王云慧，邢志祥，陸中秋，侯振杰，楊扣華，趙 旭

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

有毒物質(zhì)泄漏擴散模型模擬軟件系統(tǒng)開發(fā)

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(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州213164;2常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州213164;3江蘇泰康安全環(huán)境科技有限公司，江蘇泰州225300)

為評估有毒物質(zhì)泄漏事故后果，分析了相關(guān)文獻中有毒物質(zhì)泄漏擴散模型，并在此基礎(chǔ)上運用Visual Studio 2013開發(fā)平臺，利用C#編程語言和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，構(gòu)建了基于B/S模式的定量評估有毒物質(zhì)泄漏事故后果的Web系統(tǒng)，實現(xiàn)了泄漏事故危險特征參數(shù)計算和事故后果危害范圍圖形顯示。實例應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用價值，可為企業(yè)安全管理、泄漏事故預(yù)防和控制提供依據(jù)。

有毒物質(zhì)泄漏;Matlab;擴散模型;濃度閾值;軟件系統(tǒng)開發(fā)

有毒有害物質(zhì)是化工、石化及其他行業(yè)中生產(chǎn)、儲存和使用的常見危險化學(xué)品，一旦發(fā)生泄漏擴散，若超過邊界條件，則會引發(fā)多米諾連鎖事故［1］，對周圍環(huán)境暴露人員或設(shè)備造成損壞。如1984年印度博帕爾市聯(lián)合碳化物有限公司農(nóng)藥廠45 t異氰酸甲酯儲罐發(fā)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(xué)工業(yè)事故［2］。因此，對有毒物質(zhì)泄漏事故后果進行評估對泄漏事故預(yù)防和控制具有重要意義。

目前，國內(nèi)外針對有毒物質(zhì)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(xù)點源擴散和瞬時點源擴散，美國環(huán)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(yù)測瞬時和連續(xù)泄漏重氣云半徑、高度、有毒氣體濃度等特征參數(shù)。例如Britter等利用多次重氣擴散試驗結(jié)果，以量綱分析方法提出一系列經(jīng)驗公式和無量綱數(shù)據(jù)擬合曲線，與地面水平的連續(xù)泄漏和瞬時重氣云泄漏結(jié)果吻合很好;Chan等基于計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法開發(fā)了三維有限元模型(3-D Finite Element Model，F(xiàn)EM3)和FEM3A模型模擬重氣云擴散的三維常態(tài)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(yīng)用中受到很大限制。我國在該方面的研究起步較晚，主要應(yīng)用于安全工程領(lǐng)域。

有毒泄漏擴散模型形式復(fù)雜且計算量大，計算機輔助量化風(fēng)險已經(jīng)成為定量風(fēng)險評估的重要手段，而仿真技術(shù)具有強大的數(shù)學(xué)計算和圖像處理能力［7-8］，本文基于現(xiàn)有相關(guān)文獻資料［3-6］中的有毒物質(zhì)泄漏擴散模型，利用Visual Studio 2013開發(fā)工具和C#編程語言，設(shè)計開發(fā)了定量評估不同類型泄漏事故擴散后果的Web系統(tǒng)，以期為化工企業(yè)制定有毒物質(zhì)泄漏事故應(yīng)急預(yù)案和進行應(yīng)急處理提供依據(jù)。

1 有毒物質(zhì)泄漏擴散模型

由于有毒物質(zhì)泄漏事故后果模擬較為復(fù)雜，涉及不同泄漏模型和相關(guān)理論，因此本文分析了相關(guān)文獻資料，針對不同類型泄漏事故場景，并根據(jù)物質(zhì)類別、泄漏時間、存儲溫度和氣體密度等參數(shù)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(fā)量等參數(shù)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(zhì)危害濃度范圍計算過程，事故危險特征參數(shù)計算詳見相關(guān)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(yīng)用廣泛的為高斯模型，其基本假設(shè)為:氣云密度與空氣密度相當(dāng);云團中心移動速度等于風(fēng)速;云團內(nèi)部或云羽橫截面上濃度、密度等參數(shù)服從高斯分布。取泄漏源為坐標原點，x軸為下風(fēng)向，y軸為側(cè)風(fēng)向，z軸為垂直風(fēng)向。

連續(xù)泄漏采用高斯煙羽模型:

式中:C(x，y，z)為泄漏物質(zhì)在預(yù)測點(x，y，z)的濃度(kg/m3);Q為泄漏源強度(kg/s);u為風(fēng)速(m/s);H為泄漏源的有效高度(m);σy、σz分別為側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴散系數(shù)(m)，擴散系數(shù)為與大氣穩(wěn)定度和泄漏點下風(fēng)向距離有關(guān)的函數(shù)，而大氣穩(wěn)定度的劃分取決于風(fēng)速和日照量，擴散系數(shù)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(zhì)在預(yù)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(zhì)量(kg);σx為下風(fēng)向的擴散系數(shù)(m)。

1．2 重氣云擴散模型

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

連續(xù)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(fēng)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(fēng)向任意距離處的重氣云與橫截面半寬(m);h'為下風(fēng)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(fēng)向距離為x處重氣云羽的覆蓋面積(m2);x為下風(fēng)向距離(m);ρ0、ρa分別為蒸氣云密度和環(huán)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(fēng)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(fēng)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(zhì)泄漏擴散模擬軟件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

2．1 軟件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

本文基于國內(nèi)外有毒物質(zhì)泄漏擴散模型研究，并利用C#編程語言和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了．NET平臺下的有毒物質(zhì)泄漏事故后果評估Web應(yīng)用程序。

有毒物質(zhì)泄漏擴散模擬軟件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)層LINQ to SQL將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型映射到C#編程語言表示的對象模型，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)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(fā)環(huán)境，提供了程序數(shù)據(jù)與應(yīng)用層的接口;應(yīng)用層包括化工區(qū)域管理、設(shè)備管理、物料管理等5個模塊，主要功能設(shè)計詳見圖3。

2．2 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計流程

圖2 有毒物質(zhì)泄漏擴散模擬軟件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig．2 Design structure of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

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

有毒物質(zhì)泄漏擴散模擬軟件系統(tǒng)程序設(shè)計思路［7］為:首先輸入發(fā)生泄漏事故設(shè)備和物料信息作為輸入條件，系統(tǒng)涉及7種不同的泄漏事故場景，并根據(jù)物質(zhì)類別、泄漏時間、存儲溫度和氣體密度等參數(shù)選擇不同的泄漏擴散模型計算泄漏事故危險特征參數(shù)和危害范圍，其計算結(jié)果通過GIS實現(xiàn)圖形顯示。該軟件系統(tǒng)程序設(shè)計流程主要包括添加泄漏事故設(shè)備和事故、設(shè)置物質(zhì)物性參數(shù)和環(huán)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(shù)、繪制事故后果危害范圍圖等［8］，見圖4。

該軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為基于Visual Studio 2013開發(fā)工具的ASP．NET，服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Server 2008，客戶端操作系統(tǒng)為 Microsoft Windows XP Professional，Web服務(wù)器采用IIS 7．0。

該軟件系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)模式［9，10］，由傳統(tǒng)二層客戶端/服務(wù)器(Client/Server，C/S)模式改進，具有三層模式(3-Tier)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。B/S模式統(tǒng)一了客戶端，客戶端只需安裝一個Web瀏覽器如Internet Explorer，服務(wù)器則安裝SQL Server等數(shù)據(jù)庫，瀏覽器通過Web Server同數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互，客戶端零安裝、零維護，節(jié)約了開發(fā)成本。服務(wù)器(Server)內(nèi)部采用模型-視圖-控制器(Model View Controller，MVC)構(gòu)架，如圖5所示。

圖4 有毒物質(zhì)泄漏擴散模擬軟件系統(tǒng)程序設(shè)計流程Fig．4 Design flow of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

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

該軟件系統(tǒng)編程語言采用由微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮摹⑦\行于．NET Framework的高級程序設(shè)計語言 C#。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)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(qū)域信息表、危險設(shè)備信息表、危險化學(xué)品物質(zhì)物性參數(shù)表、有毒物質(zhì)泄漏事故模擬計算信息表等數(shù)據(jù)表，限于篇幅限制，本文僅列出危險設(shè)備信息表，見表1。

表1 危險設(shè)備信息表Table 1 Information of the dangerous equipment

3 實例應(yīng)用與分析

本文以某制藥企業(yè)液氨儲罐泄漏［11］和某化工企業(yè)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(yīng)用。該企業(yè)泄漏設(shè)備和物料信息詳見表2和表3。

表2 泄漏設(shè)備基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the leaking equipment

表3 泄漏物質(zhì)基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of leaking materials

根據(jù)上述信息及泄漏時間，系統(tǒng)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?yún)?shù)詳見表4和表5。

表4 液氨泄漏模型輸入?yún)?shù)Table 4 Input parameters of the liquid ammonia leakage model

表5 液氯泄漏模型輸入?yún)?shù)Table 5 Input parameters of liquid chlorine leakage model

300 平板模型 101 325 70．91 2 100 東南風(fēng)22

通過運行軟件系統(tǒng)，液氨泄漏不同傷害程度的危害范圍模擬結(jié)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(fēng)向121 m、281 m、801 m，表明液氨泄漏事故致死區(qū)域在廠區(qū)范圍內(nèi)，致傷區(qū)域波及到廠區(qū)西北方向的碼頭，吸入反應(yīng)區(qū)域波及范圍較廣且距泄漏源下風(fēng)向最遠距離可達801 m。

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

通過運行軟件系統(tǒng)，液氯泄漏事故危險特征參數(shù)計算結(jié)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(shù)計算結(jié)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(tǒng)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(jié)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(fēng)向33 m、85 m、148 m，表明液氯泄漏事故致死區(qū)域在廠區(qū)范圍內(nèi)，致傷區(qū)域波及到廠區(qū)北側(cè)鄰近企業(yè)的儲罐區(qū)，吸入反應(yīng)區(qū)域波及北側(cè)鄰近企業(yè)的生產(chǎn)區(qū)域。

4 結(jié) 論

(1)通過分析國內(nèi)外有關(guān)有毒物質(zhì)泄漏擴散模型方面的研究，本文基于Visual Studio 2013開發(fā)平臺，利用C#編程語言和SQL Server2008數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，構(gòu)建了定量評估有毒物質(zhì)泄漏擴散事故后果的Web系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)能快速、準確地模擬不同類型泄漏事故危險特征參數(shù)隨目標距離的變化結(jié)果，并實現(xiàn)事故危害范圍的圖形顯示，可為泄漏事故預(yù)防和控制提供依據(jù)。

(2)目前該軟件系統(tǒng)已應(yīng)用于泰州市10余家化工企業(yè)有毒物質(zhì)生產(chǎn)、儲存的安全評價，具有良好的應(yīng)用前景。但系統(tǒng)中部分物質(zhì)參數(shù)難以精確設(shè)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(xué)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(chuàng)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