化工園區(qū)大氣污染事故風(fēng)險(xiǎn)模擬研究

王娜　張?jiān)椒恰↓徲袊↑S李洲　池汝安

【摘 要】化工園區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)模擬對(duì)應(yīng)急響應(yīng)方案制訂具有重要的指導(dǎo)意義。文章選取浙江某化工園區(qū)作為研究目標(biāo)，利用WRF-CALMET模擬的高分辨率氣象場(chǎng)耦合CALPUFF擴(kuò)散模型，模擬園區(qū)突發(fā)性大氣污染事故。結(jié)果顯示：①WRF-CALMET能更好地反映該園區(qū)地形特征對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，模擬結(jié)果較僅采用WRF模擬更精確，與觀測(cè)數(shù)據(jù)更相近，能更可靠地模擬出高分辨率化工園區(qū)氣象場(chǎng);②將WRF-CALMET模擬的高分辨率氣象場(chǎng)輸入CALPUFF擴(kuò)散模式中，結(jié)果顯示模擬的污染物濃度分布與風(fēng)速風(fēng)向變化的實(shí)際情況相近，表明CALPUFF能較好地模擬園區(qū)復(fù)雜地形氣象條件下的大氣污染擴(kuò)散;③WRF-CALMET耦合CALPUFF模型能根據(jù)事故點(diǎn)、排放速率、污染源性質(zhì)模擬不同污染物擴(kuò)散濃度分布，對(duì)事故應(yīng)急響應(yīng)有一定的指導(dǎo)作用，可以作為該化工園區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參考模型。

【關(guān)鍵詞】安全工程;大氣污染事故;CALPUFF;WRF-CALMET;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

【中圖分類號(hào)】X507 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）01-0056-04

0 前言

化工園區(qū)的建設(shè)對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)有重要的支撐作用，它作為眾多企業(yè)的聚集地，存在各種危險(xiǎn)化學(xué)品，有些化學(xué)品一旦發(fā)生異常排放、泄露或者爆炸，將對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響事故發(fā)生地周圍的環(huán)境。近年來，化工園區(qū)內(nèi)的事故頻繁發(fā)生[1-3]，為了降低事故所造成的危害和損失，需要對(duì)園區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，快速確定危害范圍，從而提供應(yīng)急方案。

目前，針對(duì)園區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估的大氣擴(kuò)散模型主要有SLAB，DEGAD IS，ALOHA，ARCH IE，DEMRA和 LPDM等，這些模型各有優(yōu)劣[4]，并且事故發(fā)生的突發(fā)性、時(shí)效性及當(dāng)?shù)貙?shí)際地形及氣象條件都會(huì)對(duì)擴(kuò)散模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)[5，6]使用中尺度氣象模式耦合微尺度氣象模式，能夠模擬得到園區(qū)局部精細(xì)地形條件下的高時(shí)空分辨率氣象，再與大氣擴(kuò)散模式相結(jié)合，可以更好地模擬復(fù)雜地形下的污染物擴(kuò)散。近年來，CALPUFF模型在事故模擬中得到廣泛應(yīng)用[7-9]，它能夠無縫利用中尺度氣象模式WRF耦合CALMET風(fēng)場(chǎng)診斷模式得到高分辨率氣象場(chǎng)作為輸入，獲得污染物擴(kuò)散濃度分布。

本文以浙江某化工園區(qū)液氨泄漏事故為例，首先利用WRF-CALMET模擬得到園區(qū)高分辨氣象場(chǎng)，其次利用CALPUFF模型模擬園區(qū)泄露擴(kuò)散濃度分布及事故發(fā)生后的危害范圍，以期為化工園區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及應(yīng)急響應(yīng)提供參考。

1 模型簡介與模擬方案

本文所用的模型主要包括3個(gè)部分：中尺度氣象模式WRF、風(fēng)場(chǎng)診斷模式CALMET及CALPUFF擴(kuò)散模式。WRF-CALMET用于模擬事故地點(diǎn)周圍的精細(xì)氣象場(chǎng)，CALPUFF則用于模擬事故后污染物的擴(kuò)散過程及危害范圍。

WRF模式是由美國大氣研究中心（NCAR）、中小尺度氣象處（MMM）等多部門聯(lián)合研究的新一代中尺度數(shù)值模式和同化系統(tǒng)，它采用高度模塊化、并行化和分層設(shè)計(jì)技術(shù)，具有更為合理的模式動(dòng)力框架、先進(jìn)的三維變分資料同化系統(tǒng)，以及更豐富的內(nèi)部參數(shù)化方案[10]，尤其是能為其他數(shù)值模式提供更準(zhǔn)確的初始?xì)庀髨?chǎng)[11]。CALPUFF是一種三維非穩(wěn)態(tài)拉格朗日擴(kuò)散模式系統(tǒng)，為美國環(huán)保局（USEPA）推薦的環(huán)境評(píng)價(jià)模型之一，能模擬復(fù)雜地形下幾十米至幾百公里范圍內(nèi)污染物的擴(kuò)散。CALMET是CALPUFF模型中氣象模型，包括診斷風(fēng)場(chǎng)模塊和微氣象模塊，可直接使用WRF的模擬結(jié)果，輸出局部地區(qū)高時(shí)空分辨率的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、湍流場(chǎng)等三維網(wǎng)格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，提高模擬精度[12]。

1.1 WRF參數(shù)設(shè)置

本文使用WRFv3.7.1版本模擬當(dāng)?shù)乇尘皻庀髨?chǎng)，作為CALMET輸入數(shù)據(jù)。模式采用三重嵌套網(wǎng)格（如圖1所示），模擬中心為（33.3°N，103.3°E），投影方式為Lambert投影，兩條真緯度分別為30°N和60°N。最外層網(wǎng)格（d01）范圍覆蓋全國，網(wǎng)格數(shù)為539×512，水平分辨率為9 km，第二層網(wǎng)格（d02）范圍基本覆蓋包括長江三角洲地區(qū)，網(wǎng)格數(shù)為300×300，水平分辨率為3 km，第三層網(wǎng)格（d03）范圍覆蓋化工園區(qū)及其周邊，網(wǎng)格數(shù)為120×120，水平分辨率為1 km。模式垂直分層為不等距34層，近地面的混合層分布較為密集，層頂氣壓為50 hPa，積分時(shí)間步長為30 s。模式中初始?xì)庀髨?chǎng)和側(cè)邊界條件使用水平分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6 h的全球再分析資料NCEP-FNL（National Centers for Environment Prediction-Final Analysis），靜態(tài)地形數(shù)據(jù)采用MODIS_30s數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)為最內(nèi)層區(qū)域逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)。WRF模擬參數(shù)見表1。

1.2 CALMET參數(shù)設(shè)置

基于WRFv3.7.1三層嵌套模擬的基礎(chǔ)上，使用CALMET 6.5模擬園區(qū)風(fēng)場(chǎng)如圖2所示，其中用黑線圍起來的區(qū)域是園區(qū)主要化工廠聚集地，三角形符號(hào)代表58553國家氣象站，星形符號(hào)代表園區(qū)附近小型氣象監(jiān)測(cè)站（11111站點(diǎn)）。以WRF的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)輸出結(jié)果、58553國家氣象站每3小時(shí)氣象數(shù)據(jù)和11111監(jiān)測(cè)站逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)作為其氣象輸入資料，美國NASA和日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易工業(yè)部（METI）聯(lián)合測(cè)量的30 m精度ASTER GDEM地形數(shù)據(jù)和美國地質(zhì)勘察局（USGS）的GLCC提出的1 km分辨率土地利用數(shù)據(jù)作為其地理輸入資料;采用橫軸墨卡托投影UTM，模擬區(qū)域?yàn)?0 km×15 km，網(wǎng)格點(diǎn)為200×150，網(wǎng)格大小為100 m，如圖2覆蓋園區(qū)主要工業(yè)區(qū)及周邊大多數(shù)村莊;區(qū)域模擬的垂直高度均為4 000 m，從地面開始向高空共垂直定義10層、11個(gè)等高面，以相鄰兩個(gè)等高面的中心高度作為每層的有效高度，垂直等高面高度分別為0 m、20 m、40 m、80 m、160 m、320 m、640 m、1 200 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m;模擬輸出結(jié)果為5 min氣象場(chǎng)。

1.3 CALPUFF源參數(shù)設(shè)置

事故發(fā)生時(shí)，泄露速度很快，可將危險(xiǎn)品快速釋放的過程視為有限空間內(nèi)的體源，擴(kuò)散系數(shù)參考《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-大氣環(huán)境》（HJ2.2 2008）設(shè)定體源參數(shù)[13]，假設(shè)該園區(qū)內(nèi)某公司20 t液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄露，CALPUFF源參數(shù)設(shè)置見表2。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 氣象模擬效果評(píng)估

圖3左圖為WRF模擬、CALMET模擬和58553氣象站實(shí)際觀測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向和溫度的時(shí)間變化序列圖，從風(fēng)速數(shù)據(jù)圖像來看，整體上CALMET模擬值與觀測(cè)值比較接近，變化趨勢(shì)大致相同。從風(fēng)向圖像來看，從2018-01-06的18：00至2018-01-10的21：00期間，CALMET和WRF模擬數(shù)據(jù)區(qū)別不大，但是與觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)相差較大，其中從2018-01-07的21：00至2018-01-09的9：00期間，CALMET和WRF模擬數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，變化趨勢(shì)相同;其他時(shí)間段，CALMET模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，但相較于WRF模擬數(shù)據(jù)而言，模擬效果要好。從溫度圖像上看，58553 CALMET數(shù)據(jù)和58553 WRF數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)幾乎一樣，但是與觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，整體上CALMET溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)比較接近觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3右圖為園區(qū)11111觀測(cè)值和WRF、CALMET模擬值時(shí)間序列圖，從整體上看，CALMET模擬值和觀測(cè)值相差很小，模擬效果很好。

對(duì)WRF和CALMET模擬值與觀測(cè)值關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表3），其中統(tǒng)計(jì)量為偏差（Bias）、總誤差（Gross Error，GE）、均方根誤差（Root-Mean-Square Error，RMSE）、一致性指數(shù)（Index Of Agreement，IA）[11]。結(jié)果分析表示，CALMET相比較WRF數(shù)據(jù)，與觀測(cè)值比較接近，能更好地反映該區(qū)域下的氣象場(chǎng)。

總之，CALMET模擬結(jié)果較WRF模擬值與觀測(cè)值更接近，WRF和CALMET均能很好地反映園區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速和溫度的變化趨勢(shì)。

2.2 CALPUFF泄露模擬分析

根據(jù)CALMET數(shù)據(jù)評(píng)估結(jié)果，選擇2018年1月8日0時(shí)作為事故發(fā)生起始時(shí)間，假設(shè)某公司發(fā)生氨氣泄露，泄漏量為20 t，時(shí)間間隔為5min，得到液氨泄露過程，結(jié)果如圖4所示，其中左圖分別為泄露過程中15 min和25 min的CALMET模擬氣象場(chǎng)，右圖為對(duì)應(yīng)為該時(shí)間段下CALPUFF模擬的液氨擴(kuò)散濃度圖。從風(fēng)場(chǎng)可以看出：CALPUFF能很好地模擬污染物泄露過程，模擬濃度擴(kuò)散分布與當(dāng)時(shí)該地區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速一致。

根據(jù)圖4液氨泄露濃度分布圖，再結(jié)合國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和氨氣閾值[14]分析液氨泄露過程危險(xiǎn)范圍變化。當(dāng)泄露量為20 t時(shí)，15 min后最內(nèi)層區(qū)域氨氣濃度達(dá)到100 mg/m3，超過短時(shí)間氨氣容許值30 mg/m3，存在一定危險(xiǎn);25 min 后危險(xiǎn)范圍逐漸增大，主要危險(xiǎn)區(qū)域位于最內(nèi)層，最大濃度為1 470 mg/m3，該濃度可能危及生命，可致死亡。這表明CALPUFF模型能夠很好地模擬園區(qū)危險(xiǎn)品泄露過程中的濃度分布和危險(xiǎn)區(qū)域分布，便于分析事故發(fā)生時(shí)的危害范圍。

同時(shí)，當(dāng)泄露量為2 t時(shí)（如圖5所示），25 min 后整個(gè)區(qū)域氨氣最大濃度為147 mg/m3，其中最內(nèi)層濃度超過10 mg/m3;同樣，改變事故發(fā)生點(diǎn)的位置，則模型模擬擴(kuò)散地點(diǎn)相應(yīng)改變。所以，CALPUFF能根據(jù)污染源設(shè)置參數(shù)（地理坐標(biāo)、泄露速率、污染源種類）模擬不同的大氣污染事故，給出相應(yīng)的危害范圍，為該園區(qū)突發(fā)性事故應(yīng)急提供有效的指導(dǎo)意見。

3 結(jié)論

本文耦合WRF、CALMET與CALPUFF模式，對(duì)浙江某化工園區(qū)大氣污染事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)模擬評(píng)估并將模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

（1）在WRF模擬基礎(chǔ)上，進(jìn)一步運(yùn)用CALMET風(fēng)場(chǎng)診斷模式，考慮局部地形條件的影響，模擬的風(fēng)速風(fēng)向與實(shí)測(cè)值一致，模擬的風(fēng)場(chǎng)比僅用WRF模擬的風(fēng)場(chǎng)更接近實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，顯示W(wǎng)RF-CALMET風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果合理且時(shí)空分辨率更高，可以更好地應(yīng)用于擴(kuò)散的模擬，提高擴(kuò)散模擬的精度和可靠性。

（2）基于WRF-CALMET的高分辨率風(fēng)場(chǎng)，以氨氣泄露為例，運(yùn)用CALPUFF模型對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果顯示CALPUFF能合理地模擬出污染物危害距離的演化趨勢(shì)，這表明WRF-CALMET風(fēng)場(chǎng)模式耦合CALPUFF擴(kuò)散模式能夠合理地模擬出事故中污染物的擴(kuò)散過程。

（3）WRF-CALMET與CALPUFF耦合，耦合模式能根據(jù)污染源的種類、地理坐標(biāo)、排放量、排放速率，快速模擬出某化工園區(qū)事故后相應(yīng)的污染源擴(kuò)散濃度分布和危害范圍，為該化工園區(qū)事故初始階段提供有效的應(yīng)急方案，可以作為該化工園區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參考模型。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張兵.冷庫建筑防火設(shè)計(jì)分析——以寶源豐禽業(yè)有限公司特別重大火災(zāi)事故為例[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9（10）：157-161.

[2]解怡潔，朱利紅，孫丹，等.“八二”昆山工廠鋁粉塵爆炸事故35例特重度燒傷患者多學(xué)科協(xié)作救治管理經(jīng)驗(yàn)[J].中華燒傷雜志，2019，35（4）：316-318.

[3]趙艷梅，張永忠，常留栓，等.天津港“8·12”特別重大火災(zāi)爆炸事故應(yīng)急救援行動(dòng)分析[J].中國急救復(fù)蘇與災(zāi)害醫(yī)學(xué)雜志，2016，11（11）：1049-1051.

[4]張建文，安宇，魏利軍.化學(xué)危險(xiǎn)品事故應(yīng)急響應(yīng)大氣擴(kuò)散模型評(píng)述[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007（6）：3，16-21.

[5]Anel Hernández，Saavedra S，Angel Rodríguez，et al.Coupling WRF and CALMET Models：Validation During Primary Pollutants glc Episodes in an Atlantic Coastal Region[M].Air Pollution Modeling and its Application XXII.Springer Netherlands，2014.

[6]黃昕，李蒙蒙，張振州，等.突發(fā)性大氣環(huán)境污染事件應(yīng)急預(yù)警技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012（6）：252-257.

[7]Shasha N，Zhen S，Aihua L，et al.LOCA I-131 source term analysis for the proposed Taohuajiang AP1000 NPP[J].Nuclear Techniques，2012，35（1）：69-73.

[8]Hospital A，Miguez T，Stronach J.Flammability risk assessment for oil spill response operations[J].Acta Oceanologica Sinica -English Edition-，2019，38（9）：113-119.

[9]鮑萍，馬國平，范子野.基于CALPUFF的大氣污染預(yù)測(cè)軟件優(yōu)化[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2019，17（4）：19-24.

[10]貫叢，張樹文，于靈雪，等.中尺度WRF模式在資源環(huán)境評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，61（4）：130-133.

[11]朱俊濤，龔有國，肖凱濤.危險(xiǎn)化學(xué)品大氣污染事故模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2017（2）：621-625.

[12]伯鑫，丁峰，徐鶴，等.大氣擴(kuò)散CALPUFF模型技術(shù)綜述[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2009，21（3）：9-13.

[13]劉龍.工業(yè)園區(qū)規(guī)劃大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法與案例研究[D].北京：清華大學(xué)，2014.

[14]吳金貴，唐傳喜，盧國良，等，上海市某化工區(qū)液氨儲(chǔ)罐泄漏危害風(fēng)險(xiǎn)分析[J].職業(yè)與健康，2017（15）：2025-2028.