許楷鋮，郭燕龍，童志明，張生奇，黃文敏

（珠海市公共氣象服務中心，廣東珠海 519000）

過去10年，涉及危險氣體爆炸、泄漏、擴散等突發(fā)性安全事故屢屢發(fā)生，造成慘重的生命代價和環(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?，若能第一時間進行預警，快速準確的響應，及時地采取應急處置救援，對于保障人民群眾生命財產(chǎn)安全具有重大意義。目前，氣體擴散模型的研究方法主要有風洞實驗法、試驗法以及模型法。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，為危險化學品突發(fā)泄漏事故提供應急決策；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)域大氣污染擴散進行模擬，實現(xiàn)監(jiān)測點設置模式和監(jiān)測數(shù)據(jù)比較符合結果。但對危險氣體的泄漏擴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)有化學危險品泄漏擴散機理的同時，對氣體的擴散過程進行仿真模擬，實現(xiàn)城市大氣污染物時空分布的可視化模擬，為應急處理提供輔助決策。此外，國內(nèi)對化工園區(qū)內(nèi)的氣象災害致災的分析主要是集中在雷電物理損壞風險分析、雷電致災企業(yè)的直接經(jīng)濟損失估算及對應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儲罐的雷電危害風險進行分析；魏秀梅［12］利用閃電資料針對河北滄州某化工廠企業(yè)雷電防護裝置的評估，進行雷電災害風險的評估，并給出相應的風險控制措施與建議。但對危險氣體泄漏的擴散路徑、濃度及環(huán)境污染的應急模型研究較少，而污染擴散模型的實現(xiàn)是為政府決策部門在處理相關應急工作提供必要的技術保障［13-14］。本研究通過假設高欄石化區(qū)由于雷電災害導致苯泄漏，按事故致災最嚴重的后果，分析其氣象擴散模型，并結合突發(fā)預警信息系統(tǒng)及預報網(wǎng)格的服務功能［15-16］，進行污染物擴散分析。

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-拉格朗日混合計算模式，其平流和擴散計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行軌跡研究［17-18］。模式采用地形坐標，水平網(wǎng)格與輸入的氣象場相載入珠海市各危化品點、人員密集型點、風險點等，根據(jù)不同場所設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作為氣象預報驅動場，選用廣東省為預報范圍，分辨率較高，為9 km，每天預報時次為4時次，分別為02：00、08：00、14：00和20：00（北京時，下同），預報時效為72 h。對大型?；伏c使用最新的氣象預報場驅動Hysplit模式，每3 h進行定時爆炸泄漏模擬，并顯示擴散及沉降模擬結果。

1.2 方法

（1）將GRAPES的模擬結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、擴散、沉降濃度等。

（2）普查珠海市石化區(qū)?；凤L險點信息，載入模型中，選取?；伏c。

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

（4）進行擴散模擬分析。

危險氣體煙雨可定義在垂直和水平方向上。對于每一煙羽，其質量濃度是每一時間步上，落在煙羽范圍內(nèi)的所有格點中的煙羽的總和。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，每一格點所增加的質量濃度，通過式（1）計算：其中，垂直范圍，水平半徑r=1.54σh；m是指每一微粒或煙雨的污染物質量（kg）。煙雨范圍內(nèi)的所有格點節(jié)點得到同樣的Δρ（kg）。對于每一高斯煙雨，所增加的質量濃度分布為

其中，x表示從煙雨中心到格點節(jié)點（Δz=3.08σz的距離）。

而一個時間步中的總沉降D的簡化計算為

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，污染物質量有所減少。

通過增加氣象場條件，預報其合理的擴散及沉降結果。

2 模型分析

2.1 天氣實況

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

2.2 危險氣體庫泄漏的氣象擴散過程

1）選點。

高欄港經(jīng)濟區(qū)石化產(chǎn)業(yè)眾多，選取典型易燃有毒有機危險化學品苯所在企業(yè)位置。

2）模擬分析。

假設高欄港石化區(qū)內(nèi)某企業(yè)因雷電事故導致的危險氣體苯泄漏，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間相同但污染源泄漏持續(xù)時間12、24 h以及泄漏持續(xù)時間為12 h，但初始時間相差20 min的擴散模式。

（1）模式 1。

危險氣體在早上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)，由于當天高欄港區(qū)近地層吹東風，污染物一經(jīng)擴散，立刻朝西面擴散，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。實際上，大氣污染的擴散，由決定邊界層湍流的物理參數(shù)來分類計算而得［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，煙氣進入浮力抬升階段。而一般擴散污染氣體上升能將煙源的實際排放高度提高到200%～1000%的有效源高度上，從而可能使地面最大質量濃度降低67%～90%［20］。

平直煙羽隨著時間的推移，海上煙羽運動速度較陸面上煙羽速度快，導致煙形由平直逐漸轉為扇形擴散，隨著污染向遠處擴散，而在無外加開放源的條件下，一般污染移動距離越遠，污染程度越輕。擴散風速越大，則煙羽的抬升高度越低，反而會增加污染物的地面濃度，同時風速增大還可能增加開放源的源強。如圖1所示，污染泄漏后第18 h，由于云浮、清遠地面風速較大，使煙羽抬升高度降低，造成地面開放源的增加，導致污染加重，轉為重度污染，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并逐漸占據(jù)主導地位。環(huán)境湍流大量的卷入煙流體，使其自身結構在短時間內(nèi)發(fā)生瓦解，煙氣原先的動力抬升減弱使熱力抬升性質消失，煙羽零散分布于韶關清遠地區(qū)北部而后又被風帶回到韶關、清遠南部，并于此消散。

圖1 模式1：危險氣體07：00開始發(fā)生泄漏，泄漏時長12 h

（2）模式 2。

對比模式1與模式2（圖2），模式1的持續(xù)泄漏時間為12 h，而模式2的持續(xù)泄漏時間為24 h，兩者之間的差異主要出現(xiàn)在污染后第18個小時。模式1在污染擴散后的第18個小時的時候煙羽出現(xiàn)斷開，后部呈分散狀態(tài)，且受污染區(qū)全部轉為重度污染。而模式2的煙霧擴散主要還是呈現(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個小時，模式1的污染擴散模型為圓環(huán)形而模式2的擴散模型則為錐形，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，又被風帶回到韶關、清遠一帶。兩個模式均在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)狀結構以及波浪結構回流。綜合來看，模式2影響區(qū)域更廣，受災更為嚴重。

圖2 模式2：危險氣體07：00開始發(fā)生泄漏，泄漏時長24 h

（3）模式3。

同樣的泄漏持續(xù)時長為12 h，但初始時間不同，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)生時間僅相差20 min。兩個模式的主要差異出現(xiàn)在污染后第21小時與第36小時后（風向場轉變），因流經(jīng)的氣象場條件相似，其路徑移動、受災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：危險氣體06：40開始發(fā)生泄漏，泄漏時長12 h

3 結論

1）3個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，也受本地風向的影響。

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

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

通過模擬氣象災害導致化工區(qū)內(nèi)污染源擴散掌握相關應急處理經(jīng)驗，有利于政府利用氣象站收集的信息及決策參考做好相應的應對措施和指揮［21］，及時疏散危險氣體擴散影響重災區(qū)人員撤離。