趙婧璇，趙云勝，郭　穎

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

液氯系統(tǒng)裝置發(fā)生事故，需要將處于災(zāi)害范圍內(nèi)的人群疏散到安全區(qū)域。緊急狀況下，災(zāi)害范圍內(nèi)的人群處于恐慌和無序狀態(tài)，需要盡快地確定災(zāi)害范圍內(nèi)的最優(yōu)疏散路徑來引導(dǎo)人群疏散，以減少事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了降低事故的發(fā)生，許多學者對有毒化學品泄漏事故人員應(yīng)急疏散問題進行了研究，如王志榮等[1]對泄漏事故發(fā)生的機理、泄漏源的情況和泄漏的過程進行了歸納總結(jié)，分析得出7種主要影響因素，并建立了16種泄漏模型；席學軍等[2]對城市中危害氣體的泄漏進行了數(shù)值模擬，通過對局部網(wǎng)格進行加密，改進了模型的原始計算條件，建立了新的大渦度模型，并從動力學的角度研究了城市一旦發(fā)生有害氣體的泄漏對城市造成的影響，并提出了相應(yīng)的防控措施；顏峻等[3]利用CFD方法對重氣擴散進行了深入研究，并取得了一定的研究成果;李向欣[4]采用高斯煙團模型模擬了有毒化學品泄漏后的擴散區(qū)域,確定了應(yīng)急疏散范圍，建立了應(yīng)急疏散優(yōu)化模型,利用Lingo優(yōu)化軟件求解該模型，并以液氯泄漏事故為例,研究危險區(qū)域的人員疏散,確定了最佳應(yīng)急疏散方案；趙江平等[5]以西安某化工廠氯氣儲罐泄漏事故為例，采用高斯擴散模型計算氯氣泄漏的濃度分布,利用Building EXODUS軟件模擬了企業(yè)內(nèi)部及其毗鄰的居民區(qū)和廠前馬路3個區(qū)域人員疏散過程,并結(jié)合概率函數(shù)法探討了人員中毒概率及避難點的優(yōu)選等。

基于上述研究，本文以某氯堿廠廠區(qū)內(nèi)和廠區(qū)外的液氯泄漏為研究對象，采用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)Fluent軟件進行了數(shù)值模擬，通過構(gòu)建泄漏場景，并根據(jù)人員疏散路徑在不同的泄漏場景下會有所不同，考慮全部泄漏場景的發(fā)生概率[6]，通過不同泄漏場景中各位置的氯氣擴散實時濃度來評估不同的人員疏散方案，優(yōu)選出在所有泄漏場景下人員累計中毒風險較小的最優(yōu)疏散路徑。

1　理論依據(jù)

1. 1　液氯泄漏事故后果的定量計算

液氯泄漏事故后果可由人員中毒死亡百分比來表征。概率函數(shù)法和劑量反應(yīng)模型是評估人員在一定時間接觸一定濃度毒物所造成影響的常用方法[7]。將CFD模擬監(jiān)測到的各點毒氣濃度值及人員暴露時間作為計算暴露劑量的依據(jù)，從而根據(jù)劑量反應(yīng)模型可確定人員中毒死亡百分比[8]。其中，對難以得出濃度-時間函數(shù)的毒氣泄漏，可用累計求和近似求解[計算模型見公式(2)]。劑量反應(yīng)模型中的濃度和時間分別由CFD模擬中的時間間隔內(nèi)毒氣濃度及時間間隔得到，此方法可對毒氣泄漏不同時刻、處于不同地點的人員進行個人風險的定量評估。

液氯泄漏事故后果可由概率函數(shù)法和劑量反應(yīng)模型確定的人員中毒死亡概率來表征，以此得到各泄漏場景在特定位置(x,y)處的人員中毒死亡概率Pi(x,y)，其滿足下列關(guān)系式：

(1)

式中：s為積分變量；k1、k2為取決于毒物性質(zhì)的常數(shù)；Vi(x,y)為場景i在位置(x,y)處的毒氣劑量(ppm，1 ppm=10-6)。

其中，Vi(x,y)的表達式為

(2)

式中:Δti為時間間隔(min)；Ci為Δti時間間隔內(nèi)的毒氣體積分數(shù)(10-6)；k為總的時間間隔數(shù)；m為取決于毒氣性質(zhì)的濃度指數(shù)。

暴露劑量可利用CFD軟件對泄漏場景進行真實的泄漏模擬獲得，通過建立有毒氣體泄漏CFD模型，在特定位置(x,y)處設(shè)置監(jiān)測點，記錄不同泄漏場景中各位置氣體泄漏擴散實時濃度場，將監(jiān)測得到的特定位置處有毒氣體濃度隨時間的變化情況作為計算暴露劑量的依據(jù)。

中毒事故的概率函數(shù)一般表達式為

Pr=k1+k2ln(V)

(3)

式中：Pr為概率單位；k1、k2為取決于毒物性質(zhì)的常數(shù)，其取值詳見表1；V為毒氣劑量(ppm)。

表1　有毒氣體毒性常數(shù)取值表Table 1　Toxicity data of the toxic gases

由表1可見，液氯泄漏中毒事故有毒氣體氯氣的毒性常數(shù)分別為k1=-5.3和k2=0.5。氯氣的濃度指數(shù)m為2.75。

概率單位Pr與人員中毒死亡百分比P之間的換算可由下式得出：

(4)

1. 2　人員疏散路徑的影響因素分析

(1) 道路狀況。道路狀況主要指致災(zāi)范圍內(nèi)道路通行狀況。在災(zāi)害范圍內(nèi)進行人群疏散首先要考慮該范圍內(nèi)道路通行狀況，道路通暢可以保證人群疏散活動快速、高效地進行。因此，在進行救援決策部署時，要以實時的交通狀況來合理安排疏散路線，即需要考慮災(zāi)害區(qū)內(nèi)路徑信息狀況，通過路徑規(guī)劃，幫助被疏散人群在疏散時合理規(guī)劃疏散路徑，快速達到安全避險點[9]。在本研究中，假設(shè)所有的疏散道路都是暢通的。

(2) 疏散時間。疏散時間是指災(zāi)害范圍內(nèi)人群疏散到安全區(qū)域且身體機能正常的這段時間，也稱之為安全疏散時間。若災(zāi)害范圍內(nèi)所有人員能在身體失去正常機能之前全部疏散到安全區(qū)域，則可以認為該疏散路徑的選取對于人員疏散是安全合理的。由于災(zāi)害范圍內(nèi)人員在現(xiàn)場分布點不均，個體對泄漏事故的心理反應(yīng)不同，事故對個體的行為影響不同，加上個體應(yīng)急能力不同，都將影響整個疏散時間[10]。因此，疏散時間對個體而言是隨機變量，但在本研究中，將疏散時間看成是整體疏散時間，是相對固定的變量。

2　某氯堿廠液氯泄漏人員疏散路徑優(yōu)化的實例分析

根據(jù)液氯制取系統(tǒng)裝置中的液氯泄漏擴散事故，共構(gòu)建88個泄漏場景，單個泄漏場景下疏散路徑優(yōu)化方案只能代表當前泄漏場景，不能代表全部泄漏場景，而針對全部泄漏場景下的人員疏散方案，可根據(jù)人員疏散過程中疏散路徑各位置的氯氣實時濃度作為評價指標，對人員疏散路徑進行優(yōu)化分析，從而有效提高人員疏散的安全性。由于篇幅有限，本文僅分析了部分泄漏場景。

某氯堿廠平面圖如圖1所示。人員疏散是將廠區(qū)內(nèi)的人員疏散至廠區(qū)外的安全點，不同位置有不同的疏散路線，由于廠區(qū)內(nèi)道路情況比較簡單，從當前位置到安全點的疏散路徑基本只有一條，所以需要考慮疏散路線優(yōu)化的區(qū)域主要集中在圖中的區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三內(nèi)。因此，在疏散路線上每20 m設(shè)置一個監(jiān)測點，用于監(jiān)測人員疏散過程中吸入的氯氣濃度。本文以區(qū)域一為例，具體介紹廠區(qū)疏散路徑優(yōu)化的方法。

在區(qū)域一內(nèi)，當液氯泄漏事故發(fā)生時，處于監(jiān)測點37位置的人員有兩條疏散逃生路線：路線一是A—D，由監(jiān)測點37、20、14、13、12記錄該條路線上的液氯擴散實時濃度數(shù)據(jù)；路線二是B—C，由監(jiān)測點37、36、35、27、12記錄該條路線上的液氯擴散實時濃度數(shù)據(jù)。按照相關(guān)國家標準，氯氣報警探測器在氯氣濃度達到1 ppm時報警，在泄漏場景13、15、29、30、31、32、46、48、52、54、64、74、79、82、85和87下，監(jiān)測點37的氯氣濃度可達到1 ppm，所以在上

圖1　氯堿廠平面圖Fig.1　Plan of the chlor-alkali plant

述泄漏場景下人員在聽到報警后需要進行撤離。部分監(jiān)測點在上述泄漏場景下氯氣擴散實測濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2　部分監(jiān)測點在不同泄漏場景下氯氣擴散實時濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)(ppm)Table 2　Real-time concentration of chlorine gas at part of the monitoring points under different leakage senarios (unit:ppm)

以泄漏場景74為例，根據(jù)報警探測器種類不同，其最大的報警滯后時間為30 s，監(jiān)測點37處氯氣濃度達到1 ppm所需時間為70 s，故最大報警所需時間為100 s。在100 s時人員開始撤離，常見的幾種交通疏散方式下的人員通行速度見表3。

考慮表3中的人員通行速度及現(xiàn)場實際情況，

表3　不同交通疏散方式下的人員通行速度Table 3　　　　Traffic speed under different modes of traffic evacuation

將人員通行速度設(shè)定為2.5 m/s，根據(jù)CFD模擬結(jié)果，記錄人員到達每個監(jiān)測點時的液氯濃度值，并建立人員疏散路線優(yōu)化的數(shù)學模型如下：

目標函數(shù)

(5)

其中,Ri,t(x,y)的表達式為

(6)

概率單位Pr與人員中毒死亡百分比P滿足以下關(guān)系：

(7)

其中，Pr的表達式為

Pr=k1+k2ln(V)

(8)

式中：minf(y)表示在全部泄漏場景下某疏散路線上人員的累計中毒風險最??；Ri,t(x,y)為在泄漏場景i下，位置R(x,y)處在t時刻的個人風險；ki為泄漏場景i發(fā)生的概率；i為氣體泄漏場景；m為氣體泄漏場景的數(shù)量；j為監(jiān)測點；s為監(jiān)測點的數(shù)量；t為人員處于該監(jiān)測點的時間(min)；Pi(x,y)為人員中毒死亡概率；Pr為概率單位；k1、k2為取決于毒物性質(zhì)的常數(shù)；V為毒氣的劑量(ppm)。

根據(jù)計算結(jié)果可知，在區(qū)域一內(nèi)，當液氯泄漏事故發(fā)生時，選取路線一進行疏散的人員中毒風險為2.56×10-7，選取路線二進行疏散的人員中毒風險為1.89×10-7，所以當路線一不處于下風向時，位于監(jiān)測點37處的人員應(yīng)選擇路線二進行疏散。

根據(jù)同樣的疏散路徑優(yōu)化方法，在區(qū)域二內(nèi)，當液氯泄漏事故發(fā)生時，處于監(jiān)測點176位置的人員有兩種疏散逃生路線：路線一是G—I，由監(jiān)測點158、145、131、117、106、93記錄該條路線上的液氯擴散實時濃度數(shù)據(jù)；路線二是H—J，由監(jiān)測點177、178、179、180、181、182記錄該條路線上的液氯擴散實時濃度數(shù)據(jù)。在5、6、7、88等30個泄漏場景下，監(jiān)測點176的氯氣濃度可達到1 ppm，所以在上述泄漏場景下人員在聽到報警后需要進行撤離。經(jīng)計算可得，選取路線一進行疏散的人員中毒風險為6.75×10-8，選取路線二進行疏散的人員中毒風險為7.82×10-8，所以當路線二不處于下風向時，位于監(jiān)測點176處的人員應(yīng)選擇路線一進行疏散。

在區(qū)域三內(nèi)，當液氯泄漏事故發(fā)生時，位于E、F夾角點的人員有兩條疏散線路，即路線一是E，路線二是F，由于可設(shè)置的監(jiān)測點數(shù)量有限，所以在E、F處未設(shè)置監(jiān)測點，但在模擬得到的該液氯系統(tǒng)裝置泄漏個人中毒死亡概率風險云圖(見圖2)上可根據(jù)其位置確定人員中毒死亡概率低的疏散路線。

圖2　　　　液氯系統(tǒng)裝置泄漏個人累計中毒死亡概率風險云圖Fig.2　　　　Mortality risk cloud map of personal poisoning by the leakage of liquid chlorine system device

由圖2可見，在區(qū)域三內(nèi)，路線一的疏散方案個人累計中毒死亡概率仍較大，而路線二的疏散方案是向個人累計中毒死亡概率低的區(qū)域疏散，故當液氯泄漏事故發(fā)生時，處于區(qū)域三內(nèi)兩條疏散路線交叉口的人員應(yīng)選取路線二進行疏散。

3　結(jié)　論

通過以上模擬結(jié)果分析得出：當某氯堿廠發(fā)生液氯泄漏事故時，區(qū)域一中的第二條路線、區(qū)域二中的第一條路線和區(qū)域三中的第二條路線為人員最優(yōu)疏散路線，可以選擇這三條路線作為氯堿廠液氯泄漏事故人員的疏散路徑。

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