環境風險評價中 AFTOX 模型和 SLAB 模型的運用分析

肖億群（上海建科環境技術有限公司， 上海 200032）

科學技術的日新月異伴隨工業化快速發展，對化學品的使用需求不斷增加，其中涉及許多種類的危險化學品。危險化學品在儲存、運輸及使用過程中的泄漏事故時有發生，所造成的環境影響和生態破壞遠超過事故本身。危險化學品的意外泄漏具有事發突然、危害大且不易控制的特點，因此危險化學品的泄漏擴散模擬十分重要。采用可靠模型對可能發生的風險事故危害程度及影響范圍預測分析，并提出風險防范措施，使得環境風險在一個可控水平，為項目決策提供技術依據。

1 環境風險預測模型選擇

目前用于模擬危險物質泄漏擴散的有 ALOHA（Area Location of Hazardous Atmospheres，有害大氣區域定位）、DEGADIS（Dense GasAtmospheric Dispersion，重氣體擴散）、SLAB（Atmospheric Dispersion Model for Denser than Air Releases，密度大于空氣的擴散模型）、UDM（Unified Dispersion Model，泄漏擴散模型）、INPUFF（GAUSS Puff Diffusion Model，高斯煙團擴散模型）、CHARM（Complex Hazardous Air Release Mode，危險物質釋放復雜模型）、AFTOX（USAF Toxic Chemical Dispersion Model，美國空軍毒性化學物質擴散模型）等模型，各模型均有其優缺點和適用范圍。美國環境保護署推薦的環境風險預測模型有 DEGADIS、SLAB、AFTOX 等 3 種模型，我國生態環境部和 HJ 169—2018《建設項目環境風險評價技術導則》推薦的模型為 SLAB 模型和 AFTOX 模型。

AFTOX 模型和 SLAB 模型屬于平坦地形下的環境風險事故模擬預測模型。AFTOX 模型是由美國空軍開發，以大氣擴散原理和高斯數學理論為基礎的擴散模型，可適用于非浮力中性氣體、浮力煙羽氣體擴散的情況。AFTOX 模型可處理瞬間的或持續的、地面或具有一定高度的源釋放的氣體或液體。SLAB 模型是由美國能源部勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室開發的重氣體擴散模型，已通過多次現場試驗和風洞模擬驗證，可以處理地面蒸發池、水平噴射源、垂向噴射源和瞬時排放源等 4 種類型的排放源。通過求解物質的質量、動量、能量和物質的守恒方程，對氣體泄漏擴散進行模擬。物質連續排放（非常長的持續時間）可被認為是靜態煙羽形式的釋放。SLAB 模型在穩定、中度穩定、不穩定氣象條件下均能達到比較好的模擬效果。

具體建設項目的環境風險預測選用哪種模型。通常情況下，密度小于空氣的輕質氣體釋放，平坦地形下可以直接用 AFTOX 模型進行預測。密度大于空氣的氣體則應根據理查德參數（Ri）和排放性質進行判斷煙團/煙羽是否為重質氣體。對于連續排放，Ri ≥ 1/6 為重質氣體，Ri ＜ 1/6 為輕質氣體；對于瞬時排放，Ri ＞ 0.04 為重質氣體，Ri ≤ 0.04 為輕質氣體。重質氣體用 SLAB 模型進行預測，輕質氣體用AFTOX 模型進行環境風險預測。

2 模型運用及參數選擇分析

每種環境風險預測模型在運行前都需要根據要求和實際情況輸入不同的參數。這些參數包括泄漏源參數、泄漏物質物化參數、氣象參數、環境參數及系統參數等，其取值最終影響預測結果的準確性及可靠性。

2.1 泄漏源參數及物化性質參數

泄漏源參數包括泄漏容器內部溫度及壓力、容器裂口面積及形狀、容器裂口上部的液位高度、液體泄漏量、液池面積及液池平均深度、泄漏時間，參數根據泄漏源實際情況確定。泄漏物質物化性質參數包括物質分子量、沸點、臨界溫度、臨界壓力、液體密度、蒸汽定壓比熱容、沸點時液體汽化熱、液體比熱容、比熱容比、飽和壓力常數等。一般風險預測軟件包中包含化學品數據的文件，但不會囊括所有危險化學品物質名稱和參數。經常會遇到化學品的物化性質參數不全，或者軟件中未提供該種物質的物化性質，此時需要從其他權威渠道找到相關參數輸入預測模型。如果泄漏物質常溫下為氣體，且采用 AFTOX 模型預測時，只需要知道泄漏物質名稱、分子量及沸點即可。

AFTOX 模型和 SLAB 模型均無源強計算模塊，但一般環境風險預測軟件包中除了預測模型外，也附帶源強計算模塊。使用環境風險預測模型時，可以先根據預測的具體情景，使用軟件包中的源強模塊計算一個風險預測源強，再預測模型調用這個源強進行預測。或者使用者根據物質泄漏和蒸發的公式手動計算一個風險預測源強后，再將數據輸入相關的預測模型中。SLAB 模型是根據守恒原理模擬物質泄漏擴散后，得到泄漏物質最終的一個近地面濃度，輸入預測模型的參數比 AFTOX 模型要多。其中，物化性質參數物質沸點、液體密度、蒸汽定壓比熱容、比熱容比等參數對預測結果有明顯影響。

泄漏源參數和物化性質參數是每個環境風險預測項目的基礎，準確計算風險源強及找準物質性質參數是環境風險預測的根本。很多環境風險防范措施也是針對風險源強提出的，如直接降低風險物質貯存量、用風險小的物質替代風險大的物質、加強風險防范措施等，使環境風險在可接受水平。

2.2 氣象及環境參數

氣象參數和環境參數對風險預測模型是必需的，氣象參數有大氣穩定度、風向、風速及測量高度、氣溫及逆溫層高度等，環境參數主要有環境溫度、濕度及地表粗糙度等。預測風向主要用于確定泄漏源下風向影響的敏感受體，對泄漏物質的最終落地濃度大小無影響。物質泄漏一般在近地面排放并稀釋擴散，主要受近地面風速及大氣穩定度影響，逆溫層高度對泄漏物質的最終落地濃度也基本無影響。

最新的環境風險評價導則 HJ 169—2018 直接規定了環境風險一級、二級評價所采用的氣象條件。其中，環境風險二級評價采用最不利氣象條件，即取 F 類穩定度、1.5 m/s 風速、溫度 25 ℃ 、濕度 50%。環境風險一級評價采用上述最不利氣象條件以及事故發生地的最常見氣象條件分別進行后果預測，最常見氣象條件由當地最近 3 a 內的至少連續 1 a 氣象觀測資料統計分析得出。其包括出現頻率最高的穩定度、該穩定度下的平均風速（非靜風）、日最高平均氣溫、年平均濕度。根據大氣擴散原理，影響污染物擴散的氣象因子主要是大氣穩定度和風速。大氣穩定度是直接影響大氣污染物擴散的極重要因素，大氣在豎直方向產生的強烈對流能夠使污染物迅速擴散。相反，當大氣處于穩定狀態時，大氣上下對流速度減緩，使得污染物稀釋擴散也減緩，而在局部區域大量積聚造成大氣污染。另外，風速和污染物稀釋擴散也有直接關系，根據高斯擴散模式的表達式，在其他條件相同時，下風向任意一點的污染物濃度與風速成反比，風速越大擴散稀釋能力越強。因此，我們在使用 AFTOX 模型和 SLAB 模型進行環境風險預測時，按照風險導則要求應預測一個最不利氣象條件的結果，一級評價還應預測當地最常見氣象條件的結果。

AFTOX 模型和 SLAB 模型是平坦地形下的環境風險預測，我們可以根據事故發生地的地表類型，從模型中選擇地表的粗糙度。一般地表粗糙度大有利于對泄漏物質的吸收，因此預測的泄漏物質最終落地濃度結果會更小，影響也越小。

2.3 模型的系統參數設置

采用 AFTOX 模型和 SLAB 模型進行環境風險預測時，都有需要設置的系統參數，所設置的參數基本相同，包括預測模擬范圍、預測精度參數（每分鐘煙團數、數值迭代）、預測高度、濃度平均時間等。模擬范圍、預測高度根據實際情況設置便可。 AFTOX 模型預測精度為每分鐘釋放煙團數，SLAB 模型預測精度為數值迭代參數。預測使用的氣象參數根據導則要求設定，排放源參數也是不變的。實際使用這 2 個模型預測時，改變每分鐘釋放煙團數或數值迭代參數這 2 個系統精度參數值對最后預測結果影響很小，特別是使用大氣穩定度為 F、風速 1.5m/s 的氣象條件預測時，改變預測精度條件對預測結果無影響。因此，這 2 個參數選用系統默認的即可。

系統參數設置中濃度平均時間是需要著重考慮的，濃度平均時間對預測影響的最終距離和最終落地濃度都有明顯影響。對于持續排放，AFTOX 模型默認值是 15 min。對于 ＜ 15 min 持續時間的排放，默認平均時間等于排放時間。對于瞬時氣體排放，平均時間是 1 m

in。此外，平均時間一般大于排放時間。

SLAB 模型未對濃度平均時間做具體規定，SLAB 使用手冊中認為預測的濃度平均時間與擴散方程相關的各種物理現象有關，依賴于煙霧的走向。當濃度平均時間增加時，會發生更多的煙霧路徑，形成更寬的煙霧團，而排放物質的最終落地濃度和影響距離相對會更小。也有研究報道濃度平均時間與物質泄漏排放時間、物質到達最近受體時間以及安全暴露濃度標準中暴露時間關系密切，并認為濃度平均時間應取上述 3 個時間中的最小值。我國的環境風險評價導則 HJ 169—2018 中采用的危險物質毒性終點濃度值為美國能源部 2016 年 5 月公布的 PAC 數值，是基于 60 min 的有效數值。因此，濃度平均時間設置需要 ≤ 1 h，也可以參照 AFTOX 模型設置濃度平均時間。

3 結 語

AFTOX 模型和 SLAB 模型是我國環境風險評價導則 HJ 169—2018 中推薦使用的，適應于平坦地形的建設項目環境風險評價數學模型。在事故風險源及氣象條件確定的情況下，環境參數地面粗糙度、系統參數濃度平均時間對泄漏物質最終的落地濃度影響較大，較小的地面粗糙度和較短的濃度平均時間更偏向于取得更保守的預測結果。另外，當預測結果顯示風險等級較高，超出風險可控范圍時，一般采取降低風險源的措施，如減少風險物質的貯存量、使用低風險物質替代風險水平高或臨界量小的物質，提高風險物質的安全防范水平等，使項目的環境風險控制在可接受水平。