环境风险评价中 AFTOX 模型和 SLAB 模型的运用分析

肖亿群（上海建科环境技术有限公司， 上海 200032）

科学技术的日新月异伴随工业化快速发展，对化学品的使用需求不断增加，其中涉及许多种类的危险化学品。危险化学品在储存、运输及使用过程中的泄漏事故时有发生，所造成的环境影响和生态破坏远超过事故本身。危险化学品的意外泄漏具有事发突然、危害大且不易控制的特点，因此危险化学品的泄漏扩散模拟十分重要。采用可靠模型对可能发生的风险事故危害程度及影响范围预测分析，并提出风险防范措施，使得环境风险在一个可控水平，为项目决策提供技术依据。

1 环境风险预测模型选择

目前用于模拟危险物质泄漏扩散的有 ALOHA（Area Location of Hazardous Atmospheres，有害大气区域定位）、DEGADIS（Dense GasAtmospheric Dispersion，重气体扩散）、SLAB（Atmospheric Dispersion Model for Denser than Air Releases，密度大于空气的扩散模型）、UDM（Unified Dispersion Model，泄漏扩散模型）、INPUFF（GAUSS Puff Diffusion Model，高斯烟团扩散模型）、CHARM（Complex Hazardous Air Release Mode，危险物质释放复杂模型）、AFTOX（USAF Toxic Chemical Dispersion Model，美国空军毒性化学物质扩散模型）等模型，各模型均有其优缺点和适用范围。美国环境保护署推荐的环境风险预测模型有 DEGADIS、SLAB、AFTOX 等 3 种模型，我国生态环境部和 HJ 169—2018《建设项目环境风险评价技术导则》推荐的模型为 SLAB 模型和 AFTOX 模型。

AFTOX 模型和 SLAB 模型属于平坦地形下的环境风险事故模拟预测模型。AFTOX 模型是由美国空军开发，以大气扩散原理和高斯数学理论为基础的扩散模型，可适用于非浮力中性气体、浮力烟羽气体扩散的情况。AFTOX 模型可处理瞬间的或持续的、地面或具有一定高度的源释放的气体或液体。SLAB 模型是由美国能源部劳伦斯-利弗莫尔国家实验室开发的重气体扩散模型，已通过多次现场试验和风洞模拟验证，可以处理地面蒸发池、水平喷射源、垂向喷射源和瞬时排放源等 4 种类型的排放源。通过求解物质的质量、动量、能量和物质的守恒方程，对气体泄漏扩散进行模拟。物质连续排放（非常长的持续时间）可被认为是静态烟羽形式的释放。SLAB 模型在稳定、中度稳定、不稳定气象条件下均能达到比较好的模拟效果。

具体建设项目的环境风险预测选用哪种模型。通常情况下，密度小于空气的轻质气体释放，平坦地形下可以直接用 AFTOX 模型进行预测。密度大于空气的气体则应根据理查德参数（Ri）和排放性质进行判断烟团/烟羽是否为重质气体。对于连续排放，Ri ≥ 1/6 为重质气体，Ri ＜ 1/6 为轻质气体；对于瞬时排放，Ri ＞ 0.04 为重质气体，Ri ≤ 0.04 为轻质气体。重质气体用 SLAB 模型进行预测，轻质气体用AFTOX 模型进行环境风险预测。

2 模型运用及参数选择分析

每种环境风险预测模型在运行前都需要根据要求和实际情况输入不同的参数。这些参数包括泄漏源参数、泄漏物质物化参数、气象参数、环境参数及系统参数等，其取值最终影响预测结果的准确性及可靠性。

2.1 泄漏源参数及物化性质参数

泄漏源参数包括泄漏容器内部温度及压力、容器裂口面积及形状、容器裂口上部的液位高度、液体泄漏量、液池面积及液池平均深度、泄漏时间，参数根据泄漏源实际情况确定。泄漏物质物化性质参数包括物质分子量、沸点、临界温度、临界压力、液体密度、蒸汽定压比热容、沸点时液体汽化热、液体比热容、比热容比、饱和压力常数等。一般风险预测软件包中包含化学品数据的文件，但不会囊括所有危险化学品物质名称和参数。经常会遇到化学品的物化性质参数不全，或者软件中未提供该种物质的物化性质，此时需要从其他权威渠道找到相关参数输入预测模型。如果泄漏物质常温下为气体，且采用 AFTOX 模型预测时，只需要知道泄漏物质名称、分子量及沸点即可。

AFTOX 模型和 SLAB 模型均无源强计算模块，但一般环境风险预测软件包中除了预测模型外，也附带源强计算模块。使用环境风险预测模型时，可以先根据预测的具体情景，使用软件包中的源强模块计算一个风险预测源强，再预测模型调用这个源强进行预测。或者使用者根据物质泄漏和蒸发的公式手动计算一个风险预测源强后，再将数据输入相关的预测模型中。SLAB 模型是根据守恒原理模拟物质泄漏扩散后，得到泄漏物质最终的一个近地面浓度，输入预测模型的参数比 AFTOX 模型要多。其中，物化性质参数物质沸点、液体密度、蒸汽定压比热容、比热容比等参数对预测结果有明显影响。

泄漏源参数和物化性质参数是每个环境风险预测项目的基础，准确计算风险源强及找准物质性质参数是环境风险预测的根本。很多环境风险防范措施也是针对风险源强提出的，如直接降低风险物质贮存量、用风险小的物质替代风险大的物质、加强风险防范措施等，使环境风险在可接受水平。

2.2 气象及环境参数

气象参数和环境参数对风险预测模型是必需的，气象参数有大气稳定度、风向、风速及测量高度、气温及逆温层高度等，环境参数主要有环境温度、湿度及地表粗糙度等。预测风向主要用于确定泄漏源下风向影响的敏感受体，对泄漏物质的最终落地浓度大小无影响。物质泄漏一般在近地面排放并稀释扩散，主要受近地面风速及大气稳定度影响，逆温层高度对泄漏物质的最终落地浓度也基本无影响。

最新的环境风险评价导则 HJ 169—2018 直接规定了环境风险一级、二级评价所采用的气象条件。其中，环境风险二级评价采用最不利气象条件，即取 F 类稳定度、1.5 m/s 风速、温度 25 ℃ 、湿度 50%。环境风险一级评价采用上述最不利气象条件以及事故发生地的最常见气象条件分别进行后果预测，最常见气象条件由当地最近 3 a 内的至少连续 1 a 气象观测资料统计分析得出。其包括出现频率最高的稳定度、该稳定度下的平均风速（非静风）、日最高平均气温、年平均湿度。根据大气扩散原理，影响污染物扩散的气象因子主要是大气稳定度和风速。大气稳定度是直接影响大气污染物扩散的极重要因素，大气在竖直方向产生的强烈对流能够使污染物迅速扩散。相反，当大气处于稳定状态时，大气上下对流速度减缓，使得污染物稀释扩散也减缓，而在局部区域大量积聚造成大气污染。另外，风速和污染物稀释扩散也有直接关系，根据高斯扩散模式的表达式，在其他条件相同时，下风向任意一点的污染物浓度与风速成反比，风速越大扩散稀释能力越强。因此，我们在使用 AFTOX 模型和 SLAB 模型进行环境风险预测时，按照风险导则要求应预测一个最不利气象条件的结果，一级评价还应预测当地最常见气象条件的结果。

AFTOX 模型和 SLAB 模型是平坦地形下的环境风险预测，我们可以根据事故发生地的地表类型，从模型中选择地表的粗糙度。一般地表粗糙度大有利于对泄漏物质的吸收，因此预测的泄漏物质最终落地浓度结果会更小，影响也越小。

2.3 模型的系统参数设置

采用 AFTOX 模型和 SLAB 模型进行环境风险预测时，都有需要设置的系统参数，所设置的参数基本相同，包括预测模拟范围、预测精度参数（每分钟烟团数、数值迭代）、预测高度、浓度平均时间等。模拟范围、预测高度根据实际情况设置便可。 AFTOX 模型预测精度为每分钟释放烟团数，SLAB 模型预测精度为数值迭代参数。预测使用的气象参数根据导则要求设定，排放源参数也是不变的。实际使用这 2 个模型预测时，改变每分钟释放烟团数或数值迭代参数这 2 个系统精度参数值对最后预测结果影响很小，特别是使用大气稳定度为 F、风速 1.5m/s 的气象条件预测时，改变预测精度条件对预测结果无影响。因此，这 2 个参数选用系统默认的即可。

系统参数设置中浓度平均时间是需要着重考虑的，浓度平均时间对预测影响的最终距离和最终落地浓度都有明显影响。对于持续排放，AFTOX 模型默认值是 15 min。对于 ＜ 15 min 持续时间的排放，默认平均时间等于排放时间。对于瞬时气体排放，平均时间是 1 m

in。此外，平均时间一般大于排放时间。

SLAB 模型未对浓度平均时间做具体规定，SLAB 使用手册中认为预测的浓度平均时间与扩散方程相关的各种物理现象有关，依赖于烟雾的走向。当浓度平均时间增加时，会发生更多的烟雾路径，形成更宽的烟雾团，而排放物质的最终落地浓度和影响距离相对会更小。也有研究报道浓度平均时间与物质泄漏排放时间、物质到达最近受体时间以及安全暴露浓度标准中暴露时间关系密切，并认为浓度平均时间应取上述 3 个时间中的最小值。我国的环境风险评价导则 HJ 169—2018 中采用的危险物质毒性终点浓度值为美国能源部 2016 年 5 月公布的 PAC 数值，是基于 60 min 的有效数值。因此，浓度平均时间设置需要 ≤ 1 h，也可以参照 AFTOX 模型设置浓度平均时间。

3 结 语

AFTOX 模型和 SLAB 模型是我国环境风险评价导则 HJ 169—2018 中推荐使用的，适应于平坦地形的建设项目环境风险评价数学模型。在事故风险源及气象条件确定的情况下，环境参数地面粗糙度、系统参数浓度平均时间对泄漏物质最终的落地浓度影响较大，较小的地面粗糙度和较短的浓度平均时间更偏向于取得更保守的预测结果。另外，当预测结果显示风险等级较高，超出风险可控范围时，一般采取降低风险源的措施，如减少风险物质的贮存量、使用低风险物质替代风险水平高或临界量小的物质，提高风险物质的安全防范水平等，使项目的环境风险控制在可接受水平。