基于液氧储供的高原应急供氧保障模式探研
时间：2023-02-27 10:00:08 来源：千叶帆 本文已影响人
刘凯峰 杨涵 左小青 魏慧琳
高原地广人稀，氧气需求规模较小且相对稳定，平时采用变压吸附制氧机即可满足日常供氧需求。但在应急状态下，高原供氧需求规模急剧增加且波动大，供氧成为高原应急保障的瓶颈。目前，高原应急供氧保障主要是制氧车/制氧方舱现地制氧、驻地集中供氧和压氧充瓶分发供氧相结合的方式，存在制氧效率偏低，压氧充瓶较慢，供氧规模受限，伴随供电困难等不足，难以满足应对高原重大灾害时大规模应急供氧保障的需求。面对高原缺氧环境和应急特殊需求，如何解决应急救援人员的供氧保障问题，有效维持应急救援人员的充沛体力、耐力和反应能力，成为保障高原应急救援能力的关键因素。
重大灾害事故具有发生突然、扩散迅速、危害范围广等特点，应急救援行动必须做到迅速、准确和有效。在高原缺氧的特殊环境下，应急救援的高强度、高时效要求与急进高原低氧耐受性弱、人体缺氧危害大的矛盾异常突出，且应急救援行动面临更为复杂的高寒缺氧环境和保障条件限制。应急救援人员一旦出现急性高原反应症状，就需要降低执行任务强度，及时安排休整和医疗以恢复身体状态，甚至需要脱离救援任务，安排转运到平原地区进行救治[1]。高原缺氧成为高原应急救援工作面临的主要障碍，迫切需要将高原供氧纳入应急给养物资和装备保障范围。
1.1 应急救援人员急进高原缺乏习服期，低氧耐受性弱
急性高原反应（acute mountain sickness, AMS）一般在急进海拔3000m以上人群发生，在不采取防护措施的情况下，急进海拔5000m人群急性高原病发病率在80%以上。为减少缺氧对高原应急救援能力的影响制约，可以根据个体对高海拔地区的适应性进行筛选，并定期开展适应性运动锻炼和预缺氧训练，在进驻高原前开展针对性准备，建立低氧耐受的习服期。这对于专门从事高原应急的救援人员而言是可行的，但应对紧急突发情形时，显然难以要求国家安全生产、工程、医疗、电力、通信、铁路、公安、交通、地震、环保、气象等众多专业应急力量和社会应急力量完成对高原缺氧环境的快速适应，因此需采用广泛适用且有效的高原缺氧防护措施。
1.2 应急救援人员实施高强度搜救任务，人体缺氧危害大
在高原缺氧环境下，人体运动负荷的大幅增加，将导致细胞和器官代谢水平及氧气消耗量迅速提升，从而加重缺氧的症状和危害。在高强度处置应急救援过程中，救援人员呼吸增强，会使身体呼出更多的二氧化碳，导致血液中的二氧化碳分压降低，引起血液的PH值增加，使人体产生呼吸性碱中毒的风险大大提升。另一方面，人体动脉与肌肉组织的氧分压扩散梯度大幅降低约75%，使氧气向肌肉的扩散变得缓慢，从而使人的工作能力持续降低。
1.3 应急救援人员身处高寒恶劣环境，供氧保障要求高
在高寒恶劣环境中，应急救援人员一旦发生疾病和伤患，难以在高原当地得到有效治疗和康复。为避免发生高原反应后再被动处置，需要形成高原应急大规模供氧保障能力。高原供氧可以提高人体血氧饱和度、氧分压，纠正人体缺氧状态，消除或减轻头痛、恶心、胸闷、气短、注意力下降等高原反应症状，可以有效预防或减少急慢性高原病的发生[2]。缺氧引发人体高原反应时，低流量持续供氧可有效改善高原缺氧所致的认知功能下降和活动效率降低[3]。事实证明，对急进高原参加救援的人员进行预防供氧的效果，要远好于发生严重高原反应症状后治疗供氧的效果。
1.4 应急救援人员难以依托受灾基础设施，供氧保障途径少
我国高原地区产业结构以农牧业为主，对外经济联系较弱，区域经济发展缓慢。由于缺乏相对完善的城镇基础条件支撑，并且重大灾害伴随严重的破坏性，将进一步造成受灾地区的交通、电力、医疗、通信、供水、供气、广播电视等设施损坏，使救援人员更加难以从灾区获得供氧保障来源。考虑依托受灾地区城镇基础条件开展高原应急救援时，供氧保障能够获得的支持将非常有限，需要依靠运输物流和统筹调配进行保障支撑。
高原应急供氧的保障对象，应当涵盖救援人员自身。着眼应急救援行动迅速、准确和有效的特点，需要满足快速实施供氧保障、持续伴随搜救行动、灵活适应保障规模、全面应对复杂场景和便于预置供氧能力等特殊需求。
2.1 快速实施供氧保障
高原重大灾害发生后，应急救援力量需要第一时间到达灾区，能否快速实施供氧保障是关系应急进展和救援效率的关键。对于平原急进高原的应急救援力量而言，供氧对于顺利开展救援工作尤为重要。在青海玉树地震中，参与抗震救灾救援队员中出现高原反应的人员比例明显上升，甚至一些搜救犬也出现相应症状，对救援队员和搜救犬的体能、技能和智能都提出严峻的挑战[4]。由此可见，应急救援力量在抵达灾区后的供氧需求迫切，需要快速实施对应急救援人员自身的氧气供给保障。
2.2 持续伴随搜救行动
重大灾害的危害范围广，应急救援力量往往需要分散部署，由点及面地展开搜救。搜救行动中的持续伴随供氧，可以缓解应急救援人员体力代偿反应，增强在极端缺氧环境的人体耐受程度和持续工作能力，同时改善人体认知、判断和反应迟钝的现象，提升对环境危险的警觉性，保持人员执行救援任务的专注程度，从而保证应急救援力量在高原集结机动、分散部署和展开搜救的工作效率。因此，应急供氧保障需要具备灵活伴随救援力量进行机动的能力，能够持续伴随搜救行动全过程。
2.3 灵活适应保障规模
随着高原重大灾害救援工作的深入，参与灾害救援的人员数量会持续增加，对供氧保障能力灵活适应保障规模变化提出要求。据统计，参与青海玉树地震救援的人员规模峰值曾达到1.5万余人，其中解放军和武警部队1.1万余人，公安消防和特警2800余人，地震灾害紧急救援队和矿山救援队伍1500余人，急性高原反应带来诸多继发问题，高原应急供氧保障压力巨大。针对灾区供氧保障需求波动大的特点，高原供氧保障需要实现氧气的高效储供，快速分发使用，以及具备灵活拓展和撤收等特性。
2.4 全面应对复杂场景
高原应急救援过程中，存在搜救伴随保障、应急医疗救援等复杂的供氧需求场景，因此供氧保障体系应具备满足灾区多种用氧需求的能力。根据医用及航空呼吸用氧国家标准GB/T 8982-2009，氧含量需达到99.5%以上，在高原应急救灾背景下达到这一标准的要求非常苛刻。高原应急供氧保障需要全面应对抢救危重病人、转运危重病人、临时避难场所弥散供氧和野外搜救便携供氧等复杂场景，满足综合救援和医疗救治等多样供氧需求。
2.5 便于预置供氧能力
为缓解灾害应急突发与供氧保障滞后之间的矛盾，需要在高原地区预置储备供氧设施设备，控制高原应急供氧保障能力维持成本，兼顾平时使用和应急保障的综合利用效益。一方面结合平时高原用氧需求，支持建设体系配套完整的高原制氧、储氧和供氧设施设备，统一标准接口，便于应急衔接；
另一方面预置储备应急供氧设施设备，完善供氧装备应急使用及编配方案，构建符合高原应急供氧特殊要求的保障模式。
高原应急供氧保障模式基于制氧供氧技术，不同的技术路径会形成不同的供氧保障模式。冉庄等[2]梳理介绍了深冷法、膜分离法、化学试剂法和变压吸附法等高原制氧供氧技术的研究现状，对高原人员用氧指征、氧疗方案、安全用氧注意事项进行了研究。在高原地区得到广泛应用的分子筛富氧技术，通过选择性吸附，最高可以富集浓度在90%左右的氧气。但随着高原海拔升高，空气越来越稀薄，单位时间内进气量随之减少，导致制得氧气的体积分数下降和氧产量降低。单帅等[5]分析了膜法空分富氧技术的优越性及其在急进高海拔野外环境下抗缺氧防护的应用效果。利用膜法空分技术原理研制的高原弥散富氧机，可持续输出（30±3）%（V/V）的富氧气体，适用于房间、帐篷、活动房、方舱等弥散供氧。张洪雁[6]以GB 50751-2012《医用气体工程技术规范》为依托，对医院现行的液氧、常温空分制氧、瓶装氧气组合汇流排三种供氧模式的利弊及其可行性展开综合论述。利用“深冷空分、低温精馏”制取的高纯度液氧，无需为供气系统设置干燥设备，以及任何加压设备或附加装置，液氧储罐、大气式汽化器、调压器组可全部露天设置，具备建设周期短、投入快的优势；
医用液氧由就近气体厂采用槽车定期供应，系统本身没有机械运转设备，可实现无噪声运行，且系统简单，操控便捷。经对常温空气分离技术的氧气制取、纯化、干燥工艺流程，以及弥补海拔高度等对空气压缩机排气量要求和最终产能等因素进行综合分析后，认为储槽内液氧经汽化后供氧是医院供氧系统的最佳模式。但撬装或移动式常温空分制氧机在缺少专业气体厂集中供氧的地区，仍然是一种机动、灵活的供氧模式。
表1对深冷法、膜分离法、变压吸附法和化学试剂法等制氧供氧技术特征进行比较研究，其中深冷法的制氧产物为液态氧，制取工艺相对复杂，设备运行能耗较大，需要依托专业气体公司运输供应，但液氧易于储存和运输，且经汽化后即可实现快速高纯度供氧，能够实现携行、野外、医疗等多样供氧需求；
膜分离法和变压吸附法的制氧产物为气态氧，需要以压氧充瓶的方式储存和运输，由于高压气瓶的储供负担重，宜采取现地制氧的方式在高原缺氧环境中现制现用；
化学试剂法的制氧产物为气态氧，释放氧气的速度快、流量大、纯度高，虽然化学反应产出的氧气难以蓄积储存，但化学试剂具有良好的储存稳定性和免维护性，宜用于密闭空间内自救时使用。因此，从高原制氧供氧技术特征上看，深冷法、膜分离法、变压吸附法和化学试剂法的优劣势区分较为明显，适用于不同供氧需求和应用场景。
表1 制氧供氧技术特征对照表
由于膜分离法的制氧浓度较低、应用范围较窄，综合考虑高原应急供氧保障的特殊性，进一步分析液氧、分子筛和化学制供氧，表2从“制氧-运氧-储氧-分发-使用”对应急制氧供氧过程进行了比较分析。值得关注的是，液态氧的汽化供氧过程对基础设施和能源供应的依赖性低，供氧纯度和效率高，对高原恶劣环境的适应性好，供氧能力能够涵盖便携供氧、规模供氧和医疗供氧等多种场景。
表2 高原应急制氧供氧过程比较分析
化学制供氧便于储运分发和独立使用，其供应保障模式相对简单，适用于高原应急供氧但应用范围比较有限，主要适用于密闭空间内的弥散式供氧。表3将“液氧储供”和“现地制氧”两种供氧保障模式进行了对比，“液氧储供”将液氧的制取过程分离预置，利用液氧便于储供、分发和使用的优势，供氧规模适应性较强，供氧质量稳定可靠；
“现地制氧”目前主要采用分子筛制氧机进行制氧，在应用过程中存在随海拔升高制氧浓度下降、能耗大幅上升，以及供氧量受制氧机额定产氧量限制等问题，需要机动部署大量的分子筛制氧车/制氧方舱，且采用压氧充瓶分发供氧的速度慢、能耗高、运力负担较重。
表3 高原应急供氧保障模式对比分析
液氧（Liquid Oxygen，LOX）作为一种高质量氧源，储氧密度大、运氧效率高和供氧环境适应性好，对提升高原应急供氧保障能力的优势明显。如，液氧储罐可露天布置，适应高海拔和寒冷的极端复杂环境；
液氧汽化是一个物理自发过程，采用压差充装可快速分发液氧，无需额外配置加压设备或附加设施；
供氧装备技术原理简单，供氧过程无废气排放、运行噪音和电磁辐射等环境污染，不受供电等基础设施条件限制；
供氧流量的调控范围大，可根据应急供氧需求快速调整保障规模，灵活适应较大规模的供氧保障需求。液氧储供模式是通过将液氧储运直达救援现场，使用液氧储罐、压差充装和汽化供氧等专用设备，实现对高原应急救援人员快速供氧的保障方式及运作流程。下面从筹划准备、初期响应、救援展开、安置恢复和撤离复员五个阶段，探索构建基于液氧储供的高原应急供氧保障模式。
4.1 筹划准备阶段：掌握关键技术，布局储供链条
高原应急供氧保障需要在平时做好准备，才能在灾害应急时快速响应。目前在平原地区医用液氧的使用广泛，各种规格的液氧储罐、槽罐车和杜瓦瓶等技术成熟、标准完善，设备运营的安全监管比较规范，可为高原应急液氧储供模式提供借鉴。在筹划准备阶段，一方面以应急供氧保障特殊需求为牵引，利用液氧在高寒环境适应性、长时持续供氧和充装使用便捷等优势，开展便携式液氧呼吸器等终端供氧设备的技术创新，统一使用接口，严格标准规范，掌握高原液氧“运输-储存-分发-供氧”的全流程关键技术；
另一方面，需要布局覆盖高原地区的液氧储供关键节点，面向国内商用空分设备和专业气体公司，广泛调研并构建高原应急保障的液氧供应商库，依托社会力量落实应急保障液氧来源，协商确定应急采购定价机制、委托储供条款、交付验收和经费结算方式等，建立稳妥可靠的液氧储供链条。
4.2 初期响应阶段：启用预置设备，建立输送通道
目前高原地区已在建设以液氧作为氧源的供氧渠道，实现在低海拔地区制氧，高海拔地区使用，初步形成高原地区的液氧服务产业。在初期响应阶段，一方面通过启用液氧分装和汽化供氧等预置设备，利用灾区及临近区域的液氧存量，对先期抵达灾区的专业应急救援人员实施精准保障，维持应急救援人员在高原缺氧环境下的体力、耐力和认知应变能力。如现场应急救援人员使用专用设备携带1L液氧，即可汽化供氧约800L，按照平均供氧流量1L/min计算，能够实现连续供氧12h以上，最大程度减少高原反应对救援效率的负面影响；
另一方面，液氧储供模式依赖持续的液氧供应，需要尽快建立液氧输送通道。在铺装道路中断情况下，可采用越野运输车辆和小型液氧槽罐、杜瓦瓶等运输液氧；
在道路完全中断情况下，必要时可采用直升机吊运小型液氧储罐，实现在黄金72小时内提供氧源的输送通道。
4.3 救援展开阶段：扩大保障规模，覆盖供氧需求
随着高原应急救援工作的深入，各类社会救援力量会持续进入灾区参与应急救援，应急供氧保障需要适应规模扩大和需求扩增的趋势。以“应急使命-2022”高原高寒演习5000余人的参演规模为例，按照急进海拔4000m以上每人每天吸氧2h、用氧流量2L/min测算，1辆26t标准液氧槽罐车可提供相当于18000m3氧气，满足全部参演人员约15天的供氧用量，这种规模化供氧保障能力是其他供氧保障模式难以达到的。同时，液氧在分发使用方面优势也比较明显，1只175L容积杜瓦瓶的储氧量，相当于28只40L容积高压钢瓶的储氧量，可大大降低氧气分发和使用过程中的人力运力投入。利用液氧的规模化供氧保障优势，通过增加液氧分装设备和汽化供氧设备数量，细分便携式供氧、弥散式供氧和医疗供氧等设备类型，即可完成扩大保障规模并全面覆盖供氧需求。
4.4 安置恢复阶段：维持常态保障，支持灾后重建
在安置恢复阶段，灾区基本生产生活秩序逐渐恢复，灾后援建项目同步展开，高原供氧需求还将持续存在，高原供氧保障状态由应急保障向常态保障转化。例如青海玉树地震后，参与灾后援建人员达到10万余人，维持高原供氧常态保障仍然具有重要意义。此时，供氧保障应注重由时效性向经济性调整，降低高原供氧使用成本，综合考虑高原供氧的社会和经济效益。
4.5 撤离复员阶段：恢复预置储备，优化改进机制
灾后恢复高原应急供氧保障能力，是形成平时状态与应急状态之间转换闭环的关键。在应急救援过程中启用的应急供氧预置设备，需要及时撤收和检修维护。经评估符合重复使用条件的，要及时恢复预置储备，并在平时训练中用旧储新，维持供氧设备的更新升级。结合应急救援任务，注重梳理应急供氧保障中存在的难点，持续优化面向市场的液氧储供设备租用、服务采购和有偿征用等应急机制。同时，将应急供氧保障技术向民用领域推广，在民用供氧保障中孕育应急潜力，有利于高原应急供氧能力与高原经济发展的相互促进。
应急供氧保障是减轻高原缺氧环境对灾害救援不利影响的有效措施，需要高度重视缺氧对应急救援能力的制约，避免因供氧保障能力不足而付出额外代价。基于液氧储供的高原应急供氧保障模式，具有设备建设投入少，维护成本低，平时和应急状态相互转化快、灵活性强，面向市场液氧储供的应急潜力大、保障能力强等突出优势，是一种能够高效率、高质量和高效益解决高原应急供氧保障问题的优选方案。
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