作者简介: 刘毅(1975—), 男(汉), 辽宁, 教授。E-mail:yi.liu@mail.tsinghua.edu.cn
为定量评估石化园区规划中的区域尺度大气环境风险水平,该文从源头预防高风险产业集聚导致的布局矛盾,综合运用风险识别技术、 CALPUFF大气扩散模型、空间分析方法,构建了石化园区规划层面大气环境风险模拟方法。以某石化园区规划为例,对涉及丙烯腈、氯气、光气、硫化氢、氨气的6个重大危险源的大气风险开展了不同季节下的事故扩散模拟。结果表明:1141.5km2(占评价区域98.7%)范围内大气环境风险水平不同程度提高,其中事故后可能对人体造成不可恢复影响的范围达到326.5km2(28.2%); 秋季气象条件最不利于事故扩散,区域风险水平高于其他季节;二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)项目对区域大气风险水平变化的贡献超过90%。
An integrated method combining risk analysis, a CALPUFF dispersion model, and spatial analyses, were used to assess the regional atmospheric risk caused by major risk sources in petrochemical park plans. A typical petrochemical park in the planning stage was selected as the case study. The risks of six major sources, involving chlorine, phosgene, hydrogen sulfide, ammonia and acrylonitrile, were simulated in different seasons. The results show that the atmospheric risk is increased in 98.7% of the region 1141.5 km2. In 28.2% of the area, i.e. 326.5 km2, human health may be adversely affected after some accidents. The meteorological conditions in the fall are not conducive to pollution dispersion. The highest risks come from the diphenyl methane diisocyanate producing(MDI) project that contributes more than 90% of the increment in the regional atmospheric risk.
近年来石油化工园区快速发展,随着大量高风险企业和装置在有限空间内大规模集聚,独立风险事故的发生频率显著增加,园区的环境风险呈现出显著的区域性特征[1,2]。以布局38个重大石化项目的大连大孤山半岛区域为例,仅2010年7月至2013年6月间即发生5起重特大环境事故。石化项目事故后气态污染物的扩散具有传播速度快、扩散范围广、对呼吸系统危害大的特点,是石化园区风险区域性影响的主要特征之一,也是园区发展与附近居住、商业用地的主要空间矛盾之一[3]。
项目层面的环境风险评价是当前环境风险管理的主要工具之一,对于约束单个项目的风险起到了重要作用; 但建设项目环境风险评价往往只关注单个项目的风险场,难以指导园区层面的风险管理[4]。为实现园区风险的源头预防,有必要在规划阶段对园区整体风险进行系统评估[5]。从园区规划对周边区域可能造成的中长期影响角度看,园区规划的风险具有“场”的特征; 识别园区内多风险源、多种物质的风险场在空间上的累积效应是规划阶段的区域大气风险评价的关键。
目前,国内外针对石化园区事故大气风险的模拟和预测进行了广泛研究,开发了大量的实用风险预测工具[6,7],形成了以个人风险和社会风险为主的环境风险表征体系[8]。但这些方法多针对已有项目单源、单物质的风险场,对涉及多源、多物质的区域性风险机理探究不足; 人体健康风险表征方法在物质浓度预测基础上,引入了基于动物实验外推的剂量效应关系,由此带来的不确定性[9]可能影响风险评价结论的准确性; 同时模拟工具的过度简化忽略了区域本身复杂的地形和实际气象条件,严重影响了较大区域下大气风险模拟的科学性和准确性[10]。
为对园区规划多源、多物质风险场的空间累积效应进行准确的模拟和评价,本文综合风险识别技术、 CALPUFF大气扩散模型[10,11]、网格化区域风险表征方法、空间分析技术,构建石化园区规划大气风险评价方法,以某石油化工园区规划为案例,对规划重点风险源导致的园区总体风险场变化、工业布局与附近居住商业用地布局矛盾等进行探讨。
与建设项目环境风险评价相比,园区规划阶段的风险评价在评价对象、关键问题、调控目标等方面均具有显著差异。针对规划阶段风险源信息模糊性强的特点以及空间布局矛盾对大气风险模拟精确性和表征准确度的需求,本文参考经典风险评价流程[12],提出园区规划大气风险评价方法(图1)。
 | 图1 高风险园区规划大气风险模拟方法 |
1.1.1 风险类型与规划风险源识别
火灾、泄漏、爆炸等事故性风险是建设项目环境风险评价中最主要的风险类型。根据园区产业规划,参考国内同类工业园区、同类重大项目信息,统计规划项目可能的工艺及主要装置规格,确定可能的危险物质储量或在线量。根据《建设项目环境风险评价技术导则》(HJ/T 169—2004)[13]、《危险化学品重大危险源辨识》(GB 18218—2009)[14]等标准和规范,筛选评估重点物质及风险源。
1.1.2 CALPUFF大气扩散模型中的风险源概化
CALPUFF大气扩散模型中的源项包括点源、面源、线源、体源这4种类型,其中点源是风险模拟中最常采用的源项类型[11,15],但必需的参数(如烟气初始速度、气体温度等)在规划阶段信息不足情况下存在较大不确定性,可能引起较大的模拟误差。石化园区中重大火灾事故多发生于装置(如储罐)防火堤中,具有面源特征; 突发泄漏等事故由于物质释放过快,短时间内可将视为有限空间内的体源,故推荐采用面源或体源的概化方式进行源项分析。
有效源高(effective height, Ht)和扩散系数(sigma, σ)、 事故持续时间等是源项概化的关键参数。其中有效源高即为泄漏点离地面高度[16]; 扩散系数可参考《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ2.2 2008)[17]设定; 重大火灾持续时间一般达3h以上,泄漏事故持续时间一般取15~30min。
CALPUFF大气扩散模型中面源的源强由物质排放速率(g/m2·s)、 面源面积(m2)决定,排放速率可根据燃烧速率(如原油燃烧速率)、 不完全燃烧比例、燃烧反应式等计算[18]; 体源的源强计算可假设泄漏时段内均匀泄漏,根据泄漏量计算泄漏源强(g/s)。
网格化方法是研究多源、多目标对象的有效方法之一,在大量区域环境影响评价[19,20]、环境风险评价[6]中得到应用。在地理信息系统(geographic information system, GIS)平台上,基于区域网格化展示风险评估结果是园区规划大气风险表征的主要形式之一。本文提出的具体表征指标包括超过风险基准的面积(及占评价区域总面积的比例)、 受影响敏感区域面积、受影响人数等。
对于单一物质而言,其在网格 i中的风险水平定义为危险物质浓度 Ci与风险基准值 Cs的比值,即
Ri=Ci/C s. (1)
对于多源、多物质的风险叠加,本研究取网格中不同物质( j)风险等级( Rji)中最大值代表网格风险等级( R),即
R= max{Ri}. (2)
对于单一风险源、单一物质的风险对区域整体风险的贡献( rPROJECT j),本研究以超过某一风险基准值范围覆盖的面积( APROJECT j)占区域总体风险超过该基准值覆盖面积( A)百分比表示,即
r PROJECTj=
综合受评园区规划范围、重点项目占地大小等因素,将区域划分为步长不超过0.5km的网格; 将土地利用、工业布局、市政设施等规划内容导入GIS平台,构建园区规划信息数据库。
符合实际地形与气候特征的气象场是区域大气风险精确模拟的重要前提。采用MM5中尺度大气模式,结合实际气象观测资料校准,生成评价区域的逐时风场数据; 再通过CALMET模块输出与评价区域网格设置相符的气象场数据。
CALPUFF大气扩散模型可输出各个时段、各网格内污染物的最大浓度。为反映区域风险场的总体分布特征,假设气象数据覆盖时段内(总计 N个h)每个小时均可能发生事故,则对每个源及每种危险物质进行 N次事故扩散模拟,保存每次模拟中各网格出现的最大浓度值为该次模拟输出结果。为避免小概率气象条件放大区域风险水平,同时为兼顾风险防范的预防原则,选取各网格上最大浓度值序列( N个值)的95%概率水平代表该网格的风险浓度。
中国环境风险评价实践中多采用半致死浓度(LC50)、 立即威胁生命与健康浓度(immediately dangerous to life or health, IDLH)为风险表征标准。已有研究指出,这样的标准体系指标陈旧、科学依据不充分,忽视了除急性生命健康危害之外的其他健康影响,难以指导风险预警[21]。国内的风险评价研究中已开始逐步引入国外的风险基准体系,如美国的AEGLs (acute exposure guideline levels)、 ERPGs (emergency response planning guideline)、 TEELs (temporary emergency exposure limit)、 PACs (protection action criteria)等,丰富了风险评价基准的选择范围,提高了评估结果的科学性和准确性。本文推荐采用TEELs与PACs基准,其中包含了AEGLs和ERPGs中的成果,并补充了其他物质的暴露限值。除此之外,石化园区涉及大量具有刺激性气味的物质,事故后污染物浓度超过嗅觉阈值的区域内可能引起居民恐慌,本文建议将嗅觉阈值作为规划阶段风险评估的预警基准之一。
通过对风险空间分布特征与园区规划土地利用进行空间分析,识别不同风险源风险贡献大小、敏感区风险分布,为园区功能定位、工业布局、项目准入等规划调整提供依据。
本研究选择某石化园区为案例研究区域。该区域规划建成世界级石化产业基地, 2030年炼油规模达到4800万t/a、 乙烯规模达到300万t/a、对二甲苯/精对苯二甲酸(PX/PTA)规模达到400/700万t/a; 规划同时提出的城市发展目标为常住人口规模从2010年10万人增长至2030年70万人。
研究收集了上位工业区总体规划(2010—2030年)文本及图件、石油化工园区专项发展规划(修编)文本及图件,覆盖该区域的2010年1月、 4月、 7月、 10月的MM5中尺度气象数据、 USGS30地形数据及土地利用数据[22]等资料; 将规划工业用地、评价区域内的居住和商业用地矢量化。评价区域为34km×34km, 综合考虑模拟效率及规划阶段对评估的精度需求,设置步长为0.5km的网格,总网格数为4624个。
本文选择规划拟建重大泄漏风险进行模拟。参考园区石化产业链规划、对重点石化项目规模和推荐工艺的说明,识别出6个重大泄漏风险源,涉及硫化氢、氯气、氨气、丙烯腈、光气等5种危险物质。为评估泄漏事故可能对敏感目标造成的最大风险,均采取最不利事故情景进行模拟。假设泄漏事故均持续30min, 源高度根据地面海拔及装置高度确定,参考《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ 2.2—2008)[17]计算扩散系数。计算结果如表1所示。
 | 表1 规划拟建的石化园区重大泄漏风险源 |
采用2010年1月、 4月、 7月、 10月中尺度MM5气象数据,分别代表冬、春、夏、秋季的气象场特征。由于突发事故持续时间较短,而CALPUFF大气扩散模型中每个时间步长内的质量浓度输出被平均化,因此设置较短的时间步长有利于提高事故后扩散模拟的精确度。本研究取模拟时间步长为10min。对每个源及每种危险物质,进行逐月、步长为10min的事故扩散模拟,每次模拟过程持续5h, 保存各次模拟过程中出现的最大质量浓度矩阵。
沿海地区不同季节间气象条件差异巨大,对各月份模拟结果分别进行处理和评价,能反映区域大气风险场的季节性分布特征,用于指导不同季节的风险防控工作。以各网格上最大质量浓度值序列的95%概率水平代表该网格的风险质量浓度,输出各月不同风险物质的风险空间分布矩阵。
本文选择气体嗅觉阈值及TEELs值为风险基准(表2):质量浓度超过嗅阈值可被人体感知,故可作为最低风险预警质量浓度基准;质量浓度超过TEEL-1可导致人体出现短暂健康影响或明显的刺激性影响,超过TEEL-2可导致人体出现不可恢复的严重健康伤害,超过TEEL-3可在短时间内危及人体生命安全。
| 表2 风险评价基准体系[24] |
将风险模拟输出的各物质质量浓度(95%概率水平值)矩阵导入GIS系统,根据风险基准体系确定该物质风险影响下各网格的风险等级; 根据式(2)将不同物质风险分布图进行叠加,生成该月园区大气风险分布图(图2), 对各月不同风险等级区域面积及占评价区域比例进行统计,并计算各风险源对园区整体风险水平的贡献(表3)。
 | 图2 大气风险分布图(基于2010年1月、 4月、 7月、 10月气象数据) |
| 表3 区域大气风险分级统计 |
从图2看出,评价区域春、夏、冬三季气象条件较利于事故后的扩散,秋季气象条件不利于气体扩散。春、夏季大气风险场对石化园区东侧敏感区造成了一定程度的影响,冬季风险场避开了主要人口密集区,风险影响相对较低; 秋季事故性风险场影响区域面积远超其他三季,与石化园区距离最近的东侧、东南侧居住区风险过高。
将每个季度受影响的网格均纳入考虑,可估算全年的区域风险水平。案例区域共有1141.5km2(占评价区域98.7%)范围内风险水平不同程度提高,其中事故后可能对人体造成不可恢复影响的范围达到326.5km2(28.2%)以事故风险浓度超过TEEL-2的范围为例,根据式(3)研究不同风险源、不同物质的风险对区域整体风险的贡献,结果如表4所示。MDI项目重大事故下光气的危害远远超过其他风险源及物质,其次是丙烯腈项目液氨储罐爆炸事故及丙烯腈储罐爆炸事故。
| 表4 不同风险源、不同物质对区域风险贡献(以超过TEEl-2为例)% |
风险模拟结果显示,石化企业大规模快速集聚导致区域大气风险显著上升,规划范围均受到不同程度风险场覆盖,突出规划石化产业发展与大规模城市建设的空间矛盾。为在规划阶段从源头预防重大风险事故风险影响,本研究提出以下调控措施:
1) 从风险受体角度而言,风险水平超过TEEL-2基准的地区受园区大气风险场影响较大,不适宜人群长期停留,应避免发展为居住或商业用地等人口密集区。
2) 根据不同季节大气风险场的空间分布特征,制定针对性的风险防控计划。建设风险实时模拟与预警系统,事故后迅速判断危险物质扩散路径,通知周边人群转移; 针对秋季气象条件不利于风险扩散,增加部署应急响应人力物力,限制敏感区道路交通压力,保证周边敏感区应急疏散能力。
3) 调控高风险项目规模,限制高风险企业进入园区。由于涉及光气的MDI项目风险对区域大气风险的贡献超过90%,建议规划限制此类项目进入园区。模拟结果表明,在不考虑MDI项目情况下,大气风险超过TEEL-2的范围减少近90%(图3)。
 | 图3 排除MDI项目后的区域大气风险空间分布 |
在园区规划阶段对区域多风险源、多物质的大气风险累积效应进行量化评估,有助于识别园区中长期工业与城市发展的空间矛盾、优化规划用地布局、筛选风险过高的项目,为风险源头防控和规划修编提供依据。
案例园区规划石化产业大规模集聚,导致区域大气风险显著增加,风险浓度超过TEEL-2标准的区域达到评价区域的10%~30%,对石化园区东侧综合商务区潜在影响较大。大气风险空间分布具有显著的季节性差异,秋季气象条件不利于事故后污染物扩散。通过限制涉及光气的项目建设,可使区域大气风险降低约90%。
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