關(guān)于有毒氣體擴(kuò)散的國內(nèi)研究進(jìn)展分析及發(fā)展建議

孫 磊，邵高聳

(武警學(xué)院 a.研究生隊(duì)；b.科研部，河北 廊坊 065000)

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關(guān)于有毒氣體擴(kuò)散的國內(nèi)研究進(jìn)展分析及發(fā)展建議

孫 磊a，邵高聳b

(武警學(xué)院 a.研究生隊(duì)；b.科研部，河北 廊坊 065000)

對近六年以來與毒氣擴(kuò)散相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行分析研究，概述了國內(nèi)毒氣擴(kuò)散的主要研究方法、研究的主要方向和內(nèi)容，指出了研究存在的問題。根據(jù)研究結(jié)果提出了發(fā)展建議，包括加強(qiáng)不同演化模型的論證和移動毒氣源泄漏研究、增加實(shí)際場景的試驗(yàn)研究、促進(jìn)軟件開發(fā)、加強(qiáng)對影響毒氣擴(kuò)散因素的不確定性分析、加強(qiáng)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流合作等。

毒氣；擴(kuò)散；研究方法

0 引言

毒氣是對生物體有害氣體的統(tǒng)稱，包括天然毒氣、化學(xué)毒氣、含氯有機(jī)氣體、芥子、沙林等。礦井瓦斯爆炸、氣態(tài)危險化學(xué)品泄漏、地震次生毒氣泄漏等事故中有毒有害氣體擴(kuò)散都會造成人員傷亡，如2004年北京京都黃金冶煉有限公司“4·20”氰化物泄漏事故，導(dǎo)致3人死亡、10人中毒；2013年吉林長春寶源豐禽業(yè)“6·3”火災(zāi)事故，引發(fā)氨氣泄漏，導(dǎo)致121人死亡、76人受傷。毒氣擴(kuò)散事故危害極大，因此對毒氣擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究十分重要。

通過毒氣擴(kuò)散規(guī)律的研究，在掌握毒氣擴(kuò)散特點(diǎn)，處置毒氣擴(kuò)散事故，減少人員傷亡及財產(chǎn)損失等方面起到重要的指導(dǎo)作用。趙培[1]等開展了方向與風(fēng)速對氯氣管道泄漏擴(kuò)散的影響研究，對掌握方向和風(fēng)速對氯氣擴(kuò)散的影響發(fā)揮了指導(dǎo)作用；吳玉劍等研究了綠化帶[2]以及建筑物[3]對氯氣泄漏擴(kuò)散的影響，對有綠化帶和建筑物遮擋的氯氣泄漏事故的處置起到了一定的指導(dǎo)作用；宋倩文[4]等開展了毒氣泄漏擴(kuò)散事故中人員疏散的研究，對泄漏事故中人員疏散起到了一定的指導(dǎo)作用；劉繼龍[5]等設(shè)計了基于GIS的毒氣泄漏危險區(qū)域模擬分析系統(tǒng)，對事故中劃分危險區(qū)域具有重要意義。本文對有關(guān)毒氣擴(kuò)散相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分析并提出發(fā)展建議，對加強(qiáng)我國毒氣擴(kuò)散的研究深度，增強(qiáng)其全面性等方面具有重要的意義。

1 毒氣擴(kuò)散規(guī)律的主要研究方法

目前，關(guān)于有毒氣體泄漏擴(kuò)散演化的研究方式主要包括數(shù)值模擬研究、大型現(xiàn)場試驗(yàn)研究和風(fēng)洞試驗(yàn)研究三種[6]，但國內(nèi)的研究方法以數(shù)值模擬研究為主。

數(shù)值模擬研究中最為典型的是BM模型、MTB模型(高斯修正模型)、箱及相似模型、淺層模型以及計算流體力學(xué)模型(CFD)[7]。BM模型利用多次重氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出公式并用曲線描述擴(kuò)散行為。高斯修正模型比較適用于模擬中性氣體，模擬精度較差，但模型簡單，易于理解，計算量小。箱及相似模型主要以矩形分布和相似分布為計算概念，不考慮空間細(xì)節(jié)特征，簡單易用，但在復(fù)雜地形或有障礙物(儲罐、圍堰)時計算偏差較大。計算流體力學(xué)模型為三維有限元計算，該模型主要研究突發(fā)性泄漏，模擬LPG的泄漏比較準(zhǔn)確，但計算量大，比較耗時。除此之外還有P-G模型、重氣云團(tuán)盒子模型和HLY模型，其中，HLY模型是我國原化工部勞保研究所提出來的模型，適用于有毒氣體泄漏規(guī)律的研究，在研究結(jié)果上比國外的研究數(shù)據(jù)更符合實(shí)際。

2 毒氣擴(kuò)散的研究內(nèi)容和現(xiàn)狀

2.1 毒氣泄漏事故的動態(tài)演化

國內(nèi)近幾年仍然通過數(shù)學(xué)建模，使用數(shù)值模擬的方法，通過FLUENT、MATLAB等模擬軟件，以氯氣、氨氣、偏二甲肼、二氧化碳、硫化氫等氣體為對象，進(jìn)行毒氣擴(kuò)散模擬[8-9]，分析影響擴(kuò)散的因素[10-11]，分析毒氣擴(kuò)散風(fēng)險[12]，進(jìn)行后果評價[13-14]，輔助實(shí)施事故處置[15]。

2.1.1 移動源的毒氣泄漏。利用數(shù)值模擬的方法，應(yīng)用半球擴(kuò)散理論模型，對移動毒源在移動過程中發(fā)生的泄漏事故進(jìn)行模擬演化，分析其擴(kuò)散規(guī)律，一定程度上指導(dǎo)毒氣泄漏的處置工作。在預(yù)先設(shè)定的溫度、大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速的基礎(chǔ)上，主要分析研究在不同的毒氣泄漏速率、泄漏量、移動源行進(jìn)速度、行進(jìn)距離時的毒氣擴(kuò)散規(guī)律[16]。

2.1.2 固定空間內(nèi)導(dǎo)彈推進(jìn)劑泄漏。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，利用擴(kuò)散模擬軟件，對固定空間內(nèi)導(dǎo)彈推進(jìn)劑泄漏事故進(jìn)行模擬擴(kuò)散規(guī)律分析，主要以偏二甲肼[17]氣體為例，研究演化擴(kuò)散規(guī)律，劃分中毒濃度區(qū)域、爆炸危險區(qū)域，并結(jié)合不同的排風(fēng)速度、排風(fēng)方向，為人員防護(hù)和事故處置提出建議[18]。

2.1.3 固定裝置的毒氣泄漏。針對化工企業(yè)、工業(yè)園區(qū)等場所的固定罐、設(shè)施泄漏進(jìn)行模擬演化分析，研究在不同大氣穩(wěn)定度、不同風(fēng)速、不同泄漏位置、有無障礙物的情況下的毒氣泄漏規(guī)律，并針對模擬結(jié)果劃分相應(yīng)區(qū)域，探究最佳疏散路線[19-20]。

2.1.4 城市街區(qū)毒氣泄漏演化。近幾年內(nèi)的毒氣泄漏演化逐漸傾向于城市街區(qū)的毒氣泄漏模擬，主要特點(diǎn)就是在原有數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上考慮街區(qū)建筑物的遮擋、地形的起伏對毒氣擴(kuò)散規(guī)律的影響，并引進(jìn)新的技術(shù)和軟件，對毒氣擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行可視化分析，根據(jù)分析結(jié)果劃分危險區(qū)域，指導(dǎo)事故處置和救援[21]。研究內(nèi)容主要包括：通過DEM空間分辨率[22]與GIS地圖結(jié)合，研究引入地形因子后對毒氣泄漏演化結(jié)果的影響以及不同的DEM空間分辨率對模擬結(jié)果的影響；CFD與GIS地圖相結(jié)合，研究城市街區(qū)建筑群對毒氣泄漏后擴(kuò)散的影響[23]；運(yùn)用ArcGIS及其開發(fā)軟件，對常規(guī)場景以及地震次生災(zāi)害毒氣泄漏擴(kuò)散的模擬演化[24]，根據(jù)等值線劃分不同危險程度的區(qū)域，研究其實(shí)際應(yīng)用[25]；OpenFOAM與PISO算法結(jié)合，對毒氣泄漏進(jìn)行模擬并與FLUENT軟件結(jié)果進(jìn)行對比，分析此方法模擬結(jié)果的可靠性[26]；對高斯模型進(jìn)行優(yōu)化，加入地形因子，再進(jìn)行毒氣泄漏的擴(kuò)散規(guī)律分析[27]。

2.2 影響毒氣擴(kuò)散風(fēng)險的參數(shù)不確定性研究

隨著軟件的不斷開發(fā)和改進(jìn)，研究學(xué)者開始對毒氣泄漏過程中影響其風(fēng)險的參數(shù)不確定性進(jìn)行分析，主要應(yīng)用數(shù)學(xué)分析方法和分析軟件，以特定毒氣為例，分析、評估影響擴(kuò)散的風(fēng)速、泄漏速率、大氣環(huán)境等因素，進(jìn)行不確定分析。雖然這方面的研究比較少，但其研究的內(nèi)容是參數(shù)的不確定性，比較符合實(shí)際泄漏過程各種條件的不確定性，因此，在指導(dǎo)毒氣泄漏預(yù)案制定、救援訓(xùn)練、實(shí)際救援等方面具有一定的指導(dǎo)性意義[28]。

2.3 基于毒氣擴(kuò)散規(guī)律的軟件研究

近幾年對毒氣泄漏處置決策軟件研發(fā)的研究也在逐漸增多，主要通過數(shù)值模擬與當(dāng)?shù)谿IS地圖相結(jié)合，根據(jù)用戶輸入的環(huán)境條件進(jìn)行模擬演化，有利于危險區(qū)域邊界的辨識和劃定[29]；數(shù)值模擬與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，對毒氣的擴(kuò)散過程進(jìn)行仿真，更加直觀地了解毒氣的擴(kuò)散規(guī)律[30]。經(jīng)過幾年的技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了部分軟件可以根據(jù)設(shè)定氣體種類、環(huán)境條件等進(jìn)行模擬，并實(shí)現(xiàn)了輔助決策的功能，但這方面軟件的應(yīng)用還不普及，設(shè)計也還有待改進(jìn)。

3 毒氣擴(kuò)散研究存在的問題及發(fā)展建議

3.1 存在的問題

通過對國內(nèi)有毒氣體擴(kuò)散的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此方面的研究還存在以下幾個問題：研究方法比較單一，主要以數(shù)值模擬法為主，缺乏實(shí)際環(huán)境的試驗(yàn)研究；毒氣泄漏演化過程中，對影響演化結(jié)果的因素考慮不全，存在著片面主觀的條件設(shè)定，不具普適性；對于移動毒氣源的泄漏研究較少；對于軍事導(dǎo)彈推進(jìn)劑的模擬演化研究少，多為受限空間內(nèi)的研究，演化條件單一；由于城市街區(qū)地形、氣象、建筑的復(fù)雜，影響因素多，對于城市街區(qū)的擴(kuò)散規(guī)律研究的精確度還有待提高；相關(guān)毒氣泄漏的輔助決策軟件增多，但輔助決策軟件是基于一定擴(kuò)散模型的，而模型的修正，軟件跟進(jìn)不及時，且考慮到的環(huán)境因素不夠全面，對于復(fù)雜場景的毒氣擴(kuò)散模擬及輔助決策的精確度和實(shí)時性還有待提高，雖然輔助決策軟件能與GIS進(jìn)行結(jié)合，但GIS的精確性不夠，更新不及時，對于環(huán)境數(shù)據(jù)的采集還需其他設(shè)備檢測后進(jìn)行輸入，其人機(jī)交互以及智能化程度仍有很大發(fā)展空間；對于影響毒氣泄漏擴(kuò)散危險性的因素的不確定性研究少，對此方面的研究還需加強(qiáng)。

3.2 研究發(fā)展建議

基于目前我國毒氣擴(kuò)散研究過程中存在的問題，以及此領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)需求，提出以下幾點(diǎn)建議。

3.2.1 豐富研究方法，增加實(shí)際場景的試驗(yàn)研究。毒氣泄漏的模擬演化分析雖然更加節(jié)省人力物力、更方便進(jìn)行情況設(shè)定和分析研究，但是模擬結(jié)果依然不是最接近現(xiàn)實(shí)情況的，而且模擬演化無法考慮到實(shí)際環(huán)境中的不確定因素，其結(jié)果的真實(shí)性和有效性則無法保證。期望毒氣擴(kuò)散規(guī)律的研究更加深入、更加準(zhǔn)確，就要豐富研究方法，增加國外經(jīng)常采用的風(fēng)洞試驗(yàn)研究以及大型現(xiàn)場試驗(yàn)研究。通過模擬演化分析指導(dǎo)實(shí)際試驗(yàn)條件的設(shè)定、試驗(yàn)的布置，同時通過實(shí)際場景試驗(yàn)又可以對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，從而優(yōu)化模型，增強(qiáng)模擬的準(zhǔn)確性。

3.2.2 加強(qiáng)不同演化模型的論證，逐步修正理論模型?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境復(fù)雜多變，毒氣種類多樣，不同的數(shù)學(xué)模型有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)效性也會在不同的設(shè)定情況下出現(xiàn)不同。因此，今后應(yīng)該加強(qiáng)對不同情況下不同的演化模型的論證，對毒氣泄漏過程的模擬演化應(yīng)該更多地考慮實(shí)際情況，確定適當(dāng)?shù)难芯繉ο?，根?jù)研究對象的特點(diǎn)，加入不同泄漏方式的演化，充分考慮環(huán)境因素、泄漏源因素以及人為因素對模擬演化的影響，不斷修正演化模型，使模擬演化結(jié)果更加符合實(shí)際。

3.2.3 加強(qiáng)移動泄漏源的模擬演化研究。目前的毒氣泄漏演化分析主要集中在固定源的分析與演化上，對于移動源泄漏的演化分析還較少。但是移動過程中毒氣泄漏的現(xiàn)象也是存在的，而且其影響程度也是不可確定的，因此，加強(qiáng)對移動源泄漏過程的演化分析研究十分必要。只有移動泄漏源的擴(kuò)散研究取得一定或者較大的進(jìn)展后，才能進(jìn)一步開發(fā)出準(zhǔn)確、高效的分析軟件，為處置指揮者提供決策分析的依據(jù)。

3.2.4 加強(qiáng)新技術(shù)新手段的應(yīng)用，促進(jìn)軟件開發(fā)。毒氣擴(kuò)散軟件的開發(fā)應(yīng)該首先滿足演化結(jié)果的準(zhǔn)確性和高效性，還要滿足使用者的便利性。準(zhǔn)確性上，要不斷改進(jìn)演化模型和算法，及時更新毒氣種類數(shù)據(jù)庫、GIS數(shù)據(jù)庫；便捷高效性上，要同步研發(fā)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，提高傳感器集成度，使整個過程從數(shù)據(jù)采集到演化結(jié)果分析到輔助決策實(shí)現(xiàn)一體化，從而提高事故處置效率，減少人員傷亡。

3.2.5 加強(qiáng)對影響毒氣擴(kuò)散風(fēng)險性因素的不確定性分析。實(shí)際發(fā)生毒氣泄漏時，毒氣擴(kuò)散的發(fā)展進(jìn)程受諸多因素的影響，而目前對于毒氣泄漏的模擬演化都是基于特定條件下的模擬，也就是排除了不確定因素的影響，不符合實(shí)際現(xiàn)場的毒氣擴(kuò)散規(guī)律。要得到科學(xué)準(zhǔn)確的決策，就應(yīng)該對影響毒氣擴(kuò)散因素進(jìn)行不確定分析，找出適當(dāng)?shù)姆治龇椒?，?yīng)用于決策中。

3.2.6 加強(qiáng)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，汲取先進(jìn)成果。國內(nèi)對毒氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但是仍然要看到與國際上其他國家的差距。國外對于毒氣擴(kuò)散規(guī)律更加注重試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)散規(guī)律的分析比較多，無論在理論研究方面還是軟件設(shè)計方面都有著比較先進(jìn)的研究成果。因此，我國的相關(guān)研究人員應(yīng)該多參與國際間的學(xué)術(shù)交流，加強(qiáng)國際間的交流合作，學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)成果，推動我國對毒氣擴(kuò)散的研究進(jìn)展。

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

PoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

Toxic Gas Diffusion Research Progress in China and Development Suggestions

SUN Leia, SHAO Gaosongb

(a.TeamofGraduateStudents;b.DepartmentofScientificResearch,TheArmed

On the basis of reviewing the literature related to toxic gas diffusion in the last six years and summarizing its main research methods, directions and contents in China, this article points out some existing problems in current research, and puts forward some development suggestions, including carrying out more research on different evolution model demonstration and the mobile gas leakage source study, conducting more actual scene experiments, promoting software development, conducting more analysis on the uncertainty of factors affecting gas diffusion and strengthening domestic and international academic exchanges and cooperation.

toxic gas; diffusion; research methods

2017-03-23

公安部技術(shù)研究計劃項(xiàng)目(2014JSYJA024)；武警學(xué)院國家基金培育課題(ZKJJPY201601)

孫磊(1992— )，男，山東章丘人，滅火救援專業(yè)在讀碩士研究生； 邵高聳(1980— )，女，山東濟(jì)寧人，副教授，博士，主要從事消防滅火與應(yīng)急救援等方面的研究。

X932

A

1008-2077(2017)06-0027-04