（环境科学专业论文）基于gis的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究.pdf

摘要 r e s e a r c ho nag i s b a s e de n v i r o n m e n t a lr i s kf o r e c a s ta n d a s s e s s m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo fh a z a r d o u sc h e m i c a l s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , o i lc h e m i c a li n d u s t r yi sb e c o m i n ga p i l l a ri n d u s t r yo f t h ew h o l en a t i o n a le c o n o m y , d u et ot h ec l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c h e m i c a l sa n dh u m a n , t h ef r e q u e n c yo fh a z a r d o u sc h e m i c a ll e a k a g ea c c i d e n t si s i n c r e a s i n ge v e r yy e a r , t h i sh a sb e c o m eaw o r l d - w i d ee n v i r o n m e n ta n ds a f e t yi s s u e s i m u l a t i o na n dr i s ka s s e s s m e n to ft h el e a k a g ea c c i d e n tc o m b i n e dw i t ht h es t r o n gg i s s p a t i a la n a l y s i sa n da n i m a t i o nm o d u l ec a np r o v i d eac l e a ra n da c c u r a t ef o r e c a s to ft h e d a n g e r o u sa r e a , w h i c hc a nb eau s e f u le v i d e n c ef o rt h em a k i n go fe m e r g e n c ya c t i o n t h u s ，r e s e a r c ho n ag i sb a s e de n v i r o n m e n t a lr i s kf o r e c a s ta n da s s e s s m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mo fh a z a r d o u sc h e m i c a l h a sal o n gl a s tm e a n i n g r e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sap a r to f8 6 3n a t i o n a lp r o j e c tn a m e d e m e r g e n c y t e c h n o l o g y , d e m o n s t r a t i o n o f s e v e r ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o na c c i d e n ti n m e g a l o p o l i s ( n 0 2 0 0 7 a a 0 6 a 4 0 1 ) a tt h eb e g i n n i n go ft h es e c o n dp a r t , p r i n c i p l e o fl e a k a g ea c c i d e n td i s p e r s i o nm o d e la n dr i s ka s s e s s m e n tm o d e li sp r e s e n t e d , al o g i c a l m o d e lf l a m ei si i l u s t r a t e da n ds i m u l a t i o no ft h em o d e li sa c h i e y e db ym e a n so f f o r t r a nl a n g u a g e ，m o d e li n p u ta n do u t p u tf i l e s n a m es t a n d a r & a 托a l s oi n t r o d u c e da t t h ee n do ft h es e c o n dp a r t d u r i n gt h et l l i r dp a r t , t e c h n o l o g yo fa r e g i se n g i n ei s i n t r o d u c e d ，w h i c hc a np r o v i d eaf e a s i b l es o l u t i o nt ot h es e a m l e s sc o n n e c t i o nb e t w e e n m o d e la n dg i s g r a p h i cd i s p l a yo fm o d e lo u t p u td a t ai n c l u d i n gc o n t o u rd r a w i n ga n d n e t c d fp l a y i n gi sa l s oa c h i e v e d i nt h e 向n l lp a r t , a ne x a m p l en a m e d “p h o s g e n e p o i n te n v i r o n m e n t a l 鼬s ka s s e s s m e n ts y s t e mo fs h a n g h a ic h e m i c a li n d u s t r yp a r k i sp r e s e n t e d ，k e yt e c h n o l o g ya n dr e s u l t sa n a l y s i so ft h ec o m b i n a t i o no fm o d e la n dg i s a r ci n d i c a t e di nt h i sp a r t , m o d u l e ss u c ha se n v i r o n m e n t a ll u s ka s s e s s m e n t , g r a p h i c d i s p l a ya n dm o d e lm a n a g e m e n ta r ea l s oi n t r o d u c e d t h i sp a p e rp r o v i d e sac e r t a i ns o l u t i o nt ot h ed e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n go f e m e r g e n c yr e s p o n s es y s t e mo fh a z a r d o u sc h e m i c a ll e a k a g ea c c i d e n ta n dh a sa p o s i t i v ep r a c t i c a lm e a n i n g k e y w o r d s ：h a z a r d o u sc h e m i c a l s ；l e a k a g ea c c i d e n t ；d i s p e r s i o nm o d e l ；s k a s s e s s m e n t ；g i s 基于g i s 的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究 第一章引言 1 1 本文的研究目的和意义 在化工和石油化工行业，每天都要产生、运输和储存大量的化工产品，而其 中的大多数物质都属于危险化学品，所谓危险化学品按其理化性质及危害，可分 为7 大类：爆炸品、压缩气体和液化气体、易燃液体、易燃固体、自燃物品和遇 湿易燃物品、氧化剂和有机过氧物品、有毒品和腐蚀品【l 】，这些危险化学品一旦 泄漏到大气环境中会严重危害当地的生态环境与居民健康，并有可能带来火灾与 爆炸的潜在危险。 近年来，国内对危险化学品的需求及产量每年大约以1 0 的幅度增加【2 】，化 工事故发生的频率越来越高，据不完全统计【3 】，在2 0 0 2 - - 2 0 0 4 年，我国共发生 危险化学品( 不含爆炸品类危险化学品) 事故1 0 9 1 起，累计造成9 7 7 人死亡、1 4 7 7 人受伤。例如2 0 0 5 年1 1 月3 日的吉林石化分公司双苯厂硝基苯蒸馏塔发生爆炸， 不仅造成了8 人死亡、6 0 人受伤，还造成了长达约8 0 公里的污染水团，除了大 量的人员伤亡和大面积的环境污染，还造成了不良的国际影响；2 0 0 5 年3 月2 9 日的京沪高速公路淮安段发生的“3 2 9 液氯泄漏事故，不仅造成2 9 人死亡， 2 8 5 人受伤，近l 万人疏散，约2 千亩农作物受灾，还引起了严重的环境污染。 1 9 9 8 年3 月1 7 日，巴拿马籍“圣劳埃尔一轮停靠上海金山石化油运码头卸二甲 苯，因管线受阻，致使5 吨液货外泄，造成大量人员中毒、受伤。 在世界范围内，危险化学品泄漏污染事件也频频发生【4 j 。发生于1 9 8 4 年1 2 月3 日凌晨的印度博帕尔事件是由于当地一家名为联合碳化物( 印度) 有限公司 农药厂发生氰化物泄漏而引起的，事故不但造成2 0 0 0 多人立即死亡，而且在后 来进一步造成2 万多人丧命、2 0 多万人永久致残，现时当地居民的致癌率及婴 儿的夭折率也要远远高于印度的其他城市。1 9 7 6 年在瑞典l a n d s k m a 港，化学品 船r e n e l 6 为一肥料厂卸载5 5 3 吨无水氨，由于管子破裂，以致在5 0 分钟内泄漏 出1 8 0 吨氨，氨气笼罩着该船，并由于风力扩散到附近的船厂，码头上有2 名船 员因淋着液态氨而死亡。 通过检索英国原子能委员会安全事务局编写的国际重大危害事故数据库 1 9 9 6 年版( m h l d a s ) 光盘，统计得出1 9 0 0 1 9 9 6 年世界各国因运输( 包括铁路、 公路、水运和管道运输) 造成的化学事故案例共3 4 4 0 起【5 1 。按主要危害分类， 爆炸引起的泄漏占首位( 5 9 3 ) ，其次为中毒( 2 1 3 5 ) ，最后为腐蚀( 8 8 7 ) 。 大多数危险化学品都具有可燃性、毒性和反应性等多种危险性，并且数量大、 品种多、性质各异。中国的许多存放危险化学品的码头和仓储公司都是处于城市 第一章引言 。工业区、人口稠密区、水上交通繁忙区或水源保护区。不论是储罐事故还是装卸 失误，都极易造成危险化学品泄漏，引发污染事故，对人们的生命和财产造成严 重威胁。 因此深入研究这类灾害性事故的发生机理和伤害机理，建立这类灾害性事故 的预测和评价模型是非常必要的。由于在当前的危险源泄漏扩散事故应急救援 中，决策部门还基本上停留在靠基本经验来采取救援措施的阶段，对于事故的扩 散范围及伤害程度的判断也缺乏科学依据，这样可能会造成不小的经济或生命损 失。 本文通过对危险化学品泄漏后在大气中的扩散进行数值模拟，预测泄漏气体 扩散的轨迹范围，并且结合g i s 的空间分析能力，实现泄漏事故的风险预测和评 价，从而为环境风险评价和事故应急指挥，包括危险区域的界定和最佳疏散路径 的选择等提供科学依据。 本文的研究，对于丰富环境风险预测和评价的理论体系，尤其是完善评价的 技术支持手段具有重要的理论和科学意义，同时对于实际的风险评价，科学预防 事故的发生、指导应急指挥具有现实的应用价值。 1 2 国内外研究现状 国外在这方面的研究工作始于上个世纪七、八十年代，提出了大量的泄漏扩 散模型。美国、英国和德国等发达国家，早在八十年代初便完成了以b u r r o ， c o y o t e ，t h o m e y ，i s l a n d 为代表的一系列大规模现场泄漏扩散实验。在九十年代， 又针对毒性物质的泄漏扩散进行了现场实验研究。迄今为止，已经形成了数以百 计的事故后果模型，比较著名的有：美国壳牌研究有限公司的h g s y s t e m 系统、 a l o h a 模型系统、a r c hi e 系统、美国空军部开发的a f t o x 模型、美国加州 s a f e r 系统有限公司的s a f e r 模型系统、英国剑桥环境研究咨询公司的 g a s t a r 系统、美国能源部的s l a b 模型，美国海岸警备队和气体研究所联合 开发的d e g a d i s 模型等1 6 j 。 h g s y s t e m 系统由美国壳牌研究有限公司在2 0 家化工和石油化工公司的 支持下开发完成，用于评估蒸气从气体、液体的扩散或包括多元混合物的两相释 放，最初用于模拟有浮力的中性气体或重气、氟化氢及理想气体的释放( 1 o 版) ， 后来扩展为可以模拟多元混合物的释放( 3 0 版) 【7 l 。 a l o h a ( a r e a1 , o o 锄o no f h a z a r d o u sa t m o s p h e r e ，有害气体区域定位) 模型 利用提供的信息和自身的综合化学物性参数库，预测发生化学事故后，有害气云 如何在大气中扩散。能处理的问题包括：( 1 ) 洒在地面的液体蒸发；( 2 ) 基面向 蒸气云的传热；( 3 ) 压力容器的气体、液体及气溶胶质量通量；( 4 ) 闪蒸；( 5 ) 基于g i s 的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究 气溶胶对为未闪蒸液体的夹带【8 j 。 。 a r c hi e ( a u t o m a t e dr e s o u r c ef o rc h e m i c a lh a z a r de v a l u a t i o n ，化学危害品 评估自动资源) 模型能模拟燃烧、爆炸的有害物在大气中的扩散过程，计算在多 种条件下各种储罐、管线和容器内危险化学品的逸出率及逸出化学品的挥发速 率，并以表格形式输出结果1 9 1 。该模型集合了高斯烟团模型的许多特点，可以为 危险物释放到大气后产生的蒸气扩散、火灾和爆炸影响评估提供若干种完整的评 价方法【0 1 。 棚x 是a i rf o r c et o x i c sm o d e l 的简称，适用于轻质浮力气体，它是美国 空军部开发的有毒有害化学品蒸汽溢出扩散模拟通用软件。模式假定化学品蒸汽 在扩散期间没有二次化学反应变化，且气团或烟云浓度分布符合高斯分布，并用 相应的数学稳态方程加以表述。该模式可应用于港口液体或气体化学品贮运作业 过程连续或不连续情形溢出下扩散模拟，亦可以较好地用于港口单点源或小型面 源溢出情形下的油气扩散模拟【l 。 s a f e r 系统是由美国加州s a f e r 系统有限公司开发的实时集成化学事故应 急管理软件。实时反应系统是s a f e r 的固定应急反应工具，与天气和气体传感 器数据连接。当发生紧急事故时，启动系统决策对事故进行应付和处理。在应急 管理、快速生成结果及记录事故过程中，实时系统易于使用并能快速集中结果【1 2 1 。 g a s t a r 是由英国剑桥环境研究咨询公司( c e r c ) 开发的重气扩散模拟系 统，用于模拟可燃物和有毒物质释放的安全、事故及应急反应，效果比较理想。 除了一般性事故，如连续释放、瞬时释放、动量射流源、重气和中性释放外，婶 g a s t a r 系统还可对地形和障碍物影响、池塘上吸模型、时变释放及可能沿不 同方向的射流等进行模拟【1 3 , 1 4 1 。 s l 心是由美国能源部劳伦斯利弗莫尔( l a w r e n c el i v e r m o r e ) 国家实验室 开发的用于重气体扩散模型，可模拟类型包括：地面池蒸发、水平喷射、垂直喷 射和瞬时泄漏。s l a b 模型通过云层分布的空间平均浓度和某些假定分布函数来 计算气体浓度，在稳定、中性及不稳定的气象条件下均能得到较好的预测结果 【1 5 - 1 9 】 d e g a d i s 是d e n s eg a sd i s p e r s i o nm o d e l 的简称，由美国海岸警备队和气体 研究所联合开发，其基本模型是标准形式的高斯扩散模型。该模型可模拟高架或 地面源重气体垂直泄漏的扩散。d e g a d i s 已经在全世界范围内应用于评估高危 险性的高密度燃气和气溶胶泄漏事故后果1 2 0 2 2 】。 我国也自行开发了一些应用软件，如东北大学开发的n e f e c t ，青岛劳保所 开发的仿真软件，但是这些软件大部分价格昂贵，通用性不强，而且很少做到对 于有毒有害气体的动态仿真，难以开展对重大危险源事故后果的模拟研究【2 3 】。 第一章引言 1 3 本文的主要内容 综上所述，对危险化学品泄漏事故的研究具有很强的现实意义。本文结合国 内外在大气污染物扩散和安全评价领域的最新研究成果，针对不同特性的危险化 学品进行模型分类，建立危险化学品泄漏事故后果预测模型系统，同时将模拟数 据在g i s 平台实现其扩散轨迹和范围的动态展示，使管理者和决策者对于危险物 质的扩散程度有一个更加直观的了解。主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了危险化学品源项分析模型、重气模型、中等密度云模型和火灾 爆炸模型的基本原理，使用f o r t r a n 7 7 为主要开发语言，开发上述各类模型的计 算机程序，并将程序编译成一个可以独立运行的可执行文件。重点研究各个模型 的接口及其实现，并制定模型数据文件的命名规范。 ( 2 ) 利用基于a r c g i se n g i n e 组件库的g i s 技术，实现模型与g i s 的无缝 连接，研究模型与g i s 集成的技术方案。重点介绍了模型数据在g i s 中的可视 化表达，包括n e t c d f 文件的生成和动态播放，并对其关键技术进行讨论。 ( 3 ) 以上海化学工业区光气点设置环境风险预测与评价信息支持系统为例， 介绍了危险化学品泄漏扩散模型与g i s 结合的具体实现。重点介绍了该系统的信 息浏览模块、信息查询检索模块、重点控制目标临近距离分析模块、环境预测与 风险评价模块、可视化模块和模型库管理模块。 整个研究的主要流程如图1 1 所示，首先通过源项分析模型来获取危险化学 品泄漏事故的初始参数，然后将这部分参数传递给扩散模型，扩散模型根据危险 化学品的不同特性或处于的不同阶段来分析物质泄漏后在大气中的迁移扩散和 浓度变化，最后利用g i s 可视化模块将模型结果数据在g i s 平台给予可视化表 达。 事故源数据危险化学品 一扒 、结合g i s 模拟污染扩 源项分析模型预测模型 1 散 图l - l 泄漏扩散模拟 第二章危险化学品泄漏事故后果分析与风险评价 第二章危险化学品泄漏事故后果分析与风 险评价 2 1 危险化学品源项分析模型 危险化学品的泄漏常常导致火灾、爆炸、人员中毒等事故。常压下为液态的 物料泄漏后四处流淌，形成液池，同时蒸发形成气体扩散；常温下加压压缩、液 化储存的物料一旦泄漏至空气中会迅速膨胀、汽化为常压下的大量气体，迅速扩 散至大范围空间，如液态烃、液氯、液氨。如果泄漏的物质有毒性，将造成所扩 散范围内的人员中毒；如果燃烧有爆炸性，将可能形成火球、池火灾、蒸汽云爆 炸、沸腾液体扩散蒸汽爆炸等严重的火灾爆炸事故。 下面分别介绍危险化学品泄漏后泄漏量的计算和液体的扩散与蒸发模型。 2 1 1 泄漏量计算 ( 1 ) 液体泄漏【刎 根据伯努利方程建立液体经小孔泄漏的速度计算公式 q = c d a p l 2 ( p p p 。) + 2 9 h ( 2 1 ) 式中：矗 q 液体泄漏流量，k g s c 排放系数，通常取0 6 0 6 4 彳泄漏口面积，m 2 p 泄漏液体密度，姆，所3 p 容器内介质压力，p a 风环境压力，p a g 重力加速度，9 s m s 2 厅泄漏口上液位高度，m 对于如液氨、液氯等加压液化体，从裂口喷出后部分液体闪蒸。汽化热来自 液体本身，剩余液体将降温至其常压沸点。闪蒸液体分数为： e = 坐二型 ( 2 2 ) 月， 式中： e 闪蒸液体分数 c p 液体恒压比热容，：( k g k ) 基于g i s 的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究 z 液体温度，k 瓦液体常压沸点，k 风常压沸点下的汽化热，堙 ( 2 ) 气体泄漏【2 5 】 气体或蒸汽云经小孔泄漏，因压力降低而膨胀，该过程可视为绝热过程，可 以假设其符合理想气体状态方程，根据伯努利方程推导如下的气体泄漏公式： q = q 州 ( 2 3 ) 式中： q 气体泄漏量，起s q 叫 放系数，通常取1 0 彳泄漏口面积，m 2 p 容器内气体压力，p a 岛环境压力，p a 厂绝热指数，是等压比热容与等容比熟容的比值 m 气体的分子量，堙t o o l r 气体常数，8 3 1 4 j ，( t o o l k ) r 容器内气体温度，k 令d e d ( p p o ) - - o ，可求得极值条件，此时的压力称为临界压力。 以= 风睁尸 q 4 ， 式中： 以临界压力，p a 当气体压力大于临界压力时，采用下式计算泄漏流量 q = g ( 2 5 ) ( 3 ) 两相泄漏【2 6 l 如果容器中的过热液体泄漏前通过较长的管道就会产生两相泄漏。两相泄漏 中蒸发液体分数e 按下式计算： e ：掣 ( 2 6 ) i ， ，r 、- v ， 式中： 瓦临界压力下的沸点，k 第二章危险化学品泄漏事故后果分析与风险评价 两相泄漏中气相和液相的混合密度按下式计算： p _ - 盘 q - 以 届 式中： 岛气相密度，k g m 3 局液相密度，k g m 3 则两相流排放泄漏流量为 q = c d a x 2 p ( p - p c ) ( 2 8 ) 式中： q 两相泄漏系数，一般取o 8 如果e 大于1 ，应按气体泄漏计算；如果e 较小，也可以简单地按液体泄漏 计算。 2 1 2 液体的扩散与蒸发 大部分的危险化学品泄漏后会立即表现出不同的行为，这与其存储的状态和 泄漏情况有关。沸点以下的液体泄漏，如果挥发性较低，则蒸汽对现场人员有伤 害，但一般不会影响到厂外。如果挥发性高，则蒸汽会在大气中扩散。对于过热 液体泄漏，液体喷出后存在一个绝热膨胀过程。液体的泄漏还可以产生池火，气 体泄漏则存在喷射扩散。如果泄漏初期还没有被点燃，最终都将发展成扩散的蒸 汽云。可以用大气中的蒸汽扩散描述，进一步还可以分析火灾、爆炸以及毒害后 果。 ( 1 ) 液体扩散【2 7 】 分析液体扩散的关键环节是计算出液体扩散所形成的液池面积，因为随后的 蒸发过程和燃烧过程的计算直接依赖液池面积。如果储罐区建有防火提，则泄漏 液体只能达到防火提，液池面积就是防火提所围面积。没有防火提，则液体流向 低洼处，液池面积也可以估计，对于土地较平整的情况，液体将扩散至达到最小 液体厚度为止。 液池面积的确定是事故后果分析中最困难也是最容易引起误差的地方。可以 简单假定扩散在平整、光滑的平面进行，而且没有泄漏损失，扩散期间也不考虑 挥发。下面是计算液池半径随时间变化的一种方法，基本假定是圆柱型液池在光 滑的平面上扩展。 对于瞬时泄漏： 基于g i s 的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究 ，= 这里_ ( 封 对于连续泄漏： ，埘溯= ( 南) j 式中： ，液池半径，m f 泄漏时间，s ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) p 液体密度，k g m 3 g 重力加速度，m s 2 肼泄漏质量，k g 对于瞬时泄漏，如果泄漏的液体已经充分扩展，假定液体无挥发，地面无渗 漏，则已知液层的最小厚度，根据泄漏体积就可以求得液池面积。 s = 上：生( 2 1 1 ) h 妇h 幽7 y 泄漏液体体积，m 3 s 液池面积，m ? k 液层最小厚度，m 考虑到池火等计算一般以圆池为模型，其他形状液池应化为等面积圆，其直 。= ( 等) 。 如果液体挥发性较强，对于连续泄漏的情况，若挥发速率达到与泄漏速率相 等，则液池面积不再扩大。 ( 2 ) 液体蒸发i 硼 低温液体或闪蒸后剩余的液体，主要吸收地面热量进行蒸发，蒸发速率由下 式计算。 矿嘶m 亿 式中： 口，刀与大气稳定度相关的参数 第二章危险化学品泄漏事故后果分析与风险评价 m 蒸发速率，k g ( m 2 r a i n ) b 液体饱和蒸汽压，p a m 摩尔质量，k g m o l 1 口环境温度，k 甜- - 1 0 m 高处风速，m s ( 3 ) 空气进入蒸汽 空气进入蒸汽的速度决定了蒸汽云的密度，同时也决定了蒸汽云扩散模型的 选择。空气进入蒸汽的速度依赖于风速、大气稳定度、蒸汽密度等参数，目前尚 无可接受的模型。最简单的方法是选择液池上一高度凰，假设该高度以上的蒸 汽浓度可以忽略，蒸汽与吹过池表面和风之间的空气相混合，通过该体积的空 气的质量流速是可以计算的，从而可以算出进入蒸汽的空气量。 2 1 3 喷射扩散 气体在压力下从裂口喷出，多数情况并不是处于环境条件下。一般温度会低 于环境温度，如果气体流动是阻塞的( 临界声速流) ，压力会高于环境压力。首 先需要把喷射流转化为具有环境条件的等速流动。等效裂口直径与实际裂口直径 的关系为 2 9 1 ： 如侈 q 1 3 ) 式中： 等效裂口直径，m d 计算泄漏流量用裂口直径，m 岛气体刚流出时与环境条件下空气相对密度 p 气体在环境条件下与同条件下空气相对密度 假定流动可以瞬时达到环境条件，这样就可以把等效裂口作为真实裂口考 虑。 喷射轴线上距喷射孔x 处的浓度由下式计算： c = 式中 岛、6 2 分布系数，由下式计算 6 i = 5 0 5 + 4 8 2 p 一9 9 5 p 2 6 2 = 2 3 0 + 4 1 0 p 9 ( 2 1 4 ) i 毒 把上式中的x 转化为c 的函数，这样，对于给定的浓度就可以计算喷射长度。 垂直于喷射轴的水平面上的浓度分布由下式给出： 垒：p 一6 2 ( 2 1 5 ) 式中： 吒喷射水平面上( x ，y ) 处的浓度 喷射速度沿喷射轴线下降，直到某一点喷射速度等于风速，该点以后的运动 不再是喷射推动的，要采用另外的模式描述。 沿轴的喷射速度分布由下式计算： 丝u o = 丛p4 ( o 3 2 专p x 2 眨 i岛八 式中： 略喷射轴上距喷射孔x 处的喷射速度，m s 实际泄漏气流速度，m s 。由泄漏流量和裂口面积计算 2 硼q ( 2 2 1 4 绝热扩散 闪蒸的液体或压缩气体瞬时释放后有一个快速膨胀的过程，假定该过程非常 快，以至于气团和周围环境之间没有时间进行交换，这个膨胀过程可以按绝热过 程处理i 刈。 该模型假定气云是呈包含两个区间的半球状，内层“核 具有均匀的浓度， 包含5 0 的泄漏质量，外层浓度呈高斯分布，具有另外5 0 的泄漏量。 这种双层云团扩散假定分两步：第一步，气体或气溶胶膨胀到压力降至大气 压，在膨胀过程中气团获得动能，称为膨胀能；第二步，在膨胀作用下气团进一 步扩张，推动空气紊流混合进入气团。假定第二阶段持续到核的扩张速度降到某 给定值时结束。 第一步膨胀到大气压，膨胀期问气体反抗大气压做功，部分内能用于增加物 质的动能。如果假定增加的动能由( a 一见) 给出，则初始的膨胀到大气压的 过程可以按可逆绝热过程处理。膨胀能是始态能量和末态能量的差，减去对大气 压所做的功。按照这种理想化的方法，第一步是等熵的。 对于气体释放，能量由可逆绝热膨胀决定，即由p t 、石( 具有内能u ，体 积k ) 膨胀到如、五( 具有内能畋，体积k ) ，内能的变化为： u 一= q ( 五一夏) ( 2 1 8 ) 第二章危险化学品泄漏事故后果分析与风险评价 扩散能为 e = q ( 石一互) 一见( k k ) 对于液体释放，闪蒸分数按等熵过程计算，即 。= ( 1 一只) ：+ 昂昂。： 这里 昂= 援= ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 像气体一样，膨胀能是始、终态内能的变化减去对大气做的功 e = 魄- - _ ( 1 一昂) 叽，z + 乃二 ) 一见( 一k ) ( 2 2 2 ) = 吼j 一吼，2 一( a 一儿) k 一瓦( 既j - $ l ：) 式中： e 膨胀能，j u 内能，j 丁温度，k m 1 沸点，k q 一气体的比热容，j ( k g k ) 见大气压，p a s _ 柏，j ( k g k ) 吼蒸发热，肌g 焓，j k g 内能、温度、熵和焓的下标1 和2 分别表示状态l 和状态2 ，l 和v 分别表 示液态和气态。 焓和熵的变化沿饱和曲线变化的比热容计算，简化计算可假定比热容在状态 l 和状态2 之间呈线性变化。 第二步空气紊流混合，膨胀的推动产生大范围的紊流，这种紊流是气团与空 气进一步混合的决定因素。一旦有了膨胀能，紊流扩散系数就可以计算，即： k d = 0 0 1 3 7 v g 。们悟r 眨2 3 ， 式中匕。为标准状态下气体的体积。 内核半径和内核浓度随时间的变化可按下式计算 兀= 1 3 6 ( 4 k d t ) 7 2 一0 0 4 7 8 v g - g u q ；丽 靠 基于g i s 的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究 如上所述，当内核扩张速度( d r c d t ) 降至某一给定值的第二阶段结束。临 界速度的选择是任意的，但通常推荐值是l m s ，这是大气中的典型速度波动。 选定此速度再结合扩散能及内核半径、内核浓度与时间的关系，可以得到第二阶 段结束时的内核半径和浓度。 乞= o 0 8 8 3 7 e 圪o 3 气= 1 7 2 9 5 e 羽 扩散第二阶段结束时，半球形气团的半径按下式计算： = 1 4 5 6 r 气团密度是绝热膨胀后采用其他模型进一步分析的重要参数，而计算气团密 度必须知道气团中空气的质量。对于气体释放计算非常简单，只要知道气团的体 积就可以了。 圯= 一m + 一m p 4p g 对于液体释放，如果膨胀后仍有液体存在，则计算就比较复杂。确定气团中 是否有液体，需要首先计算气团的浓度气，如果大于l 则液体存在。在计算体 积浓度c c 时，泄漏物的体积可以认为是在适当温度和压力下该物质全部呈气态存 在。 含有液体的气团计算混合空气的量时，需要使用以下三个方程反复计算。 第一个方程描述最终温度为互、最终气体分数为乃，的各组分的热平衡： m c p l 五+ 瓦= 9 0 一昂3 ) 3 r 3 + 坶3 吼+ 心五 ( 2 2 4 ) 第二个方程是体积平衡g 圪：g o + f v 3 m + o - f , , ) u ( 2 2 5 ) 、p 4 p g 风。 第三个方程表明温度和气体分数必须与所要求的分压等于正时的饱和蒸汽 压一致： 见2 见 掣p g v , j 旺2 6 ， l夕 空气的质量必须调整满足以上三个方程。 2 2 危险化学品大气扩散模型 2 2 1 重气扩散模型的基本原理 重气扩散模型主要包括瞬时扩散的盒子模型和连续扩散的平板模型，在建立 模型的时候，一般均做如下的理性化假设o 第二章危险化学品泄漏事故后果分析与风险评价 瞬时泄漏假定瞬时完成，连续泄漏假定泄漏速率恒定 气云在平整、无障碍的地面上空扩散 气云中不发生化学反应，地面对气云无吸收 风向为水平方向，风速和风向不随时间变化 其中地面粗糙度的影响可以通过修正平均风速或其他方式加以考虑。 ( 1 ) 瞬时扩散的盒子模型 ( a ) 起始云团形状 盒子模型假定起始云团为高风、半径r o 的圆柱体。用于绝热扩散的半球气 团时，将其转化为等体积的圆柱体，高与半径比通常选1 ( b ) 重力影响 在重力作用下，圆柱体高度变小，半径增加，半径的变化速度按下式计算。 警掣譬 眨2 7 ， 式中。 r 云团半径，m r 时间，s 日云团高度，m 夕云团密度，k g m 3 见空气的密度，k g 岔 x 常数，有不同取值，这里取1 g 重力加速度，9 8 m s 2 ( c ) 空气混入气团 气团随空气运动时，空气从气团顶部和边缘进入，使其浓度和密度逐渐下降。 空气从边缘进入的速度正比于边缘面积和半径变化速度。 警= 2 a 。p , , h z r r 警 眨2 8 ， d ld l 式中。 皇筝空气从边缘进入气团的速度，k g s “边缘空气卷入系数，取0 6 空气从气团顶部进入速度可按下式计算 誓= 2 a 2 p o 万r 2 卺 ( 2 2 9 ) 出尉 式中2 基于g i s 的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究 坐垒空气顶端进入气团的速度，k g s 讲 经验常数，取0 1 r f r i c h a r d s o n 数，由下式计算 r f = g 乞兰丝坼。2 ( 2 3 0 ) p n 式中： 厶素流长度，m l i r 按帕斯奎尔( p a s q u i l l ) 稳定度分级计算。将珥表示为 珥：姜生“ ( 2 3 1 3 1 ) 珥= “ l z j m 其中： “。七“詹 掰l g ( z z o ) 式中： k v o nk a r m a n s 常数，取o 4 甜高度z 处的风速，m s ，z 通常取l o m ”摩擦速度，m s z 0 地面粗糙度，m 珥u 按附表a - 1 取值 紊流长度工。取决于大气稳定度和气团高度日，按附表a - 2 取值 ( d ) 混合热力学 从容器中泄漏的气团密度比空气大，但温度较低，与地面接触时将被加热， 如果只考虑自然对流传导，不考虑强制对流和太阳辐射等等，则热方程如下： q = 呜( 乙- r ) 们 ( 2 3 2 ) 式中： 口l 憨传导系数，对液化天然气团典型值为2 7 j r i d s r 云团温度，k 乏地面温度，k 由空气卷入带进的热量为 蛆= 毗c 棚( 乙一d ( 2 3 3 ) 式中： d m o 卷入空气的总质量，d m o = d m o i + 毗2 c 0 空气的热容，j k 第二章危险化学品泄漏事故后果分析与风险评价 空气的温度，k 总的热平衡方程为 ( m o c k , + 畋) 鲁= g - t 警 ( 2 “) 式中： m 。气团中源泄漏气体的质量，k g 泄漏气体的热容，j k 如果气团中含有液滴，要考虑液体蒸发吸收热量 任意时刻的气团密度按下式计算 胪选 见 依：f 口 ( 2 3 5 ) ( e ) 计算方法 气团半径、卷入空气质量和气团的温度由以上方程决定。这是微分方程组， 可以用龙格一库塔( r u n g e k u t t a ) 法求解。也可以采用分布计算的方法。 假定在一个小时的时间间隔内，例如0 i s ，扩散速度是不变的，则扩散 速度可求。 假定气团体积不变，则可计算卷入空气的量 根据地面热传导和空气带入的热量，可以计算气团的温度，从而得到新 的气团的密度和浓度。 根据新的气团密度和体积，计算新的气团高度。气团的半径由重力坍塌 决定，不受混合和加热的影响。 进入下一个时间间隔，新的密度、高度和温度作为初始条件，如此循环 指导不符合重气扩散的条件。 ( f ) 转换标准 随着空气进入和温度的升高，气团密度逐渐下降，当密度接近空气密度，紊 流扩散开始起主导作用时，就应该转用中密度云扩散模型( 高斯扩散模型) 。转 换标准通常可以用密度标准或r i c h a r d s o n 数标准，计算过程要随时检查转换标 准。 密度标准定义为： 占：立丑( 2 3 6 ) 成 如果s 小于某值则转换为高斯扩散模型，临界值通常取0 0 0 1 或o 0 5 前面已经定义了r i c h a r d s o n 数，其临界值可取1 - 1 0 ，小于临界值则转换为 基于g i s 的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究 高斯扩散模型。 ( 2 ) 连续扩散的平板模型 平板扩散假定扩散的云羽截面呈矩形，中心线平行于风向，高为h ，宽为2 l 。 在泄漏源，初始矩形的高为编，宽为2 l 。 对于液池的连续蒸发，取矩形半宽l o 等于液池的半径，矩形高度就取液池 上方用于计算空气进入量的高度。对于喷射扩散，在喷射扩散结束点处，浓度为 中心线1 0 的点形成一个圆，将圆截面折合为同面积的矩形作为扩散的初始矩 形。 由于连续泄漏是稳态过程，每一位置的密度和浓度不随时间变化。也可以假 想一矩形薄片，从泄漏源开始沿风向运动，这样就完全可以采用前面处理瞬时泄 漏圆柱体的方法处理矩形薄片，所有算法都是相同的，不同的仅仅是地面积、顶 面积和侧面积的计算。 2 2 2 中等密度云扩散模型的基本原理 当泄漏气体的密度或气体与空气混合后的密度接近空气密度时，重力下沉和 浮力上升作用可以忽略，扩散主要是由空气的湍流决定。在假设均匀湍流场的条 件下，有害物质在扩散截面的浓度分布呈高斯分布，所以称为高斯扩散。 高斯扩散睨1 分为无边界点源扩散和有界点源扩散，其中无边界点源扩散不 考虑地面对扩散的影响，认为扩散是在三维空间中进行的，没有边界的限制。有 界点源扩散考虑到实际地面对于扩散的影响，认为有害物质的实际浓度为由真实 源计算的浓度和由与真实源对称的虚拟源计算的浓度之和。 ( 1 ) 无边界点源模型 ( a ) 瞬时点源扩散 瞬时泄漏的三维空间的任意时刻浓度分布为： 小川列，= 葫蠹c x p - ( 警i - 虿y 2 + 割眩3 7 ， 式中： c 污染物浓度，k g m s q 源强，i ( g s 吒、仃，、呸_ x 、y 、z 方向上的扩散参数 = 2 e j = 2 e , j z = 2 e j 雄。叫方向上的风速，m s 第二章危险化学品泄漏事故后果分析与风险评价 ，时l 司，s 巨j 、e ，y 、互：x ，y ，z 方向上的湍流扩散参数 ( b ) 连续点源扩散 连续点源扩散的浓度分布为 小班栌去唧 - 茜丢 娩3 8 ， 式中： 一：2 e , j = 2 e t j x 归w = 警 z = 2 e t , z t = 2 e t , z x ( 2 ) 有界点源扩散 ( a ) 高架连续点源 高架连续点源可以用高斯烟羽模型来描述口扣： 小班删，= 南c x 蚓忖警h 警 ( 2 3 9 ) 式中： c 污染物浓度，k g m 3 q - 源强，k g s “泄漏高度的平均风速，m s 仃，、吒分别用浓度标准偏差表示的y 轴及x 轴上的扩散参数 卜泄漏有效高度 需要注意的是高斯烟羽模型不适用于风速小于l m s 的情况。低风速扩散时 应修正高斯模型或采用其他模型。 ( b ) 高架瞬时点源 设释放源有效高度为日，取释放源在地面投影为坐标原点，进行坐标变换 并考虑地面的反射作用，则可将无边界瞬时点源扩散模型转换为高架瞬时点源模 型。 如拂列，= 两e 冲( 一警茜n 冲曙唧警) ( 3 ) 大气稳定度与扩散参数d 4 瑚1 基于g i s 的危险化学品泄漏事故环境风险预测与评价信息支持系统研究 应用高斯模型的关键时确定扩散参数，根据定义，在均匀湍流场中，扩散参 数与下风向距离的关系是明确的。但是实测的扩散参数与理论预测差别较大，特 别是垂直扩散参数差别更大。因此扩散参数是以实际测定为基础的。 中国气象站对云量的观测只分低云量和总云量，没有云高的资料，因此针对 中国的具体情况，对p - t 分类法进行了适当的修正。 首先从下式计算出太阳倾角： 8 = ( 0 0 0 6 9 1 8 - 0 3 9 9 9 1 2 c o s o o + 0 0 7 0 2 5 7 s i n 岛一0 0 0 6 7 5 8 c o s 2 0 0 + 0 0 0 0 9 0 7 s i n 2 0 0 一 0 0 0 2 6 9 7 c o s 3 0 0 + 0 0 0 1 4 8 0 s i n 3 0 0 ) x 1 8 0 a 式中： 岛3 6 0 以3 6 5 ，d e g 万太阳倾角，d e g 吃年中日期序数，0 ，l ，2 ，3 ，3 6 5 根据太阳倾角算出太阳高度角 = a r c s i i l s i i l 缈s i n 艿+ c 0 s 矿c o s 艿c o s ( 1 5 ，+ a 一3 0 0 ) ( 2 4 0 ) 式中： 太阳高度角，d e g 9 当地纬度，d e g ，北京时间，h 名当地经度，d e g 再从附表b - 1 中由太阳高度角和云量查出太阳辐射等级，最后从附表b - 2 中由地面风速和太阳辐射等级查出大气稳定度等级。 因为后果分析是一种对假想事故的可能后果描述，并没有事故发生时问和现 场的天气观测资料，因此在进行分析时宜考虑当地最常出现天气情况和对扩散最 不利的天气情况。 扩散参数和下风向距离的关系以函数形式表示使用比较方便，幂函数形式是 一种常见的表示方法：