多米諾事故情景下的區域環境風險評價

張 立,錢 瑜,蔡 云 (南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210046)

在風險事故情景下,一個風險源發生事故可能會引發其他風險源相繼發生事故,從而形成多米諾效應.在很多重大事故中,多米諾效應是造成多人傷亡、巨額財產損失和環境惡化的關鍵因素.對以往事故的統計分析表明,38.6%的風險事故可能引發多米諾事故[1],且多米諾事故發生概率正逐年增加,平均每次事故造成的傷亡人口數量也呈現增長的趨勢[2].究其原因可能有以下幾點.首先,隨著人口的持續增長和由此引發的土地利用壓力,越來越多的工業企業投產于工業集中區,尤其是在發展中國家,不少地區存在重大風險源過于集中的現象.其次,由于缺乏合理的規劃布局以及工業園自身發展的需要,一些企業周圍逐漸形成居民區和商業中心.另外,易燃易爆及有毒有害物質在生產過程中普遍使用也是導致多米諾事故的一個重要原因.因此在環境風險管理中,辨識并減少導致多米諾事故的路徑是十分必要的.

然而,現有的多米諾風險研究只是針對安全風險,在環境風險部分還是一片空白,沒有比較成熟的多米諾環境風險評價方法.另一方面,盡管研究人員已經普遍意識到多米諾風險事故的危害,但在對工業設施進行定量風險評價的實際操作過程中,多米諾現象不是被完全忽略,就是評價過程不夠規范嚴謹[3],由此制定的應急措施和環境影響評價往往低估了事故發生后的危害,缺乏科學性和實用性.因此,本文嘗試提出一套定量評價多米諾環境風險的方法,并通過比較普通情景下和多米諾情景下的區域環境風險大小,希望為進一步制定更合理、更具操作性的環境風險決策方案提供理論依據.

1 多米諾效應研究

最早的關于多米諾效應的研究是英國衛生與安全管理局1978年在對Canvey島和Thurrock地區的工業設施進行危險性評價時,在故障樹分析中加入了外部事故的多米諾機制[4],但“多米諾效應”一詞沒有出現在報告中.Bagster等[5]利用Canvey報告的數據,在概率計算方面提出了一種新方法,不僅可以計算二次事故的概率,還能夠計算三次甚至更高次多米諾事故的概率,但是這種方法只能簡單計算一個事故單元引起另一個單元破壞的可能性,不能處理在復雜場景下通常出現的一個初始事故引發其他多個事故組合的情況.此后,Khan等[6]在總結前人研究的基礎上,構建了一套多米諾效應分析的框架,并用于多個工業項目的多米諾風險評價中[7-10].美國化學安全中心在2000年發布的導則中提出多米諾效應的概念,并認為可以納入風險評價體系中,但沒有進行詳細的闡述[11].近年來,Cozzani等[12]在多米諾效應研究上又有新的見解,建立了系統評價多米諾風險事故的程序,包括識別多米諾事故的方法以及計算擴展概率的公式,并且將GIS技術應用于多米諾事故場景的后果評價和脆弱性分析中[13].但是該方法忽略了三次和三次以上的事故,只對二次事故的評價有效.Reniers等[14]將博弈論方法用于研究不同工業企業在多米諾風險防范中的投資行為.Abdolhamidzadeh等[15]在多米諾事故概率計算中考慮了概率與時間的關系,并且采用計算機模擬技術,從而實現了諸如工業園等復雜情形的計算分析.

借鑒現有的研究成果,本文假設多米諾事故涉及二次事故和三次事故,通過多米諾事故鏈的識別、多米諾環境風險概率的計算、事故后果的分析,最終得到研究區域的環境風險水平,并以某化工園為研究對象,對不同事故場景下的環境風險水平加以比較.

本研究選取的化學工業園位于長江沿岸,四周散落居民區.園區以石油化工為主要產業,生產過程中涉及的原輔材料和中間產品大部分是易燃易爆有毒有害的危險化學品,且眾多臨近的大型儲罐間沒有有效的隔離和防護措施,一旦發生風險事故,極有可能對附近設備造成破壞,使事故危害不斷擴大.而現有區內企業的環境風險評價和園區的區域風險評價均只是針對單個風險源,并未考慮多米諾效應,其環境風險防范和應急決策難免會出現失誤,從而導致重大的環境危害.

2 多米諾事故鏈識別

由圖1可知,首先,識別研究區域內的所有風險源,從中篩選出能夠引發多米諾效應的初始事故.初始事故的類型有火災、爆炸,以及火災和爆炸同時發生的情況.雖然有毒有害物質的泄漏會間接給應急和救援工作帶來不便,但它不能直接導致其他設備失控或損壞并引發二次事故[16],因此在分析多米諾事故時沒有考慮這個因素.圖 2標示出了園區主要的風險源,共計 197個,其中148個風險源是多米諾事故風險源,涉及污染物質 50種.不難看出,研究區域內風險源密布,且靠近河流、濱臨居民區,一旦發生多米諾事故影響范圍迅速擴大,很可能造成非常嚴重的后果.

圖1 識別二次風險事故Fig.1 Definition of secondary accidents

其次,分析每個初始事故的擴展向量,并根據臨界值標準初步選擇可能的二次事故.二次事故及其臨界值見表1[17]和表2[12].

圖2 多米諾事故風險源Fig.2 Risk source of domino accidents

表1 初始事故的擴展向量及可能導致的二次事故Table 1 Escalation vectors and expected secondary accidents for the different primary accidents

最后,采用擴展概率模型計算初始事故對二次目標的擴展概率,具體見表 3[12].本文所研究的風險源中,爆炸及其產生的沖擊波超壓是主要的破壞形式,火災事故中只有池火能引發極少數的二次事故,且擴展概率較低.二者均能導致物質泄漏,提高環境風險.

三次事故的識別方法與二次事故的識別類似,只是把二次事故看作初始事故,用上述方法辨識二次事故引發的多米諾事故.初始事故及其二次事故和三次事故構成樹狀結構,即形成多米諾事故鏈.

表2 各類擴展向量的多米諾效應臨界值Table 2 Threshold values for escalation considered in domino effect

本研究假設園區的爆炸事故中 10%的危險物質參與爆炸,物質泄漏事故的源強按照10mm孔徑連續泄漏10min計算.初始事故概率及物質泄漏概率分別參考《Guidelines for Quantitative Risk Assessment (Purple Book)》[18]中對于火災爆炸概率及10mm孔徑連續泄漏概率的描述.

表3 擴展概率模型Table 3 Models for escalation probability

計算結果表明,園區內約 67.5%的風險源會引發二次事故,平均每個初始事故引發9.58次二次事故、17.21次三次事故,其中30.3%的初始事故和二次事故組合的擴展概率達到 100%.多米諾事故發生的概率如此之高,可見在評價化工園等高危場所的區域風險時,忽略多米諾現象是極不合理的.

3 多米諾事故概率計算

在計算多米諾事故概率時,要先考查兩種概率.一是在事故鏈中扮演發起者角色的初始事故的概率,即爆炸或火災的概率,它可以通過事故樹分析或者由經驗值獲得;二是每個事故在下級多米諾目標處的擴展概率,它可以根據損失擴展模型算得.有些學者試圖從數理統計的角度來解決多米諾概率問題,但所使用的概率方程大都比較復雜,特別是當涉及的事故數量比較多時,計算過程十分繁瑣且耗時.另一方面,即使能開發出較簡便的數學模型用于復雜場景的計算,但由于計算過程涉及的數值非常小,產生的舍入誤差可能會很大,使得計算結果不夠精確.因此,本文采用蒙特卡洛隨機抽樣的方法,通過構造事故間的作用關系,并在足夠多的事故場景下對各事故反復進行隨機抽樣,模擬以上兩種概率類型綜合作用的結果,進而生成事故的概率分布.二次事故情景下的事故概率計算流程如圖 3所示.計算三次事故情景下的概率是在上述基礎上進一步分析二次事故的擴展效應.模擬次數N= 109.對模型結果進行T檢驗發現,顯著性為 0.01,表明該模型有顯著差異,適用于解決所研究的問題.

通過蒙特卡洛模擬輸出的概率是考慮多米諾事故后的綜合事故概率,它與初始火災爆炸事故概率的差即是由多米諾效應引發的風險事故的概率,再將此多米諾事故的概率與相應風險源的原始物質泄漏概率相加,得到多米諾情景下的綜合環境風險概率.相較于普通事故場景,在二次事故及三次事故場景下,環境風險事故概率的增幅分別達到3.72倍和7.09倍.

4 環境風險事故后果

本研究涉及的環境風險事故是有毒有害物質泄漏,包括排放到大氣的有害物質,如氯氣、環氧丙烷、環氧乙烷、甲苯、丙烯、硝酸、甲醛等,和進入受納水體的污染物,如苯酚、甲醇、硝基苯等.

4.1 大氣污染模擬

對于大氣污染,采用SLAB大氣模型對污染物的擴散情況進行分析[19],并參照 ERPGs及AEGLs毒性標準,根據事故對人體健康的危害程度將影響范圍劃分為死亡、嚴重受傷和輕微受傷三個區域.相關研究指出,在美國如果一名人口死亡的損失是220萬美元,那么重度受傷和輕度受傷的損失分別是5000美元和200美元[20].據此,按照生命損失的相對大小,可以認為重度受傷的損害是 2.27×10-3個體死亡,輕度受傷的損害是 9.09×10-5個體死亡.需要注意的是,個別多米諾事故場景下會出現2種或3種泄漏物質各自產生的死亡區域互相重合的情況,因此需要對這些事故場景進一步具體分析,扣除重復計算的死亡人數.

圖3 蒙特卡洛分析法計算多米諾情景下的事故概率Fig.3 Probabilities of accidents under domino scenarios use Monte Carlo analysis

4.2 水體污染模擬

在水體污染預測方面,采用 USEPA推薦的EFDC-水動力和WASP-水質模擬的耦合模型[21].由于人群不是水污染事故的直接風險受體,選用濃度-價值損失率法,即某種污染物引起的水體價值損失與水體總價值的比值,來計算水體的污染損失.經調查研究區域受納水體的主要用途是生活和工業用水、漁業捕撈.其中,生活用水的臨界濃度可由《生活飲用水衛生標準》[22]獲得,工業用水的臨界濃度參照《城市污水再生利用工業用水水質》[23],漁業用水的臨界濃度參考《地表水環境質量標準》[24]III類水質標準和《漁業水質標準》[25].該方法計算出的水體經濟損失是以人民幣計量的,為了使之與其他事故類型的后果具有可比性,要對水資源損失進行一系列換算.根據國際貨幣基金組織(IMF)公布的數據,2011年美國人均GDP為48147美元,中國人均GDP為8394美元.因此,結合生命價值的研究,若經濟損失為C(萬元)人民幣,相當于C×48147/(8394×220×人民幣對美元匯率)個體死亡.本研究中,大部分風險源都設有防護池,因此進入受納水體的污染物很少,這些物質在下游取水口和漁業養殖區的濃度均遠低于臨界濃度,不會對水體的使用價值產生影響.

5 區域環境風險評價結果

在ArcGIS中對事故后果進行空間可視化表達,以事故后果和概率的乘積作為事故的風險,并將各風險事故的風險值在空間疊加,可得區域的環境風險水平.結合現有的可接受風險水平的研究及表4所列各風險等級的性質[26],以風險的對數值表示風險大小,并據此對研究區域進行區劃.

R= 8 + lgr

式中:R是十進制表示的風險值,且0

表4 不同風險等級的性質Table 4 Feature list of different risk rank

圖4顯示,考慮多米諾效應后,需要采取保護措施的區域范圍明顯擴大,不少地方的環境風險大幅增加,且這些位置與風險源集中區相對應.二次事故場景和三次事故場景的區域環境風險值分別是一次事故的6.40倍和12.32倍.相較于事故概率的增量,環境風險的增加幅度顯然更大.這是因為能產生較嚴重后果的風險源通常存儲的物質量大且毒性高,使得它們更容易引發多米諾事故,亦或在設備設計方面的缺陷使得它們更容易受到臨近風險源的影響.其結果就是風險源之間相互促進,風險后果不斷升級,進而導致區域風險進一步增加.

圖4 一、二、三次事故情景下的區域環境風險區劃Fig.4 Partition map of regional environmental risk under primary, secondary and third scenarios

6 結語

在諸如化工園等風險源相對集中的區域,某個風險源發生火災爆炸事故時,很可能會波及到臨近區域,引發其他風險源發生火災爆炸及物質泄漏事故.本文的研究結果表明,多米諾事故發生的概率相當高,其對區域整體風險水平的貢獻率甚至可以達到一次事故的 10倍以上.因此,在進行實用可靠的區域環境風險評價時,多米諾現象是不容忽視的一個重要因素.

[1]Kourniotis S P, Kiranoudis C T, Markatos N C. Statistical analysis of domino chemical accidents [J]. Journal of Hazardous Materials,2000,71(1-3):239-252.

[2]Abdolhamidzadeh B, Abbasi T, Rashtchian D, et al. Domino effect in process-industry accidents-an inventory of past events and identification of some patterns [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011,24(5):575-593.

[3]Abdolhamidzadeh B, Abbasi T, Rashtchian D, et al. A new method for assessing domino effect in chemical process industry[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010,182(1-3):416-426.

[4]UK HSE (Health and Safety Executive).Canvey: An investigation of the potential hazards from operations in the Canvey Island /Thurrock area [R]. HMSO, 1978.

[5]Bagster D F, Pitblado R M. The estimation of domino incident frequencies - an approach [J]. Process Safety and Environmental Protection, 1991,69(B4):195-199.

[6]Khan F I, Abbasi S A. Models for domino effect analysis in chemical process industries [J]. Process Safety Progress, 1988,17(2):107-123.

[7]Khan F I, Abbasi S A. An assessment of the likelihood of occurrence, and the damage potential of domino effect (chain of accidents) in a typical cluster of industries [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2001,14(4):283-306.

[8]Khan F I, Abbasi S A. Estimation of probabilities and likely consequences of a chain of accidents (domino effect) in Manali Industrial Complex [J]. Journal of Cleaner Production, 2001,9(6):493-508.

[9]Khan F I, Abbasi S A. Studies on the probabilities and likely impacts of chains of accident (domino effect) in a fertilizer industry [J]. Process Safety Progress, 2000,19(1):40-56.

[10]Khan F I, Natarajan B R, Abbasi S A. Avoid the domino effect via proper risk assessment [J]. Chemical Engineering Progress, 2000,96(11):63-72.

[11]CCPS. Guidelines for chemical process quantitative risk analysis[M]. 2nd ed. New York: American Institute of Chemical Engineers, 2000.

[12]Cozzani V, Gubinelli G, Antonioni G, et al. The assessment of risk caused by domino effect in quantitative area risk analysis [J].Journal of Hazardous Materials, 2005,127(1-3):14-30.

[13]Cozzani V, Antonioni G, Spadoni G. Quantitative assessment of domino scenarios by a GIS-based software tool [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2006,19(5):463-477.

[14]Reniers G, Dullaert W, Karel S. Domino effects within a chemical cluster: A game-theoretical modeling approach by using Nash-equilibrium [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,167(1-3):289-293.

[15]Abdolhamidzadeh B, Rashtchian D, Ashuri E. A new methodology for frequency estimation of second or higher level domino accidents in chemical and petrochemical plants using monte carlo simulation [J]. Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering-International English Edition, 2009,28(4):21-28.

[16]Tugnoli A, Khan F, Amyotte P, et al. Safety assessment in plant layout design using indexing approach: Implementing inherent safety perspective Part 2-Domino hazard index and case study [J].Journal of Hazardous Materials, 2008,160(1):110-121.

[17]Cozzani V, Gubinelli G, Salzano E. Escalation thresholds in the assessment of domino accidental events [J]. Journal of Hazardous Materials, 2006,129(1-3):1-21.

[18]Committee for the prevention of disasters. Guidelines for quantitative risk assessment (Purple book), CPR18E [M]. New York: The Hague, 2005.

[19]孫燕君,錢 瑜,張玉超.蒙特卡洛分析在氯氣泄漏事故環境風險評價中的應用研究[J].環境科學學報, 2011,31(11):2570-2577.

[20]Arunraj N S, Maiti J. A methodology for overall consequence modeling in chemical industry [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,169(1-3):556-574.

[21]李林子,錢 瑜,張玉超.基于EFDC和WASP模型的突發水污染事故影響的預測預警 [J]. 長江流域資源與環境, 2011,20(8):1010-1016.

[22]GB5749-2006 生活飲用水衛生標準 [S].

[23]GB/T19923-2005 城市污水再生利用 工業用水水質 [S].

[24]GB3838-2002 地表水環境質量標準 [S].

[25]GB11607-89 漁業水質標準 [S].

[26]Xu L, Liu G. The study of a method of regional environmental risk assessment [J]. Journal of Environmental Management,2009,90(11):3290-3296.