3-数值模拟在突发事故动态风险评估中的应用

数值模拟在突发事故动态风险评估中的应用1443数值模拟在突发事故动态风险评估中的应用司鹄1,2*，毕海普3，纪虹1,2（1.重庆大学煤矿灾害学及控制国家重点实验室，重庆400030，中国2.重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030，中国3.常州大学环境与安全工程学院，江苏213164,中国）摘要：三峡库区的水质安全对国民经济发展和社会稳定具有重要影响，本文建立突发水污染事故的动态风险评估模型，以数值方法计算事故后污染物质在水体中的运移特征，基于实时水文条件下数值模拟结果对风险因子进行量化赋值，结合风险度计算结果，运用模糊判定理论区划风险类别。实例计算急流条件下细菌污染事故的风险值及风险级别，并讨论应急不及时相应事故的动态风险值和风险级别。关键词：动态风险评估；数值模拟；突发水污染事故；三峡库区1引言突发事故后污染物质的运移特征和安全风险变化比较广泛，视事故的种类、位置、气候作用和其他许多变量而定，它的不确定性、突发性、扩散性、危险性等明显特征给水环境安全的风险评估研究带来极大挑战。国外对水域突发事故的风险评估的研究多关注海域突发性污染事件发生可能性的风险分析和评估，如荷兰污染物允许排放的风险分析方法学，美国Oilmap溢油生态影响和水质毒性效应的评估[1,2,3]。国内也开展了事故污染风险评估的诸多研究，基于系统分析和层次分析相结合的原则建立风险评价的多级指标体系和事故后果的风险评估模型，结合模糊数学，众多学者研究了根据实际统计历史资料计算事故可能性、事故影响区域和应急救援的综合效果，计算风险值并给出相关的降低风险措施[4,5]。动态风险评估追踪过程，弥补一般研究只关注事故结束时状态的不足，分析事故的各个过程的所处的危险性，评价单个危险因素的危险值及其组合效应，计算动态组合危险值以及动态事故损失率和动态安全指数，进行安全评估[6]。动态风险评估能够基于对事故发生过程的模拟，计算出实时的风险评估值[7]。数值模拟基于实时水文和天气等条件，对事故演化过程提供直观显示，可以对可能发生的事故进行模拟，从而为风险评估模型所需的致灾因子参数赋值提供依据，特别是针对需要大量基础数据的评估，本方法对可能发生或者无基础样本数据的事故研究获取量化赋值技术支撑。数值模拟技术补充和完善了现有风险评价及应急管理的研究，提供实时的数值模拟结果，进一步对风险因子赋值并计算和区划环境安全的风险等级。风险评估的量化赋值的一般方法依赖于逻辑分析技术，如事件树和事故树，转化成为结构性的框架，分析和理解系统的失败和成功机制。传统风险评估关注事故情景结束时的系统状态，很少考虑导致该结果状态的事故演化过程。为了弥补由此带来的评估精度不高问题，动态模型和数值模拟过程被用来提供污染事故的扩散过程信息[8]。应用计算机模拟技术的研究对现有风险评价及应急管理的研究提供补充，以实时的有毒有害物质的迁移轨迹和浓度分布，满足突发性环境污染事故危害程度与泄漏物质在环境中的浓度大小和毒性密切相关的要求，进行实际有效的环境安全风险评估。经过数值模拟计算，从中提取污染风险的辨识因子，如污染覆盖范围、浓度、到达某区域的历时和停留时间等，并在此基础上用模糊分析方法以多指标对突发事故后果损失进行评估，依照特定的标准计算风险区的模糊区划和环境安全的风险等级[9,10]。但是目前基本无发表的结合数值模拟结果的专门针对河流突发性水污染事件的风险评估模型和方法研究结果。本研究借鉴其他领域的风险评估方法和经验，构建三峡库区突发水污染事故的动态风险评估模型，基于污染物质在水体中扩散行为的模拟重庆市电机工程学会2012年学术会议论文1444结果，运用直观显示的三维河道地形、事故发生过程中污染覆盖范围、浓度、到达某区域的历时和停留时间、采取应急措施后污染加速衰减和水质净化幅度等数据对污染事故后的水质安全风险进行评估。2基于数值模拟的动态风险评估动态风险评估首先进行致灾风险因子的辨识，即进行情景识别，分析事故类型、事故情景、相关的事故状态。然后对各个风险因子进行赋值，并计算各个因素的风险度，最后根据模糊聚类法对风险评估后果值进行归类。2.1致灾因子辨识事故情景是对预期情形进行描述，事故情景分析是进行风险评价的基础，辅助找出事故风险的控制因素[11,12]。致灾因子的辨识一般从三大部分进行：历史数据调查、危险源调查和危险源周围环境调查。本文应用主逻辑图的模型化技术，采用主逻辑图中模型层级与层级间的逻辑互动关系来描述系统中致灾因子之间的物理性关联，以事故动态风险值开始，逐步分解为更简单的后果引发事件，采用下级致灾事件直接导致紧接上层事故后果状态的分解方式，对事故后果的致灾事件进行鉴别和分类[13]。2.2因子风险赋值数值模拟基于实时水文和天气等条件，对事故演化过程提供直观显示，可以对可能发生的事故进行模拟，从而为风险评估模型所需的致灾因子参数赋值提供依据，特别是针对需要大量基础数据的评估，本方法对可能发生或者无基础样本数据的事故研究获取量化赋值技术支撑。本研究借鉴其他领域的风险评估方法和经验，构建三峡库区突发水污染事故的动态风险评估模型，基于污染物质在水体中扩散行为的模拟结果，运用直观显示的三维河道地形、事故发生过程中污染覆盖范围、浓度、到达某区域的历时和停留时间、采取应急措施后污染加速衰减和水质净化幅度等数据对污染事故后的水质安全风险进行评估。2.3动态风险评估风险度的计算采用层次分析法（AHP）来确定，基于专家打分得到两两指标间的标度值iju，然后计算各个因子权重并对矩阵设置和计算的可靠度进行一致性检验[14,15]。12,,,,,inUuuuu(1)12,,,,,TiiiijinUuuuu(2)动态安全风险评价模型中各个评价类别风险值的计算是基于主逻辑图中所划分的下级致灾因子数和每个因子的值，计算式为1miijijjTwt(3)其中，iT为计算区域的第i个评价类别的动态安全风险值,m为评价类别i下级评估因子数，ijw为第j评级因素的风险度，ijt为第j个评价要素的风险的损失值。该损失计算方法较好地处理了计算量与计算精度的关系。污染风险区的区划界限存在模糊性，合理的风险区划模式应该利用这种模糊特性。本文基于评价事故情景的动态风险值计算结果，应用风险区的模糊区划模式，构建评判因素集12,,,nTttt和评判集12,,,kVvvv，计算模糊子集,01ijijnkRrr，其中R为从T到V的模糊关系，再按照最大隶属度原则，将T中的每个元素对应到V中的某个类别BWR(4)maxiiiVvvb(5)3风险评估3.1风险评估模型本例以医院E为危险源，模拟中设定库区水流处于洪水急流状态，事故后含E.Coli污水以550m3/s、55000*105MPN/m3的流量和浓度排放6小时，评估事故后第12小时的水质安全动态风险。基于库区动态风险评估因子的设定和主逻辑图的理论基础，E.Coli事故的动态风险评估因子如图1示。E.Coli事故的动态风险评估中健康风险从污数值模拟在突发事故动态风险评估中的应用1445染水体中大肠菌对应急行动人员以及周围居民可能产生的接触传染和通过苍蝇等生物传播、水体的毒性和污染水体生物毒性进行计算。环境风险的计算和评估因素包括污染受体地形、污染面积和浓度、大肠菌在水体中的停留时间和采取应急措施后加速大肠菌群的死亡对风险值的降低。资产风险考察应急物资和人力、事故对水体经济作物以及岸边经济体的影响和损害、人员疏散。社会风险评估媒体报道覆盖范围、企业的信誉损失以及对企业职工和潜在招工等的劳动关系影响。动态风险值U健康风险U1环境风险U2资产风险U3社会风险U4水体毒性U13生物毒性U14生物传播U12接触感染U11受体地形U21污染面积U22污染浓度U23停留时间U24措施消减U25应急物资U31应急人力U32经济体损失U33事故疏散U34影响范围U41企业信誉U42劳动关系U43图1E.Coli事故动态风险评估因子3.2致灾因子风险赋值基于事故情景的细菌事故污染数值模拟[16]，依据事故排放点的地形、污染区域和浓度、停留时间、采取应急措施后的消减幅度等模拟结果对致灾因子赋值。风险值级别设定从1至5依次增大。根据数值模拟结果显示，事故后第12小时、自然状态和应急响应后事故第24小时污染物质的扩散如图2示。图2事故后第12小时（A）、24小时(自然状态下-B应急响应后-C）污染物质的扩散图污染水体中的大肠菌群在自然环境中广泛传播，通过接触传染、生物传播、水体和食物等进入人体引起感染，研究发现被致病菌污染的水源或被感染的人(包括无症状携带者)也可成为传染源继而导致进一步传播。应急人员以及周围居民事故后的短期的暴露接触加剧了传播的风险，而且评估时间点是夏季汛期，气候、气温和降水等因素适宜苍蝇繁殖，加大了与人接触的带菌苍蝇的数量，但是应急人员适当的防护装备和周围居民加强卫生条件后可以比较有效地降低发病概率，因此对接触传染和生物传染分别赋风险值3和4，水体毒性和生物毒性分别赋值3和4。数值模拟结果中事故扩散图显示，由于事故处于洪水汛期，污染水体扩散快，事故12小时后危险源下游的大弯道形成大面积的高浓度污染区域，因此受体地形风险赋值4，污染面积和浓度分别取值5和5。研究发现大肠杆菌合成代谢能力强，在自然界的水中可存活数周至数月，O157：H7可在体外存活较长时间，在莴苣中12～21℃的条件下可存活14d；数值模拟假定条件菌体进入水体后在外界环境中不再生长，而且数值模拟结果显示经过24小时的快速扩散和菌群死亡，污染区域浓度显著减小，因此污染区域停留时间赋风险值3.5。由数值模拟结果显示，采取应急措施后菌群死亡速率加快，污染面积和浓度显著减小，相关实验室接触池的研究也验证了消毒杀菌效果可以达到99.99%，因此措施消减赋值-4.5。大面积高浓度的污染区域需要大量的应急物资和反应药剂以及应急工作人员，分别取值4和4。事故后污染区域沿江污染面积大，统计显重庆市电机工程学会2012年学术会议论文1446示下游有游乐场、公园、餐馆及茶园，菌群可能通过食品（包括售前处理传染，如蔬菜在污染水体的漂洗浸泡）、土壤、水体等在人群中传播，因此对沿江居民事故疏散取值3，经济体损失赋值5。危险源特殊显著的地理位置，事故的媒体覆盖可能涉及到地区媒体报道并且国家媒体做简报（赋值4）。污染企业事故后可能引起患者就医时避免此肇事医院的考虑，以及医院内部员工对工作环境的安全信任度下降，因此企业信誉损失取值4，劳动关系的影响取值3。3.3动态风险评估依据风险度的计算方法和大肠杆菌群事故的主逻辑图，评价类和评价因子的风险度计算结果如表1示。表1E.Coli事故评估因子的风险度值评估因子权重致灾因子权重CR健康风险U10.35接触传染U110.420.0040.1生物传染U120.23水体毒性U130.12生物毒性U140.23环境风险U20.35受体地形U210.080.0890.1污染面积U220.22污染浓度U230.13停留时间U240.21措施衰减U250.36资产风险U30.10应急物资U310.120.0530.1应急人力U320.38经济体损失U330.19人员疏散U340.30社会风险U40.20影响范围U410.330.0460.1企业信誉U420.14劳动关系U430.53动态风险值计算结果，U1的风险值为3.45，U2的风险值为1.17，U3的风险值为4.11，U4的风险值为3.47。0.29,0.06,0.68,0.68,0.01B根据模糊聚类原理，计算结果B3=B4，但是B2明显大于B5，因此该事故属于III级事故。评价结果合理，该评价危险源的排量和污染面积大，污染物质扩散快；评估期夏季汛期有利于细菌传播和感染；而且危险源下游大量经济体的存在。但是事故后大肠杆菌群在外界环境中开始进入死亡期，而且事故应急措施得当的假定下，应急效果显著，一定程度上抵消了部分风险值，因此事故影响级别处于中级，事故的风险值偏高[17]。因此，对于地处江边的医院，要强化对危险