近年来我国环境污染事故，特别是突发性有毒气体泄漏所致环境健康危害事故频繁发生，对生态环境、人民健康及社会安全产生严重影响^[1]。有毒气体泄漏所致环境危害事故具有突发性、危害面广、危害严重等特点。若能对可能发生突发性泄漏事故的重大危险源进行预先性分析，做到事先预测出可能发生的泄漏事故所致的环境危害范围，提前做好防范措施，将在很大程度上降低环境事故的危害，达到最大程度上保护作业工人和周边居民的目的。为此，根据突发性有毒气体泄漏扩散特征，提出应用高斯烟羽扩散模型对煤气泄漏事故的环境危害风险进行预测的方法，将现实问题归结为相应的数学问题，从定性或定量的角度来刻画出有毒气体泄漏扩散的实际问题，为预测和重现有毒气体泄漏扩散导致环境健康危害程度及范围提供精确的数据或可靠的指导。

1 方法

环境健康风险评估由三大步骤组成，第一步识别风险，即认识环境健康风险，在其不利后果发生之前确定风险。在这个阶段，需定性地预测可能发生的危险。第二步估计风险，即选用科学适应的数学模型模拟或监测等方法对空间范围和不利后果等做出定量估计。第三步应对风险，对环境健康风险可能后果和危害程度做出判断后，有关部门把风险的接受者与制造者联系起来，做出决策性措施。本文应用高斯烟羽扩散模型评估突发性煤气泄漏所致的环境健康风险。

1.1 高斯烟羽扩散模型

高斯烟羽扩散模型是用来描述连续泄漏到大气中的污染物沿下风向扩散浓度分布最广泛的模型之一，是美国环境保护署推荐使用的适用于泄漏源为稳定点源，风速风向和大气稳定的长时间泄漏的中性或正浮气体扩散的模拟模型。

有毒气体发生长时间泄漏(持续泄漏时间超过10 min)，其泄漏源可认为是连续均匀的，有毒气体在y、z轴上的分布符合高斯分布(正态分布)，泄漏的有毒气体在当地风速、地面粗糙度的影响下，其扩散模式可以认为遵循“地面连续点源扩散模式”^[2]，其扩散模式符合高斯烟羽扩散数学模型：

式中：c_{(x, y.z)}:泄漏处下风向有毒气体扩散范围内任何一点处的浓度，kg/m³；u:当地平均风速，m/s；Q:有毒气体泄漏源的泄漏强度，kg/s；σ_y和σ_z：分别为有毒气体在y(横向)、z(垂直)方向的扩散参数，该参数是x的函数，m。

当发生连续泄漏后，有毒气体在当地风、日照等气象条件以及地面粗糙度条件的影响下扩散是从泄漏点呈近羽毛状(或称椭圆形)分布逐渐扩展，某一浓度曲线与泄漏源下风向的x轴的交点即是该浓度临界值在下风向能达到的最远距离点(x，0，0)，此时的x值即是该现有条件下有毒气体泄漏扩散所波及的最大环境危害区域半径。因风向可随时改变，该泄漏条件下的危害区域即为以泄漏源为圆心的圆形区域。据此若知道有毒气体泄漏源强、有毒气体浓度，就可以确定其扩散的关于xyz的空间函数。此时，规定y=0，z=0，可以确定该空间函数中(x，0，0) 点的位置，即解出x值，该值即为有毒气体泄漏源强为Q、风速为u时，地面有毒气体浓度为C处距离泄漏源的距离。根据这个原理，可以预测有毒气体长时间泄漏时某个危害浓度下的环境危害范围。

1.2 评估过程

按照风险评估步骤，高斯烟羽扩散模型在有毒气体泄漏所致环境健康风险评估中的具体应用过程分为3个步骤。

1.2.1 识别风险

通过对化工装置对象的系统分析，结合周围影响因素等，识别其存在泄漏的环境健康风险区域部位。

1.2.2 估计风险

估计风险主要是利用高斯烟羽扩散模型对装置内煤气泄漏扩散的空间范围和不利后果等作出定量估计。

1.2.2.1 假设泄漏源

需要对泄漏源进行假设，假设泄漏部位，破裂口径，泄漏时间等。

假设的泄漏部位即为在对化工装置风险识别过程中分析得出的可能发生煤气泄漏的具体部位，可以是储气罐、反应罐、管道等。

假设破裂口径，即假设泄漏源破裂时可能造成的破裂形状及口径；如破裂口径可以为三角形、矩形、圆形等，口径大小根据具体部位设定。

煤气泄漏持续时间则根据泄漏部位确定，如储罐爆裂，则泄漏时间将持续到物料泄漏完毕为止；管道破裂泄漏时间一般持续超过10 min。

1.2.2.2 确定扩散参数

根据装置所在区域周边环境的地面有效粗糙度Zo和当地大气稳定度来确定泄漏地点的扩散参数σ_y和σ_z，它们与x成函数关系^[3]。或通过P-G曲线直接查得σ_y和σ_z的粗略值^[4]。

1.2.2.3 计算泄漏源强

Q₀：气体泄漏速度，kg/s；C_d：气体泄漏系数，圆形裂口时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90^[5]；A：裂口面积，m²；p和p₁为容器压力，Pa；p₀：大气压力；k：气体比热比，双原子气体取1.4，多原子气体取1.29，单原子气体取1.66；M：相对分子质量，kg/mol；T：气体温度，K；R：理想气体的普氏比例常数，8.314 J/mol·k。

煤气泄漏时候的流速类型受管内压力和外界大气压的制约，管内压力与外界大气压满足式(4) 时，其泄漏的流速类型即为临界流，反之为次临界流。临界流泄漏源强Q₀符合式(2)，次临界流泄漏源强Q₀符合式(3)。

1.2.2.4 设定煤气的健康风险浓度标准

煤气是一种多组分气体，其中的一氧化碳是严重危害人体健康的主要组份，有致人体死亡、致人体中毒昏迷、致人严重头痛或眩晕等健康风险。故按CO所能致人体死亡、中毒昏迷、严重头痛或眩晕、短时间接触无明显健康危害等设定其致死、重伤、轻伤和无健康风险等不同健康风险浓度标准。并按式(5) 将CO不同健康风险浓度标准转换为煤气相应的健康风险浓度标准。CO致人体不同健康风险浓度标准见表 1。

M：煤气的分子量；φ：一氧化碳在煤气中的体积分数；C_CO：一氧化碳浓度，mg/m³；C_煤气：煤气浓度，mg/m³。

1.2.2.5 确定健康风险半径

将源强、设定的健康风险浓度标准及其他已知参数代入式(1)，计算出半径x，即为相应健康风险区域范围半径。

1.2.3 应对风险

根据风险估计所得健康风险程度及范围，从技术、管理等方面提出应对风险的措施，以预防风险发生或降低风险发生所导致的环境健康危害。

2 案例分析 2.1 案例

某年产15万t甲醇的大型企业，采用焦炉煤气为原料生产甲醇，生产工艺流程见图 2。已知条件当地平均风速u=2.5 m/s；大气稳定度D；该公司地面有效粗糙度Zo=0.1；甲醇合成工段管道内焦炉煤气温度为80℃，成分为H₂：72.42%；CO：9.74%；N₂：5.97%；CH₄：1.84%；CO₂：10.20%，及工艺各段压力、温度见工艺流程图。

试利用适当模型预测模拟分析该企业生产过程中突发焦炉煤气泄漏事故时的环境危害程度范围。

2.2 结果

2.2.1 风险识别结果

对甲醇生产装置进行系统分析发现，装置中甲醇合成工段直径D=200 mm的管道压力最高(4.3 MPa)，易发生爆裂，一旦爆裂，焦炉煤气将在压力作用下发生急速泄漏，考虑到工艺及堵漏技术条件，泄漏时间将超过10 min，泄漏的焦炉煤气扩散将严重危害周边环境及人员健康。故认为甲醇生产装置中甲醇合成工段存在煤气管道破裂及焦炉煤气危害环境及人员健康的风险。

2.2.2 环境健康风险区域估计结果

据已知条件确定泄漏地点的σ_y和σ_z与x的关系为σ_y=0.08x(1+0.0001x) $ ^{ - \frac{1}{2}}$; σ_z=0.06x(1+0.0015x)$ ^{ - \frac{1}{2}}$^[6]；经计算该企业甲醇合成工段管道破裂后煤气泄漏流速类型属于临界流，泄漏源强度为3.85 kg/s。解得不同浓度标准下x值：x_致死=48 m；x_重伤昏迷=159 m；x_轻伤=334 m；x_{短时间接触无明显危害}=1 257 m，即为该甲醇合成段煤气泄漏所致人员立即死亡、重伤昏迷、轻伤头痛眩晕、接触煤气超标及无明显健康损害等健康危害风险区域分界点。

煤气不同浓度标准所致环境健康风险区域半径具体数据见表 2，健康风险区域等级示意图见图 3。

2.3 风险应对

2.3.1 潜在风险点处理

对可能发生泄漏的甲醇合成段管线进行加厚加固，并安装管道压力和环境气体浓度在线监测系统，予以防止管线爆破及爆破后的警报。

2.3.2 划分危害区域范围标志线

根据风险估计结果，以泄漏源为圆心，提前以48、159、334和1 257 m为半径画圆，作为煤气泄漏所致环境健康风险程度区域分界标志线予以示警。

2.3.3 物资准备

在相应健康风险区域范围配备应急救援物资，予以管线爆破及煤气泄漏所致环境健康危害的应急处置。

3 讨论

风险评估是在风险事件发生之前或之后，对该事件给人们的生活、生命、财产等各个方面造成的影响和损失的可能性进行量化评估的工作。风险管理国际标准定义为：风险评估是风险识别、风险分析、风险评价的全过程^[8]。

风险评估的意义在于可有效预防事故发生，减少财产损失、人员伤亡和伤害，促进经济社会环境可持续文明发展。

风险评估起源于美国的保险业，后逐渐被推广到生产企业界。因其为企业降低事故风险提供了技术手段，很多大公司对风险评估技术进行了大量的研究。在20世纪六七十年代，以道化学公司(DOW)、英国帝国化学、日本劳动省和美国等相继开发出火灾爆炸指数法、蒙德(MOND)法、六阶段安全评估法和概率风险评估法等评估方法，这些方法是安全、环境领域评估方法的鼻祖。随着研究的进展，环境领域出现了较为细致的高斯、Sutton、FEM3等描述气体扩散的模型等评估技术。

作为描述气体扩散的经典模型，高斯烟羽扩散模型本身考虑了当地风速、大气稳定度、地面粗糙度等影响因素，且在具体运用中还考虑了有毒气体理化特性，模型构成相对细致，能准确描述多数有毒气体泄漏后的扩散形态。模型提出较早，试验数据多，较为成熟，目前应用较为广泛。但该模型假设在扩散过程中气云的形状呈高斯分布，只适用于气体密度和空气相近的中性或正浮性气体在风速大于l m/s的点源的连续扩散^[9]。且限定常态，基本参数不随时间变化；不考虑重力或浮力的作用、在扩散过程中气体不发生化学转化；扩散物质到达地面后完全反射而没有吸收；地表水平的相对理想状况，而不适用于冷重气体扩散，且计算相对繁琐。

有毒气体泄漏扩散的数学模型多，譬如高斯烟团扩散模型、唯象模型、Sutton模型、FEM3模型和箱及相似模型等^[10]，每个模型都有其特点和适应条件，具体应用中应根据危险源及可能发生泄漏的具体状况科学合理的选择，才能保证预先性分析的准确性可靠性。扩散模型既可以用于环境领域突发性化学品泄漏扩散的环境危害事故的预先性分析，又可以对事故后危害程度范围进行模拟重现。

扩散模型的参数多，计算任务重，实际应用中可以充分利用计算机编制计算软件和仿真系统，可更为快捷和形象的分析描述突发性有毒气体泄漏的环境危害风险。

本文的研究方法是基于危险源发生事故之前，预先分析其可能发生的泄漏扩散事故所能达到的范围及健康风险程度，以便于日常工作中提前主动做好环境危害管理，避免突发性泄漏扩散事故造成的不必要危害。摆脱了我国对突发性化学品泄漏所致的环境污染人身伤害事故的被动处置状态。

数学模型是近些年兴起的，由数学理论与实际问题相结合的一门科学。本文将现实问题归结为相应的数学问题，并在此基础上利用数学的概念、方法和理论进行深入分析和研究，从而从定性或定量的角度来刻画出化学品泄漏扩散的实际问题，并为解决泄漏扩散的环境健康危害范围这一现实问题提供精确的数据或可靠的指导。

4 结论

高斯烟羽扩散模型能够模拟出该甲醇合成段管道爆裂导致煤气泄漏所致不同区域的环境健康风险程度。即在距离泄漏源48 m范围内的人员将遭受立即致死的健康风险，48~159 m范围内的人员将遭受重伤昏迷的健康风险，159~334 m范围内的人员将遭受严重头痛或眩晕的轻伤健康风险，334~1 257 m范围内的人员将遭受因吸入超过接触标准浓度的煤气而出现轻微不良反应的健康风险，1 257 m范围之外的人员无明显健康风险。

在有毒气体泄漏所致环境危害事故评估中，成熟适宜的数学模型可有效模拟出有毒气体泄漏扩散所致环境健康风险范围及程度。若预先确定有毒气体危害程度浓度划分标准，就能预先分析出该气体泄漏后该浓度标准下的环境危害范围；同理，若提前划定泄漏下风向某一位置就能确定泄漏扩散所致该位置的环境危害程度。