城市小區(qū)建筑對炭疽氣溶膠擴散的影響

畢 波，劉博文

1.中國人民警察大學 偵查學院，河北 廊坊 065000； 2.商丘市消防救援支隊，河南 商丘 476600

0 引言

目前，世界范圍恐怖襲擊事件頻發(fā)，恐怖分子使用生物戰(zhàn)劑作為大規(guī)模殺傷性武器的可能性大大增加。生物戰(zhàn)劑侵入人體的形式多種多樣，最主要方式有三種：皮膚感染、消化道吸收、呼吸道吸入。特別是呼吸道吸入病死率高、隱蔽性強、防護難度大、危害范圍廣，所以許多恐怖分子在進行生物恐怖襲擊時，常常選擇采用氣溶膠形式釋放生物戰(zhàn)劑。炭疽氣溶膠生產(chǎn)造價低、抗性極強、可長期儲存，而且可以以無色無味氣溶膠的方式釋放，使人處于這種環(huán)境下毫無察覺，因此炭疽氣溶膠被當作生物戰(zhàn)劑的首選[1]。一旦恐怖分子在人口密集、建筑物復雜、空氣流動多變的城市小區(qū)釋放炭疽氣溶膠，短時間內(nèi)將會嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全。

在國外，Meselson等在對1979年蘇聯(lián)斯維爾德洛夫斯克市炭疽泄漏事件的研討調(diào)查中，應用高斯煙羽模型對炭疽在空氣中擴散進行模擬，并探討了在這次炭疽泄漏事件中污染源的源強和位置[2]。Wein等利用高斯煙羽模型進行炭疽氣溶膠濃度模擬計算，并剖析面對炭疽事件可以采取的應急救援措施[3]。自2001年爆發(fā)了多起炭疽郵件事件后，美國國家實驗室國家大氣擴散咨詢中心(NARAC)針對炭疽，提高了估測生物劑污染擴散水平，計算在恐怖襲擊中有害物質(zhì)釋放的濃度分布[4]。Buckeridge等利用HAPC系統(tǒng)(美國國防威脅降低局開發(fā)的災害預測和評估系統(tǒng))進行炭疽桿菌的人體吸入模擬[5]，為在面對此類恐怖事件中炭疽的濃度監(jiān)測評估打下理論基礎。

在國內(nèi)，劉健等從確定炭疽濃度散布的擴散模型和確立致病率與吸入量關系的劑量模型兩方面，對炭疽恐怖事件中人員危害評估研討狀況和前瞻作了綜述[6]。劉健利用離散相模型模擬計算出城市小區(qū)環(huán)境中炭疽氣溶膠分布軌跡[7]。李林中等模擬口岸炭疽事件中炭疽氣溶膠的擴散范圍，給污染區(qū)域的劃分提供參考[8]。

近年來，大氣擴散模型在環(huán)境評價、防災減災以及應急管理中應用越來越廣泛。其中，AERMOD模型(AMS/EPA Regulatory Model)是由美國氣象協(xié)會和美國環(huán)保署聯(lián)合開發(fā)并推薦使用的模型之一，也是我國《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2018)中推薦模型之一[9]。該模型屬于高斯煙羽模型，能夠?qū)c、線、面、體源、火炬源等排放源，以及不同環(huán)境下擴散情形進行模擬[10]。AERMOD模型在環(huán)境評價、大氣環(huán)境質(zhì)量評價中應用廣泛，也可用于應急響應。例如：范慶典等利用AERMOD模型模擬肉毒毒素氣溶膠在火車站室外廣場的擴散情況，制定警戒和疏散方案[11]。但目前采用該模型模擬應急響應中有毒有害氣體及氣溶膠擴散的研究還較少見報道。本文使用AERMOD模型，研究炭疽氣溶膠在城市小區(qū)釋放時，建筑物對炭疽氣溶膠擴散的影響，分析炭疽氣溶膠擴散分布情況，為此類事故中污染區(qū)劃定、人員疏散、快速處置等提供參考。

1 研究方法及數(shù)據(jù)

本文使用AERMOD大氣擴散模型軟件，參數(shù)設定如下：

1.1 小區(qū)環(huán)境參數(shù)

選取某小區(qū)為模擬研究對象，使用該區(qū)高空和地面氣象數(shù)據(jù)。該小區(qū)最大長度262.7 m，最大寬度110.54 m，樓間距4.48 m，單元間距7.46 m。小區(qū)內(nèi)單元樓為50 m×15 m×25 m的標準建筑，排列方式為五排三列，單元樓按1#～15#順序編號。模擬小區(qū)的整體情況如圖1所示。

圖1 小區(qū)整體模型圖

1.2 污染源參數(shù)

炭疽桿菌是革蘭式陽性菌，兩端平截或者凹陷，長約5～10 μm，寬約1～3 μm，無鞭毛和動力，可形成莢膜，排列形狀類似竹節(jié)。當氧氣足夠，環(huán)境溫度在25～30 ℃范圍內(nèi)易形成芽孢。

使用德國Topas公司生產(chǎn)的SAG-410型粉塵氣溶膠發(fā)生器釋放炭疽氣溶膠，污染源釋放的排放速率為1.5 g·s-1，釋放點源的煙囪高度為5 m、煙囪內(nèi)徑為0.15 m，氣體出口溫度為293 K、出口流量為5 m·s-1，持續(xù)釋放。設定炭疽氣溶膠在小區(qū)內(nèi)釋放方式為：小區(qū)東側(cè)和北側(cè)近地面釋放、小區(qū)中心近地面釋放和小區(qū)樓頂釋放。

1.3 受體參數(shù)

受體選用非地面受體，為更準確體現(xiàn)污染區(qū)人員所處環(huán)境濃度，受體高度設定為2 m，受體網(wǎng)格選用等間距極坐標網(wǎng)格，環(huán)數(shù)為40環(huán)，環(huán)間距為15 m，半徑為600 m，受體數(shù)為1 440個。

2 模擬結(jié)果

2.1 近地面釋放

小區(qū)東側(cè)近地面釋放炭疽氣溶膠，風向為90°時，釋放后氣溶膠沿風向進入小區(qū)，由東向西逐漸蔓延，污染濃度最高點始終在3#樓和8#樓之間的通道中。擴散1,4,12,24 h時的濃度最高值分別為1.82×103,1.53×103,1.39×103,1.29×103μg·m-3，呈逐漸降低趨勢，且濃度最高值的位點不斷向下風向移動。由于受到兩側(cè)建筑阻擋，擴散主要在單元樓之間的通道中進行。

有小區(qū)建筑和無建筑情況下氣溶膠擴散1 h濃度對比如圖2所示?？梢钥闯?，無建筑時，擴散1 h炭疽氣溶膠濃度最高值為2.11×103μg·m-3。在有建筑存在時，炭疽氣溶膠擴散1 h濃度最高點低于無建筑時濃度最高點。有建筑時最高濃度點的位置整體向下風方向處偏移；在水平方向，氣溶膠擴散的距離比無建筑情況下大；在垂直方向，氣溶膠擴散的距離比無建筑情況下小。這是由于建筑物的阻礙作用，導致氣溶膠在垂直方向上擴散距離減小，而由于單元樓之間的通道較窄，導致自然風通過小區(qū)狹窄通道時，風速變大，造成強風環(huán)境，部分炭疽氣溶膠以較大速度向下蔓延，導致通道內(nèi)炭疽氣溶膠濃度最高點往下風方向移動速度加快，下風方向的氣溶膠擴散距離較遠。

在小區(qū)中心近地面(7#和8#單元樓中間)釋放炭疽氣溶膠，風向為90°時，氣溶膠擴散1 h濃度分布如圖3所示?？梢钥闯觯斘廴驹丛谛^(qū)中心近地面釋放時，炭疽氣溶膠的擴散與圖2類似，主要是通過單元樓之間的通道擴散。由于兩側(cè)建筑物的阻擋，氣溶膠在12#和13#單元樓組成的通道中滯留，向建筑物兩側(cè)蔓延較小，向下風方向擴散的距離較遠，污染物濃度最高點值為2.06×103μg·m-3。

圖2 小區(qū)東側(cè)近地面釋放氣溶膠1 h濃度分布

圖3 小區(qū)中心近地面釋放氣溶膠1 h濃度分布

小區(qū)北側(cè)樓前近地面釋放炭疽氣溶膠，風向為0°時，氣溶膠擴散1 h濃度分布如圖4所示?？梢钥闯?，在單元樓前釋放時，由于建筑物對氣流產(chǎn)生阻礙作用，在建筑周圍形成環(huán)流，氣溶膠在建筑周圍擴散。在7#和8#單元樓之間擴散的氣溶膠由于受到8#單元樓阻擋，在兩棟單元樓之間聚集，形成高濃度區(qū)域。且由于通道效應的影響，氣溶膠向下風方向擴散的距離較遠，但向氣流兩側(cè)擴散面積較小。

2.2 小區(qū)樓頂釋放

小區(qū)中心(8#單元樓)樓頂高度釋放炭疽氣溶膠，風向為90°時，氣溶膠擴散1 h濃度分布如圖5所示?？梢钥闯?，有建筑時，濃度最高點為5.90×102μg·m-3；無建筑時，濃度最高點為4.32×102μg·m-3。由于在樓頂釋放，氣溶膠在重力影響下，產(chǎn)生沉降效應，從8#單元樓樓頂向地面擴散，當擴散到13#單元樓前時，受建筑阻礙作用，形成氣溶膠滯留區(qū)，在建筑物前長時間滯留聚集，氣溶膠濃度最高點也在此區(qū)域。此外，部分氣溶膠通過13#單元樓兩側(cè)的通道流通，單元樓兩側(cè)通道中氣溶膠濃度比無建筑時要高。

圖4 小區(qū)北側(cè)近地面釋放氣溶膠1 h濃度分布

圖5 小區(qū)樓頂釋放氣溶膠1 h濃度分布

3 結(jié)論

通過AERMOD模型模擬城市小區(qū)內(nèi)炭疽氣溶膠的擴散，得到如下結(jié)論：(1)當炭疽氣溶膠的擴散受小區(qū)內(nèi)建筑阻擋時，在建筑物迎風面和側(cè)面形成氣溶膠滯留區(qū)，在滯留區(qū)保持高濃度，嚴重威脅小區(qū)內(nèi)人員及救援人員生命健康。(2)當炭疽氣溶膠在小區(qū)內(nèi)通道中擴散時，通道內(nèi)會形成建筑瞬時強風，氣溶膠快速向下風向蔓延，下風向擴散距離增大，污染區(qū)域面積更大，但通道外氣溶膠濃度較低。(3)當在樓頂釋放時，氣溶膠在重力影響下沉降，形成氣溶膠滯留區(qū)，在建筑物前長時間滯留聚集，向下風方向蔓延擴散的污染區(qū)域相比于無建筑情況時要小，但是在小區(qū)內(nèi)的氣溶膠濃度更高。

進行應急救援處置時，應根據(jù)風向及建筑物情況，避開通道及氣溶膠滯留區(qū)，可在氣溶膠濃度較低的區(qū)域建立臨時避難所，降低救援人員和民眾長時間處在高濃度污染區(qū)的可能性，最大程度地減少炭疽氣溶膠對人員生命健康造成的損害。