1、* 国家自然科学基金项目，批准号：59378348 1环 境风险评 价技术、方法在重大工程安全评定中的应用石剑荣（苏州科技学院，苏州 215011）摘要：对重大工程的环境安全评价提出了一套可操作的较为系统的表征指标体系，在工程所用材料(特别是危险品)特性数据应用、危险源确定、事故概率与强度估算、环境安全对策择优等方面，进行了一定理论探讨，在此基础上提出了较为切合实际的计算(处理)方法。关键词：环境安全评价 环境安全表征 事故危害 事故概率 事故强度1 引言重大工程项目的环境安全评价关心的主要问题有：1）工程可能发生什么性质的突发事故；2）事故发生的概率；3）事故造成的环境危害严重程度；环境安全
2、管理(对策) 则要解决第 4 个问题：如何减少该工程项目的环境风险。因此，要正确表征各类环境风险，必须选择恰当的表征指标，对此，国内、外已有大量研究 1,2。工程项目的环境风险表征指标，涉及到危险品特性、事故概率、事故强度、事故危害后果、事故危害减缓措施等，具体有：与被评价的污染物一次接触，可能造成一定危害的浓度阈值；被评价危险源各种可能事故的发生概率；被评价危险源各种可能事故造成一定危害的时、空尺度(一些研究中定义为事故强度 )；由以上指标综合的复合指标；今分述如下，以供同行参考。2 事故后果危害特性由于事故排放造成的某危险品与人体、生态、社会系统的一次性短时接触，能否对其造成一定危害，主要
3、与危险品的物理、化学性质与生物毒性有关。一些研究给出危险物质的物理、化学性质（如：沸点、燃烧热值、爆炸下限浓度等），半致死量 (LD50 )、半致死浓度 (LC50 )、短期(15 分钟)暴露阈值等急性毒性指标数据，或用毒物最高容许浓度(MAC)作适当修正，以此来确定需作环境风险评价的危险品，并直接拿来应用于估算危险时、空区域。这种做法有其合理的一面，但由于忽视了这些数据是根据动物实验结果经数据统计处理后取得的，应用于人类有其局限性。并且事故现场与实验条件具有显著差异。对于前者，环评工作者除了对已有数据作合理选择以外，似乎难以有所作为。但对于后者，环评工作者可以大作文章。一般而言，事故现场的污
4、染物浓度变化远不如实验条件那样平稳，且时间尺度与实验亦有较大差异，因此需作必要订正，以提高环境风险评价的质量。此外，除了毒物以外，也要考虑一些原本无毒的污染物，可能在事故现场长时间的保持高浓度，也会对人体与生物造成窒息性伤害。故从污染物性质角度表征事故的环境危害程度，可取以下几个指标：2.1 毒性阈值要科学确定一次接触毒物中毒的危险性，不仅要考虑毒物的毒性，还要考虑吸入毒物的浓度和作用时间。根据中毒程度与毒物浓度、接触时间的关系，可分为线性与非线性二类。(1) 线性关系类多数毒物毒性危害程度(W)可表示为： (1)TACW)(式中 为毒物毒性系数，C 为事故现场毒物浓度， A 为无毒害最大允许
5、浓度，T 为吸毒时间(即毒物浓度 CA 的时间)，方程在 C A 条件下成立。由于事故现场的毒物浓度是时间的函数，不能与 LC50 作简单比较，故用 LD50 比较合理。取 LD50 为一次接触危害阈值，并令毒物之 LD50 W ，最大容许浓度 MACA,则有： 2 (2)TdtMACtLD)(50式中积分时间 T 为 C(t) MAC 的时间，设： TMAC)(则有： (3)A50该式综合了 MAC、 LD50 、 、 T 四方面信息，而 LD50 是与 LC50 风险值等同的量，故 具有事故作用周期内平均半致死浓度之含义。严格说来， 是空间的函数，在污染云团中心，T 值大， 值小；在污染云
6、团边缘， T 值小， 值大。 若取 值为定值( 由事故特征时间 T* 确定)即得： (4)*50*LDMAC式中， T* 为事故特征时间，或取事故排放持续时间，或取某种毒害后果（如急性中毒、致死）对应浓度暴露（接触）之最低时间（如 50ppm 接触 10 分钟以上）。用 * 代替 LC50 ，用 C(t) * 划定之危险区域，比用 C(t) LC50 划定之危险区域，更符合事故现场实际情况。当然，若用以下方程： (5)TLdtACt50)(可以精确地求出真实的危险区域( X 范围 )，但显然此计算过于复杂。只要 T* 定得确当，用C(x,t) * 简单划定的危险区域与真实的危险区域，不会有很大
7、差异。（2） 非线性关系类有些毒物的中毒危险程度可表示为： (6)ln(TeBAPttr 式中 Te 为接触时间；A t、 Bt、 n 为毒物毒性参数，由有关实验研究给出； CnTe 为毒性负荷，类似于吸入毒物总量和中毒危险程度；P r 为一定接触时间(Te) 内，毒物对人体造成伤害的概率，取值范围为 0 10，它与死亡百分率有对应关系：死亡百分率为 50 时，P r 取值为 5.0 ；死亡百分率为 90时，P r 取值为 6.28 ；死亡百分率为 99时，P r 取值为 7.333。A）对于稳定排放， C 不随时间变化，若取 50的死亡率，则有： (7)0.5exp(tnBAT在此基础上不难
8、进一步求出半致死浓度值，此值依赖于接触时间 Te， Te 一般可取逃离事故现场的平均时间(如 15 分钟左右 )，则有： (8)0.5exp(/1%50ntTC以此值可划出半致死区空间范围。B）对于瞬时排放，C 是时间的函数，若取 50的死亡率，则有： (9)TetnBAdt).(具体计算可令 Te m t, Ci 为某个 t 时段内的平均浓度，则有： (10)Te tnit )0.5exp(3以此式来确定毒物瞬时排放事故的半致死时空范围。作为简单估算，可根据逃避行为所需之特征时间定义风险浓度： (11)mtTBA)0.5exp(式中 Tm 为设定之特征时间，凡在设定时段内平均浓度大于 的时、
9、空区域均为危险区域。m2.2 窒息性伤害阈值对于一些原本无毒的污染物，由于事故排放，造成一定空间范围内长时间的高浓度，使该空间内的人体或生物长时间缺氧而造成的窒息伤亡，是另一类中“毒”。火灾现场的窒息伤亡也可作为此类中“毒”讨论。这类中“毒”的一次接触危害浓度应从缺氧分析入手。根据有关研究，可得到以下数据：对于一般人体而言，当环境空气中氧的体积浓度14% 时，人体还可处正常状态；当氧的体积浓度 43% 时，开始出现明显不良反应；X % 52% 时，发生恶心、呕吐、昏迷； X % 71% 时，危及生命。2.3 燃爆阈值突发性事故的初始可燃爆范围，是一个重要潜在环境危害表征指标。以后的灾害漫延可以
10、作为次生灾害，用多米诺效应连锁反应来处理。事故初始可燃爆范围的确定，须有一个浓度阈值，可以直接使用污染物的燃爆极限浓度值(一般只用下限，因上限以上的混合空气不能认为是安全的，随着自身扩散与被空气稀释，浓度下降后仍有燃爆危险)。2.4 复合阈值除以上三类简单事故(中毒、缺氧、燃爆 )外，还有复合事故：中毒与缺氧并发；燃爆与缺氧并发；中毒与燃爆并发；燃爆、缺氧、中毒三者并发。复合事故的环境风险表征可由各单一事故的环境风险表征指标分别表征，或根据各单一事故在复合事故中的权重与相互关系，对原表征指标及其阈值进行修正、或在此基础上再构造复合表征指标及阈值，此有待进一步研究。3. 事故危害空间特性污染物特
11、性指标从污染物性质上表征事故的环境危害程度，本指标则从污染物数量上表征事故造成的环境危害程度。一般仅从事故可能排放的污染物质量和能量(事故源强) 来表征事故强度，列出一些危险物质的贮存、加工量阈值，这些阈值难以作进一步的评价与应用 4。我们认为，危险品泄漏事故，能否造成一定时、空范围内的一定强度的危害，取决于事故发生当时危险物质进入大气环境的数量与当时的大气扩散条件。应把这些事故排放的污染物质量、能量(事故源强 )，变换成当时气象条件下的事故危害作用空间范围，以此来表征事故危害强度与环境风险程度，以便与其它环境风险表征指标或其它数据资料配合使用，深入分析。由于事故发展后期危险物质一般总在大气湍
12、流中扩散，故可在高斯扩散模式的基础上进行鉴别和描述 5。3.1 危险源鉴别（1）对于稳定排放的事故，有：4（12）)(2)(exp)()(0 AxHyCxuQzzy （2）对于瞬时排放的事故，则有：（13）)()()(2)( 2203 BttRt zzR式中，C 00 为危险品的某级危害浓度阈值， C0 为背景浓度， x 为距危险源距离，t, R 为事故危害时空范围，这些数据均可根据实际情况确定。求得的 Q 即为危害性事故的临界排放量。凡事故排放量 Q 的事故，均会造成该级别的危害。若总贮量 Q 的，其危害区可用下式描述：（1） 对于无衰减气体的地面稳定排放事故有：（14）qpMCuabX10
13、)(（15）qpUx10)2ex(（16）qpMCabQpqaY )2ex()(0（2） 对于无衰减气体的地面瞬时排放事故，则有：（17）qpMbapqR 2023 )ex()()(2式中，a,p 为水平扩散参数的系数和指数( Y=axp)；b,q 为垂直扩散参数的系数和指数 ( z=bxq)。XM 为稳定排放事故危害区的最大下风向距离，Y M 为最大横风向距离， xM 为 YM 出现处的 x 座标；R M 为瞬时排放事故危害区的最大半径。4. 事故危害时间特性事故危害空间特性从危害空间角度表征事故的环境危害程度，本指标则从时间角度表征事故的环境危害程度。事故危害的时间特性，主要有事故危害期与
14、事故发生概率。4.1 事故发生概率估算（1） 后验概率估算一些多发性事故，已有事故案例积累，可以直接统计出这类事故的发生概率。有些事故，虽无发生先例，但与以前多发性事故较为类似，则可通过类比调查、相似归纳等方法，估算出事故发生概率。（2） 先验概率估算在各种事件概率分布形式已知（一般为正态分布）条件下，计算得出各基本事件的发生概率，结合事故树分析，用演绎推理的方法，由各基本事件发生概率估算起，逐步向顶上事件推算，最后得出顶上事件发生的概率，即为危险源发生事故的概率，具体计算参见有关文献 6。5（3） 管理因素作用先验概率的估算过程，理论上虽很严密，但与实际事故的发生存在较大出入，其原因是割裂了
15、事故因果之间的相互联系和忽略了管理因素。同样的设备，由不同的人操作，事故发生概率是不同的。即使是同样设备和相同的人操作，不同时期的事故发生概率也是不同的。在事故树中加入“误操作”这一基本事件，其发生概率可定义为人员素质、操作环境、精神状态的函数。由于此类事件属多发性事件，且具有普遍性，故无论采用先验或后验估算方法，均可得出较为可靠的估算值。另外，无论是“交集”或“并集”概率的计算，均同样可引入管理因素 6。4.2 事故危害期估算（1） 稳定排放的事故危害期，可视为事故排放失控期，最大危害期为危险源内危险品储存量与事故排放速率之比。（2） 瞬时排放的事故危害期是空间的函数，瞬时排放的烟云中心点处
16、危害期最长，对于无衰减情况下的地面瞬时排放事故，无风情况下源区存在最长危害期：（18）qpMCbaQT21023)()(危险源附近空间各点的事故危害期估算参见文献7。4.3 事故危害时间比把事故发生概率 P（量纲为 1/t）乘以事故危害期 T（量纲为 t），乘积 PT 其物理意义为事故危害时间占事故周期时间中的比例，其值越大，危害越容易发生。5. 事故危害强度表征事故危害的空间特性与时间特性分别从空间与时间两方面表征事故的环境危害程度。二者结合，则可用四维空间的概念更深刻地表征事故的环境危害程度。5.1 中毒类事故的危害强度在一定排放方式与气象(水文 )背景条件下，事故排放的污染物质量越多，其
17、危险区与危险期也越大，危险区与危险期的积（事故危害的四维时空范围）可用来表征事故的危害强度：S（危害强度）= R（危害区）T（危害期） （19）5.2 缺氧类事故的危害强度只要缺氧阈值确定，缺氧区和缺氧期便不难确定，用以表征缺氧危害严重程度的四维时空范围也就可以求出。5.3 燃爆类事故的危害强度可用初始燃爆范围、燃爆初始时刻的最高温度、爆炸冲击波等参数描述。物理爆炸类事故危害强度则与事故发生时的容器最高压力有关。这类能量型危害事故可诱发出次生事故，诱发次生事故的有效距离（如爆炸伤害半径、火球热辐射半径等），也是重要表征指标。有关计算公式，可在有关燃烧、爆炸的文献 8中查得。5.4 复合事故的危
18、害强度这类事故较难准确表征，简单处理时，可对单一事故的危害时、空区域加权求和，权重系数可从环境、生态、经济分析确定。6. 事故危害综合表征事故概率指标仅从事故发生的可能性上表征事故，事故强度指标仅从事故危害的严重性上表征事故，二者结合即为事故可能造成的危害期望，可更本质地表征事故的环境危害程度。此6类指标可以用来比较不同地区的不同概率、不同强度之事故的相对重要性。6.1 风险度事故风险度（F）可定义为事故发生概率（P）与事故危害强度（S）的乘积：F PS (20)S 又可定义为事故造成某种危害的时、空影响范围：S RT (21)式中 R、 T 分别为该种危害的危险区、危险期。以上公式 P 的量
19、纲为 t -1 ；R 的量纲为 m2 ；T 的量纲为 t；则 S 的量纲即为 t m2 ； F 的量纲即为 m2。F 的物理意义是事故危害期望面积，是事故危害时空区间与事故周期之比。某地的多发性(大概率) 、小强度事故，与罕见(小概率)、大强度事故相比较，究竟哪一个更值得重视（造成的危害期望更大），可用本指标确定。6.2 事故危害损失期望在 S 上再定义生产力、经济、人口、资产等密度，即可得事故危害损失期望值： G PSQ (22)式中 Q 为密度函数，单位为：元 m2 ，或：人m 2 。具有相同风险度的事故，在不同经济、人口密度的地区，会造成不同的事故危害损失期望，危险源的选址，应考虑本指标
20、。其物理意义是事故发生周期内的危害损失期望。6.3 环境风险最终表征形式环境风险的最终表征形式要根据环境风险评价的目的和选用的风险指标确定, 可以建立在相对基础上(如：比较各种补救措施的风险降级收益 谁大谁小) ，也可建立在绝对基础上(如：与某风险标准目标作比较超过多少)。环境风险的最终表征要为风险决策提供有效、简单、定量、可靠（只存在相对的可靠，因为风险本身存在较大的不确定性）的风险描述。在具体环境风险评价中，要评估的事故数量可能非常多。最终风险表征必须把大量信息浓缩、集中为便于管理、使用的形式。结果可用简单的指数、表格、图形来表征。常用的最终风险表征形式有：1）风险指数，能简单描述风险的数
21、据或表格；2）个人风险，是处于受事故影响区域内任何地点的个人的（死亡）风险；3）社会风险，是事故影响区域内人群的（死亡）风险；4）伤害风险，是事故影响区域内人群受到伤害的风险，等等 1。（1）风险指数常表达为某一单一的数值或一个列表，它们可能在绝对或相对意义上被使用。常用于没有具体可接受或可拒绝绝对标准的情况。典型的风险指数有道氏爆炸指数、道氏火灾指数等，用于表征具有危险性的工艺、设备的相对危险性，这些风险指数参见有关爆炸、火灾危险性评价的专门著作 10。绝对意义上的风险指数，常采用“死亡事故率(FAR)”等指数表征。死亡事故率(FAR)：是每 108 小时 (相当于 1000 个雇员一生的工
22、作时间 1000313840 ) 接触时间中导致死亡的估计性数字，它与平均个人风险存在直接的比例。平均个人风险的时间周期是一年，所以，FAR / 平均个人风险 = 108 / (24365) = 1.14104。个人危险性指数(IHI)：是某特定危险的 FAR，接触时间定义为个人暴露于某特定危险的实际时间，IHI 常用于评估峰值风险。平均死亡率（ARD）：是预期时间内所有可能事件的平均死亡人数，也就是事故死亡数。等价社会费用指数：是平均死亡率的一种修正，考虑了社会对重大事故后果的反感程度。死亡率指数或数值：用来描述有毒物质贮存的潜在危害特征。从历史记录中，根据观测到的质量、能量意外释放事故的平
23、均死亡比例求得。经济指数：度量事故财政损失及其发展的指数，已不在本书讨论范围之内。经济指数在本7质上可以用象 FAR 一样的方法来处理和描述。各公司可能已经开发了特定的经济风险目标，经济指数可以和这些公司的经济风险目标相对照。（2）个人风险个人风险率作为个人在危险源附近所冒的风险, 包括危险源对个人危害的种类、危害发生的可能性和受害时段。对于某给定危险源或给定事故，个人风险率在不同地点有不同的数值：个人风险等值线：表示个人风险的地理分布。风险等值线表示在某一特定地区能够导致特定危害水平的事件的预期频率，不管任何个人在此场合都会遭受此种危害。最大个人风险：是接触人群中暴露于最高风险的那部分人群的
24、个人风险。经常是工作在被分析单元（危险源）的操作者，或生活在高风险区域内人群所承担的风险。可以根据位于最危险处的人的风险等值线、确定该点的个人风险为多大。也可通过计算存在人群的各个地理位置的个人风险，并搜索其最大值。平均个人风险（暴露人群的）：是暴露于某种风险中的人群的平均个人风险（例如：建筑物中的所有操作者、或处于最大事故影响区域内的全部人群）。如果风险值对于此人群相对是均匀的，这个风险度量是有用的；如果风险值不均匀分布，则可以造成很大误差。当大多数人位于低风险区、少数个人暴露于高风险区，此度量没意义。平均个人风险（总人口的）：是预先确定的人群的平均个人风险，而不考虑这些人实际上是否暴露于风
25、险之中。此平均风险度量有可能导致很大错误。如果选择的人群太大，就会人为地使平均个人风险估算变低，因为很多人可能并不处于被研究的风险之中。平均个人风险（相对于接触时数或工作时数）：对应于某一活动的个人风险，可以用此活动的持续时间或工作日来计算。例如，某操作工在整个工作日中，做一小时的抽样工作，其它七小时均在控制室内工作，假设控制室内工作无风险，则在抽样工作时的个人风险将是整个工作日的平均个人风险的 8 倍。个人风险通常可用风险等值线图和个人风险廓线表达。风险等值线图指示了地图上各点的个人风险估算值。风险等值线（等风险线）是连接设备周围各等风险点的一条曲线。在风险等值线图上，特别敏感地方（如：学校
26、、医院、人口密集区）是否符合风险评价标准要求可以很快确定。个人风险廓线也是表示个人风险的图，它是距风险源距离的函数，是个人风险等值线图的一种简化。当风险源是简单的（如：可近似于一个点源），并且风险分布在各个方向上相等时，适用此种表达形式（如：表达加压液化石油贮罐零售点附近的风险）。（3）社会风险一些重大事故有危及大众的潜在危险。社会风险是对社会大群人群的风险度量。它常用多种伤亡事件的频率分布来表示。然而，社会风险也可表示为类似的个人风险 。例如位于（x 、 y）特定位置处死亡 10 人的可能性，就是一种社会风险度量。社会风险估算像个人风险计算一样需要频率和后果信息。此外，社会风险估算还需要危险
27、源周围处于风险区中的人口说明资料，包括人口数、人口类型（如：居民、医院、学校）以及这些人在场的可能性和不受危害的可能性（考虑缓和因子）。社会风险与个人风险一样，综合了事故频率和事故危害后果两方面的信息，表征危险源对周围环境的潜在危害。这些量在评价风险降级措施相对得益判定上，在绝对意义上的设备可接受与否的判断上都很重要。一般情况下可通过相同的事故频率和事故危害后果信息，从一个指标推到另一个指标而不需要作大量重复计算。社会风险着眼于解决可能受事故危害的大型人群数量问题。社会风险的一种常用形式是通称为 F-N（频率-人数）曲线。F-N 曲线是一张相对于后果（表现为死亡人数）的累积频率图。一般使用对数
28、图，因为频率与死亡数涉及到几个数量级。它也常表示为选定事件相对于总 F-N8曲线的贡献，总 F-N 曲线对于主要风险贡献的识别非常有用。（4）伤害风险对众人的风险可以用伤害和死亡来定义。用伤害(损害) 作为风险评估的基础，比用死亡可以少一些麻烦。然而却引入了伤害程度和不同伤害类型（热的、爆炸、有毒的）之间的可比较性问题。当在一风险评估行为中存在多种危险，必须分别考虑来自不同事故的各种风险。例如：评估由于有毒气体暴露的伤害和与有毒气体暴露有关的二次火灾、碎片伤害。甚至仅有一种伤害类型，不同的暴露持续期可明显地影响伤害严重程度。7. 环境风险管理对策表征一个危险源的建设，可以有多种方案，各种方案各
29、有其事故发生概率（P i），事故危害损失（N i），无事故效益（L i），及其投资（M i）。相应，可求出各种方案的可能损失 Si ，可能收益 Ti、最可能净收益 TCi 与各种效益费用比 Q x i：Si =PiNi ; Q s i=PiNi / Mi （23）Ti=(1-Pi); QTi =(1-Pi)Li / Mi (24)TCi = (1-Pi)Li Pi Ni ; QTCi = (1-Pi )Li Pi Ni / Mi (25)根据不同的择优原则，便可得到不同原则下的最优方案及优劣排序。以上思路用于危险源管理、改造对策中去，各种对策都有其效益 Ti 及所需费用 Mi，这里定义效益为环
30、境潜在危害得到控制的减少量，则有：Ti = P Ni + N Pi (26)式中，P 、 N 为原来事故发生概率与事故危害损失， Pi 、 Ni 为采用了某对策后事故概率的下降值与事故危害的下降值，比较各个对策的 Ti、 Mi、 Qi = Ti / Mi 值，便可比较各个对策的优劣与决定采用哪些对策。另外，一些具有相对意义的风险指数（如道氏爆炸指数、道氏火灾指数），针对可能的风险降级度量范围，参照“等价社会费用指数”，也可用列表的方式列出或比较不同工艺、设备（危险源）、对策的潜在危害相对大小，供环境风险管理决策使用 9。8. 结语以上各项环境风险表征指标，构成一个环境风险评价指标体系（见附图
31、1），指标体系的具体择项确定，实际上决定了某个环境风险评价的工作内容、工作深度及各种信息相互之间的关系，也确定了该环境风险评价报告书的基本框架。本文提出的这套较为系统的环境风险评价表征指标体系，经多个工程项目环境风险评价实际应用，均取得了良好效果。主要参考文献：1Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, New York, 1989, ISSN 0-8169-0402-2, 2633022陆书玉、徐峰、石剑荣，工程项目的环境风险评价表征研究，上海环境科学，1998,11, 133李民权等译，工业污染事故评价技术手册，
32、中国环境科学出版社，1992, 81864李民权等译，工业污染事故评价技术手册，中国环境科学出版社，1992, 1211245石剑荣，高斯扩散衍生公式在环境风险评价中的应用，中国环境科学，1996,6, 5355396石剑荣、叶明，突发事故概率估算研究，中国安全科学，1999,2, 46537石剑荣，突发事故危害期估算模式研究，中国环境科学，2000,3, 2812838冯肇瑞、杨有启，化工安全手册，化学工业出版社，1993, 4718399江研因、石剑荣、王素云等，上海市吴泾地区大气污染突发事故危险性评价与对策研究沪环科（89）- 031 科研报告，1994, 619010中国劳动保护学会防
33、火防爆专业委员会化工部安全卫生情报中心站翻译：火灾爆炸指数评价法（道化公司第六版），1990.6事故危害后果 事故危害空间 事故危害时间特征分析 特征分析 特征分析危险物质 各种事故 危险源鉴别、 危害期估算 事故概率估算 元器件、设备特性数据库 危害阈值 危害区估算 故障率数据库事故危害时间比毒性阈值 事故危害强度表征 窒息性阈值 风险指数：燃爆阈值 事故危害综合表征 FAR 等复合阈值 个人风险：社会人口、经济 事故危害 风险度 平均个人风险等分布数据库 损失期望估算 估算 环境风险 社会风险：最终表征 F N 曲线等伤害风险。工程正常运行效益、 环境风险管理 事故损失统计分析 对策措施 供决策者决策使用 向社会公布的项目的信息、数据 潜在环境风险数据投资方案附图 1， 工程项目环境风险表征指标体系示意图
