鄭茂輝，金 敏，許建明

（1.同濟大學 上海防災救災研究所，上海 200092；2.上海市氣象局，上海 200135）

城市建筑群環(huán)境中有毒有害氣體的擴散受到道路、建筑物布局和局地氣象條件等多種因素的影響，擴散機理十分復雜［1］.研究街區(qū)尺度有毒有害氣體擴散的規(guī)律和特性，可對擴散過程及后果進行科學有效的模擬，能在事故預防和應急決策方面發(fā)揮積極而必要的作用，是當前城市微氣象環(huán)境和公共安全領(lǐng)域的研究熱點之一［2］.

國內(nèi)外針對意外泄漏擴散開展了大量的試驗［3-4］和理論模型［5-7］研究.不過，早期研究主要面向平坦或孤立障礙物地形，難以反映街區(qū)非均勻下墊面對流動和擴散過程的影響.近些年，出于生化防恐、城市環(huán)境安全等需要，歐美一些發(fā)達國家的主要城市相繼開展了若干現(xiàn)場試驗［8-10］.與此同時，由于基于計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）的擴散模型能夠詳細描述復雜地形條件下的流場結(jié)構(gòu)、湍流細節(jié)及其對濃度的影響，得到越來越多的研 究 和 關(guān) 注［11-15］.Pullen等［12］采 用FAST3DCT和高斯煙羽模型對華盛頓和芝加哥局部區(qū)域的污染物擴散進行模擬和分析；Moussafir等［13］對意大利Bologna市中心500×500m2范圍進行了模擬，并對建筑物背風面的氣體濃度進行了評估；Xie等［14］對倫敦市區(qū)示蹤氣體試驗進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明近源濃度分布與周圍建筑物幾何分布密切相關(guān)，而遠源濃度分布所受影響相對較小.國內(nèi)針對復雜城市環(huán)境下的擴散過程研究起步較晚.劉國梁等［15］通過風洞試驗研究討論了幾種障礙物條件對重氣擴散的影響；席學軍等［16］基于大渦模擬方法研究城市街道中的毒氣擴散過程；尤學一等［17］模擬了開放街道峽谷和城市街道峽谷污染物的擴散問題，證實了相同條件下后者背風墻和迎風墻上的污染物濃度均大于前者的相應值；此外，文獻［2，18］分析街區(qū)尺度CFD模擬中復雜下墊面建模和空間集成分析所面臨的不足，探討了耦合地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）和 CFD的街區(qū)擴散模型及其關(guān)鍵技術(shù).

本文擬應用基于CFD原理的擴散模型和計算方法，以街區(qū)建筑群中點源連續(xù)泄漏為例，模擬研究有毒有害氣體在建筑物周圍的擴散過程及特性，著重分析下墊面建筑物擾動和來流風速對濃度時空分布的影響，從而為事故后果評價和應急決策提供理論依據(jù).

1 控制方程與數(shù)值方法

有毒有害氣體泄漏以后形成的氣云運動規(guī)律滿足三維不可壓縮Navier-Stokes方程組.不考慮溫度對流場的影響以及組分輸運過程中的化學反應，本文求解如下連續(xù)方程、動量方程和濃度擴散方程：

式中：ui（i＝1，2，3）為xi方向上的速度分量，ρ為流體密度，p是靜壓，μt為渦黏性系數(shù)，C為有毒有害氣體濃度，S為污染物源項，Dt為湍流擴散系數(shù).

RNGk—ε模型用修正的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，對近壁面濃度的預測要好于標準k—ε模型［19］.本文采用RNGk—ε模型閉合方程組，模型常數(shù)Cμ，σk，σε，C1，C2分別取值為 0.845，0.7179，0.7179，1.42和1.68.應用有限體積法（FVM）對上述控制方程在整個計算區(qū)域進行離散，其中對流項離散采用二階迎風格式，擴散項采用二階中心差分，時間采用一階隱式離散格式，速度壓力耦合采用SIMPLE算法.大氣入口水平風速采用冪指數(shù)率計算：Uz＝Ur（z／hr）α，其中，α為風廓線冪指數(shù)，z為距地面的高度，Ur為參考高度hr上的平均風速；在出口邊界上，各變量的水平方向梯度為零；地面及建筑物壁面采用無滑移邊界條件，其附近的切向速度、k和ε采用壁面函數(shù)計算；頂部和兩個側(cè)面設(shè)定為對稱邊界.

2 計算與分析

2.1 算例驗證

為檢驗方法的正確性，對文獻［20］中一個障礙物繞流的重氣擴散試驗場景（編號：029128）進行模擬計算，并與試驗結(jié)果進行對比.該試驗在德國漢堡大學氣象學院的大氣邊界層風洞中進行，風洞試驗段長4000mm、寬1500mm、高1000mm.圖1給出污染源S（0，0，0）和障礙物幾何分布，示蹤氣體為六氟化硫（SF6），源強Q ＝0.1743g·s-1.邊界層厚度400mm，冪指數(shù)α＝0.26，特征長度Lr＝7.18mm，特征速度Ur＝0.54m·s-1.障礙物長、寬、高均為H ＝11Lr，障礙物間距B ＝21Lr，在源點下風向部署熱膜傳感探頭檢測示蹤氣體的體積分數(shù).圖2給出下風向 P1（153，0，0），P2（230，0，0），P3（536，0，0）三個測點的5s平均體積分數(shù)（%）實測值和模擬值的對照.模擬結(jié)果總體上稍高于實測值，但兩者趨勢一致，在遠離污染源處吻合較好.這表明通過設(shè)定合理邊界和計算參數(shù)，本文的計算模型和數(shù)值方法是可靠的，能夠適應復雜障礙物地形的模擬.

圖1 風洞試驗模型Fig.1 Schematic map of the wind tunnel model

2.2 真實街區(qū)模擬

圖2 數(shù)值模擬與風洞試驗測點平均體積分數(shù)比較Fig.2 Comparison of mean volume fraction on corresponding measurement points between numerical simulation and wind tunnel experiment

在模型驗證基礎(chǔ)上，以文獻［9］中英國倫敦Marylebone大道的周邊街區(qū)為例，模擬真實建筑群環(huán)境中短歷時點源的大氣擴散.圖3給出研究區(qū)域主要街道和建筑物幾何分布、高程等基本信息，區(qū)內(nèi)建筑物平均高度22m.假定污染源（S）位于街區(qū)內(nèi)部，距地面2m，泄漏氣體為硫化氫（H2S），源強0.2 k g·s-1，泄漏持續(xù)900s；擴散期間來流風向與Marylebone大道成45°夾角，為西南風，風廓線冪指數(shù)α＝0.26.為分析建筑物和環(huán)境風速對擴散過程的影響，設(shè)定1.5m·s-1，3.0m·s-1兩種來流風速（Ur）進行分組模擬，并在下風向選定P1～P5五個測點，其中P4位于建筑物頂部，高15m，其余測點均位于近地面街道之中，高1.5m.

圖3 街區(qū)建筑物布局及泄漏源、測點位置（單位：m）Fig.3 Building arrangement and the configuration of source，measurement points in the investigated urban streets（unit：m）

計算域沿流向長1200m（x）、寬800m（y）、高200m（z），采用四面體網(wǎng)格進行空間離散，網(wǎng)格單元總數(shù)約2.2×106個.其中，在污染源和建筑物附近的一定區(qū)域內(nèi)，泄漏氣體各個參數(shù)的梯度變化較大，采用局部加密網(wǎng)格進行處理.兩組模擬計算時間分別為1600s和1260s，時間步長均為0.1s.濃度數(shù)值計算涵蓋連續(xù)泄漏期間的擴散和泄漏停止后彌散氣體的吹散過程.

2.3 結(jié)果與討論

出于安全考慮，在泄漏事故模擬中最關(guān)心的是近地面有毒有害氣體的濃度場變化.圖4給出兩組模擬中地面1.5m高度處三個不同時刻（180s，900 s，1020s）的質(zhì)量濃度分布圖.其中，硫化氫質(zhì)量濃度大于760mg·m-3時可很快造成急性中毒或致人死亡，為極度危險區(qū)域；質(zhì)量濃度介于300～760 mg·m-3為高度危險區(qū)域；質(zhì)量濃度介于10～300 mg·m-3為中度危險區(qū)域.

對照圖4結(jié)果，直觀可見建筑物和來流風速對擴散過程的影響.硫化氫氣體泄漏后由于負向浮力的作用在近地面形成低平的重氣云團，受建筑物所限，沿街廊向下風向蔓延擴散.t＝180s，在1.5 m·s-1風速下氣云分布范圍較小，主要限于下風向少數(shù)建筑物周圍，污染源附近交叉路口處質(zhì)量濃度高達1000mg·m-3以上（見圖4a）.3.0m·s-1風速下水平輸運明顯加速，在風向成45°夾角的街谷中氣云擴散速度最快，向開闊的Marylebone大道蔓延（見圖4b）.t＝900s，泄漏停止，此時前者氣云前端已抵達模擬區(qū)域邊緣，下風向兩個近源街段基本為高度危險區(qū)（見圖4c）；后者因氣云濃度稀釋較快，前端低質(zhì)量濃度區(qū)（10～30mg·m-3）較1.5m·s-1風速下要小，另外由于湍動擾動程度加大，近源高質(zhì)量濃度區(qū)的范圍也明顯萎縮（見圖4d）.至t＝1020 s，由圖4e，f可知，氣云因被動擴散質(zhì)量濃度迅速下降，并整體往下風向遷移；污染源附近街巷中原高質(zhì)量濃度區(qū)已經(jīng)消退（質(zhì)量濃度＜10mg·m-3），且隨著環(huán)境風速的增大，消退速度明顯加快.

表1 測點源距關(guān)系與最大計算質(zhì)量濃度Tab.1 The positions of sampling points relative to contaminant source and the maximum concentrations

圖5是兩組模擬中下風向五個監(jiān)測點的質(zhì)量濃度變化曲線圖.分析表明，不同風速條件下對應點的質(zhì)量濃度變化趨勢基本一致，較大的環(huán)境風速有利于氣體的稀釋擴散.當Ur＝3.0m·s-1時，各點質(zhì)量濃度在泄漏停止350s后趨于零，而Ur＝1.5 m·s-1時該被動擴散階段持續(xù)約650s.其次，各監(jiān)測點的質(zhì)量濃度變化與其同污染源的位置關(guān)系、風向偏離程度等有著密切聯(lián)系.表1給出各點到污染源的直線距離（R1）、沿路折線距離（R2），點-源連線同主風向的夾角（θ），以及最大計算質(zhì)量濃度.P1，P2由于偏離主風向，在整個模擬期間質(zhì)量濃度基本上小于7mg·m-3；而P5到污染源的距離與P1相近，但計算質(zhì)量濃度為P1的7～10倍.建筑物背風面P3的峰值質(zhì)量濃度明顯高于建筑物頂部的鄰近監(jiān)測點P4；不過，在擴散初期由于氣云遇建筑物阻礙后爬升，出現(xiàn)后者質(zhì)量濃度高于前者的短暫過程.此外，在泄漏停止后建筑物周圍氣體質(zhì)量濃度因被動擴散而迅速下降.其中，測點P4因建筑物頂部風速較大下降最快，而街谷內(nèi)各近地面測點質(zhì)量濃度稀釋較慢，尤其是離污染源較遠的測點P5，其質(zhì)量濃度下降明顯滯緩.基于以上初步討論分析，在發(fā)生意外泄漏事故時，應第一時間組織人群向泄漏源的上風向或兩個側(cè)翼快速疏散，直至安全地帶，并盡快控制泄漏源；對于來不及疏散的住戶，應緊閉門窗做好防護，盡可能向樓層高處轉(zhuǎn)移；此外，建筑物密集區(qū)間濃度稀釋相對滯緩，可能成為威脅人群健康的“死角”.

3 結(jié)論

（1）經(jīng)算例驗證，計算結(jié)果與風洞試驗數(shù)據(jù)吻合良好，表明給定合適的計算參數(shù)，本文數(shù)值模型和方法能夠有效模擬復雜障礙物條件下有毒有害氣體的擴散過程.

（2）擴散過程受街區(qū)道路、建筑物布局以及風速條件影響顯著，氣云受建筑物阻礙向下風向街谷中蔓延擴散，近地面濃度同該處源距、所在方位和高度等關(guān)系密切，較大的環(huán)境風速有利于濃度的稀釋擴散.

（3）后續(xù)研究將重點分析事故場景下周邊人群的暴露水平，為城市地區(qū)突發(fā)泄漏事故風險分析和人員緊急疏散提供相關(guān)理論依據(jù).

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