突发性大气环境污染事件应急预警技术开发及应用

近年来,随着核电和化工产业在中国的大规模发展,突发性大气环境污染事件频发.为在该类事故发生后快速确定其危险程度和范围,研发了一套突发性大气环境污染事件应急预警系统.该系统由中尺度气象预报模式WRF、风场诊断模式CALMET、高斯烟团扩散模式CALPUFF 3部分组成.为验证该系统的准确性,用它模拟了2011年3月福岛核事故的影响情况.结果表明该系统可以精确模拟危险性气体的影响范围和时间.该系统对突发性、间歇性事故源排放模拟准确,可以快速预测事故发生后的浓度场变化,并且具有高时空分辨率、自动化等优越性.     

基于GIS的危险气体扩散实时预测系统研究

将大气环流数值模拟及预报系统、危险物排放量估算方法和改进的气体三维扩散模式进行耦合集成,结合危险源实时监测系统,嵌入危险品理化性质及影响等级数据库,建立基于GIS的危险气体扩散实时预测系统,提出了一套危险事故有毒有害气体预测预警系统的构建思路.该系统首次将气象模式引入危险事故预测预警系统,实现结合实时气象信息的危险源事故后危害气体扩散范围及浓度分布的预测,并可实现分析查询等管理功能.     

基于Fluent的埋地原油管道泄漏事故后果分析

埋地输油管道一旦发生泄漏,一方面会造成土壤污染,另一方面当原油泄漏量过多时会上渗到地面形成油池,进而引发池火灾,对人员、环境、设备均会造成危害。为了研究埋地输油管道泄漏事故的后果,为事故救援及处理提供参考,提出了一种针对此类事故的土壤污染、池火灾后果定量分析方法。方法以Fluent软件为工具模拟原油被点燃前的泄漏扩散情况,分析原油在土壤及地面上的扩散规律及范围,并结合危害模型得到池火灾造成的热辐射危害范围。利用该方法对不同管道压力和泄漏孔径的6种工况下的事故进行了分析,结果表明,原油管道泄漏时的压力及泄漏孔径对原油扩散速度影响较大,进而影响避免事故的难易程度。     

CALPUFF与烟团模式在复杂地形环境风险评估中的比较分析

CALPUFF模式是一个多层、多物种、非稳态的烟团扩散模式,可以模拟时空变化的气象场对污染物输送、转化和清除的影响,其气象场由实际气象观测资料结合中尺度气象模式模拟结果、实际地形土地利用资料等根据质量守恒原理诊断给出。应用CALPUFF模式系统对四川省罗家寨气田典型的高含硫天然气集输管线破裂过程的风险影响进行了环境风险评估,并与该项目环评报告中用大气扩散烟团模式得到的风险评估结果进行对比。结果表明,CALPUFF模式从诊断风场得到的最不利气象条件以及最不利气象条件下的风场与大气扩散烟团模式指定的最不利气象条件和诊断风场存在较大差异,从而导致了H2S扩散的差异。其中,CALPUFF模式得到的最不利气象条件下各风向的瞬时严重伤害和半致死浓度值范围沿着山谷走向分布在东北、西北和南方,而大气扩散烟团模式模拟的结果也出现在其他方向。另外,CALPUFF模式模拟得到的30 min平均最大浓度分布结果中半致死浓度范围与其他模式结果一致,比大气扩散烟团模式结果小得多。     

城市地区应急污染物扩散的模拟

将城市边界层模式(CBLM)和随机游动扩散模式连接,组成城市地区应急污染物扩散模式,利用该模式模拟瞬时源(35 t氯气)泄漏后污染物在城市地区的扩散特征.通过平地、3种理想城市建筑和实际南京城市建筑条件下风场和污染物扩散模拟结果的比较,分析了建筑高度和密度对城市风场及污染物扩散的影响.此外,结合美国环保署的毒物浓度伤害准则AEGLs,评估了城市地区氯气泄漏后危险区域的变化特征等.结果表明,污染物质量浓度在地面随时间逐渐减小,质量浓度最大值在泄漏后10～60 min从约139 mg/m3降低到1 mg/m3,外围最小值也从约10 mg/m3降低到0.1 mg/m3.且质量浓度中心随气流向下游移动,在一定时刻内,水平分布尺度逐渐增大.由于建筑拖曳力影响,模拟区域风速变慢,污染物在模拟区域停留时间延长,质量浓度中心值衰减减缓,扩散面积衰减减缓;且建筑高度越高,建筑密度越大,以上特征越明显.污染物在实际扩散中,扩散特征随着建筑条件的变化而不断变化.在所设置的气象条件及事故发生条件下,事故发生30 min后可解除重伤区警报,事故发生1 h后可解除危险区警报.     

液氯运输泄漏事故扩散风险分析

针对液氯运输泄漏事故特点,建立运输泄漏事故后有毒气体扩散模型;利用MATLAB软件,模拟了两种不同类型的泄漏事故,并进行风险分析,根据不同浓度氯气对人体的危害程度和扩散浓度等值曲线,将危险区域划分为轻度、中度、重度和立即致死4个区域。仿真结果表明:固定点源连续泄漏事故的地面有毒气体浓度峰值比移动点源连续泄漏事故的地面有毒气体浓度峰值大,但前者的影响范围通常比后者小。该方法能快速预测出运输泄漏事故后有毒气体的影响范围和程度,为指导事故现场人员及时采取有效安全防护、紧急疏散和组织抢险救援活动提供理论依据。     

基于HYSPLIT的典型工业集群区大气污染应急预警系统——以天津临港工业区为例

为使在突发性大气污染事故发生后能够快速确定其危险程度和范围,在天津临港工业区建立了基于混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式(HYSPLIT)的大气污染应急预警系统.该系统由WRF- ARW数值预报模式、HYSPLIT大气扩散模式、地理信息系统及工业园区污染源数据库等部分组成.作为该系统核心的HYSPLIT模式,使用拉格朗日法与欧拉法、质点模型与烟团模型相结合的方法进行计算,模拟物质在大气中的传输、扩散和沉降.系统水平和垂直分辨率分别为0.01°× 0.01°和1 m,WRF- ARW 24 h气象预报数据每8h更新1次,且在工业区内建有气象观测站提供实时气象数据以应对特殊和意外状况.污染源数据库包括了各企业的地理位置信息和各排放物种的物理和化学特征.系统的结果使用以Google maps为核心的可视化网页输出.     

核电事故中核素气溶胶烟羽扩散的模拟研究

本文选用高斯模型对放射性气溶胶扩散特性进行了模拟研究,分析了影响气溶胶扩散的主要几何参数和气象因素,探求了放射性污染物在地面上的浓度分布,最大浓度位置以及安全范围的划分等问题.模拟研究结果与相关文献相一致,证明了高斯扩散模型对此类扩散模拟的合理性和有效性；这为全面了解放射性气溶胶扩散的特性、对快速、有效地处置核事故具有指导意义.     

超压防护急救车车厢内生物污染物运动扩散的数值模拟与试验验证

为考核超压防护急救车通过生物污染区域时的车厢环境安全性,运用CFD方法和拉格朗日颗粒随机轨道模型,对车厢内的生物污染物运动扩散进行了数值模拟,并通过试验对比研究了车厢内污染物浓度场的分布状态.试验结果与模拟结果基本一致,说明拉格朗日颗粒随机轨道模型能较好地反映生物污染物运动扩散的时空分布特点,超压防护急救车车厢环境安全性良好.     

负压防护急救车车厢内生物污染物运动扩散的数值模拟与试验验证

为掌握负压防护急救车车厢内生物污染物的分布情况,运用计算流体动力学(CFD)方法和拉格朗日颗粒随机轨道模型,对该车车厢内生物污染物的运动扩散进行数值模拟;并通过试验对比研究车厢内污染物浓度场的分布状态,试验与模拟的结果基本一致。同时表明:该随机轨道模型较好地反映生物污染物运动扩散的时空分布特点;负压防护急救车车厢内污染物浓度较高,医护人员应穿戴有效的个人防护器材。     

Analysis of meteorological parameters for dense gas dispersion using mesoscale models

The current study focuses on characterizing the atmospheric details required for dense gas dispersion analysis resulting from release of cryogenic liquids like LNG. The study investigates the effectiveness of coupling the prognostic MM5 mesoscale model with the CALMET diagnostic model for producing meteorological conditions that is characteristic of dry and arid regions like Qatar, with non-neutral boundary conditions. MM5-CALMET wind fields and temperature data are compared with the meteorological field observations from the Doha International Airport (DIA) on a monthly basis, daily basis and hourly basis to study the effect of different averaging periods. The monthly averages replicate the annual patterns of meteorological parameters very well. However difference in observation and model are observed for wind speed and wind direction variable. The daily averages obtained from the model are in good agreement with the observation for wind speed and temperature. For hourly averaging, the model is found capable of mimicking the temperature of a given location, but not wind speed and direction. The prediction of wind direction parameter using MM5-CALMET is moderate for any averaging period. The sub-optimal performance of wind direction variable is attributed to grid resolution of vertical and horizontal layers of MM5-CALMET model. Additionally a case study is performed to illustrate the effect of variation of meteorological parameters on the lower flammability limits (LFL) resulting from flammable dense gas release of LNG. The case study demonstrates the issues that arise in a risk analysis study when “wrong” meteorological data could be used. The overall study indicates that utilizing the coarsest prognostic meteorological model output in a diagnostic model provides an effective option for generating meteorological inputs for dispersion studies.     

天然气管道非稳态泄漏扩散的数值模拟

针对长输天然气架空管道泄漏问题,综合考虑风速随海拔变化的边界条件、管道管形及泄漏方向等因素,建立非稳态泄漏模型,对不同管道泄漏压力和不同天然气浓度边界的天然气非稳态泄漏扩散进行了数值模拟。结果表明:在天然气向下泄漏的工况下,天然气气团主要在地面积聚,呈无规则的扩散;天然气管道泄漏压力与气体泄漏扩散速度成正比,与天然气浓度边界达到稳定所需时间成反比:不同泄漏压力下天然气扩散稳定后的扩散距离及泄漏影响面积大致相同;天然气浓度边界越小,达到稳定所需时间越长。     

弯道明渠内危化品泄漏扩散的数值模拟

自由水面流动和危化品水体迁移扩散过程属有界性问题,利用两相流理论建立三维瞬态VOF动力学模型,在其基础上提出危化品水体迁移扩散的浓度压缩性微分方程,有限容积法离散方程,高分辨率Gamma离散格式适用于解决有界性问题,用Gamma格式离散VOF和危化品迁移扩散方程的对流项。对Chang实验的弯曲水槽的流动及危化品扩散进行数值模拟,模拟结果与实验结果较吻合。笔者建立的数学模型能准确地模拟水流三维特性突出的弯道水槽的流场和危化品水体迁移扩散过程。     

冬季烟塔合一烟气排放特性及其改善措施研究

针对烟塔合一冷却塔(Natural Draft Dry Cooling Tower,NDDCT)在冬季关闭冷却塔百叶窗时存在烟气排放困难的现象,以及导致冷却塔内污染物浓度大幅升高、进而增加冷却塔内壁腐蚀风险的问题,提出了增加烟囱高度的改善措施,并开展了风洞试验。基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法建立了烟塔合一数值模型以获得冷却塔内部流场和污染物浓度场的分布特性,模拟对比了春季工况和冬季工况条件下烟塔合一冷却塔内部及出口位置的流场和烟气扩散特性。结果表明,由于百叶窗关闭导致冷却塔的通气量和换热量大幅度下降,冷却塔内部的流场变得杂乱无章,污染物质量分数大大增加。与春季相比,冬季冷却塔内壁污染物最大质量分数增加了1.5倍。随烟囱高度增加,烟气可以凭借其初始动能抵御冷却塔内的湍流冲出塔外,冷却塔内部的烟气扩散情况逐渐改善。定性风洞试验结果较好地验证了数值模拟结果,验证了该方法的可行性。虽然增加烟囱高度会增加施工初期的投资,但该方案能有效降低冷却塔的腐蚀风险,不但节省了后期防腐的投资,而且降低了安全风险。从长远来看,该措施利大于弊。     

街区建筑物对城市交通隧道废气排放的影响

采用大气边界层模式和随机游动扩散模式相连接的模拟方法,对上海市拟建的交通隧道排气口附近街道建筑物区域的气流分布和废气排放物浓度场进行了数值模拟分析,设计了6种方案,并按不同的废气排放形式,分别分析了街区的地面污染物质量浓度分布.结果表明,在建筑物存在的情况下,排风口造成的地面污染物质量浓度的最高值会很大,可达0.44 mg/m3,若换成排风塔,则为0.13 mg/m3; 没有建筑物的情况下,由排风口和排风塔造成的地面污染物最高质量浓度分别为0.11 mg/m3,0.4 mg/m3.当风速增大,质量浓度会降低,最大值分别从0.44 mg/m3降为0.2 mg/m3,和从0.13 mg/m3降为0.1mg/m3.分析表明,建筑物附近的气流特征对污染物扩散会起引导作用: 垂直方向上,导致污染物从高空被带入地面; 水平方向上,使得污染物在下风向堆积; 当风速增大时,地面污染物质量浓度值降低.同时研究表明,对排风塔污染物散布起主要作用的是水平方向的气流结构,而对排风口的污染物散布起主要作用的则是其附近建筑物的背风侧的气流下洗效应和水平流场,因此建筑物背风侧有可能成为重污染区.     

基于Matlab软件的突发事故水质解析模型与应用

为快速分析突发性水污染事故可能造成的水环境影响,建立了基于Matlab软件的突发事故水质解析模型。以浙江省某河流为例,分析了上游突发水污染事故形成的污染团在河流中的迁移扩散规律、影响范围、事故下游各断面水质变化过程以及取水口等敏感点的超标时间及超标程度。同时详细分析了近岸和远岸边界对污染物反射所造成的浓度叠加影响、合理的边界反射次数,以及水流流速、扩散系数、降解系数等主要水文水质参数对污染团扩散的影响。     

基于Monte-Carlo方法的长输管道气体扩散模拟研究

目前气体扩散模拟研究多采用流体力学的计算方法,分析气体扩散过程中的动力学特性.有限体积、有限元等方法都需要对事故区域整体进行网格划分,计算过程效率无法满足长输管道事故应急跨区域、多气象以及复杂地形的要求.Monte-Carlo方法利用RAMS预测的平均风场,模拟有限气体粒子在风场中的随机行走特性,有效地弥补了计算效率与网格精度冲突所导致的模拟性能下降的缺点.通过HAVEGE方法收集计算的硬件信息熵形成随机源,修正了以往伪随机数问题,增强了Monte-Carlo方法的计算精度.结果表明Monte-Carlo气体扩散模拟研究方法满足了长输管道事故灾害应急决策的需要.     

高压天然气非恒定速率泄漏扩散数值模拟研究

为保障天然气工业安全生产与运营,以某天然气储配厂为例,采用等效喷嘴和过程模型,利用FLACS软件对罐区高压天然气非恒定速率泄漏扩散进行数值模拟,考察环境风速及泄漏时间对气体泄漏扩散的影响.结果表明:储存压力为1.05 MPa的天然气储罐发生泄漏会产生欠膨胀射流,泄漏初期具有447.44 kJ的高动能,并在近场扩散起主导...     

城区天然气管道泄漏数值模拟与爆炸危害分析

在人口密度为三级和四级的城区内,密集的高建筑物对天然气管道泄漏后的扩散和流场形成产生重要影响。本文以某城市的实际情况为例,建立多建筑物的空间几何模型,采用k-ε湍流方程,SIMPLE算法,模拟了在三种不同风流速度、三种不同压力条件下,城区天然气管道泄漏气体在多建筑物地形中的扩散情况。根据模拟结果,依据天然气的爆炸极限,对模拟结果及其火灾爆炸危害的范围进行了对比分析。结果表明,CH4气体的泄漏扩散同时受管道压力、风流速度和周围建筑物的影响;同时受当地风速的影响,泄漏气柱在风流作用下会发生偏折,造成阻挡风流的建筑物内侧危险气体浓度升高,大大增加建筑物周围环境的危险性。研究结果对城区天然气管道的建设具有一定的指导意义。     

Research on 3D dynamic visualization simulation system of toxic gas diffusion based on virtual reality technology

A three-dimensional (3D) model of toxic gas diffusion was advanced based on Monte Carlo method with the presupposition that toxic gas diffusion process can be considered as random walk process of a large number of toxic gas particles. Compared to other existing models, this model includes analysis of both movement and non-movement attributes of toxic gas particles, and can well meet the need of dynamic simulation. Then, a 3D gas diffusion visualization scene management subsystem, including leak hazard source (tank), leak background (ground and sky) and surroundings near the leak area, was developed based on virtual reality (VR) technology. In this system, diffusion scene can be designed in accordance with the reality, which embodies the reunification between VR technology and engineering application. Finally, according to OpenGL particle system theory, by using Delphi and OpenGL as main programming tools, the diffusion simulation subsystem of toxic gas diffusion process and real-time concentration prediction and consequence simulation subsystem was completed. Application shows that by using VR technology in the accident consequence simulation, the whole system is of real-time, lifelike and visual characteristics, which not only embodies the great engineering value of virtual reality technology in the field of safety engineering, but also provides references for accident impact prediction, assessment and emergency plan.