有毒物質泄漏擴散模型模擬軟件系統開發

王云慧，邢志祥，陸中秋，侯振杰，楊扣華，趙 旭

(1．常州大學環境與安全工程學院，江蘇常州213164;2常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州213164;3江蘇泰康安全環境科技有限公司，江蘇泰州225300)

有毒物質泄漏擴散模型模擬軟件系統開發

王云慧1，邢志祥1，陸中秋2，侯振杰2，楊扣華3，趙 旭1

(1．常州大學環境與安全工程學院，江蘇常州213164;2常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州213164;3江蘇泰康安全環境科技有限公司，江蘇泰州225300)

為評估有毒物質泄漏事故后果，分析了相關文獻中有毒物質泄漏擴散模型，并在此基礎上運用Visual Studio 2013開發平臺，利用C#編程語言和SQL Server 2008數據庫系統，構建了基于B/S模式的定量評估有毒物質泄漏事故后果的Web系統，實現了泄漏事故危險特征參數計算和事故后果危害范圍圖形顯示。實例應用表明，該系統具有一定的工程應用價值，可為企業安全管理、泄漏事故預防和控制提供依據。

有毒物質泄漏;Matlab;擴散模型;濃度閾值;軟件系統開發

有毒有害物質是化工、石化及其他行業中生產、儲存和使用的常見危險化學品，一旦發生泄漏擴散，若超過邊界條件，則會引發多米諾連鎖事故［1］，對周圍環境暴露人員或設備造成損壞。如1984年印度博帕爾市聯合碳化物有限公司農藥廠45 t異氰酸甲酯儲罐發生泄漏事故，造成了2．5萬人直接死亡，55萬人間接死亡，是歷史上迄今為止最嚴重的化學工業事故［2］。因此，對有毒物質泄漏事故后果進行評估對泄漏事故預防和控制具有重要意義。

目前，國內外針對有毒物質泄漏擴散模型的研究［3-6］主要集中在以下兩個方面:一是非重氣云擴散模型的提出，如高斯模型，包括煙羽模型和煙團模型，分別適用于連續點源擴散和瞬時點源擴散，美國環保署(EPA)所采用的許多標準都是以高斯模型為基準制定的;二是重氣云擴散過程研究，如Van Ulden提出的箱模型，包括盒子模型和平板模型，分別適用于預測瞬時和連續泄漏重氣云半徑、高度、有毒氣體濃度等特征參數。例如Britter等利用多次重氣擴散試驗結果，以量綱分析方法提出一系列經驗公式和無量綱數據擬合曲線，與地面水平的連續泄漏和瞬時重氣云泄漏結果吻合很好;Chan等基于計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法開發了三維有限元模型(3-D Finite Element Model，FEM3)和FEM3A模型模擬重氣云擴散的三維常態湍流流動過程，該模型考慮地形及障礙物的影響，但需要計算機大量運算，在工程應用中受到很大限制。我國在該方面的研究起步較晚，主要應用于安全工程領域。

有毒泄漏擴散模型形式復雜且計算量大，計算機輔助量化風險已經成為定量風險評估的重要手段，而仿真技術具有強大的數學計算和圖像處理能力［7-8］，本文基于現有相關文獻資料［3-6］中的有毒物質泄漏擴散模型，利用Visual Studio 2013開發工具和C#編程語言，設計開發了定量評估不同類型泄漏事故擴散后果的Web系統，以期為化工企業制定有毒物質泄漏事故應急預案和進行應急處理提供依據。

1 有毒物質泄漏擴散模型

由于有毒物質泄漏事故后果模擬較為復雜，涉及不同泄漏模型和相關理論，因此本文分析了相關文獻資料，針對不同類型泄漏事故場景，并根據物質類別、泄漏時間、存儲溫度和氣體密度等參數合理選擇不同的泄漏擴散模型，如圖1所示。由于篇幅限制，泄漏速率、液池面積、蒸發量等參數計算在此不再贅述，本文主要概述非重氣云擴散模型和重氣云擴散模型中泄漏物質危害濃度范圍計算過程，事故危險特征參數計算詳見相關文獻。

圖1 不同類型泄漏事故場景計算模型Fig．1 Calculation model of different types of leakage accident scenarios

1．1 非重氣云擴散模型

非重氣云擴散模型應用廣泛的為高斯模型，其基本假設為:氣云密度與空氣密度相當;云團中心移動速度等于風速;云團內部或云羽橫截面上濃度、密度等參數服從高斯分布。取泄漏源為坐標原點，x軸為下風向，y軸為側風向，z軸為垂直風向。

連續泄漏采用高斯煙羽模型:

式中:C(x，y，z)為泄漏物質在預測點(x，y，z)的濃度(kg/m3);Q為泄漏源強度(kg/s);u為風速(m/s);H為泄漏源的有效高度(m);σy、σz分別為側風向和垂直風向的擴散系數(m)，擴散系數為與大氣穩定度和泄漏點下風向距離有關的函數，而大氣穩定度的劃分取決于風速和日照量，擴散系數的確定詳見文獻［5］。

瞬時泄漏采用高斯煙團模型:

式中:C(x，y，z，t)為t時刻泄漏物質在預測點(x，y，z)的濃度(kg/m3);t為泄漏后擴散時間(s);Q*為瞬時排放的物料質量(kg);σx為下風向的擴散系數(m)。

1．2 重氣云擴散模型

重氣云擴散模型根據建模原理可分為箱模型、相似模型、淺層模型、三維流體力學模型，廣泛應用的盒子模型和平板模型均屬于箱模型。

連續泄漏采用平板模型:

式中:C'為重氣云羽的濃度(kg/m3);b0為泄漏源點重氣云羽橫風向半寬(m);h'0為泄漏源點重氣云羽的高度(m);C0為初始重氣云羽的密度(kg/m3);b為下風向任意距離處的重氣云與橫截面半寬(m);h'為下風向任意距離處的重氣云羽高度(m)。

重氣云羽的覆蓋面積為

式中:A為下風向距離為x處重氣云羽的覆蓋面積(m2);x為下風向距離(m);ρ0、ρa分別為蒸氣云密度和環境空氣密度(kg/m3);g為重力加速度，取值為9．81 m/s2。

瞬時泄漏采用盒子模型:

式中:C為下風向距離為x處重氣云團的濃度(kg/m3);C0為初始重氣云團的密度(kg/m3);V0為重氣云團的初始體積(m3)。

重氣云團的覆蓋面積為

式中:A為下風向距離為x處重氣云團的覆蓋面積(m2);R為重氣云團的半徑(m);R0為重氣云團的初始半徑(m)。

2 有毒物質泄漏擴散模擬軟件系統的設計與開發

2．1 軟件系統設計結構

本文基于國內外有毒物質泄漏擴散模型研究，并利用C#編程語言和SQL Server 2008數據庫，開發了．NET平臺下的有毒物質泄漏事故后果評估Web應用程序。

有毒物質泄漏擴散模擬軟件系統設計結構如圖2所示。其中，數據層LINQ to SQL將數據庫的數據模型映射到C#編程語言表示的對象模型，實現了對數據庫中的數據進行查詢、更新、添加、刪除等操作;邏輯層ASP．NET是基于．NET的開發環境，提供了程序數據與應用層的接口;應用層包括化工區域管理、設備管理、物料管理等5個模塊，主要功能設計詳見圖3。

2．2 軟件系統程序設計流程

圖2 有毒物質泄漏擴散模擬軟件系統設計結構Fig．2 Design structure of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

圖3 有毒物質泄漏擴散模擬軟件系統功能模塊Fig．3 Function modules of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

有毒物質泄漏擴散模擬軟件系統程序設計思路［7］為:首先輸入發生泄漏事故設備和物料信息作為輸入條件，系統涉及7種不同的泄漏事故場景，并根據物質類別、泄漏時間、存儲溫度和氣體密度等參數選擇不同的泄漏擴散模型計算泄漏事故危險特征參數和危害范圍，其計算結果通過GIS實現圖形顯示。該軟件系統程序設計流程主要包括添加泄漏事故設備和事故、設置物質物性參數和環境條件、查看、修改和刪除事故評價單元、計算事故危險特性參數、繪制事故后果危害范圍圖等［8］，見圖4。

該軟件系統開發環境為基于Visual Studio 2013開發工具的ASP．NET，服務器操作系統為Windows Server 2008，客戶端操作系統為 Microsoft Windows XP Professional，Web服務器采用IIS 7．0。

該軟件系統采用瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)模式［9，10］，由傳統二層客戶端/服務器(Client/Server，C/S)模式改進，具有三層模式(3-Tier)網絡結構。B/S模式統一了客戶端，客戶端只需安裝一個Web瀏覽器如Internet Explorer，服務器則安裝SQL Server等數據庫，瀏覽器通過Web Server同數據庫進行數據交互，客戶端零安裝、零維護，節約了開發成本。服務器(Server)內部采用模型-視圖-控制器(Model View Controller，MVC)構架，如圖5所示。

圖4 有毒物質泄漏擴散模擬軟件系統程序設計流程Fig．4 Design flow of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

圖5 服務器模型-視圖-控制器(MVC)架構示意圖Fig．5 Schematic diagram of the MVC framework

該軟件系統編程語言采用由微軟公司發布的一種面向對象的、運行于．NET Framework的高級程序設計語言 C#。數據庫管理系統采用 SQL Server 2008，具有可信任性、高效性、智能性等特點，其包括化工區域信息表、危險設備信息表、危險化學品物質物性參數表、有毒物質泄漏事故模擬計算信息表等數據表，限于篇幅限制，本文僅列出危險設備信息表，見表1。

表1 危險設備信息表Table 1 Information of the dangerous equipment

3 實例應用與分析

本文以某制藥企業液氨儲罐泄漏［11］和某化工企業液氯儲罐泄漏事故為例，對非重氣云和重氣云擴散模型進行實例應用。該企業泄漏設備和物料信息詳見表2和表3。

表2 泄漏設備基本參數Table 2 Basic parameters of the leaking equipment

表3 泄漏物質基本參數Table 3 Basic parameters of leaking materials

根據上述信息及泄漏時間，系統可以自動選擇泄漏事故后果計算模型，液氨和液氯泄漏模型輸入參數詳見表4和表5。

表4 液氨泄漏模型輸入參數Table 4 Input parameters of the liquid ammonia leakage model

表5 液氯泄漏模型輸入參數Table 5 Input parameters of liquid chlorine leakage model

300 平板模型 101 325 70．91 2 100 東南風22

通過運行軟件系統，液氨泄漏不同傷害程度的危害范圍模擬結果見圖6。由圖6可見，液氨ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1濃度閾值等值曲線分別到達泄漏源下風向121 m、281 m、801 m，表明液氨泄漏事故致死區域在廠區范圍內，致傷區域波及到廠區西北方向的碼頭，吸入反應區域波及范圍較廣且距泄漏源下風向最遠距離可達801 m。

圖6 液氨泄漏擴散范圍系統界面Fig．6 System interface of the range of liquid ammonia leakage diffusion

通過運行軟件系統，液氯泄漏事故危險特征參數計算結果見表6。氯的3個濃度閾值ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1分別為8．31×10－8kg/m3、2．49× 10－7kg/m3、1．66×10－6kg/m3，由表6可知，距泄漏源100 m目標處重氣云羽濃度為1．41×10－9kg/m3小于氯的ERPG-3濃度閾值，表明目標處不受液氯泄漏事故影響。

表6 液氯泄漏事故危險特征參數計算結果Table 6 Results of risk characteristic parameters of the liquid chlorine leakage accident

圖7 液氯泄漏擴散范圍系統界面Fig．7 System interface of the range of liquid chlorine leakage diffusion

液氯泄漏不同傷害程度的危害范圍模擬結果見圖7。由圖7可見，液氯ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1濃度閾值等值曲線分別到達泄漏源下風向33 m、85 m、148 m，表明液氯泄漏事故致死區域在廠區范圍內，致傷區域波及到廠區北側鄰近企業的儲罐區，吸入反應區域波及北側鄰近企業的生產區域。

4 結 論

(1)通過分析國內外有關有毒物質泄漏擴散模型方面的研究，本文基于Visual Studio 2013開發平臺，利用C#編程語言和SQL Server2008數據庫系統，構建了定量評估有毒物質泄漏擴散事故后果的Web系統，該軟件系統能快速、準確地模擬不同類型泄漏事故危險特征參數隨目標距離的變化結果，并實現事故危害范圍的圖形顯示，可為泄漏事故預防和控制提供依據。

(2)目前該軟件系統已應用于泰州市10余家化工企業有毒物質生產、儲存的安全評價，具有良好的應用前景。但系統中部分物質參數難以精確設置，需在今后的研究中不斷加以完善。

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Development of Simulation Software System of Toxic Substance Leakage Diffusion Model

WANG Yunhui1，XING Zhixiang1，LU Zhongqiu2，HOU Zhenjie2，YANG Kouhua3，ZHAO Xu1
(1．School of Environment＆Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou213164，China; 2．School of Information Science＆Engineering，Changzhou University，Changzhou213164，China; 3．Jiangsu Taikang Security Environment Technology Company Limited，Taizhou225300，China)

In order to evaluate the consequence of toxic substance leakage accidents，this paper analyzes and summarizes the toxic substance leakage diffusion models in the relevant literature．Based on Visual Studio 2013 development platform，using C#programming language and SQL Server 2008 database system，the paper constructs a Web system for quantitative evaluation of the consequence of toxic substance leakage accidents based on B/S structure．The paper implements the calculation of risk characteristic parameters of leakage accidents and the visualization of the damage range of the consequence．The system is applied to a case．The results show that the system has a certain value in engineering application and may provide decision support for enterprises’safety management，leakage accident prevention and control．

toxic substance leakage;Matlab;diffusion model;concentration threshold;software system development

X937

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．027

1671-1556(2016)05-0158-05

2016-01-21

2016-03-23

國家自然科學基金項目(51276024);江蘇省科技支撐計劃項目(BE2012644);常州市科技支撐計劃項目(CE20135035);江蘇省2014年度高校研究生科研創新計劃項目(1112)

王云慧(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向為化工安全。E-mail:wyh_9105@163．com