有毒气体泄漏扩散伤害分区的研究

1、【化救论坛】有毒气体泄漏扩散伤害分区的研究化工部化工劳动保护研究所(青岛266071王樟龄付贵生夏龙君第一次世界大战期间,德军于1915年4月22日在比利时的伊珀尔(Ypr es地区7km的前沿阵地投放了168吨氯气,造成了约5000人死亡。1984年12月2日,美国联碳公司在印度博帕尔(Bhopal的一家工厂,约30吨异氰酸甲酯泄漏扩散,造成约2500人死亡,许多受害者还留下了严重后遗症。在我国,1972年山西祈县某供销社门口,运输槽车泄漏1.2吨液氨,21人中毒死亡;1988年11月23日,延吉某化肥厂一氧化碳漏入民工卧室,熟睡中的16名江苏民工中毒死去;1986年12月28日,江苏新沂某

2、农药厂检修工将100mL液态光气当成“水污”排放到地面,旋即形成雾团,致使下风向约200m之内的人员中毒(重度4人,中度9人,轻度30人;1984年5月16日,郑州市某合成洗涤剂厂在卸槽车时,管道泄漏1.5吨液态二氧化硫,造成下风向居民10人轻度中毒,148人有吸入反应。由此可见,研究有毒气体泄漏扩散伤害分区模型,对估计伤害范围、划分重大危险源级别、作好化学事故应急救援预案,乃至确定危险源周围土地利用规划等,都将具有深远意义和应用价值。一、伤害分区的理论依据伤害分区的主要依据是人的伤亡。根据历次有毒气体泄漏事故中人员伤亡情况,可将事故范围划分成致死区、重伤区、轻伤区和吸入反应区。毒物对人群反应

3、的强弱呈剂量-反应关系(D ose-response relationship。后者指接触某定量危害因素所致特定效应(例如死亡在接触群体中所占百分率。决定中毒程度的是作用于靶器官或靶分子的剂量。而靶剂量与吸入毒物的浓度以及接触时间有关。尤吸入毒物的浓度有时可对靶剂量起着决定性的作用。许多毒气,如硫化氢、光气、氯气和氨气,当浓度超过一定限度时,可使接触者发生“电击样”中毒,而低于某一浓度阈值,接触时间再长也不会急性中毒。毒物泄漏事故中,空间某点P(X,Y,Z在某时刻t1的瞬时浓度C1取决于泄漏速度、泄漏总量、气温、风向、风速、地形、地貌等因素。对事发时停留在P点的人员而言,求其伤害程度,只要考虑

4、该点的平均浓度Cp和接触时间t就够了。一次高浓度接触可能造成的致癌或对后代的致畸后果,以及毒物污染水源和食物等造成的间接危害,均不作为伤害分区的依据。二、伤害分区1.致死区(A区本区人员如缺少防护或未能及时逃离,则将无例外地蒙受严重中毒,其中半数左右人员可能中毒死亡。2.重伤区(B区本区内大部分人员蒙受重度或中度中毒,须住院治疗,有个别人甚至中毒死亡。3.轻伤区(C区本区内大部分人员有轻度中毒或吸入反应症状,门诊治疗即可康复。4.吸入反应区(D区本区内一部分人员有吸入反应症状,但未达中毒程度,一般在脱离接触后24小时内恢复正常。通常,上述四个区是由内向外分布的,居内的重伤害区边界线,也即外侧较

5、轻伤害区的内边界。“吸入反应区”的外边界不一定要确定出来。致死区和重伤区是疏散、抢救的重点区域,轻伤区也应在疏散之列。平时应在重大危险源周围划出危险区,禁止在此区域内建住宅、市场和公共娱乐场所等人口密集的设施。三、关于“毒负荷”光气对人的半数致死暴露量L Ct50为500 750ppmmin,就是说吸入5750ppm100min与吸入5075ppm10min,可以造成同样严重的中毒,如不及时抢救,可致死亡。吸入一氧化碳,血液碳氧血红蛋白(CO Hb比例达65%即不能存活。当接触时间不超过30min时, CO Hb形成与一氧化碳浓度及接触时间的关系符合下式2CO Hb%=197(1式中,C为CO

6、浓度(ppm;t为接触时间(min。3Occupational Health and Emergen cy Rescu e职业卫生与应急救援1996年9月第14卷第3期T ur ner RM 和F air hurst S 提出毒负荷(T o xic load的概念3,毒负荷(T L 是吸入毒气浓度C 和接触时间t 的函数。对于一种毒物,在同一品种动物产生同样的效应时,毒负荷值应是一定的。Doe J E 和M ilburn G M 查对了30余种物质的实验资料,提出两种物质的毒负荷经验关系式3T L =C t T L =C 2t (或C T 0.5综合各方面的资料,我们提出毒负荷的通式如下T L

7、 =K Cn t m(2式中,C 为毒气浓度(ppm,应大于急性阈作用浓度;t 为接触时间(min;k 为可能与靶剂量有关的系数,通常K 1;n 为浓度对T L 贡献的修正指数,n >1或n 1;m 为接触时间对T L 贡献的修正指数,由于机体在吸收毒物的同时发生代谢转化和排出过程,故通常m 1。由于目前还不可能定量计算靶剂量,例如算出每kg 靶组织吸收了多少mg 毒物,就像计算电离辐射的吸收剂量那样。所以,化学物的靶剂量只能用全身毒负荷来描述。毒负荷T L 不同于一般的物理量,它用经验公式来间接地表达靶剂量,我们取T L 值的单位为ppm min,就是描述浓度与时间的联合作用结果。与L

8、Ct 50的区别在于,我们把n 和m 取不同值,修正了C 或t 对靶剂量的贡献,但这并没有改变量纲的含义。同一毒物对机体的作用可以用T L 来描述,但不同毒物的T L 值没有可比性。人体对某一毒物的致死毒负荷几乎是一个恒定值。根据文献数据导出的致死毒负荷及其计算式列在表1。表1几种有毒气体的致死毒负荷及其计算式毒物名称致死毒负荷计算式光气750ppm min C t 一氧化碳COHb 65%(1氯18000ppm min C t 氨 1.05×109ppm min C 2t 一甲胺 3.6×108ppm min C 2t 硫化氢500ppm min C t 0.1二氧化氮5

9、50ppm min C 0.8t 0.5二氧化硫2560ppm minC t 1/3四、从已知事故的经验设定各伤害区人员的接触时间上饶沙溪镇2.4吨一甲胺从刮断的阀门泄漏持续时间约20min,前几分钟属带压泄漏,后来是蒸发泄漏,高浓度毒气云团笼罩局部的时间不超过30m in 。安徽泄氨事故是由于罐体爆炸,泄漏过程不超过5min,高浓度毒气云团笼罩局部时间不超过10m in 。温州氯爆炸泄漏10.2吨,前5min 泄漏约占总量的1/2,毒气笼罩局部的时间超过30min 。刺激性气体影响所及,人们第一反应是屏气逃躲。硫化氢浓度达15002000ppm 时,吸一口或两口,即可导致呼吸麻痹,出现“电击

10、样”中毒,丧失逃避能力。温州泄氯事故中18例当场死亡;沙溪一甲胺泄漏,有7例死于现场。老幼病残和处在熟睡中的人,都可因延误逃避,延长了接触时间。此外,毒气吸入量还因人的活动状况而异,人在安静时呼吸量约为7L /min,剧烈运动时可达30L /min 。可见接触时间取决于泄漏量、泄漏速度、泄漏持续时间和人的行为。可短于1min ,也可长达30min 以上。为便于比较,“致死区”和“重伤区”的最长接触时间假定为30m in;“轻伤区”由于覆盖面积大,疏散困难,最长接触时间假定为60min;“吸入反应区”由于浓度较低,人们尚能忍受,接触时间不限。五、怎样确定人的致死毒负荷研究人类的最合适模型是人本身

11、,致死毒负荷最好是采用历次中毒事故中获得的剂量-反应关系的资料。但是事故的发生总是猝不及防,来不及对现场毒气作即刻监测,因此人类急性中毒的剂量-反应关系的资料十分欠缺,不得不借助实验动物的数据推测。由于种属间解剖生理特点以及毒物在体内代谢过程的差异,不可避免地引入了不肯定因素。为了缩小这种不肯定因素,推论时当首选在生理生化方面与人相近的实验动物数据。即使在同一种动物,由于个体差异,有少数动物的耐受性特弱或特强,而大多数动物的耐受性比较接近。以剂量对数(横坐标和死亡率(纵坐标作图,剂量-反应曲线呈对称的S 形。此曲线两端平缓,说明在低剂量和高剂量区的改变引起死亡率的变化很小;而曲线中段斜度较大,

12、特别在死亡率50%处,剂量稍有改变即引起死亡率明显改变。说明L D 50或LC 50最能代表动物对特定毒物的反应特征。基于这一认识,我们将致死区定义为“半数左右人员可能中毒死亡”,并采用实验动物的LCt 50推导出致死毒负荷。六、各伤害区的边界毒负荷1.致死区的平均毒负荷T L A ,一般从毒物对实4职业卫生与应急救援1996年9月第14卷第3期Occupational Health and Emergency Rescue验动物的L Ct50推导。致死区边界毒负荷T L a选择使5%实验动物死亡的毒负荷,它由L C5推导,而LCt5可以在求半数致死浓度的“浓度-死亡率”曲线中查出。2.重伤区

13、的平均毒负荷T L B,按重伤的定义,选择使1%实验动物死亡的毒负荷,它同样从浓度-死亡率曲线中查到L Ct1值,进而按毒负荷表达式求出1%动物致死的毒负荷。如缺少“浓度-死亡率”的数据,T L B可以从最小致死浓度(M LC和接触时间推导。重伤区边界毒负荷T L b,由引起人类中度中毒的浓度和接触时间推算。3.轻伤区边界浓度C c,根据可引起人类轻度中毒的浓度推算。4.吸入反应区的边界浓度,按引起吸入反应的浓度计,如缺少这方面的数据,可用对实验动物的急性阈作用浓度代替。确定了毒气的边界毒负荷,又限定了各区人员的最长接触时间,则可根据T L表达式求出相应的最小平均接触浓度。如致死区,最小接触浓

14、度为C A min=(T L akt A m ax ml/n(3式中t Ama x为致死区最长接触时间。重伤区的最小接触浓度以C Bmin表示。七、判断空间任意点所属的伤害区判断原理求该点在整个泄漏扩散过程中的T L值,与各边界T L值比较后作出判断。必要条件(1该毒气的T L关系式;(2该毒气的各边界T L值;(3该毒气在给定状况下的C1-t1关系式。对致死区和重伤区而言,求出事故发生后t1t2 (t=t2-t1,30m in这段时间里的积分平均浓度C=lt2-t1t2t1f(t1dt1(4式中f(t1是C1t1关系式对t1的微分函数。按式(4求出的积分平均浓度代入毒负荷表达式,求出毒负荷,

15、与边界条件T L a或T L b比较就能够确定该点属于什么区。由于毒气扩散速度每分钟可达200m以上,而致死区和重伤区人员的最长接触时间一般不超过30min,因此可以假设这两区人员接触毒气的起始时刻t1相同。对于最常见的瞬时泄漏,毒气浓度瞬间达最大值,可以认为t1=0。这样,只要计算泄漏发生后1,2,3直至30min任意点P(X,Y.Z的积分平均浓度及其负荷,与T L a,T L b或C c比较即可作出判断。八、在地图上画伤害区边界线以泄漏点为圆心,在半径20m以内每隔5m画同心圆;在半径20100m处,每隔10m画同心圆;在半径100200m处,每隔20m画同心圆;在半径2001000m处,

16、每隔50m画同心圆;在半径1000m 3000m处,每隔100m画同心圆。然后在圆周上每隔一定距离设点,当该点积分平均浓度值小于急性阈作用浓度,就停止往下计算。分别连接毒负荷相当于T L a、T L b的点,以及C=C c或C d(急性阈作用浓度的点,就画出四个伤害区。虽然事故发生过程中,伤害范围是随时间而扩展的,但每次事故的结局是固定的。我们所论的伤害分区,是指事故结局的伤害分区。九、伤害分区的误差有毒气体泄漏扩散伤害分区的研究,是与泄漏扩散模型研究紧密相连的,它直接应用后者给出的空间任意点浓度与时间的关系式C1t1,因此,后者的误差也必然影响伤害分区的准确性。其次,伤害区毒负荷表达式T L

17、=K C n t m中的K、n、m系由动物实验数据归纳得出的经验值,实验数据的误差,给K、n、m带来了不肯定因素。另一重要误差来源是耐受性的种间差异,无论选择何种动物的实验数据推论人的反应特征都存在不肯定性。此外,为了伤害分区,不得不假设接触时间,而事故中实际接触时间和呼吸量因人而异。以上种种因素决定伤害分区的误差,而且这种误差难以定量表示,只能用事故案例检验理论计算结果。参考文献1.M arshall V. C.M ajorchemical hazard,Ellis Horw oodLimited1987:327,372379,3191991:216,209of major hazard s ubst