SLAB模型參數(shù)優(yōu)化及其應(yīng)用研究

熊 發(fā)，曹井國(guó)，門曉曄，楊宗政（天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457）

SLAB模型參數(shù)優(yōu)化及其應(yīng)用研究

熊 發(fā)，曹井國(guó)，門曉曄，楊宗政
（天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457）

SLAB模型是由典型的淺層模型演變而來的，適用于重氣泄漏擴(kuò)散的模擬。為提高該模型的適用性和精度，在天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)進(jìn)行了二氟一氯甲烷現(xiàn)場(chǎng)泄放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析顯示了較好的一致性；在此基礎(chǔ)上將目標(biāo)函數(shù)與響應(yīng)面最優(yōu)化求解方法相結(jié)合，研究出一種新的模型參數(shù)優(yōu)化方法，采用此方法對(duì)SLAB模型的大氣穩(wěn)定度和地表粗糙度兩個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；并以臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)為主體，應(yīng)用優(yōu)化后的SLAB模型對(duì)苯泄漏事故案例進(jìn)行模擬，對(duì)事故危害區(qū)域進(jìn)行劃分，分析不同季節(jié)典型氣候條件下事故的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域范圍變化。結(jié)果表明: SLAB模型的地表粗糙度優(yōu)化結(jié)果為0.32 m，大氣穩(wěn)定度等級(jí)為C；發(fā)生在各個(gè)季節(jié)的重氣泄漏事故都具有各自的特點(diǎn)，事故的影響范圍差異性較大；該模型的應(yīng)用可以為相關(guān)事故的應(yīng)急指揮工作提供有針對(duì)性的指導(dǎo)。

SLAB模型；重氣泄漏擴(kuò)散模擬；參數(shù)優(yōu)化；地表粗糙度；大氣穩(wěn)定度；天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)

重氣在化工和石油化工行業(yè)應(yīng)用相當(dāng)常見，幾乎涉及生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等各個(gè)環(huán)節(jié)，例如苯、氯氣（Cl2）、硫化氫（H2S）、液化天然氣（LNG）等。重氣一旦發(fā)生泄漏，會(huì)由于分子質(zhì)量大（如CO2）、突發(fā)化學(xué)變化、自身溫度低（如LNG）等原因形成重氣云團(tuán)［1］。多數(shù)重質(zhì)氣體屬于危險(xiǎn)氣體，具有急性毒性、易燃易爆等特性，對(duì)人體和生態(tài)環(huán)境危害巨大。重氣泄漏擴(kuò)散過程的相關(guān)研究開始于20世紀(jì)70年代［2］，隨著毒性重氣泄漏事故的不斷增加，此方面的研究工作得到了更多關(guān)注。由于重氣泄漏試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較大，用計(jì)算機(jī)模擬具有顯著優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出大量重氣擴(kuò)散的計(jì)算模型［3］。

SLAB模型是由美國(guó)能源部（United States Department of Energy）的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，為適用于重氣泄漏擴(kuò)散模擬的大氣擴(kuò)散模型［4］。該模型是由典型的淺層模型演變而來，可對(duì)重氣瞬間泄放、短時(shí)間泄放、持續(xù)泄放以及泄放后的擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并能夠處理地面蒸發(fā)池泄漏、水平噴射泄漏、垂直噴射泄漏和瞬間或短期蒸發(fā)池泄漏共計(jì)4種泄漏排放形式。該模型在使用時(shí)不考慮下墊面的地勢(shì)起伏，地表粗糙度水平一般小于氣云的垂直高度［5］，并以守恒方程作為基本控制方程（包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和組分守恒），通過穩(wěn)態(tài)煙羽模式、瞬變煙團(tuán)擴(kuò)散模式以及兩者的組合來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同泄漏形式的重氣擴(kuò)散過程模擬［6］。SLAB模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式和參數(shù)是影響模擬結(jié)果的兩個(gè)關(guān)鍵因素，尤其是模型參數(shù)的變化將會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生很大影響。因此，本文重點(diǎn)研究SLAB模型的參數(shù)優(yōu)化方法，并以天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)為主體對(duì)該模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而探討該模型在化工園區(qū)的應(yīng)用方式。

1　現(xiàn)場(chǎng)重氣泄放試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)重氣泄放試驗(yàn)在天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，泄放物質(zhì)為二氟一氯甲烷（R22），試驗(yàn)時(shí)間為2014 年11月3日上午，風(fēng)向?yàn)槲髂掀?，相?duì)濕度均值為17.6%，即時(shí)氣溫均值為18.4℃，風(fēng)速均值為2.2 m/s，屬于二級(jí)風(fēng)的范疇，大氣穩(wěn)定度為C級(jí)，模擬儲(chǔ)罐泄漏事故發(fā)生后重質(zhì)氣云的擴(kuò)散過程，以為模型的參數(shù)優(yōu)化提供現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要通過采集泄放開始后不同時(shí)間點(diǎn)的下風(fēng)向各點(diǎn)位處的氣體樣品，并分析氣體樣品中的R22含量，其試驗(yàn)方法如下:

1.1.1現(xiàn)場(chǎng)布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向，確定空地的上風(fēng)向某點(diǎn)為泄放點(diǎn)，在泄放點(diǎn)處設(shè)置支架，將成品罐裝R22放置于支架上，調(diào)整泄放口高度為1.5 m，并以泄放點(diǎn)為起點(diǎn)，分別在下風(fēng)向5 m、10 m、20 m、50 m、100 m處設(shè)置氣體樣品采集點(diǎn)。具體采樣點(diǎn)布設(shè)情況見圖1。

1.1.2樣品采集

分別在泄放過程開始后的5 min、10 min、20 min、30 min4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)5個(gè)采樣點(diǎn)位處的氣體樣品進(jìn)行采集，樣品采集點(diǎn)距離地面高度一律為0.5 m，泄放持續(xù)時(shí)間為15 min。

圖1　采樣點(diǎn)布設(shè)示意圖Eig.1 Schematic diagram of the sampling points

1.1.3樣品檢測(cè)

采用氣相色譜頂空進(jìn)樣與ECD捕集連用的方法對(duì)氣體樣品進(jìn)行檢測(cè)。首先用純R22氣體進(jìn)樣，找到其出峰位置，并標(biāo)定其峰面積與R22含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，作出標(biāo)準(zhǔn)曲線；然后通過測(cè)定每個(gè)樣品的峰面積，即可得出其R22濃度。

1.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

各個(gè)采樣點(diǎn)位處的R22濃度隨時(shí)間的變化情況見圖2。

圖2　各個(gè)采樣點(diǎn)位處R22濃度隨時(shí)間的變化曲線Eig.2 Variation curves of R22 concentration at all sampling sites with time

由圖2可以看出:各個(gè)采樣點(diǎn)位處的R22濃度變化均為先升高后降低，曲線始末兩端均無限趨近于零，且在泄放過程持續(xù)階段變化趨勢(shì)較為平緩。這是由于氣體初始釋放時(shí)濃度較低，隨后慢慢富集形成重氣云團(tuán)，重氣云團(tuán)在重力作用下沉降，并在氣流作用下緩慢移動(dòng)，與后續(xù)補(bǔ)充的重氣云團(tuán)構(gòu)成較為穩(wěn)定的狀態(tài)，使固定點(diǎn)處氣體濃度趨于穩(wěn)定；泄放過程停止后，缺少了后續(xù)氣體的補(bǔ)充，重氣云團(tuán)在風(fēng)力作用下逐漸向遠(yuǎn)處擴(kuò)散稀釋，最終濃度趨近于零?？梢?，各個(gè)采樣點(diǎn)位的R22濃度變化過程與氣體的泄放擴(kuò)散過程基本相符，能夠反映氣體泄放—重力沉降—擴(kuò)散稀釋的整個(gè)過程。

2　模型參數(shù)優(yōu)化

模型參數(shù)的優(yōu)化即是尋求一組參數(shù)，使模型的輸出與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間按給定目標(biāo)函數(shù)的度量方式達(dá)到最佳擬合［7］，即通過模型參數(shù)識(shí)別、參數(shù)取值范圍確定、實(shí)測(cè)值獲取、目標(biāo)函數(shù)確定等一系列過程完成對(duì)各個(gè)參數(shù)的率定和優(yōu)選，從而提高模型的精確性，使其在實(shí)際應(yīng)用中能夠更好地發(fā)揮作用。重氣泄漏擴(kuò)散模型的參數(shù)一般包括物質(zhì)理化參數(shù)、泄漏源參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)四大類［4］。本文以天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)為主體，從參數(shù)是否可精確獲取和對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的影響程度兩個(gè)方面考慮，對(duì)SLAB模型的大氣穩(wěn)定度（Atmospheric Stability Class）和地表粗糙度（Surface Roughness Height）兩個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1模型參數(shù)優(yōu)化方法

本文對(duì)SLAB模型參數(shù)優(yōu)化的具體方法是通過構(gòu)建以模型實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值差值為基礎(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)，利用Design Export 8的試驗(yàn)設(shè)計(jì)功能，計(jì)算參數(shù)不同取值下的目標(biāo)函數(shù)值，分析參數(shù)取值與目標(biāo)函數(shù)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過其最優(yōu)化求解功能給出令目標(biāo)函數(shù)值接近于零的最優(yōu)化方案。具體步驟如下:

（1）目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建。構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)為

式中:Fi0為實(shí)測(cè)值；Fi為模型預(yù)測(cè)值；x，y，…代表物質(zhì)理化性質(zhì)、泄漏源參數(shù)、氣象參數(shù)等客觀參數(shù)；θ1，θ2分別代表兩個(gè)需要優(yōu)化的模型參數(shù)。

（2）參數(shù)取值范圍確定。地表粗糙度是從空氣動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，描述風(fēng)速零點(diǎn)距離地表的平均高度值，反映的是地表對(duì)于風(fēng)速減弱作用的影響，其大小取決于地表粗糙元的性質(zhì)及流經(jīng)地表的流體的性質(zhì)［8］。經(jīng)過長(zhǎng)期研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)得出多種確定不同地表類型的地表粗糙度的方法，并在分析總結(jié)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得出了各種地表類型不同條件下的地表粗糙度參考值［9］。化工園區(qū)內(nèi)建筑物分布較為密集，但建筑物高度比城市建筑物低，同時(shí)有些園區(qū)內(nèi)存在大量空地，其地表粗糙度取值應(yīng)介于城市類型和草原類型之間，但考慮到多數(shù)化工園區(qū)為了運(yùn)輸方便選址位于沿海地帶，地表粗糙度的取值會(huì)受其影響，因此本文將化工園區(qū)地表粗糙度參數(shù)的取值范圍確定為0.2～1 m。大氣穩(wěn)定度指近地層大氣作垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱程度，是影響污染物在大氣中擴(kuò)散的極重要因素。根據(jù)經(jīng)典的Pasqiull穩(wěn)定度劃分方法［10］，可將大氣穩(wěn)定度分為A（極不穩(wěn)定）、B（中等不穩(wěn)定）、C（弱不穩(wěn)定）、D（中性）、E（弱穩(wěn)定）、E（穩(wěn)定）6種穩(wěn)定度狀況。擴(kuò)散問題應(yīng)用領(lǐng)域的大氣穩(wěn)定度通常以理查森數(shù)（Ri）或與之相聯(lián)系的參數(shù)為基礎(chǔ)所建立的穩(wěn)定度分類法來劃分［11］。范紹佳等［12］給出了沿海地區(qū)理查森數(shù)Ri大氣穩(wěn)定度推薦分類標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天津地區(qū)近一年內(nèi)的大氣穩(wěn)定度等級(jí)進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示天津地區(qū)的大氣穩(wěn)定度等級(jí)按頻率由高到低排列依次為:C（39.72%）＞D（35.16%）＞B（10.24%）。由此確定出大氣穩(wěn)定度等級(jí)優(yōu)化前的初始取值范圍是B～D，經(jīng)數(shù)字化處理后為2.0～4.0。

（3）實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值獲取。本文的實(shí)測(cè)值是通過現(xiàn)場(chǎng)重氣泄放試驗(yàn)獲取；預(yù)測(cè)值是通過SLAB模型計(jì)算得到。SLAB模型所需泄漏源參數(shù)和氣象參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境保持一致，泄放物質(zhì)的理化參數(shù)通過查閱相關(guān)資料獲得。

（4）制定模擬試驗(yàn)方案。根據(jù)步驟（2）中確定的參數(shù)取值范圍，以現(xiàn)場(chǎng)重氣泄放試驗(yàn)中B點(diǎn)在泄放開始后10 min時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為因變量，用Design Export 8的CCD模塊設(shè)計(jì)出9組兩因素多水平正交試驗(yàn)，具體參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案見表1。

表1　參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Scheme and result of the parameter optimization experiment

（5）回歸方程構(gòu)建。應(yīng)用Design Export 8的數(shù)據(jù)擬合功能，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)值關(guān)于待優(yōu)化參數(shù)的回歸方程，并根據(jù)回歸方程的方差檢驗(yàn)結(jié)果，得到精簡(jiǎn)后的回歸方程。

（6）計(jì)算回歸方程最優(yōu)解。利用Design Export 8的最優(yōu)化求解功能，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)絕對(duì)值最小的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，即可得出模型的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。

2.2模型參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

模型參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表1。以大氣穩(wěn)定度（S）和地表粗糙度（R）為自變量，目標(biāo)函數(shù)值為因變量（P），建立目標(biāo)函數(shù)值關(guān)于待優(yōu)化參數(shù)的回歸方程，并對(duì)該回歸方程進(jìn)行方差分析，檢驗(yàn)回歸方程系數(shù)的顯著性，去除回歸方程中的不顯著項(xiàng)，得到如下精簡(jiǎn)后的回歸方程:

令式（2）取值為零，利用Design Export 8的方程求解功能求得模型參數(shù)最優(yōu)解為:地表粗糙度=0.32 m，大氣穩(wěn)定度=2.51，目標(biāo)函數(shù)Min= -0.000 124 211。根據(jù)實(shí)際情況，確定出的SLAB模型優(yōu)化后參數(shù)為地表粗糙度為0.32 m，大氣穩(wěn)定度等級(jí)為C，作為SLAB模型在化工園區(qū)內(nèi)使用時(shí)的基礎(chǔ)參數(shù)值。

3　SLAB模型在天津臨港工業(yè)區(qū)的應(yīng)用

3.1區(qū)域概況

天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)位于海河入?？谀蟼?cè)灘涂淺海區(qū)，是通過圍海造地而形成的港口工業(yè)一體化的海上工業(yè)新城，地處中緯度歐亞大陸東岸，面對(duì)太平洋，季風(fēng)環(huán)流影響顯著:冬季受蒙古冷高氣壓控制，盛行偏北風(fēng)；夏季受西太平洋副熱帶高氣壓左右，多偏南風(fēng)。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)型氣候，有明顯由陸到海的過渡特點(diǎn)，年平均氣溫為14.4℃，7月最熱，月平均氣溫可達(dá)26℃，1月最冷，月平均氣溫為-4℃［13］。臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)共包含化工生產(chǎn)類企業(yè)20余家，如天津大沽化工有限公司、樂金渤?；瘜W(xué)有限公司、天津堿廠等，通過調(diào)研，該經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)及其周邊環(huán)境敏感點(diǎn)共有4個(gè):臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)管委會(huì)、臨港生態(tài)餐廳、散貨交易中心和大沽炮臺(tái)。各環(huán)境敏感點(diǎn)的具體位置詳見圖3。

圖3　臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)環(huán)境敏感點(diǎn)的位置Eig.3 Location of each environmental sensitive point

3.2事故模擬

苯（Benzene，C6H6）是化工行業(yè)中最為常用的物料之一，是合成苯酚、苯乙烯、鹵代苯等芳香族化合物的重要原料，也是一種可燃、有毒、致癌的危險(xiǎn)化學(xué)品。苯在常溫下為一種無色、有甜味的透明液體，其蒸氣密度比空氣重，屬于重氣的范疇?；@區(qū)內(nèi)關(guān)于苯突發(fā)環(huán)境污染事故較為多見，事故類型以罐體泄漏為主［14］。本文假設(shè)事故案例發(fā)生地為臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)某化工廠，事故類型為液態(tài)苯儲(chǔ)罐泄漏，環(huán)境參數(shù)按照臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)全年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定。苯泄漏事故的參數(shù)值詳見表2。

表2　苯泄漏事故的參數(shù)值Table 2 Parameters of Benzene leakage

3.2.1云團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡分析

參照上文中確定的模型優(yōu)化參數(shù)，用修正后的SLAB模型對(duì)苯泄漏后的擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，分別截取泄放開始后1 160 s、1 970 s、2 420 s和3 090 s 4個(gè)時(shí)刻，對(duì)苯蒸汽云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果見圖4。

圖4　不同時(shí)刻苯濃度空間分布圖Eig.4 Spatial distribution of Benzene concentration at different moments

由圖4可以看出，苯泄漏后擴(kuò)散的過程較為緩慢，這是由于液態(tài)苯經(jīng)水平噴射過程泄漏后揮發(fā)成苯蒸汽，苯蒸汽在重力作用下沉降，并在地面附近大量富集并形成重氣云團(tuán)；之后重氣云團(tuán)在氣流的驅(qū)動(dòng)力作用下向下風(fēng)向移動(dòng)，并在擴(kuò)散過程中被不斷稀釋，使得重氣云團(tuán)向側(cè)風(fēng)向擴(kuò)張，同時(shí)其濃度降低。此次模擬事故中，苯在泄漏后1 160 s時(shí)刻到達(dá)臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)管委會(huì)附近，之后越過臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)西北邊界線，繼續(xù)向下風(fēng)向擴(kuò)散；隨后在1 970 s時(shí)刻到達(dá)大沽炮臺(tái)，但此時(shí)重氣云團(tuán)的濃度已經(jīng)較低；在泄漏過程停止后（1 800 s），近源端的污染物濃度急速下降，污染區(qū)域的擴(kuò)張也進(jìn)一步放緩；最后空氣中的重氣云團(tuán)在氣流的作用下進(jìn)一步稀釋擴(kuò)散，在3 090 s時(shí)刻重氣云團(tuán)移動(dòng)軌跡中間出現(xiàn)低濃度區(qū)間，近源端的污染物也已擴(kuò)散殆盡。由于在泄放持續(xù)進(jìn)行過程中，氣云在穩(wěn)態(tài)煙羽擴(kuò)散模式下擴(kuò)散，氣云中污染物的量基于下風(fēng)向距離（x）變量守恒，氣云前端仍處于側(cè)風(fēng)向擴(kuò)張的階段，所以此階段氣云的形狀呈扇形［如圖4（a）］；當(dāng)泄放過程停止后，氣云的擴(kuò)散模式變?yōu)樗沧儫焾F(tuán)擴(kuò)散，氣云中污染物的總量保持不變，氣云在風(fēng)力作用下向下風(fēng)向移動(dòng)，同時(shí)由于大氣的湍流卷吸作用，污染物濃度持續(xù)下降，導(dǎo)致氣云由扇形向帶狀轉(zhuǎn)變［見圖4（b）至（d）］。

3.2.2事故影響范圍分析

苯的急性毒性為中等水平，因此本文選用適用于急性毒性水平不高的化學(xué)污染事故緊急響應(yīng)計(jì)劃指南（ERPG）作為風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域確定的標(biāo)準(zhǔn)。通過查閱美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）官方網(wǎng)站［15］，得到苯對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)ERPG-1、ERPG-2和ERPG-3分別為50 ppm、150 ppm和1 000 ppm，并應(yīng)用SLAB模型對(duì)假設(shè)的苯儲(chǔ)罐泄漏事故在不同季節(jié)條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，在其他條件不變的情況下，得到苯泄漏事故不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的危害縱深，見表3。

表3　不同季節(jié)條件下苯泄漏事故不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的危害縱深Table 3 Comparison of the hazard depth of Benzene leakage in different seasons

由表3可以看出:季節(jié)變化引起的苯泄漏事故危害縱深波動(dòng)較為明顯，不同風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別對(duì)應(yīng)的危害縱深之間差別很大，但變化規(guī)律較為一致:ERPG-1對(duì)應(yīng)的不同季節(jié)條件下苯泄漏事故危害縱深在3 660～5 164 m范圍內(nèi)變化，ERPG-2對(duì)應(yīng)的危害縱深變化范圍為1 965～2 650 m，ERPG-3對(duì)應(yīng)的危害縱深變化范圍較小，為384～652 m。4個(gè)季節(jié)按苯泄漏事故危害縱深從大到小排序?yàn)?冬季＞秋季＞春季＞夏季。

臨港地區(qū)春季以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)速與年均值相比較大，發(fā)生在春季的泄漏擴(kuò)散事故其影響范圍分布更為狹長(zhǎng)，污染范圍擴(kuò)張速度更快，且下風(fēng)向敏感點(diǎn)較多，應(yīng)做好事故的防范與應(yīng)急準(zhǔn)備工作；夏季主導(dǎo)風(fēng)向同樣是以東南風(fēng)為主，風(fēng)速與春季相比較小，高溫高濕是夏季的一大特點(diǎn)，當(dāng)有重氣泄漏擴(kuò)散事故發(fā)生時(shí)，污染物在高溫環(huán)境中分子活性更大，加快了其蒸發(fā)速率以及側(cè)風(fēng)向和鉛垂風(fēng)向上的運(yùn)動(dòng)速率，從而縮短了其事故影響距離，但包括苯在內(nèi)的多數(shù)重質(zhì)氣體都具有易燃易爆性，夏季的高溫特性在增加了其擴(kuò)散稀釋速率的同時(shí)也增加了污染物燃燒爆炸的可能性，因此在事故應(yīng)急過程中，應(yīng)注意防止引發(fā)燃爆事故等次生危害；秋季的氣候特點(diǎn)與春季類似，其主導(dǎo)風(fēng)向較春季略微偏東，如發(fā)生危險(xiǎn)品突發(fā)泄漏事故更易對(duì)臨港管委會(huì)和散貨交易中心等環(huán)境敏感點(diǎn)產(chǎn)生直接影響；冬季是氣溫最低的時(shí)期，臨港地區(qū)冬季的平均氣溫在0℃左右，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，冬季的低溫環(huán)境造成重氣氣體泄漏后擴(kuò)張較為緩慢，能給相關(guān)人員留出更多的應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，但其影響距離卻是幾個(gè)季節(jié)發(fā)生的同類型事故中最大的，雖然主導(dǎo)風(fēng)向是朝向渤海的，但冬季經(jīng)常性的大氣逆溫現(xiàn)象會(huì)為污染物的擴(kuò)散稀釋造成極大困難。

綜上分析可見，臨港地區(qū)發(fā)生在各個(gè)季節(jié)的重氣泄漏事故都具有各自的特點(diǎn)，事故的影響范圍差異性較大。

4　結(jié) 論

本文在天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)以二氟一氯甲烷（R22）為泄放介質(zhì)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)重氣泄放試驗(yàn)，并應(yīng)用氣相色譜法對(duì)不同時(shí)刻下風(fēng)向不同距離點(diǎn)位處采集的氣體樣品進(jìn)行目標(biāo)氣體濃度分析，得到了R22泄放擴(kuò)散過程濃度變化曲線，其與理論分析結(jié)果具有較好的一致性；在此基礎(chǔ)上研究出了一種新的模型參數(shù)優(yōu)化方法，并采用此方法對(duì)大氣穩(wěn)定度和地表粗糙度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為地表粗糙度為0.32 m，大氣穩(wěn)定度等級(jí)為C；通過將優(yōu)化后的SLAB模型在臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行模擬應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果。此外，該模型還可以與各種環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)［16］手段相結(jié)合，為相關(guān)事故的應(yīng)急指揮工作提供輔助決策信息。

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Parameter Optimization of SLAB Model and Its Application

XIONG Ea，CAO Jingguo，MEN Xiaoye，YANG Zongzheng
（College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

SLAB model is evolved from the typical shallow layer model and suitable for heavy gas leakage and diffusion simulation.In order to improve the applicability and accuracy of the model，this paper conducts the monochlorodifluoromethane releasing experiment in Tianjin Harbor Economic Area and the result is quite consistent with the theory.Based on the result，the paper combines the objective function and the response surface optimization algorithm and develops a new model parameter optimization method.Then the paper applies the method to optimizing 2 parameters of the SLAB model，namely，the surface roughness and the level of atmospheric stability.In Tianjin Harbor Economic Area，the paper applies the optimized SLAB model to simulating the benzene leakage case，divides the accident hazard zones and analyzes the size change of these hazard zones under typical seasonal conditions.The results show that the surface roughness of SLAB model is 0.32 m，and the atmospheric stability class is C.The heavy gas leak accidents that occur in each season have their own characteristics with obvious differences in hazard zones under influence.So the model can provide corresponding guidance for emergency command of accidents.

SLAB model；heavy gas leakage diffusion simulation；parameter optimization；surface roughness height；atmospheric stability class；Tianjin Harbor Economic Area

X51；X937

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.004

1671-1556（2015）05-0020-05

2015-01-05

2015-05-31

國(guó)家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)（2012YQ060165）

熊 發(fā)（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘踩鹿誓M及預(yù)測(cè)。E-mail:faxiong@126.com

楊宗政（1974—），男，博士，教授，主要從事三廢處理及資源化利用方面的研究。E-mail:yzz3520@163.com