考慮空間效應(yīng)的毒氣擴散當(dāng)量危害研究*

鄭霞忠，田 丹，晉良海，謝雪凌，陳雁高

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 4430022；2.水電工程施工與管理湖北省重點實驗室，湖北 宜昌4430023；3.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

考慮空間效應(yīng)的毒氣擴散當(dāng)量危害研究*

鄭霞忠1,2，田 丹1，晉良海1,2，謝雪凌2，陳雁高3

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 4430022；2.水電工程施工與管理湖北省重點實驗室，湖北 宜昌4430023；3.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

為揭示空間尺寸對擴散毒氣當(dāng)量危害的影響規(guī)律，參考毒氣危害程度評價標準，提取有限空間毒氣危害程度評價因素，運用均一質(zhì)量濃度模型與仿真方法，以毒物負荷準則為基礎(chǔ)，融合空間毒氣動態(tài)變化濃度與暴露時間等因素，構(gòu)建毒氣擴散當(dāng)量危害模型。模擬不同尺寸空間的毒氣擴散濃度與人群疏散時間，生成不同有限空間中毒氣擴散濃度動態(tài)變化曲線，仿真計算人群暴露時間，揭示空間效應(yīng)對擴散毒氣當(dāng)量危害的影響機制，量化分析有限空間中擴散毒氣的危害程度。模擬結(jié)果表明：隨著空間尺寸的增加，毒氣擴散當(dāng)量危害值呈現(xiàn)先增后減的趨勢，并在空間大小達到某一值時，毒氣當(dāng)量危害值達到峰值，在峰值點的左右鄰域內(nèi)，空間尺寸越大，毒氣擴散當(dāng)量危害值的增長與衰變速率就越低。

毒氣擴散；當(dāng)量危害；均一質(zhì)量濃度；毒物負荷準則；空間效應(yīng)

空間效應(yīng)是指由空間大小變化而引起的空間物質(zhì)與能量改變。空間效應(yīng)發(fā)生在封閉且通風(fēng)道單一的有限空間[1]。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，受空間效應(yīng)的影響，使有限空間中毒氣危害程度難以準確計量，導(dǎo)致中毒、窒息事故時有發(fā)生[2]。因此，研究空間效應(yīng)對毒氣危害程度的影響機理，有利于應(yīng)對多空間狀態(tài)毒氣突發(fā)事件，并為毒氣突發(fā)事件應(yīng)急管理提供依據(jù)。

毒氣當(dāng)量危害研究是空間安全管理的重要組成部分，近年來許多學(xué)者進行了深入的研究。崔輝[3]等在分析氣體危害程度的不同處理標準基礎(chǔ)上，運用毒物傷害準則來界定毒氣危害濃度，并對危險區(qū)域劃分等級；張子明[4]等針對毒氣泄漏事故，采用高斯煙羽模型，綜合毒氣傷害準則和AEGL標準，得到毒氣泄漏事故下的最小傷害度模型；夏登友等[5]以高斯煙羽模型為基礎(chǔ)，挖掘液氨擴散影響因素，結(jié)合影響因素與擴散模型，劃分液氨安全區(qū)域；熊立春等[6]提出將高斯煙羽模型的因素進行疊加，并考慮氣體擴散時的濃度，建立以毒氣負荷函數(shù)為基礎(chǔ)的液氨擴散風(fēng)險矩陣，得到最佳疏散路徑；Lisa M等[7]以毒氣負荷模型為基礎(chǔ)，以H2S氣體為載體，通過大量實驗，集成毒氣危害程度評價因素，驗證各個因素在毒氣危害程度評價中的權(quán)重，構(gòu)建毒氣危害區(qū)域劃分準則；席學(xué)軍等[8]利用差分法計算人員在疏散過程中的毒性負荷值，通過融合毒氣擴散濃度與人員疏散暴露時間，構(gòu)建毒氣危害概率函數(shù)，精確評價毒氣危害程度；Lovreglio等[9]剖析工業(yè)區(qū)毒氣擴散因素，探究毒氣擴散機理，構(gòu)建工業(yè)區(qū)人群疏散運動模型，提取人在危害區(qū)域的疏散路徑，評價毒氣危害程度，度量區(qū)域風(fēng)系數(shù)大小，生成毒氣風(fēng)險管理系統(tǒng)。

以上成果從多個角度對毒氣擴散危害濃度進行研究，大多集中于開敞的大氣環(huán)境研究，極少考慮有限空間對毒氣擴散危害程度的影響。鑒于此，本文以毒氣濃度與暴露時間為載體，分析有限空間中毒氣危害程度的影響大小，結(jié)合均一質(zhì)量濃度模型與應(yīng)急疏散時間的仿真數(shù)據(jù)，求解空間中毒氣動態(tài)濃度與人員暴露時間，以毒物負荷準則為基礎(chǔ)，構(gòu)建毒氣擴散危害當(dāng)量模型，生成毒氣危害程度動態(tài)變化曲線，揭示空間效應(yīng)對毒氣危害程度的影響規(guī)律，以期為有限空間毒氣擴散應(yīng)急管理提供理論依據(jù)。

1 空間效應(yīng)下毒氣危害程度分析

有限空間中存在兩個主要影響毒氣危害程度的因素，一是引起中毒的染毒空氣濃度[10]；二是人員在沒有任何毒氣防備措施前提下所暴露的時間[11]。

1.1 不同空間毒氣濃度

均一質(zhì)量濃度模型常用來研究有限空間毒氣擴散濃度，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與日常生活[12]。均一質(zhì)量濃度模型適用于研究自然狀態(tài)下有限空間中毒氣擴散，參數(shù)易于獲得，使用比較方便，在穩(wěn)定風(fēng)速中，模擬數(shù)據(jù)精確度較高[13]，具有很強實用性。

當(dāng)毒氣在有限空間泄露時，在擴散區(qū)域內(nèi)毒氣會快速與周圍空氣發(fā)生瞬間均勻融合，整個擴散區(qū)域處于均一質(zhì)量濃度之下[14]。由于毒氣擴散使原有室內(nèi)外的氣體濃度失衡，在大氣環(huán)境保持穩(wěn)定的情況下，氣體只會從室內(nèi)向室外流動，而外面的氣體不會進入室內(nèi)，保持了室內(nèi)氣體成分一致性。因此，在保證空間初始濃度不變與風(fēng)速穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，有限空間中毒氣濃度的變化與毒氣泄露速率成正比，且與空間大小成反比。得到均一質(zhì)量濃度方程[13-14]：

(1)

式中：Cj(t)表示t時刻第j個有限空間中毒氣濃度(mg/m3)；C0表示毒氣泄露之前有限空間中空氣濃度；G表示為毒氣泄露速率(mg/s)；k為換氣次數(shù)，主要通過變換得到(min)；vj為第j個有限空間容積(m3)；r表示有限空間的數(shù)目，t為有限空間中毒氣泄露時間(s)。

1.2 人員暴露時間

(2)

每個人員在空間中的移動速度是由有限空間中行人密度D決定，且空間人員密度的闕值為0.55人/m2，則空間中人員速度公式為：

(3)

有毒氣體在有限空間中擴散時，暴露時間t主要是由應(yīng)急疏散時間T所決定。毒氣的暴露時間由人群開始警覺時間與人群到達安全區(qū)域時間決定，開始警覺時間為發(fā)現(xiàn)毒氣泄漏時刻，到達安全區(qū)域時間為人員離開有限空間的時刻。當(dāng)毒氣泄漏事故發(fā)生時，應(yīng)急機構(gòu)就會組織疏散，組織疏散會減少人員暴露時間，降低毒氣危害程度，對于疏散時間的確定，常用軟件進行疏散模擬[16]。對第j個有限空間中的s個人員，計算各個人員的暴露時間為tij(i=1,2,……s)(i=1,2,……r)，有限空間中的暴露時間tij(i=1,2,……s)(j=1,2,……r)是以空間疏散為載體，通過有限空間中各個人員有序疏散時間Tij=(i=1,2,……s)(j=1,2,……r)確定。因此，人員暴露時間可由下式確定為：

(4)

1.3 毒氣擴散當(dāng)量危害模型

有限空間中毒氣危害程度主要是受毒氣濃度與暴露時間的影響，危害程度與毒氣濃度成正比，與暴露時間也成正比，暴露時間與毒氣濃度的增加都會使有限空間毒氣危害程度加大[3]。因此，通過進行大量實驗基礎(chǔ)上，得到評價毒物危害程度的毒物負荷準則，毒負荷準則主要是表示毒物濃度、暴露時間與危害程度之間的關(guān)系，考慮到人的呼吸能力以及毒物的性質(zhì)，修正毒物濃度與暴露時間在中毒效應(yīng)中的作用，建立不同毒物類型的危害程度評價公式，其公式為[4]：

TL=KCntm。

(5)

式中：TL為毒負荷(ppm·s)；K為與毒氣劑量有關(guān)的系數(shù)(K≤1)；C為毒物濃度(ppm)；t為接觸時間(s)；n為時間的修正系數(shù)；m為濃度的修正系數(shù)。

由于有限空間中的毒氣濃度梯度變化較小，在有限空間中的人群所受毒氣濃度變化不會發(fā)生很大變化，可近似用空間平均濃度表示。根據(jù)式(1)可知，在實際擴散過程中毒氣濃度會隨時間發(fā)生變化，加之每個人離開有限空間的時間也存在不同，因此，每個時間點上的毒氣濃度Ct也不相同。

(6)

2 數(shù)值仿真

根據(jù)實驗需要，結(jié)合現(xiàn)實有限空間大小特點，統(tǒng)計工廠加工車間大小，該工廠針對不同作業(yè)規(guī)模，設(shè)置6種不同大小尺寸的加工車間，其尺寸分別為：3.0 m×3.0 m×3.0 m，3.5 m×3.5 m×3.5 m，4.0 m×4.0 m×4.0 m，4.5 m×4.5 m×4.5 m，5.0 m×5.0 m×5.0 m，5.5 m×5.5 m×5.5 m。在每一個加工車間中有一扇門與一扇窗，門的尺寸按照建筑標準計量，出口高度為2.15 m，寬度為0.8 m。

2.1 不同空間大小下毒氣濃度確定

結(jié)合各個加工車間大小特征，設(shè)置空間存在穩(wěn)定H2S氣體泄漏源，其泄漏速度為66.7 mg/s；空間中空氣速率為0.02 m/s，空氣中初始H2S氣提濃度為0.008 mg/m3，通過式(1)計算，求得各個空間中毒氣濃度隨時間的變化曲線(圖1)。

表1 不同有限空間人數(shù)

圖1 有限空間毒氣濃度變化曲線

圖1中橫坐標表示時間大小?？v坐標表示有限空間中H2S氣體平均濃度，曲線表示隨著時間的變化，空間中毒氣濃度的變化情況，以及在每個時間點上空間毒氣濃度值得大小。

2.2 不同空間大小下暴露時間確定

根據(jù)仿真軟件要求，設(shè)計空間人群密度為1.55 m2/人，其中男女比例為1∶1，不存在老人與小孩，按照亞洲標準男女身材，男人的肩寬設(shè)計為45 cm，女人的肩寬為36 cm，根據(jù)式(3)可求得人群移動速度為男性1.16 m/s、女性1.01 m/s，人群按照統(tǒng)一標準分布。

根據(jù)人口密度與空間大小關(guān)系，得到各個空間中人口數(shù)(表1)。

參照模擬結(jié)果，得到在各個時間點里，有限空間中已疏散人群的數(shù)量，以此得到各個人在空間中的暴露時間(圖2)。

圖2 有限空間人員暴露時間曲線

圖2中，依照截距大小，在x,y軸上曲線截距從小到大所對應(yīng)空間尺寸為3.0 m×3.0 m×3.0 m，3.5 m×3.5 m×3.5 m，4.0 m×4.0 m×4.0 m，4.5 m×4.5 m×4.5 m，5.0 m×5.0 m×5.0 m，5.5 m×5.5 m×5.5 m。圖2中曲線表示在各個疏散時間點上，空間中人員的數(shù)量，其y軸表示人員在有限空間中的暴露時間，x軸表示各個時間點內(nèi)空間中人員的數(shù)量，同時也表示空間種各人員的暴露時間大小。

2.3 當(dāng)量危害分析

通過對模擬實驗結(jié)果的分析，結(jié)合各個空間毒氣濃度動態(tài)變化曲線，得到各個時間段上毒氣濃度大小。綜合毒氣濃度動態(tài)變化曲線，以3.0 m×3.0 m×3.0 m有限空間為例，依照仿真軟件生成的有限空間人員暴露時間曲線，考慮毒氣泄漏后應(yīng)急反應(yīng)時間，統(tǒng)計在各個時間點上人員疏散情況，以及每個人在空間中暴露時間(表2)。

表2 人員暴露時間

綜合分析各有限空間人員疏散時間，將各個人員的疏散時間與毒氣濃度動態(tài)變化曲線相結(jié)合，確定每個人員的暴露時間tij，融合所得動態(tài)毒氣濃度與暴露時間，根據(jù)毒氣性質(zhì)確定m,n值分別為1，1.24，參考公式(6)，得到不同空間下毒氣當(dāng)量危害值大小(圖3)。

圖3 不同空間大小下毒氣擴散當(dāng)量危害值

通過模擬6個不同尺寸有限空間毒氣擴散濃度及人員疏散時間，得到在不同有限空間中，隨著時間增長，空間中毒氣擴散濃度增加，隨著空間大小增加，人員疏散平均時間增大，人員受到毒氣的平均危害時間也增加。

針對不同大小有限空間模擬實驗的結(jié)果，以H2S氣體為研究對象，運用毒氣擴散當(dāng)量危害模型，計算毒氣擴散當(dāng)量危害值，得到空間中毒氣擴散當(dāng)量危害值呈現(xiàn)先增后減的趨勢，并在平面面積為16 m2左右時，毒氣擴散當(dāng)量危害值達到最大。當(dāng)空間尺寸較小時，空間中毒氣濃度值較高，人員暴露時間較低，這時空間中毒氣擴散當(dāng)量危害值相對較低。當(dāng)空間尺寸較大時，空間中毒氣濃度值較低，人員的暴露時間增加，空間中毒氣擴散當(dāng)量危害值相對較高。

分析不同空間大小下毒氣擴散當(dāng)量危害值曲線，可知當(dāng)空間大小為5 m2與15 m2時，空間中毒氣危害當(dāng)量值分別為為25 ppm·s與45 ppm·s，呈線性增長趨勢，增長速率大約為9 ppm·s/m2，當(dāng)空間大小為20 m2與45 m2時，空間中毒氣危害當(dāng)量值分別為為40 ppm·s與30 ppm·s，呈反比例衰變趨勢，衰變速率大約為0.67 ppm·s/m2，因此，可得在毒氣當(dāng)量危害的峰值點的左鄰域內(nèi)。隨著空間大小的增加，毒氣擴散當(dāng)量危害值的增長速率較快，在峰值點的右鄰域內(nèi)，毒氣擴散當(dāng)量危害值的衰變速率緩慢。

3 結(jié)語

(1)在有限空間中，毒氣的危害程度主要取決于暴露時間與毒氣濃度，空間大小是通過暴露時間與毒氣濃度間接作用于毒氣危害程度。本文以毒物負荷準則為依托，結(jié)合對空間毒氣濃度與人員暴露時間的模擬結(jié)果，通過毒氣擴散當(dāng)量危害模型，推演了空間效應(yīng)對毒氣當(dāng)量危害的影響程度。

(2)通過模擬不同空間大小下毒氣危害當(dāng)量值可得：隨著空間大小的增加，毒氣危害程度會呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在空間大小為某一定值時，毒氣擴散當(dāng)量危害值達到峰值，且在峰值點的左右鄰域內(nèi)，左鄰域的毒氣當(dāng)量危害值增長趨勢大于右鄰域中毒氣當(dāng)量危害值衰變趨勢。當(dāng)空間尺寸進一步增大時，毒氣危害當(dāng)量值的衰變速率會變緩慢。

(3)在保證以人為本的氣體條件下，如何建立有效空間疏散模式以及毒氣管理方案，降低有限空間中毒氣擴散當(dāng)量危害值，是下一步將要解決的問題。

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Study on the Equivalent Hazard of Toxic Gas Diffusion Considering Spatial Effect

ZHENG Xiazhong1, 2, TIAN Dan1, JIN Lianghai1, 2, XIE Xueling2and CHEN Yangao3

(1.CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China;2.HubeiKeyLaboratoryofConstructionandManagementinHydropowerEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 3.SinohydroBureau7CompanyLimited,Chengdu610081,China)

In order to reveal the influence of space dimension over the distribution of the toxic gas diffusion equivalent, the author referred to the evaluation criteria of gas hazard degree and used the uniform mass concentration model and the simulation method to do the analysis. Based on the toxic load criteria as well as factors such as spatial concentration of hazard gas and exposure time, the author constructed gas diffusion equivalent hazard model. Then, the author simulated gas diffusion under different dimensions and different exposure time, revealed the influence mechanism of space effect on toxic gas diffusion equivalent and conducted quantitative analysis of hazard degree of gas diffusion in the limited space. The simulation results showed that, with the increasing of space dimension, the equivalent value of the toxic gas diffusion increased at first and then decreased, and when the size of the space reaches a certain value, the hazard value of the gas equivalent reaches the peak value. In the neighborhood area of the peak point, size of the space is inversely proportional to the growth rate and the decay rate.

toxic gas diffusion; equivalent hazard; uniform mass concentration; toxic load criterion; spatial effect

鄭霞忠，田丹，晉良海，等. 考慮空間效應(yīng)的毒氣擴散當(dāng)量危害研究[J].災(zāi)害學(xué)，2018，33(1)：1-4.[ZHENG Xiazhong,TIAN Dan,JIN Lianghai,et al.Study on the Equivalent Hazard of Toxic Gas Diffusion Considering Spatial Effect[J].Journal of Catastrophology，2018，33(1)：1-4.

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.001.]

2017-07-05

2017-08-30

國家自然科學(xué)基金項目(51379110)

鄭霞忠(1963-)，男，湖北鄂州人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事安全科學(xué)與工程方面研究工作.

E-mail:zhengxz@126.com.

晉良海(1973-)，男，四川簡陽人，副教授，博士，主要從事安全認知學(xué)、建設(shè)項目運籌研究.

E-mail：16405495@qq.com.

X92； X45

A

1000-811X(2018)01-0001-04

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.001