随着我国工业化进程的加快, 危险化学品经营使用的品种和数量越来越多, 为改变危险化学品仓储区“小而多”的仓储格局, 降低危险化学品仓储风险和运输风险, 我国安全监管部门要求企业或化工园区的危险化学品要尽量集中布置, 设置专门的危化品仓储区域。然而, 如果危险化学品仓储区规划选址不科学、安全布局不合理, 不仅对周边的公众生命、财产造成重大威胁, 同时也严重影响仓储区后续的可持续发展。

为进行土地使用安全规划, 国内外多以“分区制”为基本思想, 采用的方法大体分为三类:安全距离法、基于事故后果的方法和基于风险的方法[1,2,3]。安全距离法根据历史的经验或专家判断, 给出不同工业活动或设施与其他场所或区域之间的安全距离, 方法简单直观, 容易理解和沟通, 但“粗旷性”的特点难以克服[4];基于事故后果的方法通过假设的“最坏事故情景”进行安全分区, 计算过程和计算结果都是系统确定的, 然而“最坏事故情景”通常又很难判断, 适用性不强[5,6];基于风险的方法通过计算区域个人风险和社会风险, 结合风险标准进行分区。与前二种方法相比, 基于风险的方法除考虑事故后果外, 还计算事故发生的概率, 较为全面, 因此成为国内外普遍采用的区域安全规划方法[7,8]。

然而采用基于风险的方法进行土地使用安全规划, 只能对既定的危险源存在场所在某种平面布局条件下的个人风险和社会风险进行计算, 只要个人风险和社会风险符合风险推荐标准要求就是可行的, 无法对多个选址方案和平面布局方案进行优化选择。因此, 本文以危险化学品仓储区为研究对象, 在现有风险评价理论的基础上, 引入危险源潜在生命损失 (PLL) 的概念, 研究提出基于移动危险源潜在生命损失的仓储区规划选址方法和基于固定危险源潜在生命损失的仓储区安全布局方法。本方法相对于原有基于风险的土地使用安全规划方法, 能够更简单、直观的分析规划选址和安全布局的合理性, 并确定最佳的选址和安全布局方案。

潜在生命损失 (Potential Life Loss, 简称PLL) 是指由于重大危险源发生火灾、爆炸、中毒等意外事故单位时间内造成人员死亡的可能性, 最早用于重大危险源的风险排序[9,10,11]。潜在生命损失的大小用潜在生命损失值来衡量, 定义为个人风险和人口密度的乘积, 按式 (1) 进行计算[12,13]:

式中, PLL为潜在生命损失值, IR (x, y) 是点 (x, y) 处的个人风险, d (x, y) 是点 (x, y) 处的人口密度。

从式 (1) 可以看出, 潜在生命损失既考虑了危险源的个人风险指标, 同时结合周边人口密度考虑了危险源的社会风险, 因此可以作为衡量区域风险水平的综合考核指标。

通常危险源分为固定危险源和移动危险源两种:固定危险源是指存储危险化学品的固定设备、设施, 如储罐、仓库等;移动危险源是指用于危险化学品输送的管道、车辆、船舶等。因此, 根据固定危险源和移动危险源个人风险的计算方法就可推导出固定危险源和移动危险源潜在生命损失的计算方法。

对于固定危险源j而言, 个人风险可用下式计算

因此, 仓储区固定危险源总的潜在生命损失值为

式中, PLL—固定危险源潜在生命损失值;N—危险化学品库区 (储罐区) 的数目;IRj (x, y) —第个库在 (x, y) 处的产生个人风险;—第j个库的第t个容器设备泄漏事件发生的原始频率;—第j个库的设备修正系数;—第j个库的安全管理、人员修正系数;—第j个库的的气象条件概率;—第j个库中第k个点火源的点火概率;—第个库中第t个事故情景在位置 (x, y) 处引起个体死亡的概率;Tj—第j个库中的容器设备泄漏事件的个数;Wj—第j个库的气象条件的个数;Kj—第j个库的点火源的个数;Dj—第j个库的人口密度函数。

固定危险源潜在生命损失体现的是仓储区固定危险源的风险大小, 潜在生命损失值越大, 说明仓储区对周边脆弱性目标产生的风险越大, 因此可作为仓储区安全布局合理性的衡量指标。

移动危险源根据危险化学品运输方式可分为的管道输送、道路运输、火车和船舶运输等, 管道运输和道路运输的个人风险计算方法如式 (4) 和式 (5) 所示, 火车和船舶运输个人风险的计算方法与道路运输相似。

因此, 管道输送和道路运输总的潜在生命损失值为

式中, Vs, i (x, y) —第s个泄漏事件的第i种事故情景在位置 (x, y) 处引起的个体死亡概率;S—管道泄漏事件的个数;I—事故情景的个数;N—管道或道路分段的总数;P (I) —事故概率; ( (b, c) —事故后果概率函数。其他参数意义与式 (3) 相同。

移动危险源潜在生命损失体现的是仓储区危险化学品的运输风险, 仓储区选址不同, 危险化学品运输线路就不同, 进而运输风险也不同。移动危险源潜在生命损失值越大, 仓储区危险化学品运输的风险也就越大, 因此移动危险源潜在生命损失可作为仓储区选址的衡量指标。

单从安全的角度出发, 在仓储区固定危险源产生的风险满足个人风险和社会风险满足标准要求的情况下, 通过比较仓储区固定危险源潜在生命损失值的大小, 就可判断哪一种仓储区安全布局方法是最优的, 因此, 可建立如下仓储区安全布局优化模型:

式中, IR—固定危险源整体个人风险限值;IRs—固定危险源最大可接受个人风险限值;FN—固定危险源整体社会风险限值;FNs—固定危险源最大可接受社会风险限值。

同样, 在满足移动危险源产生的个人风险满足推荐标准要求的情况下, 通过比较不同仓储区选址移动危险源潜在生命损失值的大小就可判断仓储区选址的合理性。因此, 根据管道输送和道路运输方式不同, 可分别建立如下仓储区选址优化模型, 如式 (9) 和式 (10) 所示。

(1) 管道输送

式中, IR—管道输送个人风险计算值;IRs—管道输送最大可接受个人风险值。

(2) 道路运输

式中, IR—道路运输个人风险的计算值;IRs—道路运输最大可接受个人风险值。

在仓储区选址和安全布局优化模型建立后, 本文采用《危险化学品重大危险源定量风险评价》软件 (CASST-QRA 2.0) 进行选址和安全布局优化计算。

某城市为改变各企业危险化学品自有仓库和租赁仓库规模小、布局零散的现状, 提出建设集中的危险化学品仓储区, 该仓储区拟存储除油气、民爆品之外的其他危险化学品, 包括分散在各危险化学品企业的乙炔、氢气等易燃气体、甲醇、苯、二甲苯等易燃液体、电石等遇水放出易燃气体的物质, 另外还包括氧化性物质、毒性物质、腐蚀性物质以及全市自来水厂用液氯 (钢瓶) 等。仓储区规划建设用地约13万平米, 仓储周转量为40-50万吨/年, 规划库容规模如表1所示。

表1 规划库容规模  下载原图

经过初步选址论证、安全评估和环境评价, 确定了两个选址方案:一是将危险化学品仓储区建在城市东部的坪地, 二是建在西部的观澜。为有效指导仓储区安全规划, 本文将分别采用基于移动危险源和固定危险源的潜在生命损失的分析方法对仓储区的选址和平面布局方案进行优化分析。

根据仓储区危险化学品周转量进行了统计结果, 仓储区危险化学品总周转量为50万吨/年, 其中甲类危险化学品约占总运输量的36.0%;乙类约占总运输量的39.5%;丙类约占总运输量的3.3%;丁、戊类约占总运输量的21.2%。

根据危险化学品的种类、运输量及不同选址条件下危险化学品的道路运输路线, 对仓储区的运输风险进行计算, 如图1和图2所示。计算结果表明, 坪地仓储区和观澜仓储区仅出现1×10-6和3×10-7的风险等值线, 而且风险等值线覆盖区域基本处于规划运输线路的限定宽度范围内, 因此运输风险都是可以接受的。

通过仓储区选址优化模型 (式10) 对两种选址方案进行计算, 得到坪地仓储区和观澜仓储区危险化学品道路运输潜在生命损失值分别为6.41×10-7人/年和1.62×10-6人/年, 观澜仓储区潜在生命损失值是坪地仓储区的2.5倍, 这是由于观澜仓储区规划的危险化学品运输线路要穿过一居民区 (居民约150人) , 因此潜在运输风险较大, 根据基于移动危险源潜在生命损失的选址优化方法, 本研究建议危险化学品仓储区选址在东部的坪地。

仓储区选址坪地确定后, 根据拟存储的危险化学品类别, 坪地仓储区分为6类仓库:压缩气体和液化气体仓库、易燃液体仓库、易燃固体、遇湿易燃物品仓库、氧化物仓库、毒害品仓库和腐蚀品仓库, 仓储区平面布置方案有两种, 方案1是将毒性气体仓库建在腐蚀品仓库地块的南侧;方案2是按照气体类危险化学品集中布置的原则, 将气体类危险化学品统一规划到仓储区的西北角, 即将方案1中毒性气体仓库布置在仓储区的最北侧, 紧邻压缩气体仓库, 其他仓库布局与方案1相同。

根据仓储区安全布局的基本原则, 仓储区安全布局的前提条件是选址要符合《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》对仓储区个人风险和社会风险水平的要求, 因此本研究根据仓储区的布局方案, 结合当地自然条件、仓储区周边环境等对两种平面布置方案的个人风险和社会风险分别进行了计算, 个人风险和社会风险曲线分别如图3和图4所示。计算结果表明, 由于坪地仓储区周边环境较为简单, 现状采石场和混凝土搅拌场也在仓储区规划搬迁范围, 两种平面布置方案的个人风险水平都在可接受范围之内。另外, 两种平面布置方案的社会风险曲线都在可忽略区范围内, 没有进入不可容许区, 社会风险也是可以接受的。因此, 两种平面布置方案均符合《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》对仓储区个人风险和社会风险水平的要求。

在两种仓储区平面布局方案均满足个人风险和社会风险推荐标准要求的前提下, 本研究利用仓储区布局优化模型 (式8) 对两种布置方案的固定危险源潜在生命损失进行计算, 得到方案1的固定危险源潜在生命损失值为1.78×10-6人/年, 方案2的固定危险源潜在生命损失值为2.52×10-6人/年, 方案2的潜在生命损失是方案1的1.4倍, 风险较大, 因此本研究建议坪地仓储区采用方案1的仓储区平面布置方法。

综上所述, 根据基于固定危险源潜在生命损失的仓储区安全布局方法和基于移动危险源潜在生命损失的仓储区规划选址方法, 本文建议仓储区选址在东部的坪地, 采用方案1提供的危险化学品仓储区平面布置方法。

(1) 本文在基于个人风险和社会风险的土地使用安全规划方法的基础上, 引入了潜在生命损失 (PLL) 的概念, 确定了基于潜在生命损失的综合风险评价指标, 建立了基于移动危险源潜在生命损失的危险化学品仓储区规划选址模型和基于固定危险源潜在生命损失的仓储区安全布局优化模型, 提出了危险化学品仓储区规划选址和安全布局方法, 并通过案例分析对仓储区选址和安全布局方法进行了验证。

(2) 基于潜在生命损失的仓储区选址方法和安全布局方法是对现有国内外普遍采用的基于个人风险和社会风险的土地使用安全规划方法的改进, 该方法简单实用, 提高了区域土地使用安全规划的效率, 为城市重大危险源的规划选址和安全布局优化提供了新的思路。本方法不仅适用于危险化学品仓储区的规划选址和布局优化, 对化工园区的规划选址和安全布局同样适用。另外, 国家安委办《关于进一步加强化工园区安全管理的指导意见》要求化工园区要确定“安全容量”, 但衡量“安全容量”的指标很难确定, 是当前亟需解决的科研课题, 本项目提出的基于潜在生命损失指标也可作为确定化工园区安全容量的一个重要参考依据和辅助决策工具。