石化園區(qū)危險(xiǎn)氣體庫泄漏的氣象擴(kuò)散模型應(yīng)用

許楷鋮，郭燕龍，童志明，張生奇，黃文敏

（珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海 519000）

過去10年，涉及危險(xiǎn)氣體爆炸、泄漏、擴(kuò)散等突發(fā)性安全事故屢屢發(fā)生，造成慘重的生命代價(jià)和環(huán)境污染問題。僅2018年，我國就發(fā)生了176起化工事故，造成了 233人死亡［1］；2019年江蘇響水“3·21”爆炸事故造成78人死亡［2］。?；沸孤┮院?，若能第一時(shí)間進(jìn)行預(yù)警，快速準(zhǔn)確的響應(yīng)，及時(shí)地采取應(yīng)急處置救援，對于保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。目前，氣體擴(kuò)散模型的研究方法主要有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法、試驗(yàn)法以及模型法。胡艷菊等［3］基于電子地圖為背景，通過地理信息系統(tǒng)技術(shù)，為危險(xiǎn)化學(xué)品突發(fā)泄漏事故提供應(yīng)急決策；王洪德等［4］利用高斯模式研究了天然氣泄漏后的擴(kuò)散規(guī)律及主要影響；唐靖寅［5］、鄒旭東等［6］和張歡［7］對區(qū)域大氣污染擴(kuò)散進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置模式和監(jiān)測數(shù)據(jù)比較符合結(jié)果。但對危險(xiǎn)氣體的泄漏擴(kuò)散模式分析還是以靜態(tài)分析為主，如張禹海等［8］、張慶龍等［9］和陳紅梅等［10］在歸納現(xiàn)有化學(xué)危險(xiǎn)品泄漏擴(kuò)散機(jī)理的同時(shí)，對氣體的擴(kuò)散過程進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)城市大氣污染物時(shí)空分布的可視化模擬，為應(yīng)急處理提供輔助決策。此外，國內(nèi)對化工園區(qū)內(nèi)的氣象災(zāi)害致災(zāi)的分析主要是集中在雷電物理損壞風(fēng)險(xiǎn)分析、雷電致災(zāi)企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)損失估算及對應(yīng)的雷電防御措施的分析上，如郭燕龍等［11］利用廣東地閃定位系統(tǒng)對沿海地區(qū)大型LNG儲罐的雷電危害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析；魏秀梅［12］利用閃電資料針對河北滄州某化工廠企業(yè)雷電防護(hù)裝置的評估，進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評估，并給出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施與建議。但對危險(xiǎn)氣體泄漏的擴(kuò)散路徑、濃度及環(huán)境污染的應(yīng)急模型研究較少，而污染擴(kuò)散模型的實(shí)現(xiàn)是為政府決策部門在處理相關(guān)應(yīng)急工作提供必要的技術(shù)保障［13-14］。本研究通過假設(shè)高欄石化區(qū)由于雷電災(zāi)害導(dǎo)致苯泄漏，按事故致災(zāi)最嚴(yán)重的后果，分析其氣象擴(kuò)散模型，并結(jié)合突發(fā)預(yù)警信息系統(tǒng)及預(yù)報(bào)網(wǎng)格的服務(wù)功能［15-16］，進(jìn)行污染物擴(kuò)散分析。

1 模型介紹

1.1 模型

利用我國自主研發(fā)的GRAPES-MESO驅(qū)動拉格朗日混合單粒子軌跡模型的模式——HYSPLIT模式，該模式是一種歐拉-拉格朗日混合計(jì)算模式，其平流和擴(kuò)散計(jì)算采用拉格朗日方法，通常用于跟蹤氣流攜帶的粒子或氣體移動方向進(jìn)行軌跡研究［17-18］。模式采用地形坐標(biāo)，水平網(wǎng)格與輸入的氣象場相載入珠海市各?；伏c(diǎn)、人員密集型點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)等，根據(jù)不同場所設(shè)置不同大氣污染物及其沉降參數(shù)等，模擬出更加合理的大氣污染物未來可能的影響范圍及沉降濃度分布。模型選用GRAPES-MESO作為氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動場，選用廣東省為預(yù)報(bào)范圍，分辨率較高，為9 km，每天預(yù)報(bào)時(shí)次為4時(shí)次，分別為02：00、08：00、14：00和20：00（北京時(shí)，下同），預(yù)報(bào)時(shí)效為72 h。對大型危化品點(diǎn)使用最新的氣象預(yù)報(bào)場驅(qū)動Hysplit模式，每3 h進(jìn)行定時(shí)爆炸泄漏模擬，并顯示擴(kuò)散及沉降模擬結(jié)果。

1.2 方法

（1）將GRAPES的模擬結(jié)果代替其他氣象場輸入到HYSPLIT模式中，提供突發(fā)性大氣污染物的軌跡、擴(kuò)散、沉降濃度等。

（2）普查珠海市石化區(qū)?；凤L(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)信息，載入模型中，選取?；伏c(diǎn)。

（3）通過調(diào)研、考察、查找文獻(xiàn)等得到不同大氣污染物的干濕沉降參數(shù)：表觀反應(yīng)速率、擴(kuò)散常數(shù)、亨利定律常數(shù)、云內(nèi)濕沉降和云下濕沉降等，合理設(shè)置不同大氣污染物的干濕沉降參數(shù)。

（4）進(jìn)行擴(kuò)散模擬分析。

危險(xiǎn)氣體煙雨可定義在垂直和水平方向上。對于每一煙羽，其質(zhì)量濃度是每一時(shí)間步上，落在煙羽范圍內(nèi)的所有格點(diǎn)中的煙羽的總和。垂直分布往往被定義為頂帽分布，其范圍是±1.54σz；而水平分布是頂帽分布（范圍是±1.54σh）或高斯分布（±3.0σh）。對于頂帽煙雨，每一格點(diǎn)所增加的質(zhì)量濃度，通過式（1）計(jì)算：其中，垂直范圍，水平半徑r=1.54σh；m是指每一微?；驘熡甑奈廴疚镔|(zhì)量（kg）。煙雨范圍內(nèi)的所有格點(diǎn)節(jié)點(diǎn)得到同樣的Δρ（kg）。對于每一高斯煙雨，所增加的質(zhì)量濃度分布為

其中，x表示從煙雨中心到格點(diǎn)節(jié)點(diǎn)（Δz=3.08σz的距離）。

而一個(gè)時(shí)間步中的總沉降D的簡化計(jì)算為

其中，βdry為干沉降、βgas為氣體的濕清除、βinc為微粒的云內(nèi)濕清除、βbel為微粒的云下濕清除。通過沉降，污染物質(zhì)量有所減少。

通過增加氣象場條件，預(yù)報(bào)其合理的擴(kuò)散及沉降結(jié)果。

2 模型分析

2.1 天氣實(shí)況

高欄港區(qū)在2月19日近地層主要受東風(fēng)控制，廣東省內(nèi)陸大部分地區(qū)主要受偏南氣流影響。

2.2 危險(xiǎn)氣體庫泄漏的氣象擴(kuò)散過程

1）選點(diǎn)。

高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)石化產(chǎn)業(yè)眾多，選取典型易燃有毒有機(jī)危險(xiǎn)化學(xué)品苯所在企業(yè)位置。

2）模擬分析。

假設(shè)高欄港石化區(qū)內(nèi)某企業(yè)因雷電事故導(dǎo)致的危險(xiǎn)氣體苯泄漏，泄漏速率為2 000 kg/h，污染源高度為10 m。通過模擬對比初始時(shí)間相同但污染源泄漏持續(xù)時(shí)間12、24 h以及泄漏持續(xù)時(shí)間為12 h，但初始時(shí)間相差20 min的擴(kuò)散模式。

（1）模式 1。

危險(xiǎn)氣體在早上07：00開始泄漏（圖1），排放源排出的苯在噴出階段呈現(xiàn)平直流動模態(tài)，由于當(dāng)天高欄港區(qū)近地層吹東風(fēng)，污染物一經(jīng)擴(kuò)散，立刻朝西面擴(kuò)散，分析得出煙羽越靠近污染源，紅色煙羽越密集，污染密度越重，并以中度污染影響江門、陽江一帶。實(shí)際上，大氣污染的擴(kuò)散，由決定邊界層湍流的物理參數(shù)來分類計(jì)算而得［19］。由于泄漏氣體與周圍環(huán)境溫差造成浮力加速度的作用，使得泄漏氣體上升速度超過動力上升速度并使其加速上升，煙氣進(jìn)入浮力抬升階段。而一般擴(kuò)散污染氣體上升能將煙源的實(shí)際排放高度提高到200%～1000%的有效源高度上，從而可能使地面最大質(zhì)量濃度降低67%～90%［20］。

平直煙羽隨著時(shí)間的推移，海上煙羽運(yùn)動速度較陸面上煙羽速度快，導(dǎo)致煙形由平直逐漸轉(zhuǎn)為扇形擴(kuò)散，隨著污染向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，而在無外加開放源的條件下，一般污染移動距離越遠(yuǎn)，污染程度越輕。擴(kuò)散風(fēng)速越大，則煙羽的抬升高度越低，反而會增加污染物的地面濃度，同時(shí)風(fēng)速增大還可能增加開放源的源強(qiáng)。如圖1所示，污染泄漏后第18 h，由于云浮、清遠(yuǎn)地面風(fēng)速較大，使煙羽抬升高度降低，造成地面開放源的增加，導(dǎo)致污染加重，轉(zhuǎn)為重度污染，煙羽后部開始出現(xiàn)稀疏態(tài)。而煙氣升速減慢，速度切變造成自生的湍流減弱，環(huán)境湍流的作用明顯增強(qiáng)并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。環(huán)境湍流大量的卷入煙流體，使其自身結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生瓦解，煙氣原先的動力抬升減弱使熱力抬升性質(zhì)消失，煙羽零散分布于韶關(guān)清遠(yuǎn)地區(qū)北部而后又被風(fēng)帶回到韶關(guān)、清遠(yuǎn)南部，并于此消散。

圖1 模式1：危險(xiǎn)氣體07：00開始發(fā)生泄漏，泄漏時(shí)長12 h

（2）模式 2。

對比模式1與模式2（圖2），模式1的持續(xù)泄漏時(shí)間為12 h，而模式2的持續(xù)泄漏時(shí)間為24 h，兩者之間的差異主要出現(xiàn)在污染后第18個(gè)小時(shí)。模式1在污染擴(kuò)散后的第18個(gè)小時(shí)的時(shí)候煙羽出現(xiàn)斷開，后部呈分散狀態(tài)，且受污染區(qū)全部轉(zhuǎn)為重度污染。而模式2的煙霧擴(kuò)散主要還是呈現(xiàn)錐形，受影響區(qū)域比較集中，大部區(qū)域仍處于中度污染區(qū)，影響范圍也較模式1小。雷擊后第24個(gè)小時(shí)，模式1的污染擴(kuò)散模型為圓環(huán)形而模式2的擴(kuò)散模型則為錐形，但兩者影響區(qū)域均為重度污染，且煙羽最后移至湖南郴州，又被風(fēng)帶回到韶關(guān)、清遠(yuǎn)一帶。兩個(gè)模式均在36 h后出現(xiàn)倒流，其中模式1倒流煙形以直線為主，而模式2倒流是以倒環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及波浪結(jié)構(gòu)回流。綜合來看，模式2影響區(qū)域更廣，受災(zāi)更為嚴(yán)重。

圖2 模式2：危險(xiǎn)氣體07：00開始發(fā)生泄漏，泄漏時(shí)長24 h

（3）模式3。

同樣的泄漏持續(xù)時(shí)長為12 h，但初始時(shí)間不同，模式3開始泄漏發(fā)生在早上06：40（圖3）與模式1泄漏發(fā)生時(shí)間僅相差20 min。兩個(gè)模式的主要差異出現(xiàn)在污染后第21小時(shí)與第36小時(shí)后（風(fēng)向場轉(zhuǎn)變），因流經(jīng)的氣象場條件相似，其路徑移動、受災(zāi)情況以及影響效果大致相同。模式3與模式2的差異主要集中24 h之后，模式3較模式2的影響區(qū)域更小。

圖3 模式3：危險(xiǎn)氣體06：40開始發(fā)生泄漏，泄漏時(shí)長12 h

3 結(jié)論

1）3個(gè)模式模擬污染源在雷擊后持續(xù)泄漏18 h均未消散，與泄漏源持續(xù)排放有關(guān)，也受本地風(fēng)向的影響。

2）對比模式1與模式2（見圖2），模式1的持續(xù)泄漏時(shí)間為12 h，而模式2的持續(xù)泄漏時(shí)間為24 h，兩者之間的差異主要出現(xiàn)在污染后第18個(gè)小時(shí)有差異出現(xiàn)，主要體現(xiàn)在初始污染源的泄漏情況，第36小時(shí)后的污染擴(kuò)散情況有相似的原因主要是受不同氣象風(fēng)場變化影響。

3）泄漏持續(xù)時(shí)長為12 h，但初始時(shí)間不同，在短時(shí)間內(nèi)氣象條件保持一致的情況下，其路徑移動、受災(zāi)情況以及影響效果大致相同。

通過模擬氣象災(zāi)害導(dǎo)致化工區(qū)內(nèi)污染源擴(kuò)散掌握相關(guān)應(yīng)急處理經(jīng)驗(yàn)，有利于政府利用氣象站收集的信息及決策參考做好相應(yīng)的應(yīng)對措施和指揮［21］，及時(shí)疏散危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散影響重災(zāi)區(qū)人員撤離。