有毒物质泄漏及中性浮力扩散模型教学材料

有毒物质泄漏及中性浮力扩散模型中国环境科学研究院大气环境研究所

陈义珍第五章有毒物质泄漏及中性浮力扩散模型5.1扩散影响参数5.2中性浮力扩散模型5.3模型应用举例5.1扩散影响参数扩散模型描述了有毒物质远离事故发生池，并遍及整个工厂和社会的空中运输过程。释放发生后，空气中的有毒物质被风以烟羽的形式，或烟团的形式带走。有毒物质的最大浓度是在释放发生处（可能不在地面上）。由于有毒物质与空气的湍流混合和扩散，其在下风向的浓度较低。众多因素影响着有毒物质在大气中的扩散：风速大气稳定度地面条件（建筑物、水、树）释放处距离地面的高度物质释放的初始动量和浮力①F.A.Gifford,”UseofRoutineMeteorologicalObservationsforEstimatingAtmosphericDispersion,”NuclearSafety(1961)，2(4):47.②F.A.Gifford,”TurbulentDiffusion-TypingSchemes；AReview，”NuclearSafety(1976)，17(1):68.③强烈的日光照射是指英国盛夏正午期间的充足的阳光。弱的日光照射是指严冬时期类似的情况。④夜间是指日落前1h至破晓后1h这一段时间。⑤这些数值是作者自己补充进去的，以使该表格完整。⑥对于白天或夜晚的多云情况以及日落前或日出后数小时的任何天气情况，不管风速有多大，都应该使用中等稳定的等级D。注：稳定度等级A-极度不稳定；B-中度不稳定；C-轻微不稳定；D-中性稳定；E-轻微稳定；F-中度稳定情况1:地面瞬时点源的烟囱，坐标系固定在释放点，风速u恒定，风向仅沿x方向(5-1)地面浓度可令z=0，求得(5-2)地面上沿x轴的浓度可令y=z=0，求得(5-3)气云中心坐标在（ut，0，0）处。该移动气云中心的浓度为(5-4)站在固定点（x，y，z）处的个体，所接受的全部剂量Dtid是浓度的时间积分(5-5)

地面的全部剂量，可依照式（5-5）对式（5-2）进行积分得到。结果为(5-6)地面上沿x轴的全部剂量为(5-7)通常情况下，需要用固定浓度定义气云边界。连接气云周围相等浓度的点的曲线称为等值线。对于指定的浓度,地面上的等值线通过用中心线浓度方程[式（5-3）]除以一般的地面浓度方程[式（5-2）]来确定。直接对y求解该方程（5-8）过程如下。情况2:地面上的连续稳态源的烟囱，风向沿x轴，风速恒定为u（5-9）地面浓度可令z=0求出（5-10）下风向、沿烟羽中心线的浓度可令y=z=0求出（5-11）可使用类似于情况1中使用的等值线求解过程来求得等值线。对于地面上的连续释放，最大浓度出现在释放处。情况3：位于地面Hr高处的连续稳态源的烟羽，风向沿x轴，风速恒定为u（5-12）地面浓度可令z=0求出（5-13）地面中心线浓度可令y=z=0求得（5-14）地面上沿x轴的最大浓度由下式求得（5-15）下风向地面上的最大浓度出现的位置，可由下式求得（5-16）求解最大浓度和下风向距离的过程是：使用式（5-16）确定距离，然后使用式（5-15）计算最大浓度。情况4：位于地面Hr高处的瞬时点源的烟团，坐标系位于地面并随烟团移动（5-17）时间相关性通过扩散系数来完成，因为，随着烟团从释放处向下风向运动，它们的值也发生变化，如果没有风（u=0），式（5-17）预测的结果是不正确的。在地面，即z=0，浓度可通过下述方程计算（5-18）沿地面中心线的浓度，可令y=z=0求出（5-19）通过应用式(5-5)~(5-18)，即得到地面上的全部剂量。结果为（5-20）情况5：位于地面Hr高处的瞬时点源的烟团，坐标系位于地面的释放点（5-21）式中，t为自从烟团释放后的时间。最坏事件情形

对于烟羽，最大浓度通常是在释放点处。如果释放是在高于地平面的地方发生，那么地面上的最大浓度出现在释放处的下风向上的某一点。对于烟团，最大浓度通常在烟团的中心。对于释放发生在高于地平面的地方，烟团中心将平行于地面移动，并且地面上的最大直接位于烟团中心的下方。对于烟团等值线，随着烟团向下风向的移动，等值线将接近于圆形。等值线的直径一开始随着烟团向下风向的移动而增加，然后达到最大，最后将逐渐减小。

如果天气条件未知或不确定，那么可进行某些假设，以得到一个最坏情形的结果，即估算一个最大浓度。Pasquill-Gifford扩散方程中的天气条件可通过扩散系数和风速予以考虑。通过观察估算浓度用Pasquill-Gifford扩散方程，很明显扩散系数和风速在分母上。因此，通过选择导致最小值的扩散系数和风速的天气条件和风速，可使估算的浓度最大。我们知道，F类稳定度等级可以产生最小的扩散系数。很明显，风速不能够为零，所以必须选择一个有限值。EPA人为，当风速小到1.5m/s时，F类稳定度等级能够存在。一些风险分析专家使用2m/s的风速。在计算中所使用的假设，必须清楚地予以说明。5.3模型应用举例【例5-1】在某个阴天，一个有效高度为60m的烟囱，正以80g/s的速度排放二氧化硫。风速为6m/s。烟囱位于农村。请确定：（1）下风向500m处地面上二氧化硫的平均浓度。（2）下风向500m、横风向50m处地面上二氧化硫的平均浓度。（3）径直风向地面上最大平均浓度的位置和数值。解（1）属于连续排放。径直下风向地面浓度由式（5-14）给出（5-14）由表5-1可知，大气稳定度等级为D。扩散系数可由表5-2得到。利用表5-2=0.08x(1+0.0001x）-1/2=0.08×500m×(1+0.0001×500m)-1/2=39.0m=0.06x(1+0.0015x)-1/2=0.06×500m×(1+0.0015×500m)-1/2=22.7m代入式（5-14），得到=1.45×10-4g/m3（2）横风向50m处的平均浓度可通过式（5-13）及设y=50得到。直接应用来自（1）的结果==（3）最大浓度的位置由式（5-16）确定由Pasquill-Gifford烟羽模型扩散系数图可知，对于稳定度等级D，在下风向约1200m处=42.4m。由表5-2可知，=88m。最大浓度由式（5-15）确定（5-15）=4.18×10-4g/m3【例5-2】在精细化工过程中使用氯。源模型研究表明，对于某个特殊的事故场景，1.0kg的氯将瞬时释放出来。释放发生在地面。居民区距离释放源500m。请确定：（1）气云中心到达居民区所需的时间。假设风速为2m/s。（2）居民区氯的最大浓度。将结果与氯的ERPG-1值1.0×10-6进行比较。怎样的大气稳定度和风速会产生最大浓度。（3）确定气云最大浓度低于ERPG-1值所必须移动的距离。使用（2）中的条件。（4）根据ERPG-1确定下风向地面5km处气云的大小。假设在所用的情况下氯气云释放都是中性浮力（这可能是不正确的假设）。解（1）对于下风向500m距离和2m/s的风速，气云中心到达居民区所需要的时间为对于紧急警告，该时间很短。（2）最大浓度出现在释放源下风向的气云中心。浓度由式（5-4）给出（5-4）

选择稳定度条件，使式（5-4）中的最大。这需要扩散系数的值最小。任意一个扩散系数的最小值都发生在F稳定度等级。这种情况对应着有薄云和少云的夜晚条件，同时风速小于3m/s。烟团中的最大浓度也出现在居民区中距离释放源最近的点，这发生在500m处。因此由式（5-4）有利用式(2-6)，将其单位转变为10-6。假设压力为1atm，温度为298K，浓度为798×10-6。这比高很多。如果是在户外和泄漏源的下风向，那么，工厂内的人和任何一个处在紧邻居民区的人都将过量暴露。（3）由表2-7可知，1.0×10-6的ERPG-1值为3.0mg/m3或3.0×10-6kg/m3。气云中心的浓度由式（5-4）给出。代入已知数据，可以得到使用表5-3中提供的方程。求解下风向的距离。因此对于F稳定度等级：

通过试差法求解x，得到x=8.0km。（4）下风向中心线的浓度由式（5-3）给出（5-3）烟囱中心到达下风向5km处，所需时间为在下风向5km处，假设大气为F稳定