集裝箱碼頭危險品事故模擬研究

喬建哲+常華+壽幼平

摘要：指出了近年來隨著安全意識的提高，危險品事故受到人們高度關注和重視，港口航運業危險品的運輸方式以集裝箱為主，通過對集裝箱碼頭風險事故類型歸納總結，提出了污染物預測源強的篩選方式，對碼頭危險品泄露事故進行預測，給出了典型危險品泄漏事故的污染范圍，以天津港東疆集裝箱碼頭二期為例，計算結果表明：集裝箱運輸及裝卸過程中產生的風險事故影響范圍不大，在采取相應措施的前提下，其風險是可控的。

關鍵詞：危險品；數值模擬；風險

中圖分類號：U698.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）2-0062-05

1 引言

由于集裝箱具有較高的運輸效率和便利性， 世界約76.2%的化學危險品通過海上集裝箱來運輸[1]。由于危險品本身的特殊潛在危險性，一旦發生非正常突發事故，對環境會造成較大影響[2]。

2015年8月12日，位于天津市濱海新區天津港的瑞海國際物流有限公司危險品倉庫發生火災爆炸事故，造成重大人員傷亡和財產損失。事故現場的危險化學品燃燒造成周邊區域環境空氣污染，對周邊居民安全造成威脅。天津港“812”爆炸事故發生后，各地安全、環保管理部門對該問題高度重視，開展了針對危險品堆存環節的清查，并帶動了對于該工藝環節風險控制的理論研究。

筆者針對集裝箱碼頭的裝卸運輸環節展開研究，對事故概率較高的典型風險事故進行分析，給出污染物擴散的范圍。為管理部門制定相應類型項目的應急預案及提供依據。

2 集裝箱碼頭風險事故典型類型

2.1 風險環節分析

集裝箱碼頭（不考慮堆存）風險事故的主要發生環節包括水上運輸、裝卸、陸上運輸三個環節[3]。

2.1.1 水上運輸

水上運輸過程包括船舶航行過程、到港靠泊、錨地停泊等。水上污染事故主要分為兩類，分別是油污染事故和化學品泄漏事故，多為船舶交通事故引起。根據以往事故發生的規律，船舶事故主要發生在港區碼頭和航道。根據多項事故類型和事故誘因的統計分析，事故多發生于港區或沿岸地區。統計歸納典型事故誘因參考表1。

2.1.2 裝卸

集裝箱運輸本身就是比較安全的運輸形式，發生在裝卸環節的大規模集裝箱污染事故很少發生。根據本項目危險品裝卸的特點，該過程可能發生的污染事故及原因見表2。

表2 裝卸過程事故類型及原因

事故類型事故原因危害

危險品泄漏操作失誤、設備故障、技術缺陷導致箱體破損，引發泄漏事故泄漏危險品隨雨水排口排入海洋引起水體污染

危險品爆炸操作失誤、設備故障、技術缺陷導致箱體破損，在極端條件下引發危險品爆炸氣態危險品擴散至大氣至周圍人員中毒

2.1.3 陸上運輸

車輛運輸事故，多數是車輛運行時，由于司機、車況、氣候等原因而可能發生的相撞、追尾事故等。惡劣海況和天氣狀況、起火、疲勞駕駛、酒后開車等是主要原因（表3）。

危險品運輸最不利影響在于所運輸的是劇毒及污染性較大的物質，并灑落至地表水域，因為危險物質一旦發生泄漏進入水域，會引起局部水域水質污染，對環境的影響及破壞極大。一旦發生此類事故，有關管理部門必須給予高度重視。但這類危險品均系密封桶裝運輸，故出現泄漏可能性不大。工程運營期存在一定的運輸事故風險，大型集裝箱車輛載有危險品貨物時會構成一定的環境污染風險。

2.2 危險品類型分析

危險品種類按照“國際危規”中的分類標準要求，它們分別分9大類12小類幾千個品種[4]，其各自的理化性質不一，多具有易燃、易爆、有毒、腐蝕等危險特性。概括的說，針對本項目的危險品運輸可能對水域產生的影響進行風險預測分析，根據貨種的特性主要針對4類進行分析：

①沉淀型。d>1，且不溶于水。

②溶于水。溶于水前不易揮發，不易蒸發。可以以可溶性有毒物質如丙烯酸入水中為代表進行預測。

③不溶于水。d<1，不易揮發。可以以油品作為代表物種進行預測分析，同溢油事故相似。

④揮發型。d<1，易揮發，低閃電物質在數分鐘內揮發。此類物質基本上屬于液體化工品，基本上均由專門的液體化工品碼頭輸運。因此在此不針對此種物質進行入水后擴散的環境風險預測。

3 預測貨種及源強選取

3.1 泄漏入海

3.1.1 貨種選取

入海化學品篩選的主要原則為：選取運量最大的貨種及對海水水質影響最嚴重的貨種進行預測。其中運量最大貨種主要參考該地區同類項目從運行至今各類貨種的運輸比例確定，對海水水質影響最嚴重的貨種則是根據所有運輸貨種中海水水質指標最為嚴格的貨種進行確定。篩選的種類盡量選取具有相應水質標準的品種。

3.1.2 源強選取

隨著集裝箱碼頭裝卸作業日趨專業化、規范化，發生集裝箱整箱入海，以及箱內各個小包裝單元同時發生泄漏產生一個瞬時高源強的情況的發生概率極低，對于事故狀態下的應急沒有指導意義。筆者建議考慮小包裝泄漏作為風險事故預測源強。

3.2 氣態污染物

氣態物質篩選時主要參考了以下幾類參數。

（1）IDLH：立即威脅生命和健康濃度（Immediately Dangerous to Life or Health concentration）。

（2）MAC：最高容許濃度（Maximum Allowable Concentration）。

（3）PC-STEL：短時間接觸容許濃度（Permissible Concentration-Short Term Exposure Limit）。

（4）PC-TWA：時間加權平均容許濃度（Permissible Concentration-Time Weighted Average）。

以上四類參數中IDLH、MAC、PC-STEL表征短時間對人體產生危害，更適用于本項目風險預測條件。通過數據對比發現IDLH以立即威脅生命為參考標準，數值偏高，筆者推薦采用化學品中MAC、PC-STEL最低值化學品作為預測因子。

4 碼頭危險品泄露預測分析

天津港東疆集裝箱碼頭二期工程位于天津港東疆港區，占用岸線1441 m。根據規范計算布置4個泊位，可同時停靠3艘20萬t級集裝箱船，或者停靠3艘15萬t級和1艘2萬t級集裝箱船。設計年吞吐量300萬TEU。

4.1 危險品泄漏入海

4.1.1 預測模式

預測采用數值模擬法，計算域從南至北包含了南港、臨港、天津港、臨海新城、中心漁港所在海域，取為75 km×45 km的矩形區域，計算海域驗證資料取用2012年的水文資料，通過Mike21的MT模塊進行計算。

4.1.2 預測源強

該工程為含危險品的集裝箱碼頭，運輸品包括多種可溶性化學品，根據運量與毒性等特點，預測中選擇海水水質標準中最嚴格的兩種代表性貨種作為代表物質進行計算，分別為硫化鈉（海水水質標準，限值0.02 mg/L）和氰化鈉（海水水質標準，限值0.005 mg/L），其相應的小包裝單元分別為0.1 t、0.05 t，預測中以小包裝單元作為瞬時源強進行計算，預測代表點選取碼頭前沿。

4.1.3 碼頭前沿泄漏預測結果

圖1和圖2為代表性可溶化學品在碼頭前沿泄漏后的預測結果。從圖1中可以看出，以氰化鈉為例，漲潮期發生泄漏事故時污染云團隨流向西北方向漂移擴散，大于0.005 mg/L濃度的污染物6 h的漂移距離約0.8 km，掃海面積約為11.5 hm2，污染范圍在港池疏浚范圍內；落潮期發生泄漏事故時污染云團隨流向西南方向漂移擴散，6 h的漂移距離為0.7 km，掃海面積約為11.7 hm2，預測結果表明漲落潮超0.005 mg/L濃度的污染物均不會影響周邊環境敏感目標。

4.2 氣態危險品泄露

針對揮發性強的危險品貨種泄漏事故對陸域環境敏感目標的影響問題，通過對化學品理化性質及毒性進行篩選，最終選取氯作為氣態物質預測因子。

4.2.1 源項確定

根據液氯的包裝類型，根據《氣瓶安全監察規定》，液氯的包裝密度不能高于1.25 kg/L，其包裝為400 L（500 kg）鋼瓶包裝，儲罐內徑為0.6 m，高為1.8 m。

4.2.2 預測條件

天津區域7月份平均氣溫27℃，一般認為，儲罐液體溫度高于室溫2～3℃，本次計算按30℃考慮，在該溫度下，液氯鋼瓶的壓力一般為35.6 MPa；根據《建設項目環境風險評價技術導則》中推薦的公式，液氯泄漏采用計算式為：

QLG=CdA2ρm（P-PC）

式中：

QLG為兩相流泄漏速度，kg/s；

Cd為兩相流泄漏系數，可取0.8；

A為裂口面積，m2；

P為操作壓力或容器壓力，Pa；

PC為臨界壓力，Pa，可取PC=0.55P；

ρm為兩相混合物的平均密度，kg/m3，由下式計算得，ρm =28.23 kg/m3：

ρm=1FVρ1+1-FVρ2

式中：

ρ1為液體蒸發的蒸氣密度，kg/m3，3.17 kg/m3；

ρ2為液體密度，kg/m3，為1250 kg/m3；

FV為蒸發的液體占液體總量的比例，由下式計算得到FV=0.11。

FV=Cp（TLG-TC）H

式中：

Cp為兩相混合物的定壓比熱，J/（kg·K），0.476 kJ/（kg·K）；

TLG為兩相混合物的溫度，303.15K；

TC為液體在臨界壓力下的沸點，238.55K；

H為液體的氣化熱，J/kg，液氯為280kJ/kg。

一般而言，液氯鋼瓶泄漏時泄漏孔的面積較小，一般情況下，僅為接口處發生裂縫，在該種情況下，泄漏孔徑一般小于1cm，本計算預測按1 cm考慮，泄漏源強列于表4中。

表4 泄漏源強

事故類型泄漏速度/（g/s）持續時間/s

一般情況下小孔徑泄漏（泄漏孔徑1 cm）18.8926473

為了考慮最高容許濃度（MAC）和IDLH（立即威脅生命和健康濃度）對保護目標的影響，預測了0.5 h平均濃度的影響。為了考慮LC50對保護目標的影響，預測了4 h平均濃度的影響。

4.2.3 評價標準

分別采用氯的IDLH（立即威脅生命和健康濃度）為88 mg/m3；MAC（最高容許濃度）為1 mg/m3。氯的LC50值（大鼠吸入）為850 mg/m3。

4.2.4 影響預測分析

根據計算結果可知（表5、圖3），在D類穩定度年均風速1 m/s氣象條件下，如不采取及時有效的措施，軸線最大濃度為23.41 mg/m3。造成MAC值（1 mg/m3）最大超標面積為4.04萬m2；由于該濃度低于IDLH值（88 mg/m3），因此對應該項參考指標沒有超標范圍。

環境保護目標處半小時最大濃度出現在東疆人工沙灘，濃度為0.0136 mg/m3，環境保護目標處國際展銷中心、東疆灣賓館，濃度值為0.0118 mg/m3，環境保護目標處瞰海軒、上東灣，濃度值為0.0105 mg/m3，環境保護目標處國際郵輪母港商貿區最大濃度值為0.0033 mg/m3，均能夠滿足氯的MAC值、IDLH值的要求。4 h最大濃度未超過LC50值（850 mg/m3），敏感目標處最大值出現在東疆人工沙灘，濃度為0.0092 mg/m3，低于LC50值的要求，氯泄漏對環境保護目標的影響較小。根據計算結果可知，在D類穩定度年均風速4 m/s氣象條件下，如不采取及時有效的措施，軸線最大濃度為4.71 mg/m3，造成MAC值最大超標面積為7.23萬m2，由于該濃度低于IDLH值，因此，對應該項參考指標沒有超標范圍。

環境保護目標處0.5 h最大濃度出現在瞰海軒、上東灣，濃度值為0.0682 mg/m3，環境保護目標處東疆人工沙灘，濃度為0.0385 mg/m3，環境保護目標處國際郵輪母港商貿區最大濃度值為0.0259 mg/m3，環境保護目標處國際展銷中心、東疆灣賓館，濃度值為0.0250 mg/m3，環境保護目標處濃度均能夠滿足氯的MAC值、IDLH值的要求，氯泄漏對環境保護目標的影響較小。

4 h最大濃度未超過LC50值（850 mg/m3），敏感目標處最大值出現在瞰海軒、上東灣，濃度為0.0455 mg/m3，低于LC50值的要求，氯泄漏對環境保護目標的影響較小。

總體而言，當發生陸域泄漏時，軸線最大濃度在小風速時較大、大風速時較小。這是由于大風速時污染物容易擴散，而對于環境保護目標的影響，由于距保護目標較遠，小風速時污染物到達保護目標的時間較長，而且泄漏源是暫時的，因此，對保護目標的影響，大風速時影響反而比小風時大，但這種影響對應的污染物濃度值較低，造成的影響并不大。

綜上所述，當發生陸域泄漏時，氯氣泄漏對堆場內的影響較大，因此，在有毒貨種作業時，作業人員應佩帶個體防護用品。并且應嚴格控制本工程營運階段的管理工作，杜絕此類事故的發生。

5 結論

研究針對集裝箱碼頭在運輸和裝卸環節的風險事故類型進行了歸納總結，提出了污染物預測源強的篩選方式，將事故類型劃分為危險品泄漏入海及氣態污染物泄露兩大類。針對具體項目給出了風險源篩選過程及污染物擴散的預測結果。根據預測結果可知，集裝箱作業作為一種清潔的運輸方式，在不考慮“違法違規經營”等主觀人為因素的前提下，其造成的事故后果不大，在采取相應措施后是可控的。與散裝運輸相比，其運輸更為安全便利。

參考文獻：

[1]王劍波.某港新建集裝箱碼頭危險品箱種類分析[J].中國水運，2015（8）：26～28.

[2]劉長兵.港口危險品集裝箱運輸環境風險評價方法與應用[J].交通環保，1997（2）：16～19.

[3]王 寧.危險品集裝箱碼頭環境風險事故預防管理對策措施[J].科技資訊，2012（23）：209.

[4]交通運輸部，水路危險貨物運輸規則[S].北京：交通運輸部，1996.

Numerical Simulation on Hazardous Material Accident of Container Terminal

Qiao Jianzhe1， Chang Hua2， Shou Youping1

（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering， M.O.T， Tianjin 300456， China；

2.Tianjin Teda Water Supplying Company， Tianjin 300457， China）

Abstract： In recent years， with the improvement of safety awareness， the accidents of hazardous materialget more attention， the mode of transportation of hazardous material in the port and shipping industry is mainly based on the container.This paper summarized the types of container terminal accident， put forward amethod to select source strength of pollutants forecastand provided pollution range of typical hazardous materialaccident.Taking Tianjin Dongjiang port container terminal phase II as an example， the calculation results showed that pollution range of hazardous materialaccidentwas not wide，under the premise of taking corresponding measures， the risk was controllable.

Key words： hazardous material； numerical simulation； risk