有毒氣體泄漏擴散傷害分區(qū)的研究

1、【化救論壇】有毒氣體泄漏擴散傷害分區(qū)的研究化工部化工勞動保護研究所(青島266071王樟齡付貴生夏龍君第一次世界大戰(zhàn)期間,德軍于1915年4月22日在比利時的伊珀爾(Ypr es地區(qū)7km的前沿陣地投放了168噸氯氣,造成了約5000人死亡。1984年12月2日,美國聯(lián)碳公司在印度博帕爾(Bhopal的一家工廠,約30噸異氰酸甲酯泄漏擴散,造成約2500人死亡,許多受害者還留下了嚴重后遺癥。在我國,1972年山西祈縣某供銷社門口,運輸槽車泄漏1.2噸液氨,21人中毒死亡;1988年11月23日,延吉某化肥廠一氧化碳漏入民工臥室,熟睡中的16名江蘇民工中毒死去;1986年12月28日,江蘇新沂某

2、農(nóng)藥廠檢修工將100mL液態(tài)光氣當成“水污”排放到地面,旋即形成霧團,致使下風向約200m之內(nèi)的人員中毒(重度4人,中度9人,輕度30人;1984年5月16日,鄭州市某合成洗滌劑廠在卸槽車時,管道泄漏1.5噸液態(tài)二氧化硫,造成下風向居民10人輕度中毒,148人有吸入反應。由此可見,研究有毒氣體泄漏擴散傷害分區(qū)模型,對估計傷害范圍、劃分重大危險源級別、作好化學事故應急救援預案,乃至確定危險源周圍土地利用規(guī)劃等,都將具有深遠意義和應用價值。一、傷害分區(qū)的理論依據(jù)傷害分區(qū)的主要依據(jù)是人的傷亡。根據(jù)歷次有毒氣體泄漏事故中人員傷亡情況,可將事故范圍劃分成致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和吸入反應區(qū)。毒物對人群反應

3、的強弱呈劑量-反應關系(D ose-response relationship。后者指接觸某定量危害因素所致特定效應(例如死亡在接觸群體中所占百分率。決定中毒程度的是作用于靶器官或靶分子的劑量。而靶劑量與吸入毒物的濃度以及接觸時間有關。尤吸入毒物的濃度有時可對靶劑量起著決定性的作用。許多毒氣,如硫化氫、光氣、氯氣和氨氣,當濃度超過一定限度時,可使接觸者發(fā)生“電擊樣”中毒,而低于某一濃度閾值,接觸時間再長也不會急性中毒。毒物泄漏事故中,空間某點P(X,Y,Z在某時刻t1的瞬時濃度C1取決于泄漏速度、泄漏總量、氣溫、風向、風速、地形、地貌等因素。對事發(fā)時停留在P點的人員而言,求其傷害程度,只要考慮

4、該點的平均濃度Cp和接觸時間t就夠了。一次高濃度接觸可能造成的致癌或?qū)蟠闹禄蠊?以及毒物污染水源和食物等造成的間接危害,均不作為傷害分區(qū)的依據(jù)。二、傷害分區(qū)1.致死區(qū)(A區(qū)本區(qū)人員如缺少防護或未能及時逃離,則將無例外地蒙受嚴重中毒,其中半數(shù)左右人員可能中毒死亡。2.重傷區(qū)(B區(qū)本區(qū)內(nèi)大部分人員蒙受重度或中度中毒,須住院治療,有個別人甚至中毒死亡。3.輕傷區(qū)(C區(qū)本區(qū)內(nèi)大部分人員有輕度中毒或吸入反應癥狀,門診治療即可康復。4.吸入反應區(qū)(D區(qū)本區(qū)內(nèi)一部分人員有吸入反應癥狀,但未達中毒程度,一般在脫離接觸后24小時內(nèi)恢復正常。通常,上述四個區(qū)是由內(nèi)向外分布的,居內(nèi)的重傷害區(qū)邊界線,也即外側(cè)較

5、輕傷害區(qū)的內(nèi)邊界?！拔敕磻獏^(qū)”的外邊界不一定要確定出來。致死區(qū)和重傷區(qū)是疏散、搶救的重點區(qū)域,輕傷區(qū)也應在疏散之列。平時應在重大危險源周圍劃出危險區(qū),禁止在此區(qū)域內(nèi)建住宅、市場和公共娛樂場所等人口密集的設施。三、關于“毒負荷”光氣對人的半數(shù)致死暴露量L Ct50為500 750ppmmin,就是說吸入5750ppm100min與吸入5075ppm10min,可以造成同樣嚴重的中毒,如不及時搶救,可致死亡。吸入一氧化碳,血液碳氧血紅蛋白(CO Hb比例達65%即不能存活。當接觸時間不超過30min時, CO Hb形成與一氧化碳濃度及接觸時間的關系符合下式2CO Hb%=C0.858t0.531

6、97(1式中,C為CO濃度(ppm;t為接觸時間(min。3Occupational Health and Emergen cy Rescu e職業(yè)衛(wèi)生與應急救援1996年9月第14卷第3期T ur ner RM 和F air hurst S 提出毒負荷(T o xic load的概念3,毒負荷(T L 是吸入毒氣濃度C 和接觸時間t 的函數(shù)。對于一種毒物,在同一品種動物產(chǎn)生同樣的效應時,毒負荷值應是一定的。Doe J E 和M ilburn G M 查對了30余種物質(zhì)的實驗資料,提出兩種物質(zhì)的毒負荷經(jīng)驗關系式3T L =C t T L =C 2t (或C T 0.5綜合各方面的資料,我們提出

7、毒負荷的通式如下T L =K Cn t m(2式中,C 為毒氣濃度(ppm,應大于急性閾作用濃度;t 為接觸時間(min;k 為可能與靶劑量有關的系數(shù),通常K 1;n 為濃度對T L 貢獻的修正指數(shù),n >1或n 1;m 為接觸時間對T L 貢獻的修正指數(shù),由于機體在吸收毒物的同時發(fā)生代謝轉(zhuǎn)化和排出過程,故通常m 1。由于目前還不可能定量計算靶劑量,例如算出每kg 靶組織吸收了多少mg 毒物,就像計算電離輻射的吸收劑量那樣。所以,化學物的靶劑量只能用全身毒負荷來描述。毒負荷T L 不同于一般的物理量,它用經(jīng)驗公式來間接地表達靶劑量,我們?nèi) L 值的單位為ppm min,就是描述濃度與時

8、間的聯(lián)合作用結(jié)果。與LCt 50的區(qū)別在于,我們把n 和m 取不同值,修正了C 或t 對靶劑量的貢獻,但這并沒有改變量綱的含義。同一毒物對機體的作用可以用T L 來描述,但不同毒物的T L 值沒有可比性。人體對某一毒物的致死毒負荷幾乎是一個恒定值。根據(jù)文獻數(shù)據(jù)導出的致死毒負荷及其計算式列在表1。表1幾種有毒氣體的致死毒負荷及其計算式毒物名稱致死毒負荷計算式光氣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 硫化氫500ppm min C

9、 t 0.1二氧化氮550ppm min C 0.8t 0.5二氧化硫2560ppm minC t 1/3四、從已知事故的經(jīng)驗設定各傷害區(qū)人員的接觸時間上饒沙溪鎮(zhèn)2.4噸一甲胺從刮斷的閥門泄漏持續(xù)時間約20min,前幾分鐘屬帶壓泄漏,后來是蒸發(fā)泄漏,高濃度毒氣云團籠罩局部的時間不超過30m in 。安徽泄氨事故是由于罐體爆炸,泄漏過程不超過5min,高濃度毒氣云團籠罩局部時間不超過10m in 。溫州氯爆炸泄漏10.2噸,前5min 泄漏約占總量的1/2,毒氣籠罩局部的時間超過30min 。刺激性氣體影響所及,人們第一反應是屏氣逃躲。硫化氫濃度達15002000ppm 時,吸一口或兩口,即可導

10、致呼吸麻痹,出現(xiàn)“電擊樣”中毒,喪失逃避能力。溫州泄氯事故中18例當場死亡;沙溪一甲胺泄漏,有7例死于現(xiàn)場。老幼病殘和處在熟睡中的人,都可因延誤逃避,延長了接觸時間。此外,毒氣吸入量還因人的活動狀況而異,人在安靜時呼吸量約為7L /min,劇烈運動時可達30L /min 。可見接觸時間取決于泄漏量、泄漏速度、泄漏持續(xù)時間和人的行為。可短于1min ,也可長達30min 以上。為便于比較,“致死區(qū)”和“重傷區(qū)”的最長接觸時間假定為30m in;“輕傷區(qū)”由于覆蓋面積大,疏散困難,最長接觸時間假定為60min;“吸入反應區(qū)”由于濃度較低,人們尚能忍受,接觸時間不限。五、怎樣確定人的致死毒負荷研究人

11、類的最合適模型是人本身,致死毒負荷最好是采用歷次中毒事故中獲得的劑量-反應關系的資料。但是事故的發(fā)生總是猝不及防,來不及對現(xiàn)場毒氣作即刻監(jiān)測,因此人類急性中毒的劑量-反應關系的資料十分欠缺,不得不借助實驗動物的數(shù)據(jù)推測。由于種屬間解剖生理特點以及毒物在體內(nèi)代謝過程的差異,不可避免地引入了不肯定因素。為了縮小這種不肯定因素,推論時當首選在生理生化方面與人相近的實驗動物數(shù)據(jù)。即使在同一種動物,由于個體差異,有少數(shù)動物的耐受性特弱或特強,而大多數(shù)動物的耐受性比較接近。以劑量對數(shù)(橫坐標和死亡率(縱坐標作圖,劑量-反應曲線呈對稱的S 形。此曲線兩端平緩,說明在低劑量和高劑量區(qū)的改變引起死亡率的變化很小

12、;而曲線中段斜度較大,特別在死亡率50%處,劑量稍有改變即引起死亡率明顯改變。說明L D 50或LC 50最能代表動物對特定毒物的反應特征?；谶@一認識,我們將致死區(qū)定義為“半數(shù)左右人員可能中毒死亡”,并采用實驗動物的LCt 50推導出致死毒負荷。六、各傷害區(qū)的邊界毒負荷1.致死區(qū)的平均毒負荷T L A ,一般從毒物對實4職業(yè)衛(wèi)生與應急救援1996年9月第14卷第3期Occupational Health and Emergency Rescue驗動物的L Ct50推導。致死區(qū)邊界毒負荷T L a選擇使5%實驗動物死亡的毒負荷,它由L C5推導,而LCt5可以在求半數(shù)致死濃度的“濃度-死亡率”

13、曲線中查出。2.重傷區(qū)的平均毒負荷T L B,按重傷的定義,選擇使1%實驗動物死亡的毒負荷,它同樣從濃度-死亡率曲線中查到L Ct1值,進而按毒負荷表達式求出1%動物致死的毒負荷。如缺少“濃度-死亡率”的數(shù)據(jù),T L B可以從最小致死濃度(M LC和接觸時間推導。重傷區(qū)邊界毒負荷T L b,由引起人類中度中毒的濃度和接觸時間推算。3.輕傷區(qū)邊界濃度C c,根據(jù)可引起人類輕度中毒的濃度推算。4.吸入反應區(qū)的邊界濃度,按引起吸入反應的濃度計,如缺少這方面的數(shù)據(jù),可用對實驗動物的急性閾作用濃度代替。確定了毒氣的邊界毒負荷,又限定了各區(qū)人員的最長接觸時間,則可根據(jù)T L表達式求出相應的最小平均接觸濃度

14、。如致死區(qū),最小接觸濃度為C A min=(T L akt A m ax ml/n(3式中t Ama x為致死區(qū)最長接觸時間。重傷區(qū)的最小接觸濃度以C Bmin表示。七、判斷空間任意點所屬的傷害區(qū)判斷原理求該點在整個泄漏擴散過程中的T L值,與各邊界T L值比較后作出判斷。必要條件(1該毒氣的T L關系式;(2該毒氣的各邊界T L值;(3該毒氣在給定狀況下的C1-t1關系式。對致死區(qū)和重傷區(qū)而言,求出事故發(fā)生后t1t2 (t=t2-t1,30m in這段時間里的積分平均濃度C=lt2-t1t2t1f(t1dt1(4式中f(t1是C1t1關系式對t1的微分函數(shù)。按式(4求出的積分平均濃度代入毒負

15、荷表達式,求出毒負荷,與邊界條件T L a或T L b比較就能夠確定該點屬于什么區(qū)。由于毒氣擴散速度每分鐘可達200m以上,而致死區(qū)和重傷區(qū)人員的最長接觸時間一般不超過30min,因此可以假設這兩區(qū)人員接觸毒氣的起始時刻t1相同。對于最常見的瞬時泄漏,毒氣濃度瞬間達最大值,可以認為t1=0。這樣,只要計算泄漏發(fā)生后1,2,3直至30min任意點P(X,Y.Z的積分平均濃度及其負荷,與T L a,T L b或C c比較即可作出判斷。八、在地圖上畫傷害區(qū)邊界線以泄漏點為圓心,在半徑20m以內(nèi)每隔5m畫同心圓;在半徑20100m處,每隔10m畫同心圓;在半徑100200m處,每隔20m畫同心圓;在半

16、徑2001000m處,每隔50m畫同心圓;在半徑1000m 3000m處,每隔100m畫同心圓。然后在圓周上每隔一定距離設點,當該點積分平均濃度值小于急性閾作用濃度,就停止往下計算。分別連接毒負荷相當于T L a、T L b的點,以及C=C c或C d(急性閾作用濃度的點,就畫出四個傷害區(qū)。雖然事故發(fā)生過程中,傷害范圍是隨時間而擴展的,但每次事故的結(jié)局是固定的。我們所論的傷害分區(qū),是指事故結(jié)局的傷害分區(qū)。九、傷害分區(qū)的誤差有毒氣體泄漏擴散傷害分區(qū)的研究,是與泄漏擴散模型研究緊密相連的,它直接應用后者給出的空間任意點濃度與時間的關系式C1t1,因此,后者的誤差也必然影響傷害分區(qū)的準確性。其次,傷

17、害區(qū)毒負荷表達式T L=K C n t m中的K、n、m系由動物實驗數(shù)據(jù)歸納得出的經(jīng)驗值,實驗數(shù)據(jù)的誤差,給K、n、m帶來了不肯定因素。另一重要誤差來源是耐受性的種間差異,無論選擇何種動物的實驗數(shù)據(jù)推論人的反應特征都存在不肯定性。此外,為了傷害分區(qū),不得不假設接觸時間,而事故中實際接觸時間和呼吸量因人而異。以上種種因素決定傷害分區(qū)的誤差,而且這種誤差難以定量表示,只能用事故案例檢驗理論計算結(jié)果。參考文獻1.M arshall V. C.M ajorchemical hazard,Ellis Horw oodLimited1987:327,372379,3192.夏元洵主編.化學物質(zhì)毒性全書.上?？萍嘉墨I出版社1991:216,2093.T urner R.M.Fairhu rst S.Ass es sment of the toxicityof major hazard s ubstances.Health and