影響的最終距離和最終落地濃度都有明顯影響。對(duì)于持續(xù)排放，AFTOX 模型默認(rèn)值是 15 min。對(duì)于 ＜ 15 min 持續(xù)時(shí)間的排放，默認(rèn)平均時(shí)間等于排放時(shí)間。對(duì)于瞬時(shí)氣體排放，平均時(shí)間是 1 m

in。此外，平均時(shí)間一般大于排放時(shí)間。

SLAB 模型未對(duì)濃度平均時(shí)間做具體規(guī)定，SLAB 使用手冊(cè)中認(rèn)為預(yù)測(cè)的濃度平均時(shí)間與擴(kuò)散方程相關(guān)的各種物理現(xiàn)象有關(guān)，依賴(lài)于煙霧的走向。當(dāng)濃度平均時(shí)間增加時(shí)，會(huì)發(fā)生更多的煙霧路徑，形成更寬的煙霧團(tuán)，而排放物質(zhì)的最終落地濃度和影響距離相對(duì)會(huì)更小。也有研究報(bào)道濃度平均時(shí)間與物質(zhì)泄漏排放時(shí)間、物質(zhì)到達(dá)最近受體時(shí)間以及安全暴露濃度標(biāo)準(zhǔn)中暴露時(shí)間關(guān)系密切，并認(rèn)為濃度平均時(shí)間應(yīng)取上述 3 個(gè)時(shí)間中的最小值。我國(guó)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則 HJ 169—2018 中采用的危險(xiǎn)物質(zhì)毒性終點(diǎn)濃度值為美國(guó)能源部 2016 年 5 月公布的 PAC 數(shù)值，是基于 60 min 的有效數(shù)值。因此，濃度平均時(shí)間設(shè)置需要 ≤ 1 h，也可以參照 AFTOX 模型設(shè)置濃度平均時(shí)間。

3 結(jié) 語(yǔ)

AFTOX 模型和 SLAB 模型是我國(guó)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則 HJ 169—2018 中推薦使用的，適應(yīng)于平坦地形的建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。在事故風(fēng)險(xiǎn)源及氣象條件確定的情況下，環(huán)境參數(shù)地面粗糙度、系統(tǒng)參數(shù)濃度平均時(shí)間對(duì)泄漏物質(zhì)最終的落地濃度影響較大，較小的地面粗糙度和較短的濃度平均時(shí)間更偏向于取得更保守的預(yù)測(cè)結(jié)果。另外，當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，超出風(fēng)險(xiǎn)可控范圍時(shí)，一般采取降低風(fēng)險(xiǎn)源的措施，如減少風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的貯存量、使用低風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)替代風(fēng)險(xiǎn)水平高或臨界量小的物質(zhì)，提高風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的安全防范水平等，使項(xiàng)目的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受水平。