环境风险评价教学大纲

合肥学院教案课程名称：环境风险分析与评估课程编码：总学时（周学时）：32（4）开课时间：2013年4月22日适用年级：2012级专业：环境工程硕士班使用教材：环境风险评价实用技术、方法和案例授课教师：张金流教学目的：通过本课程的学习，使学生掌握环境风险评价的一般流程，方法，为学生进入工程实践学习打下坚实的理论基础。教学方法：本课程教学采取课堂PPT与板书相结合的教学方式，以授课老师传授为主，同时发挥学生的学习主动性，使学生在课堂上积极参与到课堂教学中。教学要求：见各章节考核方式：课堂考核与期末考试相结合目录第一章 概论4第二章 可靠性工程13第三章 源项分析23第四章 有毒有害害物质在大气中的弥散38第五章 有毒有害物质在湖泊的稀释扩散53第六章 污染物在食物链中的动态转移62第七章 环境污染健康风险评价70第八章 环境风险评价标准85第一章 概论教学要求：1 掌握风险及环境风险评价概念及其计算方法；2 了解环境风险评价研究进展及研究重点；3 掌握环境风险评价主要内容及程序；4 了解ERA与EIA、ESA区别。教学重点：环境风险评价主要内容及程序教学方法：课堂授课学时数：21 环境风险评价基本概念及其计算方法风险生命与财产损失或损伤的可能性；用事故的可能性或损失的幅度来表达的经济损失与人员伤害的度量；不确定危害的度量；灾难发生的几率；某种危害发生的可能性或几率，以及发生这种风险所造成后果的影响程度。计算方法风险（R）是事故发生概率（P）与事故造成的环境（或健康）后果（C）的乘积，即：风险评价是指对某一过程或情况涉及的潜在危害引起的风险在量或质上进行评价的过程。环境风险评价环境风险评价则是对由自发的自然原因或人为活动引发的，通过环境介质传播的、能对人类社会及环境产生破坏、损害等严重不良后果事件的危害（R）程度的评价；环境风险评价（ERA）是对那些造成生成生态系统、动物或人类威胁的技术所引起的风险进行的考察。它包括人类健康风险评价，生态或生态毒理学风险评价以及特定的工业应用风险评价，考察其在人类、生物群或生态系统中的终点。2环境风险评价研究进展及研究重点；与现代工业高速发展的同时，突发性的重大事故频发，给人类健康和环境带来严重后果，因此，人们越来越重视重大突发性事故造成的环境危害的评价问题，这类危害的评价常称为事故风险评价，它主要考虑与项目连在一起的突发性灾难事故，包括易燃易爆和有毒物质、放射性物质失控状态下的泄漏；大型技术系统（如化工生产、桥梁、水坝等）的故障或跨塌；发生这种灾难事故的概率虽然很小，但影响的危害程度往往是巨大的。（2012年12月31日，山西天脊煤化工集团股份有限公司8.7吨笨胺发生泄漏流入浊漳河；山西省以及位于河水下游的河北、河南两省共2万多人受到影响。2013年2月15日7时，山西省洪洞县曲亭水库的灌溉输水洞洞顶发生垮塌，导致下游坝体出现管涌。虽然当地进行了全力抢修，但最终还是因为大坝涵管老化严重而漏水，形成坝体塌陷，致大坝在涵管处坍塌过水；事故导致上万群众紧急疏散同时导致南同蒲线8趟列车停运）（其它例子见教材82页3.若干最大可信事故实例。）关于事故风险（或事故后果）评价，国际上是沿着三条线发展的。其一称为概率风险评价（PRA, Probability Risk Assessment），它是在事故发生前、预测某设施（或项目）可能发生事故及其可能造成的环境（或健康）风险。其最好的范例是美国核管会（NRC）于1975年完成的对核电站所进行的极其系统的安全研究，其研究成果就是著名的巨著WASH-1400报告，其中系统地发展和建立了所谓的概率风险评价方法。其二为实时后果评价（Real-time），其主要研究对象是在事故发生期间给出实时的有毒物质的迁移轨迹及实时浓度分布，以便作出正确的防护措施决策，减少事故的危害。主要象征之一是国际原子能机构（IAEA）于1988年10月于美国利物莫国立实验室所在所联合召开的第一届实时剂量评价国际研讨会。其三称为事故后果（Over-event或Past Accident）评价，主要研究事故停止后对环境的影响；其主要象征是1988-1994年由IAEA及欧盟共同发起主持的有20多个国家参加的大型长期国际协调调研项目“核素在陆地、水体、城市诸环境中迁移模式有效性研究”，简称VAMP，主要研究前苏联切尔诺贝利核电站事故停止后对中、西欧影响的后果。环境风险评价学科的研究内容，不但包括突发性事故的环境风险影响，也包括长期低浓度排放累积效应的风险；不但研究突发性事故和长期低浓度排放对人体健康的危害影响，也研究它们对生态系统的危害影响，而后者正是目前这门学科研究、发展的重点。目前国内外开展较多、较成熟，也是本课程和国内导则主要讨论的环境风险评价可以归属于事故风险评价的第一类，即预测某设施（或项目）建成后可能造成的风险。环境风险评价研究重点本课程研究重点主要是经济开发项目对人群产生的危害风险，主要包括化学风险（来自产品加工过程中产生的有毒、易燃、易爆物的风险）和物理风险（来自极端条件下的风险）；物理风险来自潜在的运输事故、水坝溃塌、会导致物理损伤与危害的机械事故或其他事故。产生上述风险的危害主要来自经济开发项目中： 释放对人、动物与植物有毒的化学物质； 易燃易爆物质； 危及生命财产的机械设备故障； 构造物（例如桥梁、水坝）垮、塌； 生态危害（例如富营养化、土壤侵蚀）。上述风险类型的主要环境途径如下：有毒化学物环境风险评价中贮量、释放、环境浓度、人员受照射剂量及其健康效应关系见下图：环境风险评价从其评价范围而言又可分成三个等级，即微观风险评价（Micro Assessment）、系统风险评价（System Risk Assessment）和宏观风险评价（Macro Risk Assessment）。所谓微观风险评价是指对某单一设施进行风险评价；所谓系统风险评价即对整个项目中所包含的相关联的各个设施进行风险评价，它可以包含项目中的不同设施（例如运输、贮藏、加工）、涉及不同的活动（例如建造、运行、拆除）、包含不同的风险种类（例如致癌、事故损伤）及不同的人群（公众、职业人员）。框定其边界的四个要素是：关心的空间范围；关心的时间长度；关心的人群；关心的效应。宏观的风险评价是指规划或政策的风险评价，例如某一行业规划的风险评价。本书讨论的重点是第一类即微观风险评价。3 环境风险评价的主要内容及评价程序狭义的环境风险评价的主要内容包括如下三个部分：第一阶段为源项分析。这一阶段的主要任务首先通过危害识别确定是火灾、爆炸、垮坝、还是有毒有害物质的释放。若是后者，则应给出释放何种物质、释放量、释放方式、释放时间等数据，并应给出其发生频率；此外确定评价的等级、评价范围、评价时间跨度、评价人群（如只评价居民还是包含工作人员）等。（详细内容将在第3章讲解。）第二阶段为环境后果分析。此阶段的主要任务是估算有毒有害物在环境中的迁移、扩散、浓度分布及人员受到的暴露与剂量。（详细内容将在第4-6章讲解。）第三阶段为风险表征或风险评价。此阶段的主要任务是给出风险的计算结果及评价范围内某给定群体的致死率或有害效应的发生率。（详细内容将在第7章讲解。）在上述风险评价中，最困难的是估算在一年或某一规定时间内的设施运行中某一情景出现的频率（或概率）。广义的环境风险评价或称为环境风险评价与管理还包括第四个阶段风险管理。风险管理是指在一系列的选项中选择一个可以达到“所需结果”的决策过程，这种“所需结果”可以在环境标准中予以明确，也可以通过正式的风险-成本-效益分析或者“行业标准”或“惯例”等其它过程决定。其结果应该是在现有资源的限制条件下，将风险降到“可接受”的水平。风险可以通过多种方式进行管理：风险可以被消除：完全禁止某种化学品的使用或销售就是风险消除的一个例子。然而，风险消除通常是不可能的，因为这就需要用另外一种化学品来代替被禁止的产品，在这种情况下，一种风险要被另一种风险所代替。风险可以被转移到其他实体上：如工厂可以将环境责任风险转移到保险公司上。风险可以被降低：在很多政策和法规决策中，降低风险都是风险管理常用的方法。虽然降低风险通常与法规相关联，但降低风险还可以通过许多其他方法来实现。如自然签订行业协议以及为消费者提供良好的风险信息，以便他们选择较低风险的产品。风险可以被公司或政府保留：这可以是在知情的情况下动作，例如当某公司作了风险评价并且作出相关的规定承担可能由此风险造成的一切损失；然而，风险通常是在未被认知的情况下被保留，例如评价未被执行或者危害物未被鉴定。4 ERA与EIA、ESA区别环境风险评价与环境影响评价的主要区别见下表：表1.1 环境风险评价与环境影响评价的主要不同点次序项目事故风险评价（ERA）正常工况环境影响评价（RIA）1分析重点突发事故正常运行工况2持续时间很短很长3应计算的物理效应火、爆炸、向空气和地面水释放污染物向空气、地面水、地下水释放污染物、噪声、热污染等。4释放类型瞬时或短时间连续释放长时间连续释放5应考虑的影响类型突发性的激烈的效应以及事故后期的长远效应连续的、累积的效应6主要危害受体人和建筑、生态人和生态7危害性质急性受毒；灾难性的慢性受毒8大气扩散模式烟团模式、分段烟羽模式连续烟羽模式9照射时间很短很长10源项确定较大的不确定性不确定性小11评价方法概率方法确定论方法12防范措施与应急计划需要不需要ERA与ESA的主要区别环境风险评价与安全评价的主要区别是：环境风险评价主要关注事故对厂（场）界外环境和人群的影响，而安全评价主要关注事故对厂（场）界内环境和职工的影响；拿火灾和爆炸事故来讲，环境风险评价不关注火灾产生的热辐射和爆炸产生的冲击波带来的破坏影响，而关注火灾和爆炸产生或伴生的有毒有害物质的泄漏造成的危害，而安全评价主要关注火灾产生的热辐射和爆炸产生的冲击波带来的破坏影响；我国目前环境风险评价导则关注的是概率很小或极小但环境危害最严重的最大可信事故，而安全评价主要关注的是概率相对较大的各类事故，并不能包括最大可信事故。第二章 可靠性工程教学要求：1. 了解系统可靠性含义；可靠性、安全性、风险性定义；2. 掌握系统可靠性计算；3. 掌握系统可靠性分析方法（事件树、故障树分析方法）。教学重点：系统可靠性计算授课方式：课堂授课学时数：41. 系统可靠性含义；可靠性、安全性、风险性定义可靠性工程是系统工程的重要分支，它的任务是定性与定量的分析、控制、评估和改善系统或设备在设计、生产和使用的各个阶段的可靠性，并在设计中达到可靠性与经济性综合平衡。环境风险评价的重要任务之一是识别系统可能发生的一切事故序列的频率，在概率风险评价（PRA）中统称为第一级任务；系统可靠性分析与事故序列分析，从系统的设计运行资料、部件失效的统计数据、实验资料、规程等技术资料定性与定量地取得各类系统的故障频率，为计算系统的风险提供数据。可靠性（经典定义）：系统或设备在规定的条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。规定条件包括使用条件、维护条件、环境条件等；规定时间是可靠性定义中的核心，不谈时间就无可靠性可言；可靠性指标与任务时间是紧密相关的；而规定功能一般指用户提出的技术指标和要求。由于系统或设备失效的形式和过程不同，因此评价它们的可靠度也会有不同的方法。一个系统怎样才算是失效呢？有两类常用的失效准则。瞬时型失效是指系统在工作过程中随机地在某时刻突然地失去功能。另一种失效准则是非突发性的，它伴随性能衰退、老化和磨损过程，很难明确指出它的确定寿命，这类失效又称耗损失效或漂移失效。安全性（经典定义）：建立一种环境，使人们在这种环境下生活与工作感受到的危害或危险是已知的，清楚的，并且是可控制在可接受的水平上。安全性以风险值（风险水平）或接受的危险概率来定量描述程度。风险性是以事故发生概率与该事故后果（人员死亡或者财产损失）的乘积表示。以核电站为例，定量的安全目标是：对电站1英里边界上的居民所产生的平均瞬时死亡风险不应超过美国风险本底（510-4/a）的0.1%，也就是说，瞬时风险的定量设计目标为510-7/a；在50英里范围的致癌风险不能超过本底致癌风险的0.1%，而美国癌本底风险值为510-3，所以因核电站而造成的致癌风险设计目标为210-6/a。2. 系统可靠性计算可靠度函数如果用随机变量T来表示系统从开始工作到发生故障的连续工作时间，用t表示规定时间，则系统在时刻t的可靠度R(t)是随机变量，为T大于时间t的概率。 R(t)=P(Tt)不可靠度 F(t)=1-R(t)=P(Tt)假设有同一种类的产品N0个，在t=0时开始使用或试验，令：Ns(t)=工作到时间t存活的数目； Nf(t)=工作到时间t失效的数目； Ns(t)+Nf(t)=N0,根据物理意义，产品的可靠度由下式给出：不可靠度F(t)由下式给出：典型系统可靠性计算的框图法1 串联网络这网络表示一个由元件（或分系统）串联连接的系统。在系统中，如果系统中任一个元件工作不正常，它将引起整个系统失效，一种k个元件串联的系统如图2.3所示：对于k个独立不相同元件串联系统，依赖于时间t的可靠性Rs(t)为：式中：Fi(t)第i个单元或元件失效的概率（i=1，2，3，k）； Ri(t)第i个单元或元件的可靠性（i=1，2，3，k）。常用的Ri(t)表示式为(指数分布)：式中为失效系数。所以串联系统可靠性可以表示为：定义多个连接或单个元件的失效前平均时间（MTTF）为：例题2.1：10个独立和相同的分系统组成一个串联系统。每个分系统的失效时间符合指数分布，其MTTF为2000h，假定在时间t=0时系统开始工作，计算50h时工作系统的可靠性。已知k=10，t=50,=2000-1失效/h，所以此串联系统工作50h后的可靠性为0.7788。2 并联网络一种k个元件并联的系统如图2.4所示：为了导出这种模型的可靠性方程，假定：系统中所有单元同时工作并且负载均分；各单元在统计上独立。在时间t时，具有不相同元件并联结构的不可靠性为：式中：Fi(t)第i个元件不可靠性（失效概率）；k系统的元件数目。因为 Rp(t)+Fp(t)=1，所以并联系统可靠性为：系统可靠性分析方法 （1）事件树分析（ETA）事件树分析（Event Tree Analysis）法是一种逻辑演绎法，它在给定一个初因事件的情况下，分析此初因事件可能导致的各种事件序列的结果，从而定性与定量地评价系统的特性，并帮助分析人员获得正确的决策，它常用于安全系统的事故分析和系统的可靠性分析，由于事件序列是以图形表示的，并且呈扇状，故得名事件树。事件树可以描述系统中可能发生的事件，特别是安全分析中，在寻找系统可能导致的严重事故时，是一种有效的方法；比如有两个系统组成的事件树如图2.4所示：由上图可知，该系统的可能事件数目为2n=4。事件树分析的步骤如下：确定或寻找可能导致系统严重后果的初因事件，并进行分类，对于那些可能导致相同事件树的初因事件可划分为一类；建造事件树，先建功能事件树，然后建造系统事件树；进行事件树简化；进行事件序列的定量化。下面以一个例子来说明事件树的建立及定量化。例2.2 图2.5是一个连续工艺过程的冷却系统，当正常冷却水管道断裂时造成系统失水，失水信号探测器（D）将启动泵P1和泵P2；如果两台泵均启动成功，则系统成功（），如果只有一台被启动成功，那么系统是50%的部分成功（P）；第三种情况是系统失败。那么系统的最终状态有三种：完全成功（S）、部分成功（P）、系统失败（F），若已知事件发生概率均为0.99，请计算它们各自的发生概率：该过程的事件树建造如下：故各自发生概率计算如下：（2）故障树分析（FTA）故障树分析(Fault Tree Analysis)是较为适用于大型复杂系统安全性与可靠性分析的常用有效方法，它是以图形的方式表明“系统是怎样失效的”？它是一种适用于设计人员、运行人员和管理人员有效地进行系统分析的方法。FTA是用图形的方法有层次地描述系统在失效的进程中，各种中间事件的相互关系，并告诉人们系统是通过什么途径发生失效的。FTA 的步骤FTA是把系统不希望发生的事件（失效状态）作为故障树的顶事件（Top event）。用规定的逻辑符号表示，找出导致这一不希望事件发生的所有可能的直接因素和原因，它们是处于过渡状态的中间事件，并由此逐步深入分析，直到找出事故的基本原因，即故障树的底事件为止。这些底事件又称为基本事件，它们的事件是已知的或者已经有过统计或实验的结果。FTA一般可分为以下几个阶段：选择合理的顶事件、系统的分析边界和定义范围，并且确定成功与失效的准则；建造故障树，这是FTA的核心部分之一，通过对已收集的技术资料，在设计、运行管理人员的帮助下，建造故障树；对故障树进行简化或者模块化；定性分析，求出故障树的全部最小割集，当割集的数量太多时，可以通过程序进行概率截断或割集阶截断；定量分析，这一阶段的任务是很多的，它包括计算顶事件发生概率即系统的点无效度和区间无效度；此外还要进行重要度分析和灵敏度分析。目前已经发展了多种功能的软件包进行FTA的定性与定量研究。FTA的术语与符号顶事件，顶事件是被分析的系统的不希望发生的事件，它位于故障树顶端。中间事件，它位于顶事件和底事件之间，又称故障事件，以矩形符号表示，并且由一个逻辑门跟着。3 底事件，位于故障树底部的事件，在已建成的故障树中，不必再要求分解；故障树的底事件又分为：基本事件和菱形事件。基本事件，已经探明或尚未探明其发生原因，而有失效数据的底事件；菱形事件，又称为未探明事件，一般可分为两种情况，一种是在一定条件下可以忽略的次要事件，画在故障树中是为了提醒设计人员或管理人员，或者暂时保留它；还有一种情况就是未能探明的二次失效，对它的影响不清楚，无法继续分解下去，只能看做一种假想的基本事件。4 房形事件，它也位于故障树底部，它起开关作用，有时表示一种系统中的正常条件或故障条件，房形事件的状态只能发生或不发生，通过使用房形事件，可以描述各种不同条件下的系统故障树。5 与门，表示事件关系的一种逻辑门，仅当所有输入与门的所有输入事件同时发生时，门的输出事件才发生。6 或门，表示事件关系的一种逻辑门，仅当输入事件中至少有一个发生时，则门的输出事件发生。7 表决门，例如k/m门，表示一种表决的逻辑关系，仅当m个输入事件中的k个以上事件发生时，门的输出事件才发生。8 禁门，表示在一定条件下才打开的逻辑门，当禁门的条件事件存在时，输入禁门的事件发生才会导致输出事件的发生。同与门的情况相比，禁门条件事件不仅可以是故障事件，而且可以是系统的一种状态和条件。9 异或门，表示仅当单个输入事件发生时，而其余输入事件不发生，异或门的输出事件才能发生，异或门也称互斥或门。10 非门，表示门的输出事件是输入事件的对立事件。11 优先与门，表示与门的输入事件仅当按由左至右的顺序依次发生时，门的输出事件发生。12 转移符号，有转入与转出符号，便于画树过程中进行转页和查找。例2.8 房形事件使用。房形事件又称开关事件，它能表示故障树结构上的变换。如图2.8故障树所示。当房形事件（I）发生时，则故障树可变换成图2.8(a)。当房形事件（I）不发生时，则故障树变为图2.8(b)的结构。第三章 源项分析教学要求：1 了解源项分析内容和目的；2 了解源项分析程序；3 掌握风险识别（系统、危险物质、化学反应、工艺过程危险性识别）4 掌握事故源项分析方法（事件树，故障树，原因-结果分析）教学重点：风险识别和事故源项分析方法授课方式：课堂授课学时数：43.1 概述3.1.1 了解源项分析内容和目的源项分析是环境风险评价的首要任务和基础工作，其分析的准确与否直接关系到环境风险评价的质量。（内容）源项分析是通过将一个工厂或工程项目的大系统分解为若干子系统，识别其中哪些物质、装置或部件具有潜在的危险来源，判断其危险类型，了解事故发生的概率，确定毒物释放量及其转移途径等。（目的）源项分析的目的是通过对评价系统进行危害识别和分析，正确地筛选出最大可信事故及确定其源项，为其后果估算提供依据和基础资料。源项分析最重要而又最困难的工作是（事故概率的估算）；任何一个工厂，存在各种潜在事故，而每一个事故又具有诸多的诱发因素，带有随机性。事故概率的计算目前在可靠性工程研究中已发展了众多方法，但（历史事故的实际调查）仍为计算的基础。风险评价中的源项分析与安全生产和管理中的事故分析和安全评价分析方法相同，但目的各有侧重。安全生产中的事故分析是为了找出事故原因，提出预防事故的对策，从而减少和防止同类事故的发生；通过事故分析了解发生事故的特点和规律；发现新的危险因素和管理缺陷；从事故中引出新工艺新技术。安全管理中的安全评价是通过分析了解系统中薄弱环节和潜在危险、发生事故的概率和可能产生的后果，从而对系统进行调整，加强薄弱环节，消除潜在危险，以达到系统的最优化和安全。风险评价中的源项分析是通过系统存在的潜在危险识别及其事故概率计算，筛选出最大可信事故，进而计算事故可能危害，确定本系统的风险值，与相关标准比较，评价能否达到可接受风险水平。3.1.2 了解源项分析程序源项分析分两阶段，首先是危险识别，其次是风险事故源项分析。前一阶段以定性分析为主，后一阶段以定量为主。源项分析所包括的范围和对象是全系统，从物质、设备、装置、工艺到与其相关的单元。与之相应的要进行物质危险性、工艺过程及其反应危险性、设备装置危险性、储运危险性等方面分析与评价。源项分析主要步骤包括： 系统、子系统及单元等的划分； 危险识别。由物质危险性识别，筛选出可能的风险评价因子；由工艺过程危险性识别，筛选出重大危险源。 对筛选出的重大危险源，依据其在线量或贮量，以及所涉及的有毒有害物的毒性，筛选出最终的风险评价因子和相应的最大可信事故。 对最大可信事故进行定量分析，确定有关源项参数，包括事故概率、毒物泄漏量及其进入环境的可能转移途径和危害类型等。3.1.3 源项分析中的相关术语：危险性：指在各类生产活动中能造成人员伤亡和财物损失的潜在性原因，它的发展会成为实际的危险，即事故。事件的发生概率：危险性发展成为事故的概率。即随机事件在一定时间内统计取得的发生次数称为频率，经过实践证明的、稳定的频率值即为事件的发生概率。必然发生的事件概率为1，不可能发生的事件概率为0，所以一般随机事件的概率介于0与1之间。危险源：评价系统内某一部分或部件，因为各种原因受到损坏或失去控制导致毒物泄漏或引起火灾爆炸事故，构成危险源。潜在的危险源需要通过分析评价对象所涉及的有毒有害物质的理化特性和毒理特性及其贮量来识别。危险类型：危险类型可分为：人为灾害，如工厂的火灾、爆炸、毒物释放等；自然灾害，如区域性的地震、海啸等；准自然灾害，由于自然和人为共同诱发，如雷击引起球罐爆炸、污染事故等。危险程度：综合考虑危险源导致的事故可能产生的后果及其出现频率。对危险强度进行分类，总体而言可分为三类：低频率严重后果的危险性；偶然中等后果的危险性；高频率低危险水平的危险性。与之相对应即为高风险、中等风险和低风险三种水平风险源。对项目环境风险评价而言，高风险是重点对象。最大可信事故：在所有可能发生的重大事故中，对环境（或健康）危害最严重的即事故后果最大的事故。在所评价的系统中，如其最大可信事故风险值在同类系统的可接受风险值范围内，则认为该系统从风险角度来讲是可以接受的。3.2 风险识别3.2.1 风险识别及其基础风险识别是风险评价的基础，它是通过定性分析及经验判断，识别评价系统的危险源或事故源、危险类型和可能的危险程度及确定其主要危险来源。1 系统风险识别系统风险识别（可靠性）详见第二章；系统安全性分析其一是对涉及的物质，如工业原料等的分析，其二是对系统的可靠性、安全性进行评价。图3.1是一个工厂安全评价系统的例子。由前面第二章可知，系统可靠性是指系统（设备）在规定条件下，在规定时间内完成规定功能的能力；系统安全性指系统的失效和人员失误的概率及由于失效可能导致的危害（人员伤亡和财产损失）。任何一个系统，其可靠性、安全性与成本、效益之间的关系是在保证系统的可靠性指标的前提下，使系统的成本费用最小。图3.2为可靠性R与成本费用之间的一般关系。系统（设备）的可靠性提高，会导致生产成本的增加，但安全费用成本随着可靠度的增加而降低，A点则为优化点。系统安全分析即求取优化点A。由前面第二章可知，系统的可靠度随时间变化，在稳定状态下或在确定的周期内，系统的可靠度可用随机事件的概率来计算，系统稳定模型可靠度计算方法如下：串联系统：假设系统S由n个独立单元A1，A2，A3，An组成，当其中有一个失效时，系统就失效，则S为串联系统。已知单元Ai的可靠度为Ri(i=1,2,3,n),则系统S的可靠度Rs为：由于0Ri1，因此串联系统的可靠度小于等于其各组成单元的可靠度。并联系统：当系统S中，n个单元都失效后，系统S才失效，则S为并联系统，已知单元Ai的可靠度为Ri(i=1,2,3,n)，则Ai的不可靠度Fi=1-Ri。由于所有的单元都失效后系统S才失效，故系统S的不可靠度F为：故系统的可靠度Rs为：串联、并联复合系统：当系统由串联单元、并联单元综合组成时，其可靠度计算是先将系统分解为若干个子系统，根据串联、并联单元分别算出各个子系统的可靠度，然后复合计算系统的可靠度：2 事故分析技术事故分析是用来防止事故，提高事故防治对策的有效性的方法之一。事故分析在风险评价中则是识别危险因素，了解各种工艺条件下发生事故的特点和规律，是确定源项的重要依据；在风险评价中，对所评价的行业系统要用大量的事故统计调查分析，以提高评价的可靠性和准确度。(1) 事故原点理论 事故原点指事故隐患转化为事故的具有初始性突变特征并与事故发展过程有直接因果联系的点。它是构成事故的最初起点，如火灾事故的第一起火点，爆炸事故的第一起爆点。事故原点只有一个，它不是事故原因，亦不是责任分析，是研究潜在隐患转化为突变的联结点，是事故定性定量分析的基础和关键。所以事故原点理论是事故调查分析工作的基础。事故原点的确定有定义法、逻辑推理法和技术鉴定法。根据不同的事故选用不同的方法。(2) 事故分析 事故分析具体地讲就是对危险因素的性质、能量和感度三个基本要素的分析。从评价的角度对事故分析采用的技术有：事故结构分析：找出事故原点，它存在于事故的发生、发展过程中，由此而建立事故模型图。事故的数理统计分析：通过对一定时间、空间和系统中发生的大量的偶然事故进行数理统计分析，以找出某些必然性的规律。事故过程分析：对同类事故，从发生发展过程找出与事故的有关因素，进行定性定量分析。常用的方法有因果分析图、事故树分析图、事件树分析和逻辑分析图。事故的综合分析：在一定的时间空间内，对某种或多种事故进行综合分析，以确定评价的重点。例如日本和我国一段时间事故分析如下图所示：3.2.2 物质危险性识别在工业生产过程中，要使用不同材料制成的设备、装置；处理处置、使用、贮存和运输各种不同原料、中间产品、副产品、产品和废弃物。这些物质具有不同的物理和化学性质及毒理特性，其中不少物质属于易燃、易爆和有毒物质，因此，具有潜在的危险性，为了评价某一生产系统的风险性，有别要对这些危险物质进行识别。1易燃易爆物质具有火灾爆炸危险性物质可分为爆炸性物质、氧化剂、可燃性气体、自燃性物质、遇水燃烧物质、易燃与可燃液体、易燃与可燃固体等。（1）爆炸性物质 爆炸性物质是指凡受到高热、摩擦、撞击或受到一定物质激发能瞬间发生急剧的物理、化学变化，且伴有能量快速释放、急剧转化为强压缩能，强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起被作用介质的变形、移动和破坏的物质。爆炸性物质的爆炸具有三个显著特点：变化速度非常快。爆炸反应一般在10-510-6s间完成，爆炸传播速度一般在20009000m/s之间；反应中释放出大量的热或快速吸收热量，反应热一般在30006300J/kg之间；生成大量的气体产物，1Kg炸药爆炸时能产生7001000L气体，压力达数万兆帕，使周围介质受到压缩或破坏。爆炸性物质按组分分为爆炸化合物和爆炸混合物两大类。前者具有一定的化学组成，其分子中含有不稳定的爆炸基团，这中基团容易被活化，在外界能量作用下其化学键易破裂，引起爆炸反应。这类化合物包括硝基化合物、硝基酯、硝胺、叠氮化合物、重氮化合物、雷酸盐、乙炔化合物、过氧化物和氮氧化物、氮的卤化物、氯酸盐和高氯酸盐等。后者通常由两种或两种以上的爆炸组分和非爆炸组分经机械混合而成；这类混合物如硝胺炸药等。（2）氧化剂 氧化剂具有较强的氧化性能，能发生分解反应并引起燃烧或爆炸。其分解温度均在500以下。氧化剂分为无机氧化剂和有机氧化剂，其分类如下表3.1。氧化剂的危险性在于其遇酸碱、潮湿、强热、摩擦、撞击、或与易燃物、还原剂等接触时，发生分解反应，放出氧，有些反应急剧，引起燃烧和爆炸。类别级别举例危险性无机氧化剂一级，能引起燃烧和爆炸碱金属或碱土金属的过氧化物和盐类过氧化物类；含氯酸及其盐类；硝酸盐类；高锰酸盐类等。本身不燃不爆（大多数）；受热、受撞击、摩擦易分解出氧；接触易燃物、有机物引起燃烧爆炸；有些氧化剂在遇酸、遇水等引起剧烈反应，引起燃烧或爆炸。二级，能引起燃烧。除一级以外的无机氧化剂。有机氧化剂一级，能引起燃烧和爆炸有机过氧化物，如过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁醇等；有机硝酸盐等，如硝酸胍、硝酸脲等。本身是氧化剂，同时具有燃烧和爆炸性；为过氧化物，能进行自身氧化-还原反应，反应生成气体，反应迅速时引起燃烧、爆炸。二级能引起燃烧除一级以外的有机氧化剂。(3)可燃气体 可燃气体指遇火、受热或与氧化剂接触能引起燃烧或爆炸的气体。可分为一级和二级可燃气体；凡着火（爆炸）浓度下限10%为一级可燃气体，下限10%的为二级可燃气体。可燃气体的危险性主要为其燃烧性、爆炸性和自燃性，同时由于其具有高度的化学活泼性，易于氧化剂等物质起反应，引起火灾爆炸。当其比空气轻时，可逸散在空气中无限制扩散，易与空气形成爆炸性化合物；当其比空气重时，聚集于地表和管沟不散，遇火源时燃烧或爆炸。有些可燃气体同时具有腐蚀性或毒性、带电性。可燃气体的燃烧爆炸性以其燃烧（爆炸）极限表征。在一定的温度和压力下，可燃气体与空气混合，形成混合气体，当其中可燃气体浓度达到一定范围才能在遇火源时发生燃烧或爆炸。这个可燃气体浓度范围即是该气体燃烧（爆炸）极限。通常以可燃气体在空气中的体积百分比表示。燃烧极限的下限即着火下限，燃烧极限的上限即着火上限。可燃气体的燃烧爆炸危险度H计算为：式中 R燃烧（爆炸）上限； L燃烧（爆炸）下限； H危险度。可燃气体的危险度H值越大，表示其危险性越大，表3.2列出部分可燃气体的危险度。可燃气体受热到一定温度，可发生自燃，能发生自燃的最低温度即为该气体的自燃点。通常以反映当量深度时的自燃点作为标准自燃点。自燃点越低，自燃的危险性越大。自燃点与压力、密度、容器直径、浓度等因素有关。计算可燃气体的危险度？（4）自燃性物质 自燃性物质即不需要明火作用，由于本身受空气氧化或外界温度、湿度影响发热达到自燃点而发生自行燃烧的物质。根据自燃点的高低，自燃性物质分为一、二两级；一级物质其在空气中能发生剧烈氧化，自燃点低，易于自燃，而且燃烧猛烈、危险性大；如黄磷、三乙基铝、硝化棉、铝铁熔剂等；二级物质在空气中氧化比较缓慢，自燃点较低，在积热不散的条件下能够自燃，如油脂等物质。影响自燃性物质自燃的因素包括：热量的积累，如导热率、堆积状态、空气的流通性等；热量发生率，如温度、发热量、湿度、表面积、催化剂等；压力，压力越高，自燃点越低；分子结构；粒度，粒径越细，自燃点越低。（5）遇水燃烧物质 遇水燃烧物质指凡遇水或潮湿空气能分解产生可燃气体，并放出热量而引起燃烧或爆炸的物质。通常分为一、二级。一级物质遇水后发生剧烈反应，产生易燃气体，放出大量热，容易引起自燃或爆炸。这类物质主要为锂、钾等金属及其氢化物和硼烷等。遇水燃烧物质在遇酸或氧化剂情况下亦发生反应，反应剧烈。请指出上述五类物质分为一二级的分级依据？（6）易燃与可燃液体 易燃与可燃液体指凡遇火、受热或与氧化剂接触能燃烧和爆炸的液体、溶液、乳状液或悬浮液等燃烧液体。燃烧液体的分类，不同地区和目的（运输、消防）不同，分类亦有差异，一般而言，凡闪点61的燃烧液体均属易燃与可燃液体。易燃与可燃液体具有特性：易挥发性，在任何温度下都会蒸发，当加热到沸点时，迅速变为气体；易燃性，其挥发性蒸气与空气的混合物一旦接触火源即易于着火燃烧；易燃液体通常具有毒性；大部分易燃液体密度小于水。易燃和可燃液体的危险性表征采用：闪点和燃点：液体能发生闪燃的最低温度叫闪点，它是液体燃烧难易程度的表征。闪点越低，该液体越易起火燃烧。液体表面上的蒸汽与空气的混合物发生着火的最低温度为燃点，它亦是鉴别液体火灾危险性大小的一个标志。易燃液体闪点和燃点很接近，差15；可燃液体，其差别可达到30以上。爆炸极限：易燃与可燃液体的蒸汽与气体一样，以爆炸有限表片爆炸危险性，可采用何种百分比（%）表示爆炸浓度极限，亦可采用爆炸温度极限（）表示。通过计算危险度来衡量爆炸危险性。自燃点：与液体的压力、浓度、容器直径、分子量、分子结构和粒度有关。比重：大多数均小于水，且液体比重越小，闪点越低。沸点：蒸汽压力等于大气压时的温度。沸点越低，越易与空气形成爆炸性混合物，危险性越大。饱和蒸气压力：在密闭容器中液体蒸发成饱和蒸气所具有的压力。饱和蒸气压力越大，闪点越低，当超过沸点时的蒸气压力可导致容器炸裂。受热膨胀：易燃屯可燃液体受热后，体积膨胀，蒸气压力增高，可能产生炸裂。流动扩散性：流动和扩散性使易燃可燃液体很快扩散，危险性增大。带电性：大部分易燃与可燃液体都是电解质，易产生静电，引起火灾和爆炸。分子量和化学结构：分子量越低，沸点越低。危险性与化学结构关系密切。毒性：具有一定毒性。（7）易燃与可燃燃固体 易燃与可燃燃固体指燃点低、对热、撞击、摩擦敏感及与氧化剂接触能着火燃烧的固体。可分为一、二级两级，一级易燃固体燃点低、易于燃烧和爆炸，燃烧速度快，并能放出剧毒的气体，如磷及含磷的化合物、硝基化合物等。二级易燃固体较一级易燃固体的燃烧性能差，速度慢。如各种金属粉末、碱金属、氨基化合物等。易燃与可燃固体的危险性以下列指标表征：熔点：由固态转变为液态的最低温度，熔点低的固体有较强的挥发性，闪点较低。对低熔点的固体可用闪点评价其易燃性的大小，且闪点大都在100以下。燃点：即物质发生持续燃烧的最低温度，燃点越低，危险性越大。一般300以下为易燃固体，在300400为可燃固体。自燃点：由于易燃固体受热时蓄热条件好，其自燃点在180400之间，低于可燃液体和气体的自燃点。比表面积：单位体积的表面积，其值越大，危险性越大。粉状可燃固体，其粒度小于10-3cm时，悬浮在空气中有爆炸危险。热分解：受热分解温度越低，火灾危险性越大。2.毒性物质毒性物质指物质进入机体后，累积达一定的量时，能与体液和组织发生生物化学作用或生物物理变化，扰乱或破坏机体的正常生理功能，引起暂时性或持久性的病理状态，甚至危及生命的物质。在工业生产中有些原料，如苯和氯；有些中间体或副产物，如硝基苯；有些产品如氨、有机磷农药；有些辅助原料，如作溶剂的汽油；有些废弃物，如硫化氢等，均为工业毒物。以工业毒物为例，其形态主要包括五种：粉尘：飘浮于空气中，直径大于0.1m的固体微粒；烟尘：悬浮在空气，直径小于0.1m的烟状固体微粒；雾：混悬于空气中的液体微滴。烟和雾编称为气溶胶；蒸气：液体蒸发或固体物升华形成；气体：散发于空气中的气态物质。毒物的毒性表征毒物的剂量与反应之间的关系，其单位一般以化学物质引起实验动物某种毒性反应所需剂量表示。毒性反应通常是动物的死亡数，采用的指标有：绝对致死量或或浓度（LD100或LC100），即全组染毒动物全部死亡的最小剂量或浓度。半致死量或浓度（LD50或LC50），即染毒动物半数死亡的剂量或浓度。最小致死量或浓度（MLD或MLC），即全组染毒动物中个别动物死亡的剂量或浓度。最大耐受量或浓度（LD0或LC0），即全组染毒动物全部存活的最大剂量或浓度。对毒物的摄入方式分为三种：经呼吸道吸收；经皮肤吸收；经消化道吸收。毒物危害程度分级以急性毒性、急性中毒发病情况、慢性中毒患病情况、慢性中毒后果、致癌性和最高允许浓度等六项指标为基础，分为极度危害、高度危害、中度危害和轻度危害四级。对危险化学品毒理性质的较科学的描述可依据美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）给出的生命和健康即时危险暴露水平（IDLH）给出，它定义为如果在30min的时间内不采取防护措施将可能导致死亡或立即或延迟的永久性有害健康效应的数值或限值。对所考虑的每一种化学品，在IDLH限值下可以容忍2min而一般不会对工作人员的工作能力产生严重的影响（例如，严重的咳嗽、眼热或严重皮肤疼痛）。NIOSH认为，将IDLH数值用作毒性限值是适宜的。3.2.3 化学反应危险性识别化学反应分为普通化学反应和危险性化学反应，后者包括爆炸反应、放热反应、生成爆炸性混合物或有害物质的反应。在化工生产运转中经常遇到等温反应、绝热反应和非等温非绝热反应，这些反应如果控制不当有可能产生事故危险。具体见教材62页表3.10。3.2.4 工艺过程危险性识别工业生产中，一套装置是由许多个单元过程和单元操作组成的工艺集成的。每个工艺过程又有各种不同的阶段，每个阶段之间相互存在影响。所以工艺过程存在各种潜在危险性。对工艺系统的危险性识别需要采用安全系统分析方法。安全系统分析方法有多种，如安全检查表（CL）、初步危险性分析（PHA）、故障模式影响分析（FMEA）、危险性操作法（HAZOP）、致命度分析（CA）、道化学（Dows Chemical Co.）指数法、蒙德（ICI.Mend）等。1.安全检查表安全检查表是识别潜在危险的简单实用的工具。先将评价系统分成若干子系统、单元等，利用已有的经验和知识，拟定好安全问题清单，附以有关规范要求，按顺序编制成表。具体编制根据评价对象、目标和相关因素的不同而灵活运用。表3.11为一般形式。3.3 事故源项分析3.3.1 源项分析及其基础 （风险事故）源项分析是对通过风险识别出的主要危险源作进一步分析、筛选，以确定最大可信事故，并对最大可信事故确定其事故源项，为事故对环境造成的影响计算提供依据。源项分析要定性和定量分析相结合，以定量为主，采用逻辑推导法。这些方法建立在统计学和概率论的基础上。任何一个系统，其危险性发展成为事故都存在一定的概率，事故后果有可能对人员和环境造成影响。将事故特征（设备、人员、环境条件）、受体特征（大气、水体、生物）和影响特征（数量、持续时间、转移途径及形式）视为一定时间、空间条件下随机变化的变量，即随机变量。事故的风险值即为这些变量的函数，R=f(X1、X2、X3)。以统计学方法可得到在一定时空条件下的事故概率，这个概率仍适用于未来，而且受体承受风险的机会是均等的，从而使风险分析预测具有运用逻辑推导的理论基础。逻辑推导法就是基于大量的实践经验和生产知识采用逻辑推理的过程去识别危险性并进行定量计算分析。事故源项分析所采用的事件树（ETA）、故障树（FTA）及原因-结果（CC）分析方法均属逻辑推导法。3.3.2 原因-结果分析原因-结果分析是综合事件树（ETA）和故障树（FTA）分析的方法。分析程序包括： 选出初因事件，作出事件树图； 将事件树的初因事件和失败事件的环境事件作为故障树的顶事件，分别作出故障树； 进行定性或定量分析。图3.7列出典型的示意图。图中(1)A为初始事件，（2）（5）为事件树分析。由图可以得出：后果事件G1G5的概率分别为：P(G1)=P(A)P(B1)=P(A)1-P(B2)P(G2)=P(A)P(B2)P(C1)=P(A)P(B2)1-P(C2)P(G3)=P(A)P(B2)P(C2)P(D1)= P(A)P(B2)P(C2)1-P(D2)P(G4)=P(A)P(B2)P(C2)P(D2)P(E1)= P(A)P(B2)P(C2)P(D2)1-P(E2)P(G5)=P(A)P(B2)P(C2)P(D2)P(E2)如果每一后果事件的损失Gi已知，则可得到每一后果事件的风险值Ri:Ri=P(Gi)Gi从而可筛选出最大可信事故（即风险值最大的事故），确定其源项。第四章 有毒有害物质在大气中的弥