有毒氣體泄漏擴(kuò)散傷害分區(qū)的研究

1、【化救論壇】有毒氣體泄漏擴(kuò)散傷害分區(qū)的研究化工部化工勞動(dòng)保護(hù)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(shí)的伊珀?duì)?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(guó)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(kuò)散,造成約2500人死亡,許多受害者還留下了嚴(yán)重后遺癥。在我國(guó),1972年山西祈縣某供銷社門口,運(yùn)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(dāng)成“水污”排放到地面,旋即形成霧團(tuán),致使下風(fēng)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(shí),管道泄漏1.5噸液態(tài)二氧化硫,造成下風(fēng)向居民10人輕度中毒,148人有吸入反應(yīng)。由此可見,研究有毒氣體泄漏擴(kuò)散傷害分區(qū)模型,對(duì)估計(jì)傷害范圍、劃分重大危險(xiǎn)源級(jí)別、作好化學(xué)事故應(yīng)急救援預(yù)案,乃至確定危險(xiǎn)源周圍土地利用規(guī)劃等,都將具有深遠(yuǎn)意義和應(yīng)用價(jià)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(yīng)區(qū)。毒物對(duì)人群反應(yīng)

3、的強(qiáng)弱呈劑量-反應(yīng)關(guān)系(D ose-response relationship。后者指接觸某定量危害因素所致特定效應(yīng)(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(shí)間有關(guān)。尤吸入毒物的濃度有時(shí)可對(duì)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(dāng)濃度超過一定限度時(shí),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(shí)間再長(zhǎng)也不會(huì)急性中毒。毒物泄漏事故中,空間某點(diǎn)P(X,Y,Z在某時(shí)刻t1的瞬時(shí)濃度C1取決于泄漏速度、泄漏總量、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、地形、地貌等因素。對(duì)事發(fā)時(shí)停留在P點(diǎn)的人員而言,求其傷害程度,只要考慮

4、該點(diǎn)的平均濃度Cp和接觸時(shí)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(hù)或未能及時(shí)逃離,則將無(wú)例外地蒙受嚴(yán)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(gè)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(yīng)癥狀,門診治療即可康復(fù)。4.吸入反應(yīng)區(qū)(D區(qū)本區(qū)內(nèi)一部分人員有吸入反應(yīng)癥狀,但未達(dá)中毒程度,一般在脫離接觸后24小時(shí)內(nèi)恢復(fù)正常。通常,上述四個(gè)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?yīng)區(qū)”的外邊界不一定要確定出來(lái)。致死區(qū)和重傷區(qū)是疏散、搶救的重點(diǎn)區(qū)域,輕傷區(qū)也應(yīng)在疏散之列。平時(shí)應(yīng)在重大危險(xiǎn)源周圍劃出危險(xiǎn)區(qū),禁止在此區(qū)域內(nèi)建住宅、市場(chǎng)和公共娛樂場(chǎng)所等人口密集的設(shè)施。三、關(guān)于“毒負(fù)荷”光氣對(duì)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(yán)重的中毒,如不及時(shí)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(dá)65%即不能存活。當(dāng)接觸時(shí)間不超過30min時(shí), CO Hb形成與一氧化碳濃度及接觸時(shí)間的關(guān)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(shí)間(min。3Occupational Health and Emergen cy Rescu e職業(yè)衛(wèi)生與應(yīng)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(fù)荷(T o xic load的概念3,毒負(fù)荷(T L 是吸入毒氣濃度C 和接觸時(shí)間t 的函數(shù)。對(duì)于一種毒物,在同一品種動(dòng)物產(chǎn)生同樣的效應(yīng)時(shí),毒負(fù)荷值應(yīng)是一定的。Doe J E 和M ilburn G M 查對(duì)了30余種物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)資料,提出兩種物質(zhì)的毒負(fù)荷經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(fù)荷的通式如下T L =K Cn t m(2式中,C 為毒氣濃度(ppm,應(yīng)大于急性閾作用濃度;t 為接觸時(shí)間(min;k 為可能與靶劑量有關(guān)的系數(shù),通常K 1;n 為濃度對(duì)T L 貢獻(xiàn)的修正指數(shù),n >1或n 1;m 為接觸時(shí)間對(duì)T L 貢獻(xiàn)的修正指數(shù),由于機(jī)體在吸收毒物的同時(shí)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(jì)算靶劑量,例如算出每kg 靶組織吸收了多少mg 毒物,就像計(jì)算電離輻射的吸收劑量那樣。所以,化學(xué)物的靶劑量只能用全身毒負(fù)荷來(lái)描述。毒負(fù)荷T L 不同于一般的物理量,它用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)間接地表達(dá)靶劑量,我們?nèi) L 值的單位為ppm min,就是描述濃度與時(shí)

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(duì)靶劑量的貢獻(xiàn),但這并沒有改變量綱的含義。同一毒物對(duì)機(jī)體的作用可以用T L 來(lái)描述,但不同毒物的T L 值沒有可比性。人體對(duì)某一毒物的致死毒負(fù)荷幾乎是一個(gè)恒定值。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的致死毒負(fù)荷及其計(jì)算式列在表1。表1幾種有毒氣體的致死毒負(fù)荷及其計(jì)算式毒物名稱致死毒負(fù)荷計(jì)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(yàn)設(shè)定各傷害區(qū)人員的接觸時(shí)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(shí)間約20min,前幾分鐘屬帶壓泄漏,后來(lái)是蒸發(fā)泄漏,高濃度毒氣云團(tuán)籠罩局部的時(shí)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(tuán)籠罩局部時(shí)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(shí)間超過30min 。刺激性氣體影響所及,人們第一反應(yīng)是屏氣逃躲。硫化氫濃度達(dá)15002000ppm 時(shí),吸一口或兩口,即可導(dǎo)

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(dāng)場(chǎng)死亡;沙溪一甲胺泄漏,有7例死于現(xiàn)場(chǎng)。老幼病殘和處在熟睡中的人,都可因延誤逃避,延長(zhǎng)了接觸時(shí)間。此外,毒氣吸入量還因人的活動(dòng)狀況而異,人在安靜時(shí)呼吸量約為7L /min,劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)30L /min ?？梢娊佑|時(shí)間取決于泄漏量、泄漏速度、泄漏持續(xù)時(shí)間和人的行為。可短于1min ,也可長(zhǎng)達(dá)30min 以上。為便于比較,“致死區(qū)”和“重傷區(qū)”的最長(zhǎng)接觸時(shí)間假定為30m in;“輕傷區(qū)”由于覆蓋面積大,疏散困難,最長(zhǎng)接觸時(shí)間假定為60min;“吸入反應(yīng)區(qū)”由于濃度較低,人們尚能忍受,接觸時(shí)間不限。五、怎樣確定人的致死毒負(fù)荷研究人

11、類的最合適模型是人本身,致死毒負(fù)荷最好是采用歷次中毒事故中獲得的劑量-反應(yīng)關(guān)系的資料。但是事故的發(fā)生總是猝不及防,來(lái)不及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)毒氣作即刻監(jiān)測(cè),因此人類急性中毒的劑量-反應(yīng)關(guān)系的資料十分欠缺,不得不借助實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的數(shù)據(jù)推測(cè)。由于種屬間解剖生理特點(diǎn)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(shí)當(dāng)首選在生理生化方面與人相近的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)據(jù)。即使在同一種動(dòng)物,由于個(gè)體差異,有少數(shù)動(dòng)物的耐受性特弱或特強(qiáng),而大多數(shù)動(dòng)物的耐受性比較接近。以劑量對(duì)數(shù)(橫坐標(biāo)和死亡率(縱坐標(biāo)作圖,劑量-反應(yīng)曲線呈對(duì)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(dòng)物對(duì)特定毒物的反應(yīng)特征。基于這一認(rèn)識(shí),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(shí)驗(yàn)動(dòng)物的LCt 50推導(dǎo)出致死毒負(fù)荷。六、各傷害區(qū)的邊界毒負(fù)荷1.致死區(qū)的平均毒負(fù)荷T L A ,一般從毒物對(duì)實(shí)4職業(yè)衛(wèi)生與應(yīng)急救援1996年9月第14卷第3期Occupational Health and Emergency Rescue驗(yàn)動(dòng)物的L Ct50推導(dǎo)。致死區(qū)邊界毒負(fù)荷T L a選擇使5%實(shí)驗(yàn)動(dòng)物死亡的毒負(fù)荷,它由L C5推導(dǎo),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(fù)荷T L B,按重傷的定義,選擇使1%實(shí)驗(yàn)動(dòng)物死亡的毒負(fù)荷,它同樣從濃度-死亡率曲線中查到L Ct1值,進(jìn)而按毒負(fù)荷表達(dá)式求出1%動(dòng)物致死的毒負(fù)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(shí)間推導(dǎo)。重傷區(qū)邊界毒負(fù)荷T L b,由引起人類中度中毒的濃度和接觸時(shí)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(yīng)區(qū)的邊界濃度,按引起吸入反應(yīng)的濃度計(jì),如缺少這方面的數(shù)據(jù),可用對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的急性閾作用濃度代替。確定了毒氣的邊界毒負(fù)荷,又限定了各區(qū)人員的最長(zhǎng)接觸時(shí)間,則可根據(jù)T L表達(dá)式求出相應(yīng)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(zhǎng)接觸時(shí)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(diǎn)所屬的傷害區(qū)判斷原理求該點(diǎn)在整個(gè)泄漏擴(kuò)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(guān)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(guān)系式。對(duì)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(shí)間里的積分平均濃度C=lt2-t1t2t1f(t1dt1(4式中f(t1是C1t1關(guān)系式對(duì)t1的微分函數(shù)。按式(4求出的積分平均濃度代入毒負(fù)

15、荷表達(dá)式,求出毒負(fù)荷,與邊界條件T L a或T L b比較就能夠確定該點(diǎn)屬于什么區(qū)。由于毒氣擴(kuò)散速度每分鐘可達(dá)200m以上,而致死區(qū)和重傷區(qū)人員的最長(zhǎng)接觸時(shí)間一般不超過30min,因此可以假設(shè)這兩區(qū)人員接觸毒氣的起始時(shí)刻t1相同。對(duì)于最常見的瞬時(shí)泄漏,毒氣濃度瞬間達(dá)最大值,可以認(rèn)為t1=0。這樣,只要計(jì)算泄漏發(fā)生后1,2,3直至30min任意點(diǎn)P(X,Y.Z的積分平均濃度及其負(fù)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(diǎn)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(shè)點(diǎn),當(dāng)該點(diǎn)積分平均濃度值小于急性閾作用濃度,就停止往下計(jì)算。分別連接毒負(fù)荷相當(dāng)于T L a、T L b的點(diǎn),以及C=C c或C d(急性閾作用濃度的點(diǎn),就畫出四個(gè)傷害區(qū)。雖然事故發(fā)生過程中,傷害范圍是隨時(shí)間而擴(kuò)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(kuò)散傷害分區(qū)的研究,是與泄漏擴(kuò)散模型研究緊密相連的,它直接應(yīng)用后者給出的空間任意點(diǎn)濃度與時(shí)間的關(guān)系式C1t1,因此,后者的誤差也必然影響傷害分區(qū)的準(zhǔn)確性。其次,傷

17、害區(qū)毒負(fù)荷表達(dá)式T L=K C n t m中的K、n、m系由動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納得出的經(jīng)驗(yàn)值,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差,給K、n、m帶來(lái)了不肯定因素。另一重要誤差來(lái)源是耐受性的種間差異,無(wú)論選擇何種動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推論人的反應(yīng)特征都存在不肯定性。此外,為了傷害分區(qū),不得不假設(shè)接觸時(shí)間,而事故中實(shí)際接觸時(shí)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(yàn)理論計(jì)算結(jié)果。參考文獻(xiàn)1.M arshall V. C.M ajorchemical hazard,Ellis Horw oodLimited1987:327,372379,3192.夏元洵主編.化學(xué)物質(zhì)毒性全書.上?？萍嘉墨I(xiàn)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