CALPUFF與煙團(tuán)模式在復(fù)雜地形環(huán)境風(fēng)險評估中的比較分析

陳輝 全利紅 王梓

CALPUFF與煙團(tuán)模式在復(fù)雜地形環(huán)境風(fēng)險評估中的比較分析

陳輝 全利紅 王梓

CALPUFF模式是一個多層、多物種、非穩(wěn)態(tài)的煙團(tuán)擴(kuò)散模式，可以模擬時空變化的氣象場對污染物輸送、轉(zhuǎn)化和清除的影響，其氣象場由實(shí)際氣象觀測資料結(jié)合中尺度氣象模式模擬結(jié)果、實(shí)際地形土地利用資料等根據(jù)質(zhì)量守恒原理診斷給出。應(yīng)用CALPUFF模式系統(tǒng)對四川省羅家寨氣田典型的高含硫天然氣集輸管線破裂過程的風(fēng)險影響進(jìn)行了環(huán)境風(fēng)險評估，并與該項(xiàng)目環(huán)評報告中用大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式得到的風(fēng)險評估結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，CALPUFF模式從診斷風(fēng)場得到的最不利氣象條件以及最不利氣象條件下的風(fēng)場與大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式指定的最不利氣象條件和診斷風(fēng)場存在較大差異，從而導(dǎo)致了H2S擴(kuò)散的差異。其中，CALPUFF模式得到的最不利氣象條件下各風(fēng)向的瞬時嚴(yán)重傷害和半致死濃度值范圍沿著山谷走向分布在東北、西北和南方，而大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬的結(jié)果也出現(xiàn)在其他方向。另外，CALPUFF模式模擬得到的30 min平均最大濃度分布結(jié)果中半致死濃度范圍與其他模式結(jié)果一致，比大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式結(jié)果小得多。

CALPUFF；環(huán)境風(fēng)險評估；天然氣集輸管線；泄漏

用于大氣中有毒有害物質(zhì)的擴(kuò)散過程模擬的數(shù)值模型很多[1-10]。目前，在大氣環(huán)境風(fēng)險評估中應(yīng)用的模型主要是基于高斯擴(kuò)散理論的模型，例如高斯模型和部分重氣模型，但這類模型主要適用于平坦均勻下墊面[2,11]。然而，很多泄漏等風(fēng)險事故發(fā)生在環(huán)境復(fù)雜的地方，污染物的擴(kuò)散受復(fù)雜地形的動力和熱力影響，比平原地區(qū)復(fù)雜得多。以天然氣集輸管線泄漏為例，王曉等[12]模擬的四川“普光氣田”高含硫輸氣管道斷裂事故發(fā)生時H2S的擴(kuò)散情況表明，H2S受山體阻擋，產(chǎn)生堆積、爬坡或繞流；于洪喜等[5]利用FLUENT模擬高含硫天然氣集輸管線破裂泄漏后H2S的擴(kuò)散，結(jié)果表明，山頂?shù)匦螚l件下的擴(kuò)散規(guī)律與平地類似，山谷地形條件下H2S將發(fā)生沉積而不利于擴(kuò)散。

CALPUFF模式系統(tǒng)是美國環(huán)保署和《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境(HJ 2.2—2008)》推薦的法規(guī)大氣質(zhì)量模式之一。它是一個多層、多物種、非穩(wěn)態(tài)的煙團(tuán)擴(kuò)散模型，可以模擬時空變化的氣象場對污染物輸送、轉(zhuǎn)化和清除的影響。通常，CALPUFF用于大范圍（50 km以上）的污染物長期擴(kuò)散模擬[13-16]，在風(fēng)險模擬方面的應(yīng)用很少。美國環(huán)保署的一份備忘錄中Brode和Anderson[17]詳細(xì)論述了CALPUFF在近場模擬中的應(yīng)用范圍，表明CALPUFF用于風(fēng)險評估可以作為其在近場模擬應(yīng)用。

羅家寨氣田位于四川省宣漢縣及重慶市開縣境內(nèi),地表高差變化較大，地面海拔一般為400～1 000 m。在天然氣開采和輸送過程中，可能由于井噴、井漏、管道腐蝕穿孔和開裂等造成天然氣泄漏[18]。由于羅家寨氣田天然氣含硫量高(約16%)，一旦泄漏事故發(fā)生，H2S擴(kuò)散可能造成嚴(yán)重危害。本文利用CALPUFF模式系統(tǒng)對其中重要一段管線斷裂天然氣泄漏時H2S的擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，并且與大氣煙團(tuán)擴(kuò)散模式模擬結(jié)果進(jìn)行比較，研究CALPUFF模式系統(tǒng)在風(fēng)險模擬方面的效果。

1 模式介紹

1.1 CALPUFF模式

CALPUFF模式系統(tǒng)由3個模塊組成：CALMET、CALPUFF和CALPOST[19]。其中，CALMET模塊將中尺度氣象模式MM5的輸出結(jié)果、實(shí)際地面和高空氣象觀測資料輸入模型，利用能量守恒原理，計(jì)算地形和土地利用對風(fēng)溫場的影響，生成新的風(fēng)溫場數(shù)據(jù)和其他微氣象參數(shù)，作為CALPUFF模塊的輸入氣象資料。CALPUFF模擬污染物擴(kuò)散采用的是拉格朗日高斯煙團(tuán)模型。在近場傳輸模擬中煙團(tuán)在釋放時可以沿著風(fēng)的方向拉伸，即煙片，煙片代表了煙團(tuán)的連續(xù)排放，每個煙片包含無窮小的質(zhì)量qdt。煙片的主體長度為u△te，u代表風(fēng)速，△te代表污染物的排放時間，一個煙片的濃度可以表示為：

其中，u是平均風(fēng)速矢量(m/s)，u′是風(fēng)速標(biāo)量，定義為，其中，σv是風(fēng)速的方差，q是源排放速率(g/ s)，F(xiàn)是“因果關(guān)系”函數(shù)，dc和da分別是穿過煙片方向（即垂直于煙片的軸線）和沿著煙片方向到受體的距離。擴(kuò)散參數(shù)的下標(biāo)1和2分別是與最老和最年輕的煙片的末端相關(guān)的值，沒有數(shù)字下標(biāo)表示定義為受體點(diǎn)處的值。煙片模型可以恰當(dāng)?shù)靥幚硇★L(fēng)和靜風(fēng)條件。

1.2 大氣煙團(tuán)擴(kuò)散模式

大氣煙團(tuán)擴(kuò)散模式[20]是一個拉格朗日煙團(tuán)模型，它通過一系列適當(dāng)大小的煙團(tuán)來模擬平均煙羽擴(kuò)散。煙團(tuán)的濃度在3個方向上服從高斯分布。其中，第M步長第W時段釋放的第i個煙團(tuán)中的j化學(xué)物質(zhì)對網(wǎng)格點(diǎn)（xg，yg，zg）空氣中j化學(xué)物質(zhì)的濃度貢獻(xiàn)由下式給出：

風(fēng)場采用三維客觀診斷風(fēng)場模型，模型中采用反距離平方權(quán)重法及地形追隨坐標(biāo)。因此，此模式也可以模擬障礙物對風(fēng)向的改變，地形起伏對地面風(fēng)場的影響。此模式輸入?yún)?shù)包括風(fēng)廓線指數(shù)和網(wǎng)格化地形高程數(shù)據(jù)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 案例設(shè)置

選取最大源強(qiáng)塔河-梁家院子管段（圖1）作為示例。此段管道長度為4.6 km，管道直徑為508 mm，壓力為9 MPa，管道內(nèi)天然氣體積為83 868.219 m3，H2S體積為8 453.917 m3，在線量為12 831.838 kg，源強(qiáng)為1.069×108mg/s。管段斷裂H2S泄漏時間為2 min。

圖1 評價區(qū)塔河-梁家院子管段斷裂處位置示意圖（紅色“+”）和風(fēng)場示例（N風(fēng)，F(xiàn)類，0.5 m/s）

據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則(HJ/T 169—2004)》，一級評價范圍應(yīng)為距離源點(diǎn)不低于5 km?？紤]到羅家寨周圍地形為丘陵地區(qū)，為構(gòu)筑評價區(qū)風(fēng)場，計(jì)算范圍定為各方向釋放源各為5 km,計(jì)算區(qū)為邊長10 km正方形，釋放源位于計(jì)算區(qū)中央（圖1紅色“+”區(qū)，處于山坡上，海拔高度447 m）。為較精確地給出污染物濃度等值線及構(gòu)筑復(fù)雜地形風(fēng)場，計(jì)算區(qū)分割成邊長為100 m的方形網(wǎng)格。

根據(jù)H2S的毒性資料，選定618 mg/m3為半致死濃度閾值，暴露時間選為 30 min；300 ppm(432.4 mg/m3)為嚴(yán)重傷害閾（30 min，IDLH）； 10 ppm（15.5 mg/m3）為影響濃度閾值。

2.2 CALPUFF模擬

管段斷裂時H2S泄漏形成射流，隨后達(dá)到比較穩(wěn)定的狀態(tài)。此時可以認(rèn)為泄漏氣體為一體源，用CALPUFF可模擬此體源的擴(kuò)散。模型輸入的源參數(shù)見表1。體源在泄漏完后大約1.5 h移出模擬區(qū)。

表1 模型輸入?yún)?shù)列表

利用CALMET處理2011年全年中尺度氣象模式MM5在評價區(qū)的模擬結(jié)果和實(shí)際地形資料作為CALPUFF氣象和土地利用數(shù)據(jù)輸入。按照《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則(HJ/T 169—2004)》中的要求，將一年的連續(xù)氣象數(shù)據(jù)通過CALPUFF模式模擬進(jìn)行篩選，選擇各個方向最不利氣象條件出現(xiàn)時刻作為模擬時間。表2列出了選取的模擬時段及相應(yīng)的風(fēng)速和穩(wěn)定度。從表2中可以看出，選取的時刻風(fēng)速均小于0.5 m/s。

表2 各風(fēng)向模擬時間及風(fēng)速

2.3 大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模擬

按導(dǎo)則規(guī)定經(jīng)過各種氣象條件風(fēng)險后果計(jì)算（從下述組合中選出：D類，0.5 m/s；D類，1.5 m/s；D類，2.3 m/s（平均風(fēng)速）；F類，0.5 m/s；F類，1.5 m/s）結(jié)果，選取F類，0.5 m/s作為各管段模擬的最不利氣象條件。另外，由于各個方位地形差異較大，最后決定分8個風(fēng)向（N，NE，E，SE，S，SW，W，NW）分別進(jìn)行模擬。

在程序調(diào)試過程中，把煙團(tuán)釋放時間間隔Δt作為可變輸入?yún)?shù)，并通過調(diào)節(jié)Δt的數(shù)值（例Δt′=3 s、10 s、30 s、60 s、120 s、180 s、240 s、300 s、600 s等），由計(jì)算結(jié)果尋找合適的Δt′值。本文取時間步長為60 s, 煙團(tuán)釋放時間間隔為3 s。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 瞬時濃度分布

圖2和圖3分別給出了CALPUFF和大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式計(jì)算的H2S在各個風(fēng)向最不利氣象條件下的瞬時濃度分布。圖2中嚴(yán)重傷害和半致死濃度值范圍主要分布在東北、西北和南方。其中，東北方向最遠(yuǎn)嚴(yán)重傷害和半致死濃度值范圍分別約為2.8 km和2.1 km，西北方向分別約為2.6 km和2 km，南方分別約為2.4 km和2 km。圖3中嚴(yán)重傷害和半致死濃度值范圍非常接近。其中，最遠(yuǎn)嚴(yán)重傷害和半致死濃度值范圍均為2.5 km，出現(xiàn)在西北方向。另外，在北、南和東北方向也出現(xiàn)了較遠(yuǎn)的嚴(yán)重傷害和半致死濃度值范圍，為2.1～2.2 km。

圖2 CALPUFF模式模擬的塔河-梁家院子管段斷裂事故瞬時最大濃度分布圖

圖3 大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬的塔河-梁家院子管段斷裂事故瞬時最大濃度分布圖

分析表明，CALPUFF計(jì)算的瞬時H2S的嚴(yán)重傷害濃度值范圍比大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模型在相同方向上的結(jié)果大，但是，半致死濃度值范圍比后者小（見表3）。這與CALPUFF選擇的實(shí)際最不利氣象條件的風(fēng)速較小有關(guān)。另外，CALPUFF計(jì)算的各風(fēng)向最不利氣象條件下H2S濃度分布主要在西北、東北和南方，而大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式計(jì)算的各方向H2S濃度分布也出現(xiàn)在了其他方向。

表3 CALPUFF與大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬的最遠(yuǎn)嚴(yán)重傷害與半致死濃度值范圍比較

評價區(qū)的風(fēng)場特征分析表明：從CALMET模擬的2011年羅家寨地區(qū)一年的逐小時風(fēng)場矢量圖發(fā)現(xiàn)，由于平均風(fēng)的風(fēng)向與斷裂點(diǎn)風(fēng)向并不總是一致的，H2S的擴(kuò)散并非一定沿著平均風(fēng)方向。例如，由于斷裂點(diǎn)附近為南風(fēng)的概率較小，本文選取的南風(fēng)向最不利氣象條件對應(yīng)的時刻斷裂點(diǎn)附近的風(fēng)向?qū)嶋H為東南風(fēng)，因此，H2S向斷裂點(diǎn)西北方向擴(kuò)散。

圖4 CALPUFF模式模擬的N風(fēng)風(fēng)場示例

比較各個風(fēng)向下兩個模式模擬的風(fēng)場，我們發(fā)現(xiàn)風(fēng)場差異較大。以北風(fēng)風(fēng)場為例（見圖1和圖4），雖然2個模式得到的模擬區(qū)平均風(fēng)場為北風(fēng)，但是，各個格點(diǎn)上的風(fēng)向和風(fēng)速均存在很大差異。大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬的北風(fēng)風(fēng)場中，在泄漏點(diǎn)（紅色“+”）附近風(fēng)向?yàn)槲髂?，因此，H2S泄漏后沿著山谷向東北方擴(kuò)散，導(dǎo)致泄漏點(diǎn)東北方出現(xiàn)較高濃度的H2S。而在CALPUFF模式模擬的北風(fēng)風(fēng)場中，泄漏點(diǎn)附近的風(fēng)向?yàn)闁|北，由于泄漏點(diǎn)西邊山體阻擋，H2S泄漏后向南擴(kuò)散，導(dǎo)致泄漏點(diǎn)南邊出現(xiàn)較高濃度的H2S。

3.2 平均濃度分布

由于各個閾值的確定均考慮了一段時間的暴露，本文也給出了30 min平均的H2S最大濃度分布。

圖5給出了CALPUFF計(jì)算的H2S在各個方向最不利氣象條件下30 min平均最大濃度分布。從圖5中可見，各方向嚴(yán)重傷害和半致死濃度范圍大大減小。其中，最遠(yuǎn)嚴(yán)重傷害和半致死濃度范圍在西北方向分別約為495 m和360 m，在南方分別約為200 m和60 m。其中半致死濃度范圍與王曉等[12]用三維客觀診斷風(fēng)場及Lagrangian煙團(tuán)模型和于洪喜等[5]用FLUENT模擬的高含硫輸氣管線H2S泄漏擴(kuò)散結(jié)果一致。

圖6給出了大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式計(jì)算的H2S在各個方向最不利氣象條件下30 min滑移平均最大濃度分布。比較圖5和圖6，圖6中紅色和黑色線范圍比圖5中遠(yuǎn)得多。其中，最遠(yuǎn)的嚴(yán)重傷害和半致死濃度范圍約為2.5 km，出現(xiàn)在西北偏西方向?？梢?，大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式的結(jié)果過于保守。

圖5 CALPUFF模式模擬的塔河-梁家院子管段斷裂事故30 min平均最大濃度分布圖

圖6 大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬的塔河-梁家院子管段斷裂事故30 min最大滑移平均濃度分布圖（F類，0.5 m/s）

4 結(jié)論

以四川省羅家寨塔河-梁家院子管段為例，研究了CALPUFF模式模擬的管線內(nèi)天然氣泄漏后H2S在復(fù)雜地形條件下的擴(kuò)散，并且與大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

復(fù)雜地形上，CALPUFF和大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬的不同風(fēng)向最不利氣象條件下H2S的擴(kuò)散差異非常明顯。CALPUFF模式模擬的瞬時H2S嚴(yán)重傷害濃度值范圍比大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬的相同方向上的結(jié)果大，但半致死濃度值范圍比后者小。這與CALPUFF模式中通過對實(shí)際風(fēng)場篩分選擇的風(fēng)場平均風(fēng)速小有關(guān)。CALPUFF模式模擬的各個風(fēng)向最不利氣象條件下嚴(yán)重傷害和半致死濃度值范圍主要出現(xiàn)在東北、西北和南方，大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式模擬的結(jié)果也出現(xiàn)在其他方向。風(fēng)場分析表明，兩個模式模擬的平均風(fēng)向相同的條件下評價區(qū)風(fēng)場差異很大，這是導(dǎo)致H2S擴(kuò)散差異的主要原因。而風(fēng)場的差異與最不利氣象條件的選擇和評價區(qū)風(fēng)場的產(chǎn)生均有密切關(guān)系。CALPUFF模式中最不利氣象條件是從經(jīng)診斷的實(shí)際風(fēng)場中挑選出來的，不需要事先指定，更符合實(shí)際情況。

CALPUFF模式得到的30 min平均最大濃度分布結(jié)果中，半致死和嚴(yán)重傷害濃度范圍與其他模式得到的結(jié)果一致，而大氣擴(kuò)散煙團(tuán)模式的結(jié)果過于保守。

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X 820.4

A

2095-6444(2014)04-0052-05

2013-08-05

陳輝，中國氣象科學(xué)研究院研究員；全利紅、王梓，中國氣象科學(xué)研究院。