有毒物質(zhì)泄漏及中性浮力擴(kuò)散模型課件

第五章有毒物質(zhì)泄漏及中性浮力擴(kuò)散模型5.1擴(kuò)散影響參數(shù)5.2中性浮力擴(kuò)散模型5.3模型應(yīng)用舉例第五章有毒物質(zhì)泄漏及中性浮力擴(kuò)散模型5.1擴(kuò)散影響參數(shù)15.1擴(kuò)散影響參數(shù)擴(kuò)散模型描述了有毒物質(zhì)遠(yuǎn)離事故發(fā)生池，并遍及整個(gè)工廠和社會(huì)的空中運(yùn)輸過程。釋放發(fā)生后，空氣中的有毒物質(zhì)被風(fēng)以煙羽的形式，或煙團(tuán)的形式帶走。有毒物質(zhì)的最大濃度是在釋放發(fā)生處（可能不在地面上）。由于有毒物質(zhì)與空氣的湍流混合和擴(kuò)散，其在下風(fēng)向的濃度較低。眾多因素影響著有毒物質(zhì)在大氣中的擴(kuò)散：風(fēng)速大氣穩(wěn)定度地面條件（建筑物、水、樹）釋放處距離地面的高度物質(zhì)釋放的初始動(dòng)量和浮力5.1擴(kuò)散影響參數(shù)擴(kuò)散模型描述了有毒物質(zhì)遠(yuǎn)離事故發(fā)25.2中性浮力擴(kuò)散模型

中性浮力擴(kuò)散模型，用于估算釋放發(fā)生后釋放氣體與空氣的混合，并導(dǎo)致混合氣云具有中性浮力后下風(fēng)向各處的濃度。因此，這些模型適用于低密度的氣體，特別是濃度為10-6量級(jí)的。經(jīng)常用到兩種類型的中性浮力蒸氣云擴(kuò)散模型：煙羽模型和煙團(tuán)模型。煙羽模型描述來自連續(xù)源釋放物質(zhì)的穩(wěn)態(tài)濃度。煙團(tuán)模型描述一定量的單一物質(zhì)釋放后的暫時(shí)濃度。對(duì)于煙羽模型，典型例子是氣體自煙窗的連續(xù)釋放。穩(wěn)態(tài)煙羽在煙窗下風(fēng)向形成。對(duì)于煙團(tuán)模型，典型例子是由于貯罐的破裂，一定量的物質(zhì)突然泄漏，形成一個(gè)巨大的蒸氣云團(tuán)，并漸漸遠(yuǎn)離破裂處。煙團(tuán)模型能用來描述煙羽；煙羽只不過是連續(xù)釋放的煙團(tuán)。然而，如果穩(wěn)態(tài)煙羽信息是所需的所有信息，那么建議使用煙羽模型，因?yàn)樗容^容易使用。對(duì)于涉及動(dòng)態(tài)煙羽的研究（例如，風(fēng)向的變化對(duì)煙羽的影響），必須使用煙團(tuán)模型。5.2中性浮力擴(kuò)散模型中性浮力擴(kuò)散模型3①F.A.Gifford,”UseofRoutineMeteorologicalObservationsforEstimatingAtmosphericDispersion,”NuclearSafety(1961)，2(4):47.②F.A.Gifford,”TurbulentDiffusion-TypingSchemes；AReview，”NuclearSafety(1976)，17(1):68.③強(qiáng)烈的日光照射是指英國盛夏正午期間的充足的陽光。弱的日光照射是指嚴(yán)冬時(shí)期類似的情況。④夜間是指日落前1h至破曉后1h這一段時(shí)間。⑤這些數(shù)值是作者自己補(bǔ)充進(jìn)去的，以使該表格完整。⑥對(duì)于白天或夜晚的多云情況以及日落前或日出后數(shù)小時(shí)的任何天氣情況，不管風(fēng)速有多大，都應(yīng)該使用中等穩(wěn)定的等級(jí)D。注：穩(wěn)定度等級(jí)A-極度不穩(wěn)定；B-中度不穩(wěn)定；C-輕微不穩(wěn)定；D-中性穩(wěn)定；E-輕微穩(wěn)定；F-中度穩(wěn)定①F.A.Gifford,”UseofRoutineM4有毒物質(zhì)泄漏及中性浮力擴(kuò)散模型課件5有毒物質(zhì)泄漏及中性浮力擴(kuò)散模型課件6情況1:地面瞬時(shí)點(diǎn)源的煙囪，坐標(biāo)系固定在釋放點(diǎn)，風(fēng)速u恒定，風(fēng)向僅沿x方向(5-1)地面濃度可令z=0，求得(5-2)情況1:地面瞬時(shí)點(diǎn)源的煙囪，坐標(biāo)系固定在釋放點(diǎn)，風(fēng)速u恒定7地面上沿x軸的濃度可令y=z=0，求得(5-3)氣云中心坐標(biāo)在（ut，0，0）處。該移動(dòng)氣云中心的濃度為(5-4)站在固定點(diǎn)（x，y，z）處的個(gè)體，所接受的全部劑量Dtid是濃度的時(shí)間積分(5-5)地面上沿x軸的濃度可令y=z=0，求得(5-3)氣云中心坐8

地面的全部劑量，可依照式（5-5）對(duì)式（5-2）進(jìn)行積分得到。結(jié)果為(5-6)地面上沿x軸的全部劑量為(5-7)通常情況下，需要用固定濃度定義氣云邊界。連接氣云周圍相等濃度的點(diǎn)的曲線稱為等值線。對(duì)于指定的濃度,地面上的等值線通過用中心線濃度方程[式（5-3）]除以一般的地面濃度方程[式（5-2）]來確定。直接對(duì)y求解該方程（5-8）過程如下。地面的全部劑量，可依照式（5-5）對(duì)式（5-2）進(jìn)行積9有毒物質(zhì)泄漏及中性浮力擴(kuò)散模型課件10情況2:地面上的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙囪，風(fēng)向沿x軸，風(fēng)速恒定為u（5-9）地面濃度可令z=0求出（5-10）下風(fēng)向、沿?zé)熡鹬行木€的濃度可令y=z=0求出（5-11）可使用類似于情況1中使用的等值線求解過程來求得等值線。對(duì)于地面上的連續(xù)釋放，最大濃度出現(xiàn)在釋放處。情況2:地面上的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙囪，風(fēng)向沿x軸，風(fēng)速恒定為u11情況3：位于地面Hr高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽，風(fēng)向沿x軸，風(fēng)速恒定為u（5-12）地面濃度可令z=0求出（5-13）地面中心線濃度可令y=z=0求得（5-14）情況3：位于地面Hr高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽，風(fēng)向沿x軸，風(fēng)速12地面上沿x軸的最大濃度由下式求得（5-15）下風(fēng)向地面上的最大濃度出現(xiàn)的位置，可由下式求得（5-16）求解最大濃度和下風(fēng)向距離的過程是：使用式（5-16）確定距離，然后使用式（5-15）計(jì)算最大濃度。地面上沿x軸的最大濃度由下式求得（5-15）下風(fēng)向地面13情況4：位于地面Hr高處的瞬時(shí)點(diǎn)源的煙團(tuán)，坐標(biāo)系位于地面并隨煙團(tuán)移動(dòng)（5-17）時(shí)間相關(guān)性通過擴(kuò)散系數(shù)來完成，因?yàn)?，隨著煙團(tuán)從釋放處向下風(fēng)向運(yùn)動(dòng)，它們的值也發(fā)生變化，如果沒有風(fēng)（u=0），式（5-17）預(yù)測(cè)的結(jié)果是不正確的。在地面，即z=0，濃度可通過下述方程計(jì)算（5-18）情況4：位于地面Hr高處的瞬時(shí)點(diǎn)源的煙團(tuán)，坐標(biāo)系位于地面并隨14沿地面中心線的濃度，可令y=z=0求出（5-19）通過應(yīng)用式(5-5)~(5-18)，即得到地面上的全部劑量。結(jié)果為（5-20）沿地面中心線的濃度，可令y=z=0求出（5-19）通過應(yīng)用15情況5：位于地面Hr高處的瞬時(shí)點(diǎn)源的煙團(tuán)，坐標(biāo)系位于地面的釋放點(diǎn)（5-21）式中，t為自從煙團(tuán)釋放后的時(shí)間。情況5：位于地面Hr高處的瞬時(shí)點(diǎn)源的煙團(tuán)，坐標(biāo)系位于地面的釋16最壞事件情形

對(duì)于煙羽，最大濃度通常是在釋放點(diǎn)處。如果釋放是在高于地平面的地方發(fā)生，那么地面上的最大濃度出現(xiàn)在釋放處的下風(fēng)向上的某一點(diǎn)。對(duì)于煙團(tuán)，最大濃度通常在煙團(tuán)的中心。對(duì)于釋放發(fā)生在高于地平面的地方，煙團(tuán)中心將平行于地面移動(dòng)，并且地面上的最大直接位于煙團(tuán)中心的下方。對(duì)于煙團(tuán)等值線，隨著煙團(tuán)向下風(fēng)向的移動(dòng)，等值線將接近于圓形。等值線的直徑一開始隨著煙團(tuán)向下風(fēng)向的移動(dòng)而增加，然后達(dá)到最大，最后將逐漸減小。

最壞事件情形對(duì)于煙羽，最大濃度通常是在釋放點(diǎn)17如果天氣條件未知或不確定，那么可進(jìn)行某些假設(shè)，以得到一個(gè)最壞情形的結(jié)果，即估算一個(gè)最大濃度。Pasquill-Gifford擴(kuò)散方程中的天氣條件可通過擴(kuò)散系數(shù)和風(fēng)速予以考慮。通過觀察估算濃度用Pasquill-Gifford擴(kuò)散方程，很明顯擴(kuò)散系數(shù)和風(fēng)速在分母上。因此，通過選擇導(dǎo)致最小值的擴(kuò)散系數(shù)和風(fēng)速的天氣條件和風(fēng)速，可使估算的濃度最大。我們知道，F(xiàn)類穩(wěn)定度等級(jí)可以產(chǎn)生最小的擴(kuò)散系數(shù)。很明顯，風(fēng)速不能夠?yàn)榱?，所以必須選擇一個(gè)有限值。EPA人為，當(dāng)風(fēng)速小到1.5m/s時(shí)，F(xiàn)類穩(wěn)定度等級(jí)能夠存在。一些風(fēng)險(xiǎn)分析專家使用2m/s的風(fēng)速。在計(jì)算中所使用的假設(shè)，必須清楚地予以說明。如果天氣條件未知或不確定，那么可進(jìn)行某些假設(shè)，以得到185.3模型應(yīng)用舉例【例5-1】在某個(gè)陰天，一個(gè)有效高度為60m的煙囪，正以80g/s的速度排放二氧化硫。風(fēng)速為6m/s。煙囪位于農(nóng)村。請(qǐng)確定：（1）下風(fēng)向500m處地面上二氧化硫的平均濃度。（2）下風(fēng)向500m、橫風(fēng)向50m處地面上二氧化硫的平均濃度。（3）徑直風(fēng)向地面上最大平均濃度的位置和數(shù)值。解（1）屬于連續(xù)排放。徑直下風(fēng)向地面濃度由式（5-14）給出（5-14）由表5-1可知，大氣穩(wěn)定度等級(jí)為D。擴(kuò)散系數(shù)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=39.0m5.3模型應(yīng)用舉例【例5-1】在某個(gè)陰天，一個(gè)有效高度為619=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）橫風(fēng)向50m處的平均濃度可通過式（5-13）及設(shè)y=50得到。直接應(yīng)用來自（1）的結(jié)果==（3）最大濃度的位置由式（5-16）確定=0.06x(1+0.0015x)-1/2代入式（5-120由Pasquill-Gifford煙羽模型擴(kuò)散系數(shù)圖可知，對(duì)于穩(wěn)定度等級(jí)D，在下風(fēng)向約1200m處=42.4m。由表5-2可知，=88m。最大濃度由式（5-15）確定（5-15）=4.18×10-4g/m3=42.4m。由表5-2可知，=88m。最大濃度由式（5-121【例5-2】在精細(xì)化工過程中使用氯。源模型研究表明，對(duì)于某個(gè)特殊的事故場(chǎng)景，1.0kg的氯將瞬時(shí)釋放出來。釋放發(fā)生在地面。居民區(qū)距離釋放源500m。請(qǐng)確定：（1）氣云中心到達(dá)居民區(qū)所需的時(shí)間。假設(shè)風(fēng)速為2m/s。（2）居民區(qū)氯的最大濃度。將結(jié)果與氯的ERPG-1值1.0×10-6進(jìn)行比較。怎樣的大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生最大濃度。（3）確定氣云最大濃度低于ERPG-1值所必須移動(dòng)的距離。使用（2）中的條件。（4）根據(jù)ERPG-1確定下風(fēng)向地面5km處氣云的大小。假設(shè)在所用的情況下氯氣云釋放都是中性浮力（這可能是不正確的假設(shè)）。解（1）對(duì)于下風(fēng)向500m距離和2m/s的風(fēng)速，氣云中心到達(dá)居民區(qū)所需要的時(shí)間為對(duì)于緊急警告，該時(shí)間很短?！纠?-2】在精細(xì)化工過程中使用氯。源模型研究表明，對(duì)于某個(gè)22（2）最大濃度出現(xiàn)在釋放源下風(fēng)向的氣云中心。濃度由式（5-4）給出（5-4）

選擇穩(wěn)定度條件，使式（5-4）中的最大。這需要擴(kuò)散系數(shù)的值最小。任意一個(gè)擴(kuò)散系數(shù)的最小值都發(fā)生在F穩(wěn)定度等級(jí)。這種情況對(duì)應(yīng)著有薄云和少云的夜晚?xiàng)l件，同時(shí)風(fēng)速小于3m/s。煙團(tuán)中的最大濃度也出現(xiàn)在居民區(qū)中距離釋放源最近的點(diǎn)，這發(fā)生在500m處。因此由式（5-4）有（2）最大濃度出現(xiàn)在釋放源下風(fēng)向的氣云中心。濃度由式（5-423利用式(2-6)，將其單位轉(zhuǎn)變?yōu)?0-6。假設(shè)壓力為1atm，溫度為298K，濃度為798×10-6。這比高很多。如果是在戶外和泄漏源的下風(fēng)向，那么，工廠內(nèi)的人和任何一個(gè)處在緊鄰居民區(qū)的人都將過量暴露。（3）由表2-7可知，1.0×10-6的ERPG-1值為3.0mg/m3或3.0×10-6kg/m3。氣云中心的濃度由式（5-4）給出。代入已知數(shù)據(jù)，可以得到使用表5-3中提供的方程。求解下風(fēng)向的距離。因此對(duì)于F穩(wěn)定度等級(jí)：

通過試差法求解x，得到x=8.0km。利用式(2-6)，將其單位轉(zhuǎn)變?yōu)?0-6。假設(shè)壓力為1atm24（4）下風(fēng)向中心線的濃度由式（5-3）給出（5-3）煙囪中心到達(dá)下風(fēng)向5km處，所需時(shí)間為在下風(fēng)向5km處，假設(shè)大氣為F穩(wěn)定度等級(jí)，計(jì)算代入已知數(shù)據(jù)，得到（4）下風(fēng)向中心線的濃度由式（5-3）給出（5-3）煙囪