關于有毒氣體擴散的國內研究進展分析及發展建議

孫 磊，邵高聳

(武警學院 a.研究生隊；b.科研部，河北 廊坊 065000)

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關于有毒氣體擴散的國內研究進展分析及發展建議

孫 磊a，邵高聳b

(武警學院 a.研究生隊；b.科研部，河北 廊坊 065000)

對近六年以來與毒氣擴散相關的文獻進行分析研究，概述了國內毒氣擴散的主要研究方法、研究的主要方向和內容，指出了研究存在的問題。根據研究結果提出了發展建議，包括加強不同演化模型的論證和移動毒氣源泄漏研究、增加實際場景的試驗研究、促進軟件開發、加強對影響毒氣擴散因素的不確定性分析、加強國內外學術交流合作等。

毒氣；擴散；研究方法

0 引言

毒氣是對生物體有害氣體的統稱，包括天然毒氣、化學毒氣、含氯有機氣體、芥子、沙林等。礦井瓦斯爆炸、氣態危險化學品泄漏、地震次生毒氣泄漏等事故中有毒有害氣體擴散都會造成人員傷亡，如2004年北京京都黃金冶煉有限公司“4·20”氰化物泄漏事故，導致3人死亡、10人中毒；2013年吉林長春寶源豐禽業“6·3”火災事故，引發氨氣泄漏，導致121人死亡、76人受傷。毒氣擴散事故危害極大，因此對毒氣擴散規律進行研究十分重要。

通過毒氣擴散規律的研究，在掌握毒氣擴散特點，處置毒氣擴散事故，減少人員傷亡及財產損失等方面起到重要的指導作用。趙培[1]等開展了方向與風速對氯氣管道泄漏擴散的影響研究，對掌握方向和風速對氯氣擴散的影響發揮了指導作用；吳玉劍等研究了綠化帶[2]以及建筑物[3]對氯氣泄漏擴散的影響，對有綠化帶和建筑物遮擋的氯氣泄漏事故的處置起到了一定的指導作用；宋倩文[4]等開展了毒氣泄漏擴散事故中人員疏散的研究，對泄漏事故中人員疏散起到了一定的指導作用；劉繼龍[5]等設計了基于GIS的毒氣泄漏危險區域模擬分析系統，對事故中劃分危險區域具有重要意義。本文對有關毒氣擴散相關文獻進行了分析并提出發展建議，對加強我國毒氣擴散的研究深度，增強其全面性等方面具有重要的意義。

1 毒氣擴散規律的主要研究方法

目前，關于有毒氣體泄漏擴散演化的研究方式主要包括數值模擬研究、大型現場試驗研究和風洞試驗研究三種[6]，但國內的研究方法以數值模擬研究為主。

數值模擬研究中最為典型的是BM模型、MTB模型(高斯修正模型)、箱及相似模型、淺層模型以及計算流體力學模型(CFD)[7]。BM模型利用多次重氣擴散實驗室數據和現場試驗數據擬合出公式并用曲線描述擴散行為。高斯修正模型比較適用于模擬中性氣體，模擬精度較差，但模型簡單，易于理解，計算量小。箱及相似模型主要以矩形分布和相似分布為計算概念，不考慮空間細節特征，簡單易用，但在復雜地形或有障礙物(儲罐、圍堰)時計算偏差較大。計算流體力學模型為三維有限元計算，該模型主要研究突發性泄漏，模擬LPG的泄漏比較準確，但計算量大，比較耗時。除此之外還有P-G模型、重氣云團盒子模型和HLY模型，其中，HLY模型是我國原化工部勞保研究所提出來的模型，適用于有毒氣體泄漏規律的研究，在研究結果上比國外的研究數據更符合實際。

2 毒氣擴散的研究內容和現狀

2.1 毒氣泄漏事故的動態演化

國內近幾年仍然通過數學建模，使用數值模擬的方法，通過FLUENT、MATLAB等模擬軟件，以氯氣、氨氣、偏二甲肼、二氧化碳、硫化氫等氣體為對象，進行毒氣擴散模擬[8-9]，分析影響擴散的因素[10-11]，分析毒氣擴散風險[12]，進行后果評價[13-14]，輔助實施事故處置[15]。

2.1.1 移動源的毒氣泄漏。利用數值模擬的方法，應用半球擴散理論模型，對移動毒源在移動過程中發生的泄漏事故進行模擬演化，分析其擴散規律，一定程度上指導毒氣泄漏的處置工作。在預先設定的溫度、大氣穩定度、風速的基礎上，主要分析研究在不同的毒氣泄漏速率、泄漏量、移動源行進速度、行進距離時的毒氣擴散規律[16]。

2.1.2 固定空間內導彈推進劑泄漏。運用數值模擬的方法，利用擴散模擬軟件，對固定空間內導彈推進劑泄漏事故進行模擬擴散規律分析，主要以偏二甲肼[17]氣體為例，研究演化擴散規律，劃分中毒濃度區域、爆炸危險區域，并結合不同的排風速度、排風方向，為人員防護和事故處置提出建議[18]。

2.1.3 固定裝置的毒氣泄漏。針對化工企業、工業園區等場所的固定罐、設施泄漏進行模擬演化分析，研究在不同大氣穩定度、不同風速、不同泄漏位置、有無障礙物的情況下的毒氣泄漏規律，并針對模擬結果劃分相應區域，探究最佳疏散路線[19-20]。

2.1.4 城市街區毒氣泄漏演化。近幾年內的毒氣泄漏演化逐漸傾向于城市街區的毒氣泄漏模擬，主要特點就是在原有數值模擬的基礎上考慮街區建筑物的遮擋、地形的起伏對毒氣擴散規律的影響，并引進新的技術和軟件，對毒氣擴散區域進行可視化分析，根據分析結果劃分危險區域，指導事故處置和救援[21]。研究內容主要包括：通過DEM空間分辨率[22]與GIS地圖結合，研究引入地形因子后對毒氣泄漏演化結果的影響以及不同的DEM空間分辨率對模擬結果的影響；CFD與GIS地圖相結合，研究城市街區建筑群對毒氣泄漏后擴散的影響[23]；運用ArcGIS及其開發軟件，對常規場景以及地震次生災害毒氣泄漏擴散的模擬演化[24]，根據等值線劃分不同危險程度的區域，研究其實際應用[25]；OpenFOAM與PISO算法結合，對毒氣泄漏進行模擬并與FLUENT軟件結果進行對比，分析此方法模擬結果的可靠性[26]；對高斯模型進行優化，加入地形因子，再進行毒氣泄漏的擴散規律分析[27]。

2.2 影響毒氣擴散風險的參數不確定性研究

隨著軟件的不斷開發和改進，研究學者開始對毒氣泄漏過程中影響其風險的參數不確定性進行分析，主要應用數學分析方法和分析軟件，以特定毒氣為例，分析、評估影響擴散的風速、泄漏速率、大氣環境等因素，進行不確定分析。雖然這方面的研究比較少，但其研究的內容是參數的不確定性，比較符合實際泄漏過程各種條件的不確定性，因此，在指導毒氣泄漏預案制定、救援訓練、實際救援等方面具有一定的指導性意義[28]。

2.3 基于毒氣擴散規律的軟件研究

近幾年對毒氣泄漏處置決策軟件研發的研究也在逐漸增多，主要通過數值模擬與當地GIS地圖相結合，根據用戶輸入的環境條件進行模擬演化，有利于危險區域邊界的辨識和劃定[29]；數值模擬與虛擬現實技術相結合，對毒氣的擴散過程進行仿真，更加直觀地了解毒氣的擴散規律[30]。經過幾年的技術發展，已經出現了部分軟件可以根據設定氣體種類、環境條件等進行模擬，并實現了輔助決策的功能，但這方面軟件的應用還不普及，設計也還有待改進。

3 毒氣擴散研究存在的問題及發展建議

3.1 存在的問題

通過對國內有毒氣體擴散的研究現狀進行分析，發現此方面的研究還存在以下幾個問題：研究方法比較單一，主要以數值模擬法為主，缺乏實際環境的試驗研究；毒氣泄漏演化過程中，對影響演化結果的因素考慮不全，存在著片面主觀的條件設定，不具普適性；對于移動毒氣源的泄漏研究較少；對于軍事導彈推進劑的模擬演化研究少，多為受限空間內的研究，演化條件單一；由于城市街區地形、氣象、建筑的復雜，影響因素多，對于城市街區的擴散規律研究的精確度還有待提高；相關毒氣泄漏的輔助決策軟件增多，但輔助決策軟件是基于一定擴散模型的，而模型的修正，軟件跟進不及時，且考慮到的環境因素不夠全面，對于復雜場景的毒氣擴散模擬及輔助決策的精確度和實時性還有待提高，雖然輔助決策軟件能與GIS進行結合，但GIS的精確性不夠，更新不及時，對于環境數據的采集還需其他設備檢測后進行輸入，其人機交互以及智能化程度仍有很大發展空間；對于影響毒氣泄漏擴散危險性的因素的不確定性研究少，對此方面的研究還需加強。

3.2 研究發展建議

基于目前我國毒氣擴散研究過程中存在的問題，以及此領域的現實需求，提出以下幾點建議。

3.2.1 豐富研究方法，增加實際場景的試驗研究。毒氣泄漏的模擬演化分析雖然更加節省人力物力、更方便進行情況設定和分析研究，但是模擬結果依然不是最接近現實情況的，而且模擬演化無法考慮到實際環境中的不確定因素，其結果的真實性和有效性則無法保證。期望毒氣擴散規律的研究更加深入、更加準確，就要豐富研究方法，增加國外經常采用的風洞試驗研究以及大型現場試驗研究。通過模擬演化分析指導實際試驗條件的設定、試驗的布置，同時通過實際場景試驗又可以對模擬結果的準確性進行驗證，從而優化模型，增強模擬的準確性。

3.2.2 加強不同演化模型的論證，逐步修正理論模型。現實環境復雜多變，毒氣種類多樣，不同的數學模型有著各自的優缺點，模擬結果的準確性和實效性也會在不同的設定情況下出現不同。因此，今后應該加強對不同情況下不同的演化模型的論證，對毒氣泄漏過程的模擬演化應該更多地考慮實際情況，確定適當的研究對象，根據研究對象的特點，加入不同泄漏方式的演化，充分考慮環境因素、泄漏源因素以及人為因素對模擬演化的影響，不斷修正演化模型，使模擬演化結果更加符合實際。

3.2.3 加強移動泄漏源的模擬演化研究。目前的毒氣泄漏演化分析主要集中在固定源的分析與演化上，對于移動源泄漏的演化分析還較少。但是移動過程中毒氣泄漏的現象也是存在的，而且其影響程度也是不可確定的，因此，加強對移動源泄漏過程的演化分析研究十分必要。只有移動泄漏源的擴散研究取得一定或者較大的進展后，才能進一步開發出準確、高效的分析軟件，為處置指揮者提供決策分析的依據。

3.2.4 加強新技術新手段的應用，促進軟件開發。毒氣擴散軟件的開發應該首先滿足演化結果的準確性和高效性，還要滿足使用者的便利性。準確性上，要不斷改進演化模型和算法，及時更新毒氣種類數據庫、GIS數據庫；便捷高效性上，要同步研發數據采集設備，提高傳感器集成度，使整個過程從數據采集到演化結果分析到輔助決策實現一體化，從而提高事故處置效率，減少人員傷亡。

3.2.5 加強對影響毒氣擴散風險性因素的不確定性分析。實際發生毒氣泄漏時，毒氣擴散的發展進程受諸多因素的影響，而目前對于毒氣泄漏的模擬演化都是基于特定條件下的模擬，也就是排除了不確定因素的影響，不符合實際現場的毒氣擴散規律。要得到科學準確的決策，就應該對影響毒氣擴散因素進行不確定分析，找出適當的分析方法，應用于決策中。

3.2.6 加強國內外學術交流，汲取先進成果。國內對毒氣泄漏擴散規律的研究雖然取得了一定的進展，但是仍然要看到與國際上其他國家的差距。國外對于毒氣擴散規律更加注重試驗研究，通過試驗進行擴散規律的分析比較多，無論在理論研究方面還是軟件設計方面都有著比較先進的研究成果。因此，我國的相關研究人員應該多參與國際間的學術交流，加強國際間的交流合作，學習國外的先進成果，推動我國對毒氣擴散的研究進展。

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(責任編輯 馬 龍)

PoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

Toxic Gas Diffusion Research Progress in China and Development Suggestions

SUN Leia, SHAO Gaosongb

(a.TeamofGraduateStudents;b.DepartmentofScientificResearch,TheArmed

On the basis of reviewing the literature related to toxic gas diffusion in the last six years and summarizing its main research methods, directions and contents in China, this article points out some existing problems in current research, and puts forward some development suggestions, including carrying out more research on different evolution model demonstration and the mobile gas leakage source study, conducting more actual scene experiments, promoting software development, conducting more analysis on the uncertainty of factors affecting gas diffusion and strengthening domestic and international academic exchanges and cooperation.

toxic gas; diffusion; research methods

2017-03-23

公安部技術研究計劃項目(2014JSYJA024)；武警學院國家基金培育課題(ZKJJPY201601)

孫磊(1992— )，男，山東章丘人，滅火救援專業在讀碩士研究生； 邵高聳(1980— )，女，山東濟寧人，副教授，博士，主要從事消防滅火與應急救援等方面的研究。

X932

A

1008-2077(2017)06-0027-04