2. 交通运输部水运科学研究院 水路运输污染防治与重特大事故应急技术示范性国际科技合作基地, 北京 100088
2. International Scientific and Technological Cooperation on Waterborne Transport Pollution Prevention and Major Accident Emergency Response, China Waterborne Transport Research Institute, Beijing 100088, China
危险化学品具有毒害、爆炸、燃烧等性质，散装化学品泄漏事故一旦发生，则可能在短时间内向局部水域排入大量污染物，对周边生态环境造成重大破坏，直接危及沿岸居民饮水安全。例如，2012年2月2日至3日，韩国“FCGLORIA”轮在镇江综合石化工业有限公司化工码头卸货期间，苯酚通过水下排放管路泄漏，造成长江水体污染并引发沿江居民恐慌性抢水，严重影响了居民的生活[1]。因此，预防事故发生及事故发生后尽快采取应急措施显得尤为重要。
目前，在溢油预测方面，国内外学者多以概率论法、人工神经网络法、层次分析法、灰色理论预测法等对溢油事故进行模拟和预报[2-3]；同时也相继开发了许多溢油动力模式，用以研究溢油后的处理方法。这些方法经过多年的研究与完善，现已发展到可以模拟综合溢油的模式，即可以模拟油在3个方向的漂移扩散情况，包括平移过程、垂直机械扩散、蒸发、乳化和搁浅等[4]，能有效地预测溢油事故后油污的迁移归宿轨迹。而将这些方法应用于具体场景成为近年来研究的重点。
张家港港口作为长江沿线危化品吞吐量最大的港口，有危险品码头泊位33个，港口年吞吐量连续多年突破1 000万吨，其中，散装液体化学品运输量占危化品运输总量的91%，是该水域危化品运输的主要货物种类。随着张家港化工储罐的大量增加，张家港辖区的危化品数量将持续增长，带来的安全隐患也越来越大，因此有必要对张家港水域进行风险分析，以应对可能出现的危化品泄漏事故。本文对张家港水域开展船载散装化学品泄漏污染事故的风险分析和漂移轨迹模拟，分析了不同环境条件对事故污染程度的影响，为事故应急提供科学决策参考。
1 风险识别与分析 1.1 风险识别风险识别是指在风险事故发生前，人们运用各种方法系统、连续地认识所面临的各种风险以及分析风险事故发生的潜在原因。风险识别是制定风险对策的重要依据，引起船舶散装化学品运输事故的主要因素可分为人员、船舶和环境三方面。
1.1.1 人员因素人员因素包括船长、船员、码头装卸人员及管理人员等，涉及到人员的责任心、专业技能、心理素质及在特殊状况下的应急反应。造成事故的人员因素具体表现为船员安全意识淡薄、业务素质水准低、心理压力大、过度疲劳、人员操作失误及航运公司管理水平低等。80%的油船泄漏污染事故是由人员因素引发的[5]。
1.1.2 船舶因素散装化学品运输需要比普通货物运输更苛刻的船舶环境，包括船舶吨位、船龄、船舶类型等，涉及到船舶的载运能力、制造技术水平、自动化程度、船舶辅助安全设施及设备等方面。另外，船舶的维护和保养直接影响着运营船舶的质量甚至其运输年限。随着船龄的增长，如果日常维护和定期保养的工作不到位，会直接影响船舶的结构强度、设备技术状态等，导致液货舱和管道系统的严重腐蚀，增加船舶泄漏事故风险。
1.1.3 环境因素航行环境因素是导致散装化学品船舶发生事故的外界因素，对船舶的运输安全有直接影响。影响船舶航行安全的因素包括船舶密度、航道条件、风浪、潮流等，船舶通航密度较高的区域发生化学品泄漏事故的风险也随之增大[6]。此外恶劣气象条件也影响事故应急救援的开展。
1.2 风险分析 1.2.1 泄漏事故概率预测采取历史统计数据分析法进行污染事故发生概率计算，见式(1)[7]
| $ F = \frac{n}{N}mdk $ | (1) |
式中，F为危险货物污染事故概率，艘次/a；n为长江流域年平均船舶事故数，艘次/a；N为长江流域船舶通航艘数，艘次/a；m为船舶断面流量，艘次/a；d为化学品船舶占船舶总流量的比例；k为船舶发生事故后导致污染事故的概率，由经验值取0.1。
长江干线船舶交通流量近几年平均为112 569艘次/d，长江干线省际化学品船(含油化两用船)1 673艘次/d，长江干线多年平均船舶事故件数为268.2件/a[8]，张家港江段船舶流量为1 248艘次/a，则按式(1)计算发生船舶污染事故概率为4.46×10-3次/a。
1.2.2 泄漏量预测泄漏量是开展泄漏污染物扩散数值模拟的重要参数。按伯努利方程可建立连续泄漏源液体经小孔泄漏速率计算式，见式(2)[9]
| $ Q = {C_{\rm{d}}}A\rho \sqrt {2gh + \frac{{(p - {p_0})}}{\rho }} $ | (2) |
式中，Q为液体泄漏流量，kg/s；Cd为泄漏系数，通常取0.60~0.65；A为泄漏口面积，m2；ρ为泄漏液体密度, kg/m3；p为容器内介质压力，Pa；p0为环境压力，Pa；g为重力加速度，9.8m/s2；h为泄漏口上液位高度，m。
以载运丙烯酸乙酯的5 000 t级散装液体化学品船发生碰撞事故引发化学品泄漏为例，假定船舶泄漏时浮态无变化，事故初期为连续泄漏，破口距海平面的高度差为2 m，泄漏破口的等效直径为0.2 m，则根据式(2)计算Q为112.8 kg/s，泄漏0.5 h后，泄漏量约为200 t[10]。
2 风险后果预测 2.1 数值模拟方法Chemmap是美国应用科学公司(ASA)开发的泄漏化学品迁移轨迹和风化归宿模型。该模型利用“油粒子”方法，计算粒子从泄漏点开始，随时间三维迁移的粒子特性[11]。模型考虑了水面风力、水流以及在浮力和扩散作用下引起的垂向运动等影响因素，粒子位置的计算方程见式(3)
| $ {X_t} = {X_{t - 1}} + \Delta t({U_t} + {D_t} + {R_t} + {U_{\rm{w}}}) $ | (3) |
式中，Xt为矢量的位置(例如，在t时刻，x为经度，y为纬度，z为距离水面的深度，单位m，向下为正)；Xt-1为上一个计算时间点的矢量位置；Δt为计算时间步长；Ut为推流分量，即在t时刻各方向上的推流(水流)作用的速度分量；Dt为扩散分量，含义同上；Rt为上浮或沉降分量，即水体中颗粒物、油粒子或气泡的上浮或沉降速率；Uw为风力分量。
2.2 可能的事故场景分析 2.2.1 事故位置船舶自动识别系统(automatic identification system，AIS)由岸基设施和船载设备共同组成，AIS配合GPS提供船舶名称、呼号、九位码等船舶静态数据，以及船舶经纬度、船艏向、航迹等船舶动态数据。本文采用船舶AIS航迹图进行船舶航行及污染事故高风险区分析。江阴-如阜江段船舶AIS航迹图见图 1，图中圆点代表船舶航行轨迹点。案例研究中选取船舶航行密度较大的水域(120°24′37″E，31°58′13″N)作为模拟泄漏点，选取泄漏点东侧南分叉河段与主干河段交汇前的位置为关注点(120°26′34″E, 32°1′8″N)，该水域距离两岸相对较近，便于事故发生后采取应急措施。
|
图 1 江阴-如阜江段船舶AIS航迹图 Fig.1 The ship AIS track map on the Jiangyin to Rufu segment of the Yangtze River |
张家港区域夏季以东南风为主，冬季以东北风居多，其次为西北风，年平均风速3.8 m/s。选取长江大通站2003年以来上游多年平均流量(28 500 m3/s)、多年平均洪峰流量(57 500 m3/s)作为径流参数。根据1996年1月至2009年12月长江口潮位站资料统计，长江口外绿华山站平均潮位稳定，平均涨潮潮差与落潮潮流稳定。外海潮差采用绿华山站累积频率分别为5%、50%、95%的典型潮型控制，潮差分别为1.2 m、2.5 m、3.9 m左右，因此在模拟中采用大潮值3.9 m。
综合上述风况、上游径流量及外海潮位变化情况，设定环境条件的8种模拟情景，见表 1。
|
下载CSV 表 1 模拟情景 Table 1 Simulation parameters |
计算各情景下泄漏事故3 h和4 h后污染物的水域污染面积，见表 2。
|
|
下载CSV 表 2 各情景下水域污染面积比较 Table 2 Comparison of polluting areas |
由表 2模拟结果可知，泄漏事故发生3 h后，在风力和潮流作用下，各情景有0.62~0.97 km2的水域范围内污染物浓度超过半致死浓度。泄漏事故发生4 h后，各情景有0.36~0.97 km2的水域范围内污染物浓度超过半致死浓度，其中情景6、8未检出化学品，说明落潮状况下大径流量会有效降低化学品浓度。
2.3.2 泄漏化学品迁移轨迹按丙烯酸乙酯对水生生物半致死浓度LC50的0.1、0.5、1.0、1.5、2.5倍作为浓度等值线对结果进行分析。事故发生3 h后的污染物浓度分布见图 2，图中模拟结果浓度分界值从外侧到内侧依次为891、4 458、8 916、13 374、22 290 mg/m3，其中情景1、3、5、7为涨潮时刻的模拟结果。由图 2可知，化学品泄漏后潮流对其漂移扩散影响较大。
|
图中比例尺为1:26 000 000，向上为北，向左为西。 图 2 不同情景下化学品泄漏3 h后的扩散轨迹 Fig.2 Diffusion of hazardous chemicals after leakage for three hours in different scenarios |
各模拟情景下，关注点污染物溶解浓度随泄漏时间而变化，涨潮情景1、3、5和7的浓度变化趋势相同，落潮情景2、4、6和8的变化趋势基本一致。因此以情景1和情景2分别作为涨、落潮的代表情况进行分析，如图 3所示。可以看出，当涨潮时发生泄漏事故，化学品在事故发生7 h后到达监测点，8 h时浓度达到最大；当落潮时发生泄漏事故，化学品在事故发生后2 h到达监测点，在3.5 h浓度达到最大。
|
图 3 各情景下化学品溶解浓度随时间的变化 Fig.3 The variation of dissolved concentration of hazardous chemicals with time |
目前对危化品事故的风险评价方法较少，本文参考《船舶污染海洋环境风险评价技术规范》中溢油的风险评价方法，采用风险矩阵对上述事故进行评价。
定义最可能发生的事故概率如表 3所示。定义事故危害后果的定性分类如表 4所示。
|
|
下载CSV 表 3 污染事故风险频率划分 Table 3 Division of pollution risk frequency |
|
|
下载CSV 表 4 污染事故危害后果定性分类 Table 4 Qualitative classification of pollution accident hazard consequences |
根据上述概率及风险后果，对事故进行风险矩阵评价，具体见图 4。
|
图 4 污染事故风险评估后果 Fig.4 Pollution accident risk assessment consequences |
由图 4可以看出，本次事故泄漏量较高(最可能泄漏量200 t)，同时概率较大(约200年一遇)，故风险评价矩阵结果为低风险，应采取措施以保证能够控制风险水平不至扩大。
4 风险对策结合第3节风险评价结果和泄漏扩散数值模拟结果，从事故风险防控角度分别提出降低事故风险概率和减轻事故后果的对策。
4.1 降低事故风险概率的对策 4.1.1 提高从业人员素质船舶公司要组织经常性的航行安全意识教育和安全技能训练, 提高船员的安全意识与责任意识，做好船舶的定期检查和养护工作；熟练掌握AIS等设备和安全航行技术，进一步提高包括船长在内的船员在航行中对船舶周围航行环境的掌握和判断能力；科学合理安排作息时间, 避免船员疲劳操作, 减少人为事故的发生。
4.1.2 提高船舶安全技术水平对从事散装液体化学品运输的船舶实行严格的资质管理，提高行业准入的安全要求，逐渐淘汰技术状况差、管理不规范的船舶；在新船设计时，要根据长江流域的航行环境特点，对散装液体化学品运输船舶的船型设计、配套设施等进一步规范；在现有船舶审验中进一步加强安全审验力度，不断提高船舶安全技术水平。
4.1.3 改善船舶通航安全环境由模拟结果可知，潮流对化学品的泄漏漂移影响较大，因此在对长江航道散装液体化学品船报港候泊区进行选址时，应考虑到当地的潮流条件，研究建立散装液体化学品船专用服务区；对风险较高的散装化学品运输船开展护航和作业监护工作；提高散装液体危险品装卸码头的安全技术要求和安全管理，加强船舶靠离泊作业安全。
4.2 减轻事故后果的对策 4.2.1 应急响应时间事故应急响应时间在很大程度上决定了应急处理的成效。事故发生后，应急人员和设备到达事故现场的时间越短，污染损害的程度越小。应急人员在接警后，应尽快根据泄漏情况采取应急措施。通过2.3.2节模拟结果可知，危化品在事故发生3 h内受风力和潮流影响到达事故点上游4 km或下游8 km的区域，应急人员可在此时间段内到达相应江段采取围控和防护措施，防止泄漏化学品向宽阔江面扩散。
4.2.2 应急措施由于本次事故为低风险事故，因此事故后采取应急措施就显得尤为重要。船舶化学品泄漏事故的应急处置可分为监视监测、围控导流、机械回收和分散吸附等手段。建议在内河江段的关键航标、重要码头及船舶设置探测报警装置，并配合航测及卫星遥测提供全方位监测。围控导流是敏感资源保护的主要手段，应急资源的配置以及布放的位置、方位和时机则需要结合化学品漂移模型预测的轨迹和归宿确定。
4.2.3 个体防护措施丙烯酸乙酯微溶于水，具有辛辣的刺激气味，对呼吸道有刺激性，泄漏事故发生后，应首先保证应急作业人员的安全。建议应急人员戴自给正压式呼吸器，穿消防防护服，应急船舶应将事故船的船员及受污染区域的船舶和人员迅速撤离至安全区域，同时检测泄漏点附近空气中的危化品浓度，防止发生急性中毒、火灾、爆炸等次生危害。
5 结论本文对造成船舶散装液体化学品泄漏事故风险因素进行分析，借助数理统计方法估算得到船舶发生泄漏事故的风险概率；利用泄漏模拟模型Chemmap模拟不同径流量、风向和潮流条件下张家港水域船舶发生200 t丙烯酸乙酯泄漏后的污染物漂移扩散轨迹和污染面积。研究结果表明，潮流条件对化学品泄漏漂移的影响更大，且化学品在某点处的浓度随时间呈现先增后减的趋势；结合风险概率和危害后果对事故作出相应的风险评价，判定此次泄漏风险等级为低风险，可从降低事故风险概率和减轻事故后果两方面采取措施使风险不至扩大。研究成果可为长江下游水域船舶散装液体化学品泄漏事故的风险防控提供科学决策参考。
| [1] |
毕德明. 长江张家港段危化品船舶污染风险分析及防控、监管和应急体系研究[J]. 航海技术, 2015(1): 44-45. BI D M. Analysis on pollution risk and research on prevention, control, supervision and emergency response system of dangerous chemicals in the Zhangjiagang section of the Yangtze River[J]. Marine Technology, 2015(1): 44-45. (in Chinese) |
| [2] |
SPAULDING M L, KOLLURU V S, ANDERSON E, et al. Application of three-dimensional oil spill model (WOSM/OILMAP) to Hindcast the Braer spill[J]. Spill Science and Technology Bulletin, 1994, 1(1): 23-35. DOI:10.1016/1353-2561(94)90005-1 |
| [3] |
AL SHAMI A, HARIK G, ALAMEDDINE I, et al. Risk assessment of oil spills along the Mediterranean coast:a sensitivity analysis of the choice of hazard quantification[J]. Science of the Total Environment, 2017, 574: 234-245. DOI:10.1016/j.scitotenv.2016.09.064 |
| [4] |
LEE M, JUNG J. Pollution risk assessment of oil spill accidents in Garorim Bay of Korea[J]. Marine Pollution Bulletin, 2015, 100(1): 297-303. DOI:10.1016/j.marpolbul.2015.08.037 |
| [5] |
奚风华, 刘家新. 油船溢油风险评价指标体系的构建及应用[J]. 船海工程, 2010, 39(1): 38-40. XI F H, LIU J X. Establishment and application of the evaluation index system of the risk for tanker's oil spill[J]. Ship & Ocean Engineering, 2010, 39(1): 38-40. (in Chinese) DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2010.01.011 |
| [6] |
邹云飞, 张鹏, 张德文. 船用溢油回收系统发展现状及前景综述[J]. 环境工程, 2015, 33(增刊): 867-869, 886. ZOU Y F, ZHANG P, ZHANG D W. Status and prospects of oil spill recovery system for ship[J]. Environmental Engineering, 2015, 33(S1): 867-869, 886. (in Chinese) |
| [7] |
何灵.长江危险货物运输风险评估研究[D].大连: 大连海事大学, 2015. HE L. Research on risk assessment of dangerous goods transportation in the Yangtze River[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2015.(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10151-1015657540.htm |
| [8] |
交通运输部长江航务管理局.长江航运发展报吿[R].北京: 人民交通出版社, 2014. Changjiang River Administration of Navigational Affairs, MOT.Report on Changjiang shipping development[R]. Beijing: China Communications Press, 2014. (in Chinese) |
| [9] |
王炫.基于GIS的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究[D].上海: 复旦大学, 2009. WANG X. Research on GIS-based environmental risk prediction and evaluation information support system for hazardous chemical spill accidents[D]. Shanghai: Fudan University, 2009.(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10246-2009183433.htm |
| [10] |
翁芳蕾.危化品水路运输泄漏事故应急处置研究[D]杭州: 浙江工业大学, 2013. WENG F L. Research on emergency disposal of waterway transportation leakage accidents in dangerous chemicals[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2013.(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10337-1013365424.htm |
| [11] |
Applied Science Associates Inc.. Chemmap Technical Manual[CP]. Narragansett, 2005.
|