危險(xiǎn)化學(xué)品道路運(yùn)輸事故對環(huán)境敏感區(qū)影響研究

陳文瑛副教授 王如平 張 蒙 孫寶平講師

(1.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 管理工程學(xué)院，北京 100070；2.城市群系統(tǒng)演化與可持續(xù)發(fā)展的決策模擬研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100071)

0 引言

危險(xiǎn)化學(xué)品(簡稱危化品)道路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)是區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的主要類型之一，其中危化品道路運(yùn)輸泄漏事故占危化品道路運(yùn)輸總事故的80%以上，如2014年“3.1”晉濟(jì)高速陜西晉城段甲醇貨車碰撞泄漏起火事故、2020年“6.13”沈海高速溫嶺段液化石油氣運(yùn)輸槽罐車泄漏爆炸事故，均造成大范圍的環(huán)境污染和破壞，生態(tài)環(huán)境的破壞是不可逆的，而社會環(huán)境的損失必然會導(dǎo)致惡劣的社會影響。因此，如何預(yù)測危化品道路運(yùn)輸泄漏事故后果發(fā)展走向、評估事故造成的環(huán)境敏感區(qū)破壞程度，對加強(qiáng)區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)安全管控具有現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對危化品道路運(yùn)輸事故后果研究多集中于事故影響范圍為基礎(chǔ)的定性研究以及與此相關(guān)的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)研究。Nilambar Bariha等以印度一個(gè)液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，LPG)油罐車事故為例驗(yàn)證點(diǎn)源火焰模型、固體火焰模型、PHAST軟件和ALOHA軟件的準(zhǔn)確性; Uday Kumar Chakrabarti等運(yùn)用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)和ALOHA軟件對6種Ⅱ類危化品在某一特定路線上發(fā)生事故(如BLEVE等)的概率、事故影響范圍以及傷亡人數(shù)進(jìn)行研究，從而評估該路線危化品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn); Fahad等將ArcG1S與ALOHA相結(jié)合以確定事故影響區(qū)域，對科威特汽油運(yùn)輸造成的沿線人員風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。由此可見，人員傷亡情況被諸多學(xué)者選為事故后果定量風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)。然而，危化品泄漏事故對環(huán)境的污染及建筑物的損害亦十分重要。李威臻采用ALOHA軟件與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，對危化品泄漏事故后果動態(tài)過程進(jìn)行模擬，計(jì)算人員中毒環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量級，以ALARP原則判定企業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的容許水平，但其對于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算僅以死亡人數(shù)為基準(zhǔn)開展，不利于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)容許水平的精確判定；2016年，Bahareh Inanloo將高斯模型與ArcGIS軟件相結(jié)合，對危化品運(yùn)輸路徑下暴露人員風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、時(shí)間延誤費(fèi)用和路段運(yùn)輸費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，此研究以事故影響范圍與環(huán)境脆弱區(qū)域接近程度為考量標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更全面的計(jì)算，結(jié)果表明，危化品運(yùn)輸事故對沿線環(huán)境具有不可忽視的影響。

綜上可見，危化品運(yùn)輸事故對事故區(qū)域沿線人員及環(huán)境均存在不同程度的影響，尤其對周圍環(huán)境會造成不可逆的損害。然而，前人在危化品事故環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面的研究大多聚焦于人員健康影響引伸出的社會環(huán)境問題，對于事故導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境不可逆破壞以及重要建筑物和具有社會功能的公共場所損壞尚缺乏研究與思考。故筆者基于不同天氣、道路特征等條件對危化品道路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)分析危化品道路運(yùn)輸事故對環(huán)境敏感區(qū)造成的后果影響，研究不同特征不同功能的環(huán)境敏感區(qū)對事故的承受能力，討論環(huán)境承載力不同所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)差異。

1 危化品道路運(yùn)輸事故環(huán)境敏感區(qū)后果

1.1 環(huán)境敏感區(qū)分類

針對城市環(huán)境，本文重點(diǎn)討論危化品運(yùn)輸事故對生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)和社會環(huán)境敏感區(qū)的影響。將生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)分為公共綠地敏感區(qū)、森林公園敏感區(qū)、風(fēng)景名勝敏感區(qū)、文化古跡敏感區(qū)；將社會環(huán)境敏感區(qū)分為大學(xué)校園、地鐵站、醫(yī)院、住宅區(qū)以及商業(yè)綜合區(qū)。社會環(huán)境敏感區(qū)指遭受事故后果的影響后，會波及社會服務(wù)功能、影響城市運(yùn)轉(zhuǎn)、造成不良社會影響的區(qū)域。

1.2 環(huán)境敏感區(qū)后果計(jì)算

1.2.1 環(huán)境敏感區(qū)后果值計(jì)算

環(huán)境敏感區(qū)受事故影響程度與事故發(fā)生地相對位置、環(huán)境敏感區(qū)功能特性有關(guān)。基于此以權(quán)重計(jì)算形式表征具有不同功能特性的環(huán)境敏感區(qū)重要程度，并充分考慮敏感區(qū)所處位置的污染物濃度梯度及爆炸下限范圍。

事故造成的環(huán)境敏感區(qū)后果為生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)破壞程度與社會環(huán)境敏感區(qū)破壞程度的加權(quán)求和，見公式(1)：

(1)

式中：

E

—環(huán)境敏感區(qū)破壞后果，其意義為事故對一定面積環(huán)境敏感區(qū)造成的破壞程度的定量化表示；

ω

—生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)破壞后果權(quán)重；

ω

—社會環(huán)境敏感區(qū)破壞后果權(quán)重；

ω

—第

i

個(gè)生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)破環(huán)后果權(quán)重，其中生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)分為4類，

i

最大為4；

e

—第

i

個(gè)生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)破壞后果值；

ω

—第

i

個(gè)社會環(huán)境敏感區(qū)破壞后果權(quán)重，其中社會環(huán)境敏感區(qū)分為5類，

i

最大為5；

e

—第

i

個(gè)社會環(huán)境敏感區(qū)破壞后果值。事故對全部環(huán)境敏感區(qū)的破壞后果值用

e

表示，其計(jì)算與具體敏感設(shè)施面積相關(guān)：

(2)

式中：

A

—第

i

個(gè)環(huán)境敏感區(qū)類別中第

j

個(gè)區(qū)域設(shè)施的面積；

z

—第

i

個(gè)環(huán)境敏感區(qū)類別中第

j

個(gè)區(qū)域設(shè)施的破壞程度，根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]生態(tài)環(huán)境破壞等級分級標(biāo)準(zhǔn)，將

z

分為五級。考慮不同種類危化品具有不同接觸濃度傷害閾值及傷害影響后果，本文選取液氨進(jìn)行實(shí)例研究，參考文獻(xiàn)[11]中給出了液氨泄漏后果概率函數(shù)法及死亡概率和死亡率的轉(zhuǎn)化關(guān)系，

z

的值以概率函數(shù)法計(jì)算得到的人員死亡率為依據(jù)劃分量級，并根據(jù)主要危險(xiǎn)確定，即

f

=

A

+

B

ln(

C

t

)

(3)

(4)

式中：

A

、

B

、

n

—取決于有毒物質(zhì)性質(zhì)，液氨取

A

=-5.3，

B

=0.5，

n

=2.75；

C

—有毒物質(zhì)的擴(kuò)散濃度，mg/m；

t

—人員有毒物質(zhì)的接觸時(shí)間，min，本文實(shí)例取

t

=30min；

LEL—危化品的爆炸下限；

Δ

p

—危化品的超壓值，Pa。

1.2.2 環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重確定

本文基于熵權(quán)法確定環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重。

(1)社會環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重確定。

第一步：構(gòu)建指標(biāo)體系。權(quán)重計(jì)算以發(fā)生事故后對8個(gè)方面的影響為依據(jù)：民族團(tuán)結(jié)、文娛及教育、城市建設(shè)及其發(fā)展、人民生活供應(yīng)、當(dāng)?shù)毓芾頇C(jī)構(gòu)、人民衛(wèi)生保健、國家威望、社會輿論。收集5位環(huán)境安全領(lǐng)域?qū)＜乙庖姡?分、5分、10分3個(gè)等級表征環(huán)境敏感區(qū)受損對8個(gè)評價(jià)指標(biāo)的影響程度大小，對指標(biāo)無影響為1分，一般影響為5分，極大影響為10分。對5位專家打分結(jié)果做平均值處理，將平均值結(jié)果與3個(gè)影響等級分別做差，取絕對值最小的等級為最終打分結(jié)果，見表1。

表1 社會環(huán)境敏感區(qū)破壞對評價(jià)指標(biāo)影響情況得分表Tab.1 The score table of the social environmental sensitive areas destruction impact on the evaluation index

第二步：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(5)

第三步：確定評價(jià)指標(biāo)信息熵。

(6)

(7)

式中：

P

—第

u

個(gè)指標(biāo)占第

i

個(gè)社會敏感區(qū)的比重；

Y

—第

u

個(gè)指標(biāo)的熵值。則8個(gè)評價(jià)指標(biāo)

u

的熵值，見表2。

表2 社會環(huán)境敏感區(qū)評價(jià)指標(biāo)u的熵值Tab.2 The entropy value of the evaluation index u in social environmental sensitive areas

第四步：計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。熵值越小，對方案的評價(jià)作用越大，引入差異系數(shù)

D

，

D

越大，指標(biāo)對方案的影響越大。差異系數(shù)

D

和評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

S

見公式(8)、(9)。

D

=1-

Y

(8)

(9)

式中：

m

—評價(jià)指標(biāo)數(shù)量，本文

m

=8。

第五步：確定各環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重。

(10)

式中：

W

—各類型社會環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重，見表3。

表3 社會環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重Tab.3 The weight of social environmental sensitive areas

(2)生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重確定。生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重計(jì)算指標(biāo)包括：水域、山體、文化古跡、農(nóng)業(yè)種植區(qū)及公共綠地區(qū)。參考文獻(xiàn)[12]中計(jì)算得到上述5項(xiàng)指標(biāo)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重分別為0.32、0.11、0.26、0.23、0.08，引用此結(jié)論，基于熵權(quán)法計(jì)算生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重，見表4。

表4 生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)權(quán)重Tab.4 The weight of ecological environment sensitive areas

計(jì)算結(jié)果表明，社會環(huán)境敏感區(qū)中，醫(yī)院、大學(xué)以及住宅區(qū)權(quán)重較高，生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)中，公共綠地和風(fēng)景名勝權(quán)重較高，即這些環(huán)境敏感區(qū)對事故后果破壞程度的影響更大。

2 案例應(yīng)用

北京六環(huán)總長186.7km，連接多處高速公路及7個(gè)區(qū)縣。作為中國首都北京市的重要交通路線，北京六環(huán)途經(jīng)多處歷史古跡與文化名勝，周邊分布著人們生產(chǎn)生活所依賴的眾多敏感設(shè)施，致使北京六環(huán)多處路段均存在不同隱患，一旦發(fā)生事故，其后果影響程度不可忽視。

2.1 運(yùn)輸路線分段

北京六環(huán)包括北六環(huán)、東六環(huán)、南六環(huán)、西六環(huán)4條路線，分別命名為：R、R、R、R。Reniers等認(rèn)為在劃分路段時(shí)，各路段參數(shù)如路外人口密度、路外人口密集場所、事故率及路段脆弱性等應(yīng)具有一致性。基于此運(yùn)用ArcGIS軟件將北京六環(huán)劃分為17個(gè)路段，同一路段參數(shù)視為相同。

r

代表第

p

條路線上的第

q

個(gè)路段。

2.2 環(huán)境敏感區(qū)事故后果量化結(jié)果

本文選取液氨作為實(shí)例場景下的危化品。各路段所包含的環(huán)境敏感區(qū)重點(diǎn)設(shè)施分布，如圖1。

圖1 北京六環(huán)生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)、社會環(huán)境敏感區(qū)敏感設(shè)施分布Fig.1 The distribution of sensitive facilities in the ecological environment sensitive area and social environment sensitive areas of Beijing Sixth Ring Road

基于ALOHA進(jìn)行北京六環(huán)液氨道路運(yùn)輸事故后果建模，獲得不同天氣、道路條件下的事故影響范圍，結(jié)合ArcGIS可視化，獲得影響范圍內(nèi)各環(huán)境敏感區(qū)重點(diǎn)設(shè)施所在位置及面積。根據(jù)公式(1)、(2)可得各路段環(huán)境敏感區(qū)破壞后果值及路線總后果值，如圖2、3。

圖2 北京六環(huán)各路段生態(tài)及社會環(huán)境敏感區(qū)破壞后果Fig.2 The consequence of ecological and social environmental sensitive areas destruction in Beijing Sixth Ring Road

圖3 北京六環(huán)各路線環(huán)境敏感區(qū)后果值Fig.3 The consequence values of environmentally sensitive areas in Beijing Sixth Ring Road

結(jié)果表明，社會環(huán)境敏感區(qū)相關(guān)敏感設(shè)施分布比生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)更加廣泛，但生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)的破壞后果值遠(yuǎn)大于社會環(huán)境敏感區(qū)，即事故對生態(tài)環(huán)境造成的破壞更加嚴(yán)重，甚至具有不可逆性，此特征具體表現(xiàn)在路段

r

、

r

上。4條路線中，事故導(dǎo)致環(huán)境敏感區(qū)破壞后果更嚴(yán)重的為東六環(huán)和西六環(huán)，其中西六環(huán)的事故后果值最大。

3 驗(yàn)證

危化品道路運(yùn)輸事故風(fēng)險(xiǎn)表示為事故率和事故后果的乘積。

以Harwood提出的危化品運(yùn)輸事故率計(jì)算為依據(jù)，基于道路、天氣條件引入修正系數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到最終危化品道路運(yùn)輸事故率。以參考文獻(xiàn)[17]提出的暴露人口計(jì)算方法為基礎(chǔ)進(jìn)行人員死亡后果計(jì)算，考慮路上影響人員和路外影響人員，最終得到某路段事故死亡總?cè)藬?shù)即為人員死亡后果，事故總后果值為環(huán)境敏感區(qū)后果與人員死亡后果之和。

基于任常興等提出的危化品道路運(yùn)輸現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)分級指數(shù)評價(jià)法對北京六環(huán)各路段進(jìn)行現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算，與本文量化結(jié)果對比，如圖4。

圖4 北京六環(huán)液氨道路運(yùn)輸事故路段風(fēng)險(xiǎn)值與現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)值對比Fig.4 The comparison between risk value and actual risk value of the liquid ammonia transportation accident in Beijing Sixth Ring Road

結(jié)果顯示，二者風(fēng)險(xiǎn)值分布趨勢基本相同。由于危化品道路運(yùn)輸現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)分級指數(shù)評價(jià)法考慮安全管理水平，因此存在個(gè)別路段風(fēng)險(xiǎn)值相差過大，但整體風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果一致，因此本文提出的旨在量化環(huán)境敏感區(qū)后果的危化品道路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型具有一定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過以環(huán)境敏感區(qū)破壞后果為重點(diǎn)的事故后果量化評估，考慮不同環(huán)境條件對危化品道路運(yùn)輸事故后果的影響差異，進(jìn)行危化品道路運(yùn)輸事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及分析，研究結(jié)論如下：

(1)將本文危化品道路運(yùn)輸事故風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算結(jié)果與危化品道路運(yùn)輸現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)分級指數(shù)評價(jià)法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果顯示二者風(fēng)險(xiǎn)趨勢一致，即運(yùn)用優(yōu)化后的危化品道路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型對環(huán)境敏感區(qū)進(jìn)行后果影響評估具有一定準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

(2)對危化品道路運(yùn)輸事故后果計(jì)算依據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，基于熵權(quán)法討論環(huán)境敏感區(qū)及具體敏感設(shè)施分類，結(jié)果表明社會環(huán)境敏感區(qū)中醫(yī)院、大學(xué)以及住宅區(qū)所占權(quán)重較高，生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)中公共綠地和風(fēng)景名勝權(quán)重較高，即以上環(huán)境設(shè)施對事故后果的承載能力更小，事故破壞影響更大。

(3)基于北京六環(huán)現(xiàn)實(shí)交通狀況及環(huán)境條件進(jìn)行液氨道路運(yùn)輸實(shí)例計(jì)算，其環(huán)境敏感區(qū)后果研究表明，社會環(huán)境敏感區(qū)存在范圍更廣，但其事故后果值小于生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)后果值，這與生態(tài)環(huán)境破壞的不可逆性有關(guān)；北京六環(huán)各路段中

r

、

r

路段的環(huán)境敏感區(qū)后果更為嚴(yán)重，4條路線中西六環(huán)環(huán)境敏感區(qū)破壞后果值最大，因此，危化品道路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)管理中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注北京西六環(huán)路段的風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)警。