城市地區(qū)危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散與人口暴露模擬

鄭茂輝，金 敏，韓 新

同濟(jì)大學(xué)上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海200092

城市地區(qū)危險(xiǎn)氣體的意外泄漏和擴(kuò)散對(duì)周邊人員及環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅. 利用計(jì)算機(jī)模擬手段對(duì)危險(xiǎn)氣體濃度時(shí)空分布進(jìn)行科學(xué)有效計(jì)算，動(dòng)態(tài)分析周邊人口暴露水平，能在突發(fā)大氣污染事故防范和應(yīng)急救援疏散方面發(fā)揮重要作用，是當(dāng)前城市公共安全和微氣象環(huán)境領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一［1］.

人口暴露是微環(huán)境中污染物濃度和接觸時(shí)間對(duì)人體共同作用的結(jié)果. 現(xiàn)有暴露模型主要是針對(duì)常規(guī)大氣污染，更多的關(guān)注有害氣體濃度對(duì)健康影響. 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廣為使用的應(yīng)急反應(yīng)計(jì)劃指南(emergency response planning guidelines，EPRGs)［2］僅針對(duì)1 h 的暴露，急性暴露水平指南(acute exposure guideline levels，AEGLs)［3］提供了5 個(gè)暴露時(shí)限(10 min、30 min、1 h、4h 和8 h)的濃度閾值，但尚不能準(zhǔn)確反映短歷時(shí)泄漏擴(kuò)散中濃度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化. 因此，采用合適的數(shù)學(xué)模型有效模擬、預(yù)測(cè)危險(xiǎn)氣體濃度和暴露劑量的時(shí)間序列分布成為應(yīng)急暴露定量評(píng)價(jià)的重要技術(shù)手段.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市建筑群中有毒有害物質(zhì)的遷移擴(kuò)散開(kāi)展了不少試驗(yàn)與理論研究［4-9］，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的擴(kuò)散模型由于能夠詳細(xì)描述建筑群風(fēng)場(chǎng)、湍流細(xì)節(jié)及其對(duì)濃度分布的影響，受到越來(lái)越多的關(guān)注［10-19］. Hanna 等［10］利用5 個(gè)不同的CFD 模型對(duì)紐約曼哈頓地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行模擬，取得了較好的成果;Pullen 等［11］采用FAST3D-CT 和高斯煙羽模型對(duì)華盛頓和芝加哥局部區(qū)域的污染物擴(kuò)散進(jìn)行了模擬和分析;鄭茂輝等［13-14］模擬街區(qū)尺度毒氣擴(kuò)散過(guò)程，著重分析建筑物擾動(dòng)和不同來(lái)流風(fēng)速對(duì)濃度分布的影響;Xie 等［16］對(duì)建筑群環(huán)境大氣點(diǎn)源擴(kuò)散進(jìn)行了大渦模擬，結(jié)果表明近源處污染物濃度與周?chē)ㄖ飵缀畏植济芮邢嚓P(guān)，而遠(yuǎn)源濃度分布所受影響相對(duì)較小;Pontiggia 等［18］對(duì)城市地區(qū)毒氣擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，并基于EPRGs 劃分事故危害區(qū)域;章博等［19］模擬某石化裝置的泄漏擴(kuò)散，對(duì)泄漏源周?chē)鄠€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)人員中毒風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，但未直觀給出整個(gè)影響區(qū)域的暴露風(fēng)險(xiǎn)水平.

本研究圍繞城市突發(fā)大氣污染事故的精細(xì)化模擬分析，以倫敦中心城區(qū)示蹤氣體擴(kuò)散試驗(yàn)［5］為例，基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)建立試驗(yàn)區(qū)三維建筑物模型和人口分布數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)CFD 和暴露模型的耦合模擬計(jì)算近地面任意時(shí)刻危險(xiǎn)氣體的濃度和暴露劑量分布，在此基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)分析周邊受影響的人口及其暴露水平.

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與評(píng)估方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)處理

圖1 試驗(yàn)區(qū)建筑物布局與污染源實(shí)測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.1 Building arrangement of the field site and the positions of receptors relative to tracer release point

圖1 為試驗(yàn)區(qū)平面圖，區(qū)內(nèi)建筑物平均高度Hr=22 m. 污染源(Sr)位于街區(qū)內(nèi)部，距地面2 m，示蹤氣體為C7F14，源強(qiáng)Q=0.127 mg/s，排放持續(xù)15 min;試驗(yàn)期間來(lái)流風(fēng)向與Marylebone 路成45°夾角，為西南風(fēng)，參考風(fēng)速vr=3 m/s;P1～P4為下風(fēng)向近地面1.5 m 高處監(jiān)測(cè)點(diǎn). 詳見(jiàn)文獻(xiàn)［5］.

城市建筑群環(huán)境氣云擴(kuò)散模擬需要詳細(xì)的下墊面信息［1］，本研究利用試驗(yàn)區(qū)衛(wèi)星影像和1 ∶200 CAD 數(shù)據(jù)，借助ArcGIS 和SketchUp 軟件建立下墊面實(shí)體模型，用于CFD 數(shù)值計(jì)算和GIS 集成分析.圖2 給出的數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)流程為:①在Arc-Map 中加載CAD 數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)并配準(zhǔn)，建立建筑物屬性數(shù)據(jù)庫(kù);②將二維矢量、影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp 中進(jìn)行三維建模，輸出stl (stereo lithographic)和mdb (Esri multipatch)兩種3D 模型文件;③由CFD 前處理軟件Gambit 讀入stl 文件，進(jìn)行網(wǎng)格剖分和邊界條件設(shè)置，用于數(shù)值模擬計(jì)算;④在ArcScene 環(huán)境下讀入mdb 文件，關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)疊置分析模擬結(jié)果做進(jìn)一步的暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估. 需要說(shuō)明的是，由于試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，三維建模時(shí)未考慮地形影響;其次，為生成簡(jiǎn)潔、便于網(wǎng)格化的街區(qū)實(shí)體模型，對(duì)建筑物多邊形和屋頂形態(tài)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，并通過(guò)空間布爾運(yùn)算對(duì)部分密集建筑物進(jìn)行合并處理.

圖2 數(shù)據(jù)處理方法與技術(shù)流程Fig.2 Data processing method and flowchart

1.2 擴(kuò)散模型與檢驗(yàn)

模擬不考慮機(jī)動(dòng)車(chē)對(duì)街區(qū)內(nèi)部空氣的擾動(dòng)和溫度對(duì)流場(chǎng)的影響，空氣流動(dòng)滿(mǎn)足三維不可壓縮N-S方程組，污染物質(zhì)量濃度分布采用如下組分傳輸方程求解

其中，t 為時(shí)間;vj(j = 1，2，3)為xj方向上的速度分量;ρ 為污染物質(zhì)量濃度;D 為湍流擴(kuò)散系數(shù).

計(jì)算時(shí)選擇RNG k-ε 湍流模型閉合方程組，大氣入口水平風(fēng)速遵循冪指數(shù)函數(shù):vz= vr(z/Hr)α，

其中，vz為距地面高度z 處的平均風(fēng)速;風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)α = 0.3;地面及建筑物壁面采用無(wú)滑移邊界條件;在出口邊界上，各變量水平方向梯度為0;計(jì)算域頂部和兩側(cè)設(shè)定為對(duì)稱(chēng)邊界.

計(jì)算域流向長(zhǎng)1 800 m，展向1 500 m，高200 m，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散剖分，網(wǎng)格單元總數(shù)約5.8 ×106個(gè)，考慮到建筑物拖曳作用和所關(guān)心的區(qū)域，對(duì)污染源周邊和下風(fēng)向建筑區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密. 采用Ansys Fluent 12.0 軟件在并行計(jì)算環(huán)境下進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬時(shí)長(zhǎng)30 min，包括15 min 的連續(xù)排放及其后示蹤氣體隨風(fēng)場(chǎng)的自由擴(kuò)散.

為檢驗(yàn)擴(kuò)散模型的正確性和有效性，選擇現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中4 個(gè)近地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行比較和分析. 圖3 給出P1～P4的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及計(jì)算質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn). 試驗(yàn)期間采用空氣采樣袋現(xiàn)場(chǎng)收集氣體，并通過(guò)色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀測(cè)定污染物質(zhì)量濃度，其中因操作原因，P1、P2與P3分別在第12 min、9 min 和3 min 未能測(cè)得有效數(shù)據(jù). 現(xiàn)有數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果總體上比較符合，由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為3 min 平均質(zhì)量濃度，兩者很難在時(shí)間維上進(jìn)行準(zhǔn)確比照，但變化趨勢(shì)基本一致，計(jì)算質(zhì)量濃度的變化在擴(kuò)散初期相對(duì)滯后，在后期自由擴(kuò)散階段則下降較快. 這表明通過(guò)設(shè)定合理邊界和計(jì)算參數(shù)，本研究的數(shù)值方法是可靠的，能夠適應(yīng)復(fù)雜建筑群環(huán)境的模擬，對(duì)近壁面質(zhì)量濃度的預(yù)測(cè)結(jié)果較好.

圖3 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)平均質(zhì)量濃度比較Fig.3 Comparisons of mean mass concentrations for numerical simulation with experimental data

1.3 人口暴露估算

暴露劑量可表示為質(zhì)量濃度和時(shí)間的函數(shù). 數(shù)值模擬過(guò)程中通過(guò)編制UDF (user defined function)對(duì)給定時(shí)間步長(zhǎng)的質(zhì)量濃度輸出進(jìn)行累計(jì)求和，得到近地面1.5 m 高度處不同時(shí)刻的暴露劑量

借鑒文獻(xiàn)［20］給出的城市局域動(dòng)態(tài)人口估計(jì)方法，基于試驗(yàn)區(qū)建筑物數(shù)據(jù)庫(kù)估計(jì)區(qū)內(nèi)大致的人口分布，估算某一建筑物或建筑群組所容納的人口數(shù)為

其中，Sb為建筑物或建筑群組的占地面積;N 為建筑層數(shù);Sh為人均建筑面積，未考慮建筑用途和其他影響因素.

在GIS 環(huán)境下疊置分析不同時(shí)刻的質(zhì)量濃度場(chǎng)、暴露劑量范圍以及人口分布信息，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)區(qū)人口健康風(fēng)險(xiǎn)水平，該方法對(duì)于環(huán)境應(yīng)急疏散時(shí)的人員估算具有參考意義.

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量濃度與暴露劑量時(shí)空分布

對(duì)于突發(fā)大氣污染事故，時(shí)變濃度和暴露劑量分布是事故過(guò)程動(dòng)態(tài)分析和后果定量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵.圖4 給出了4 個(gè)典型時(shí)刻近地面1.5 m 高度處污染物的質(zhì)量濃度和暴露劑量分布. 如圖4 (a)、(c)、(e)和(g)，污染物泄漏后主要沿下風(fēng)向街谷輸送擴(kuò)散. t=5 min 時(shí)，氣云前端(ρ≥1 ×10-13mg/m3)已抵達(dá)Regents 公園，距離污染源約620 m;由于污染源鄰近建筑物的阻擋和反射，York 街以南狹窄的街段內(nèi)污染物質(zhì)量濃度較高，達(dá)1 ×10-11mg/m3以上，見(jiàn)圖4 (a). t =10 min 時(shí)，氣云前端穿過(guò)Regents 公園，下風(fēng)向建筑群中污染物的質(zhì)量濃度分布趨于穩(wěn)定，與風(fēng)向成45°夾角的Marylebone、Glentworth 和Baker 等街道污染物質(zhì)量濃度較高，ρ≥5 ×10-13mg/m3的氣云覆蓋面積達(dá)40 400 m2，見(jiàn)圖4 (c). t=15 min 時(shí)，泄漏停止，其后氣云隨風(fēng)場(chǎng)逐步向下風(fēng)向遷移，質(zhì)量濃度漸減. 至t=20 min，污染源附近氣云已消褪(ρ≤1 ×10-13mg/m3)，在部分建筑物背風(fēng)向和狹窄街段中質(zhì)量濃度稀釋滯后，可能成為威脅人群健康的“死角”，見(jiàn)圖4 (g).

暴露劑量的時(shí)間序列分布基本反映了質(zhì)量濃度場(chǎng)的變化規(guī)律. t =5 min 時(shí)，暴露影響范圍主要局限于下風(fēng)向少數(shù)建筑物區(qū)間，見(jiàn)圖4 (b). 隨著污染物的持續(xù)排放，影響范圍迅速擴(kuò)大到整個(gè)下風(fēng)向建筑區(qū)域，并向Regents 公園蔓延，建筑群中污染物的暴露劑量不斷增高. t =10 min 時(shí)，從污染源至Baker 車(chē)站的下風(fēng)向建筑區(qū)域污染物暴露劑量基本上在1 ×10-11mg·m-3·min以上，面積為49 200 m2，見(jiàn)圖4 (d);至t=15 min，該暴露劑量范圍增至近93 000 m2，見(jiàn)圖4 (f). 泄漏停止后，近源區(qū)域由于污染物稀釋較快，暴露劑量變化幅度小，而遠(yuǎn)源區(qū)域由于上風(fēng)向氣云的持續(xù)補(bǔ)給，暴露劑量仍然逐漸趨高，如圖4 (h). 該結(jié)果說(shuō)明，環(huán)境應(yīng)急處置過(guò)程中下風(fēng)向相關(guān)人員在危險(xiǎn)源停止泄漏之后仍需及時(shí)疏散或采取必要防范措施，以降低污染物暴露風(fēng)險(xiǎn).

2.2 人口暴露風(fēng)險(xiǎn)分析

基于暴露劑量時(shí)間序列可動(dòng)態(tài)分析事故影響范圍及程度，結(jié)合人口分布信息即可初步定量估算周邊暴露的人口和暴露水平. 本研究基于ArcScene 實(shí)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果的三維可視化，通過(guò)圖文交互查詢(xún)特定時(shí)刻建筑物周?chē)廴疚镔|(zhì)量濃度、暴露劑量和受影響的人口數(shù)目等. 圖5 給出t =30 min 時(shí)不同暴露程度的影響區(qū)域分布. 其中 E ≥1 × 10-11mg·m-3·min的影響區(qū)域面積為180 200 m2，涉及29 個(gè)建筑群組，估算受影響人口12 977，約占試驗(yàn)區(qū)總估算人口的15.46%.

圖4 質(zhì)量濃度與暴露劑量時(shí)間序列分布Fig.4 The evolution of mass concentration fields and the affected regions at different exposure level

圖5 基于GIS 的人員暴露估算Fig.5 Human exposure assessment based on GIS

為簡(jiǎn)化模型分析，以上估算暴露人口和暴露水平時(shí)僅考慮了近地面人員呼吸高度處的污染物質(zhì)量濃度及負(fù)載，并以此為基礎(chǔ)確定影響范圍內(nèi)的建筑物及人口;對(duì)人口的估算尚未考慮不同建筑物類(lèi)型和人員出行活動(dòng)模式的影響. 精細(xì)化的事故過(guò)程模擬及后果評(píng)價(jià)還需進(jìn)一步考慮以上相關(guān)因素. 此外，本研究模擬微量的示蹤氣體擴(kuò)散，對(duì)于特定類(lèi)型的危險(xiǎn)氣體泄漏，可參照AEGLs 標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)閾值劃分不同等級(jí)的事故危害區(qū)域，如吸入反應(yīng)區(qū)、輕傷區(qū)和重傷區(qū)等，從而為采取必要的防范和應(yīng)對(duì)處置措施提供依據(jù).

結(jié) 語(yǔ)

本研究探討城市地區(qū)危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散與應(yīng)急暴露模擬分析的若干關(guān)鍵技術(shù)，綜合運(yùn)用CFD 模型、暴露模型及GIS 三維建模與可視化分析方法，對(duì)倫敦市區(qū)某示蹤氣體擴(kuò)散試驗(yàn)進(jìn)行了模擬分析. 研究表明，設(shè)定合適的計(jì)算邊界和參數(shù)，CFD 數(shù)值方法能夠較有效地描述建筑群中危險(xiǎn)氣體的擴(kuò)散過(guò)程和近地面質(zhì)量濃度分布;通過(guò)對(duì)近地面質(zhì)量濃度的時(shí)間積分，獲得不同時(shí)刻建筑物周?chē)鷿撛诘谋┞秳┝?結(jié)合GIS 和建筑物數(shù)據(jù)庫(kù)能夠直觀分析周邊受影響的人口和風(fēng)險(xiǎn)水平. 后續(xù)研究將對(duì)數(shù)值模型及方法做進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合人員疏散活動(dòng)模式，動(dòng)態(tài)分析疏散過(guò)程中人員暴露和健康風(fēng)險(xiǎn)水平，為突發(fā)事故應(yīng)急響應(yīng)和疏散路徑規(guī)劃提供理論參考.

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