王娜　張越非　龔有國　黃李洲　池汝安

【摘 要】化工園區(qū)事故風險模擬對應急響應方案制訂具有重要的指導意義。文章選取浙江某化工園區(qū)作為研究目標，利用WRF-CALMET模擬的高分辨率氣象場耦合CALPUFF擴散模型，模擬園區(qū)突發(fā)性大氣污染事故。結果顯示：①WRF-CALMET能更好地反映該園區(qū)地形特征對風場的影響，模擬結果較僅采用WRF模擬更精確，與觀測數(shù)據(jù)更相近，能更可靠地模擬出高分辨率化工園區(qū)氣象場;②將WRF-CALMET模擬的高分辨率氣象場輸入CALPUFF擴散模式中，結果顯示模擬的污染物濃度分布與風速風向變化的實際情況相近，表明CALPUFF能較好地模擬園區(qū)復雜地形氣象條件下的大氣污染擴散;③WRF-CALMET耦合CALPUFF模型能根據(jù)事故點、排放速率、污染源性質(zhì)模擬不同污染物擴散濃度分布，對事故應急響應有一定的指導作用，可以作為該化工園區(qū)事故風險評估的參考模型。

【關鍵詞】安全工程;大氣污染事故;CALPUFF;WRF-CALMET;風險評估

【中圖分類號】X507 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）01-0056-04

0 前言

化工園區(qū)的建設對我國國民經(jīng)濟有重要的支撐作用，它作為眾多企業(yè)的聚集地，存在各種危險化學品，有些化學品一旦發(fā)生異常排放、泄露或者爆炸，將對生命財產(chǎn)造成巨大損失，同時會嚴重影響事故發(fā)生地周圍的環(huán)境。近年來，化工園區(qū)內(nèi)的事故頻繁發(fā)生[1-3]，為了降低事故所造成的危害和損失，需要對園區(qū)事故風險進行評估，快速確定危害范圍，從而提供應急方案。

目前，針對園區(qū)事故風險進行評估的大氣擴散模型主要有SLAB，DEGAD IS，ALOHA，ARCH IE，DEMRA和 LPDM等，這些模型各有優(yōu)劣[4]，并且事故發(fā)生的突發(fā)性、時效性及當?shù)貙嶋H地形及氣象條件都會對擴散模擬結果產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)[5，6]使用中尺度氣象模式耦合微尺度氣象模式，能夠模擬得到園區(qū)局部精細地形條件下的高時空分辨率氣象，再與大氣擴散模式相結合，可以更好地模擬復雜地形下的污染物擴散。近年來，CALPUFF模型在事故模擬中得到廣泛應用[7-9]，它能夠無縫利用中尺度氣象模式WRF耦合CALMET風場診斷模式得到高分辨率氣象場作為輸入，獲得污染物擴散濃度分布。

本文以浙江某化工園區(qū)液氨泄漏事故為例，首先利用WRF-CALMET模擬得到園區(qū)高分辨氣象場，其次利用CALPUFF模型模擬園區(qū)泄露擴散濃度分布及事故發(fā)生后的危害范圍，以期為化工園區(qū)事故風險評估及應急響應提供參考。

1 模型簡介與模擬方案

本文所用的模型主要包括3個部分：中尺度氣象模式WRF、風場診斷模式CALMET及CALPUFF擴散模式。WRF-CALMET用于模擬事故地點周圍的精細氣象場，CALPUFF則用于模擬事故后污染物的擴散過程及危害范圍。

WRF模式是由美國大氣研究中心（NCAR）、中小尺度氣象處（MMM）等多部門聯(lián)合研究的新一代中尺度數(shù)值模式和同化系統(tǒng)，它采用高度模塊化、并行化和分層設計技術，具有更為合理的模式動力框架、先進的三維變分資料同化系統(tǒng)，以及更豐富的內(nèi)部參數(shù)化方案[10]，尤其是能為其他數(shù)值模式提供更準確的初始氣象場[11]。CALPUFF是一種三維非穩(wěn)態(tài)拉格朗日擴散模式系統(tǒng)，為美國環(huán)保局（USEPA）推薦的環(huán)境評價模型之一，能模擬復雜地形下幾十米至幾百公里范圍內(nèi)污染物的擴散。CALMET是CALPUFF模型中氣象模型，包括診斷風場模塊和微氣象模塊，可直接使用WRF的模擬結果，輸出局部地區(qū)高時空分辨率的風場、溫度場、湍流場等三維網(wǎng)格點氣象數(shù)據(jù)，提高模擬精度[12]。

1.1 WRF參數(shù)設置

本文使用WRFv3.7.1版本模擬當?shù)乇尘皻庀髨?，作為CALMET輸入數(shù)據(jù)。模式采用三重嵌套網(wǎng)格（如圖1所示），模擬中心為（33.3°N，103.3°E），投影方式為Lambert投影，兩條真緯度分別為30°N和60°N。最外層網(wǎng)格（d01）范圍覆蓋全國，網(wǎng)格數(shù)為539×512，水平分辨率為9 km，第二層網(wǎng)格（d02）范圍基本覆蓋包括長江三角洲地區(qū)，網(wǎng)格數(shù)為300×300，水平分辨率為3 km，第三層網(wǎng)格（d03）范圍覆蓋化工園區(qū)及其周邊，網(wǎng)格數(shù)為120×120，水平分辨率為1 km。模式垂直分層為不等距34層，近地面的混合層分布較為密集，層頂氣壓為50 hPa，積分時間步長為30 s。模式中初始氣象場和側邊界條件使用水平分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h的全球再分析資料NCEP-FNL（National Centers for Environment Prediction-Final Analysis），靜態(tài)地形數(shù)據(jù)采用MODIS_30s數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)為最內(nèi)層區(qū)域逐時氣象數(shù)據(jù)。WRF模擬參數(shù)見表1。

1.2 CALMET參數(shù)設置

基于WRFv3.7.1三層嵌套模擬的基礎上，使用CALMET 6.5模擬園區(qū)風場如圖2所示，其中用黑線圍起來的區(qū)域是園區(qū)主要化工廠聚集地，三角形符號代表58553國家氣象站，星形符號代表園區(qū)附近小型氣象監(jiān)測站（11111站點）。以WRF的逐時氣象數(shù)據(jù)輸出結果、58553國家氣象站每3小時氣象數(shù)據(jù)和11111監(jiān)測站逐時氣象數(shù)據(jù)作為其氣象輸入資料，美國NASA和日本經(jīng)濟貿(mào)易工業(yè)部（METI）聯(lián)合測量的30 m精度ASTER GDEM地形數(shù)據(jù)和美國地質(zhì)勘察局（USGS）的GLCC提出的1 km分辨率土地利用數(shù)據(jù)作為其地理輸入資料;采用橫軸墨卡托投影UTM，模擬區(qū)域為20 km×15 km，網(wǎng)格點為200×150，網(wǎng)格大小為100 m，如圖2覆蓋園區(qū)主要工業(yè)區(qū)及周邊大多數(shù)村莊;區(qū)域模擬的垂直高度均為4 000 m，從地面開始向高空共垂直定義10層、11個等高面，以相鄰兩個等高面的中心高度作為每層的有效高度，垂直等高面高度分別為0 m、20 m、40 m、80 m、160 m、320 m、640 m、1 200 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m;模擬輸出結果為5 min氣象場。

1.3 CALPUFF源參數(shù)設置

事故發(fā)生時，泄露速度很快，可將危險品快速釋放的過程視為有限空間內(nèi)的體源，擴散系數(shù)參考《環(huán)境影響評價技術導則-大氣環(huán)境》（HJ2.2 2008）設定體源參數(shù)[13]，假設該園區(qū)內(nèi)某公司20 t液氨儲罐發(fā)生泄露，CALPUFF源參數(shù)設置見表2。

2 模擬結果分析

2.1 氣象模擬效果評估

圖3左圖為WRF模擬、CALMET模擬和58553氣象站實際觀測風速、風向和溫度的時間變化序列圖，從風速數(shù)據(jù)圖像來看，整體上CALMET模擬值與觀測值比較接近，變化趨勢大致相同。從風向圖像來看，從2018-01-06的18：00至2018-01-10的21：00期間，CALMET和WRF模擬數(shù)據(jù)區(qū)別不大，但是與觀測數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)相差較大，其中從2018-01-07的21：00至2018-01-09的9：00期間，CALMET和WRF模擬數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)相差不大，變化趨勢相同;其他時間段，CALMET模擬數(shù)據(jù)與實際觀測數(shù)據(jù)變化趨勢相同，但相較于WRF模擬數(shù)據(jù)而言，模擬效果要好。從溫度圖像上看，58553 CALMET數(shù)據(jù)和58553 WRF數(shù)據(jù)變化趨勢幾乎一樣，但是與觀測數(shù)據(jù)相比，整體上CALMET溫度場數(shù)據(jù)比較接近觀測數(shù)據(jù)。

圖3右圖為園區(qū)11111觀測值和WRF、CALMET模擬值時間序列圖，從整體上看，CALMET模擬值和觀測值相差很小，模擬效果很好。

對WRF和CALMET模擬值與觀測值關系進行統(tǒng)計分析（見表3），其中統(tǒng)計量為偏差（Bias）、總誤差（Gross Error，GE）、均方根誤差（Root-Mean-Square Error，RMSE）、一致性指數(shù)（Index Of Agreement，IA）[11]。結果分析表示，CALMET相比較WRF數(shù)據(jù)，與觀測值比較接近，能更好地反映該區(qū)域下的氣象場。

總之，CALMET模擬結果較WRF模擬值與觀測值更接近，WRF和CALMET均能很好地反映園區(qū)風向、風速和溫度的變化趨勢。

2.2 CALPUFF泄露模擬分析

根據(jù)CALMET數(shù)據(jù)評估結果，選擇2018年1月8日0時作為事故發(fā)生起始時間，假設某公司發(fā)生氨氣泄露，泄漏量為20 t，時間間隔為5min，得到液氨泄露過程，結果如圖4所示，其中左圖分別為泄露過程中15 min和25 min的CALMET模擬氣象場，右圖為對應為該時間段下CALPUFF模擬的液氨擴散濃度圖。從風場可以看出：CALPUFF能很好地模擬污染物泄露過程，模擬濃度擴散分布與當時該地區(qū)風向、風速一致。

根據(jù)圖4液氨泄露濃度分布圖，再結合國家衛(wèi)生標準和氨氣閾值[14]分析液氨泄露過程危險范圍變化。當泄露量為20 t時，15 min后最內(nèi)層區(qū)域氨氣濃度達到100 mg/m3，超過短時間氨氣容許值30 mg/m3，存在一定危險;25 min 后危險范圍逐漸增大，主要危險區(qū)域位于最內(nèi)層，最大濃度為1 470 mg/m3，該濃度可能危及生命，可致死亡。這表明CALPUFF模型能夠很好地模擬園區(qū)危險品泄露過程中的濃度分布和危險區(qū)域分布，便于分析事故發(fā)生時的危害范圍。

同時，當泄露量為2 t時（如圖5所示），25 min 后整個區(qū)域氨氣最大濃度為147 mg/m3，其中最內(nèi)層濃度超過10 mg/m3;同樣，改變事故發(fā)生點的位置，則模型模擬擴散地點相應改變。所以，CALPUFF能根據(jù)污染源設置參數(shù)（地理坐標、泄露速率、污染源種類）模擬不同的大氣污染事故，給出相應的危害范圍，為該園區(qū)突發(fā)性事故應急提供有效的指導意見。

3 結論

本文耦合WRF、CALMET與CALPUFF模式，對浙江某化工園區(qū)大氣污染事故進行風險模擬評估并將模擬結果與觀測數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結論。

（1）在WRF模擬基礎上，進一步運用CALMET風場診斷模式，考慮局部地形條件的影響，模擬的風速風向與實測值一致，模擬的風場比僅用WRF模擬的風場更接近實際觀測結果，顯示W(wǎng)RF-CALMET風場模擬結果合理且時空分辨率更高，可以更好地應用于擴散的模擬，提高擴散模擬的精度和可靠性。

（2）基于WRF-CALMET的高分辨率風場，以氨氣泄露為例，運用CALPUFF模型對事故風險進行模擬分析，結果顯示CALPUFF能合理地模擬出污染物危害距離的演化趨勢，這表明WRF-CALMET風場模式耦合CALPUFF擴散模式能夠合理地模擬出事故中污染物的擴散過程。

（3）WRF-CALMET與CALPUFF耦合，耦合模式能根據(jù)污染源的種類、地理坐標、排放量、排放速率，快速模擬出某化工園區(qū)事故后相應的污染源擴散濃度分布和危害范圍，為該化工園區(qū)事故初始階段提供有效的應急方案，可以作為該化工園區(qū)事故風險評估的參考模型。

參 考 文 獻

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