CALPUFF与烟团模式在复杂地形环境风险评估中的比较分析

陈辉 全利红 王梓

CALPUFF与烟团模式在复杂地形环境风险评估中的比较分析

陈辉 全利红 王梓

CALPUFF模式是一个多层、多物种、非稳态的烟团扩散模式，可以模拟时空变化的气象场对污染物输送、转化和清除的影响，其气象场由实际气象观测资料结合中尺度气象模式模拟结果、实际地形土地利用资料等根据质量守恒原理诊断给出。应用CALPUFF模式系统对四川省罗家寨气田典型的高含硫天然气集输管线破裂过程的风险影响进行了环境风险评估，并与该项目环评报告中用大气扩散烟团模式得到的风险评估结果进行对比。结果表明，CALPUFF模式从诊断风场得到的最不利气象条件以及最不利气象条件下的风场与大气扩散烟团模式指定的最不利气象条件和诊断风场存在较大差异，从而导致了H2S扩散的差异。其中，CALPUFF模式得到的最不利气象条件下各风向的瞬时严重伤害和半致死浓度值范围沿着山谷走向分布在东北、西北和南方，而大气扩散烟团模式模拟的结果也出现在其他方向。另外，CALPUFF模式模拟得到的30 min平均最大浓度分布结果中半致死浓度范围与其他模式结果一致，比大气扩散烟团模式结果小得多。

CALPUFF；环境风险评估；天然气集输管线；泄漏

用于大气中有毒有害物质的扩散过程模拟的数值模型很多[1-10]。目前，在大气环境风险评估中应用的模型主要是基于高斯扩散理论的模型，例如高斯模型和部分重气模型，但这类模型主要适用于平坦均匀下垫面[2,11]。然而，很多泄漏等风险事故发生在环境复杂的地方，污染物的扩散受复杂地形的动力和热力影响，比平原地区复杂得多。以天然气集输管线泄漏为例，王晓等[12]模拟的四川“普光气田”高含硫输气管道断裂事故发生时H2S的扩散情况表明，H2S受山体阻挡，产生堆积、爬坡或绕流；于洪喜等[5]利用FLUENT模拟高含硫天然气集输管线破裂泄漏后H2S的扩散，结果表明，山顶地形条件下的扩散规律与平地类似，山谷地形条件下H2S将发生沉积而不利于扩散。

CALPUFF模式系统是美国环保署和《环境影响评价技术导则 大气环境(HJ 2.2—2008)》推荐的法规大气质量模式之一。它是一个多层、多物种、非稳态的烟团扩散模型，可以模拟时空变化的气象场对污染物输送、转化和清除的影响。通常，CALPUFF用于大范围（50 km以上）的污染物长期扩散模拟[13-16]，在风险模拟方面的应用很少。美国环保署的一份备忘录中Brode和Anderson[17]详细论述了CALPUFF在近场模拟中的应用范围，表明CALPUFF用于风险评估可以作为其在近场模拟应用。

罗家寨气田位于四川省宣汉县及重庆市开县境内,地表高差变化较大，地面海拔一般为400～1 000 m。在天然气开采和输送过程中，可能由于井喷、井漏、管道腐蚀穿孔和开裂等造成天然气泄漏[18]。由于罗家寨气田天然气含硫量高(约16%)，一旦泄漏事故发生，H2S扩散可能造成严重危害。本文利用CALPUFF模式系统对其中重要一段管线断裂天然气泄漏时H2S的扩散进行了模拟，并且与大气烟团扩散模式模拟结果进行比较，研究CALPUFF模式系统在风险模拟方面的效果。

1 模式介绍

1.1 CALPUFF模式

CALPUFF模式系统由3个模块组成：CALMET、CALPUFF和CALPOST[19]。其中，CALMET模块将中尺度气象模式MM5的输出结果、实际地面和高空气象观测资料输入模型，利用能量守恒原理，计算地形和土地利用对风温场的影响，生成新的风温场数据和其他微气象参数，作为CALPUFF模块的输入气象资料。CALPUFF模拟污染物扩散采用的是拉格朗日高斯烟团模型。在近场传输模拟中烟团在释放时可以沿着风的方向拉伸，即烟片，烟片代表了烟团的连续排放，每个烟片包含无穷小的质量qdt。烟片的主体长度为u△te，u代表风速，△te代表污染物的排放时间，一个烟片的浓度可以表示为：

其中，u是平均风速矢量(m/s)，u′是风速标量，定义为，其中，σv是风速的方差，q是源排放速率(g/ s)，F是“因果关系”函数，dc和da分别是穿过烟片方向（即垂直于烟片的轴线）和沿着烟片方向到受体的距离。扩散参数的下标1和2分别是与最老和最年轻的烟片的末端相关的值，没有数字下标表示定义为受体点处的值。烟片模型可以恰当地处理小风和静风条件。

1.2 大气烟团扩散模式

大气烟团扩散模式[20]是一个拉格朗日烟团模型，它通过一系列适当大小的烟团来模拟平均烟羽扩散。烟团的浓度在3个方向上服从高斯分布。其中，第M步长第W时段释放的第i个烟团中的j化学物质对网格点（xg，yg，zg）空气中j化学物质的浓度贡献由下式给出：

风场采用三维客观诊断风场模型，模型中采用反距离平方权重法及地形追随坐标。因此，此模式也可以模拟障碍物对风向的改变，地形起伏对地面风场的影响。此模式输入参数包括风廓线指数和网格化地形高程数据。

2 数值模拟分析

2.1 案例设置

选取最大源强塔河-梁家院子管段（图1）作为示例。此段管道长度为4.6 km，管道直径为508 mm，压力为9 MPa，管道内天然气体积为83 868.219 m3，H2S体积为8 453.917 m3，在线量为12 831.838 kg，源强为1.069×108mg/s。管段断裂H2S泄漏时间为2 min。

图1 评价区塔河-梁家院子管段断裂处位置示意图（红色“+”）和风场示例（N风，F类，0.5 m/s）

据《建设项目环境风险评价技术导则(HJ/T 169—2004)》，一级评价范围应为距离源点不低于5 km。考虑到罗家寨周围地形为丘陵地区，为构筑评价区风场，计算范围定为各方向释放源各为5 km,计算区为边长10 km正方形，释放源位于计算区中央（图1红色“+”区，处于山坡上，海拔高度447 m）。为较精确地给出污染物浓度等值线及构筑复杂地形风场，计算区分割成边长为100 m的方形网格。

根据H2S的毒性资料，选定618 mg/m3为半致死浓度阈值，暴露时间选为 30 min；300 ppm(432.4 mg/m3)为严重伤害阈（30 min，IDLH）； 10 ppm（15.5 mg/m3）为影响浓度阈值。

2.2 CALPUFF模拟

管段断裂时H2S泄漏形成射流，随后达到比较稳定的状态。此时可以认为泄漏气体为一体源，用CALPUFF可模拟此体源的扩散。模型输入的源参数见表1。体源在泄漏完后大约1.5 h移出模拟区。

表1 模型输入参数列表

利用CALMET处理2011年全年中尺度气象模式MM5在评价区的模拟结果和实际地形资料作为CALPUFF气象和土地利用数据输入。按照《建设项目环境风险评价技术导则(HJ/T 169—2004)》中的要求，将一年的连续气象数据通过CALPUFF模式模拟进行筛选，选择各个方向最不利气象条件出现时刻作为模拟时间。表2列出了选取的模拟时段及相应的风速和稳定度。从表2中可以看出，选取的时刻风速均小于0.5 m/s。

表2 各风向模拟时间及风速

2.3 大气扩散烟团模拟

按导则规定经过各种气象条件风险后果计算（从下述组合中选出：D类，0.5 m/s；D类，1.5 m/s；D类，2.3 m/s（平均风速）；F类，0.5 m/s；F类，1.5 m/s）结果，选取F类，0.5 m/s作为各管段模拟的最不利气象条件。另外，由于各个方位地形差异较大，最后决定分8个风向（N，NE，E，SE，S，SW，W，NW）分别进行模拟。

在程序调试过程中，把烟团释放时间间隔Δt作为可变输入参数，并通过调节Δt的数值（例Δt′=3 s、10 s、30 s、60 s、120 s、180 s、240 s、300 s、600 s等），由计算结果寻找合适的Δt′值。本文取时间步长为60 s, 烟团释放时间间隔为3 s。

3 模拟结果分析

3.1 瞬时浓度分布

图2和图3分别给出了CALPUFF和大气扩散烟团模式计算的H2S在各个风向最不利气象条件下的瞬时浓度分布。图2中严重伤害和半致死浓度值范围主要分布在东北、西北和南方。其中，东北方向最远严重伤害和半致死浓度值范围分别约为2.8 km和2.1 km，西北方向分别约为2.6 km和2 km，南方分别约为2.4 km和2 km。图3中严重伤害和半致死浓度值范围非常接近。其中，最远严重伤害和半致死浓度值范围均为2.5 km，出现在西北方向。另外，在北、南和东北方向也出现了较远的严重伤害和半致死浓度值范围，为2.1～2.2 km。

图2 CALPUFF模式模拟的塔河-梁家院子管段断裂事故瞬时最大浓度分布图

图3 大气扩散烟团模式模拟的塔河-梁家院子管段断裂事故瞬时最大浓度分布图

分析表明，CALPUFF计算的瞬时H2S的严重伤害浓度值范围比大气扩散烟团模型在相同方向上的结果大，但是，半致死浓度值范围比后者小（见表3）。这与CALPUFF选择的实际最不利气象条件的风速较小有关。另外，CALPUFF计算的各风向最不利气象条件下H2S浓度分布主要在西北、东北和南方，而大气扩散烟团模式计算的各方向H2S浓度分布也出现在了其他方向。

表3 CALPUFF与大气扩散烟团模式模拟的最远严重伤害与半致死浓度值范围比较

评价区的风场特征分析表明：从CALMET模拟的2011年罗家寨地区一年的逐小时风场矢量图发现，由于平均风的风向与断裂点风向并不总是一致的，H2S的扩散并非一定沿着平均风方向。例如，由于断裂点附近为南风的概率较小，本文选取的南风向最不利气象条件对应的时刻断裂点附近的风向实际为东南风，因此，H2S向断裂点西北方向扩散。

图4 CALPUFF模式模拟的N风风场示例

比较各个风向下两个模式模拟的风场，我们发现风场差异较大。以北风风场为例（见图1和图4），虽然2个模式得到的模拟区平均风场为北风，但是，各个格点上的风向和风速均存在很大差异。大气扩散烟团模式模拟的北风风场中，在泄漏点（红色“+”）附近风向为西南，因此，H2S泄漏后沿着山谷向东北方扩散，导致泄漏点东北方出现较高浓度的H2S。而在CALPUFF模式模拟的北风风场中，泄漏点附近的风向为东北，由于泄漏点西边山体阻挡，H2S泄漏后向南扩散，导致泄漏点南边出现较高浓度的H2S。

3.2 平均浓度分布

由于各个阈值的确定均考虑了一段时间的暴露，本文也给出了30 min平均的H2S最大浓度分布。

图5给出了CALPUFF计算的H2S在各个方向最不利气象条件下30 min平均最大浓度分布。从图5中可见，各方向严重伤害和半致死浓度范围大大减小。其中，最远严重伤害和半致死浓度范围在西北方向分别约为495 m和360 m，在南方分别约为200 m和60 m。其中半致死浓度范围与王晓等[12]用三维客观诊断风场及Lagrangian烟团模型和于洪喜等[5]用FLUENT模拟的高含硫输气管线H2S泄漏扩散结果一致。

图6给出了大气扩散烟团模式计算的H2S在各个方向最不利气象条件下30 min滑移平均最大浓度分布。比较图5和图6，图6中红色和黑色线范围比图5中远得多。其中，最远的严重伤害和半致死浓度范围约为2.5 km，出现在西北偏西方向。可见，大气扩散烟团模式的结果过于保守。

图5 CALPUFF模式模拟的塔河-梁家院子管段断裂事故30 min平均最大浓度分布图

图6 大气扩散烟团模式模拟的塔河-梁家院子管段断裂事故30 min最大滑移平均浓度分布图（F类，0.5 m/s）

4 结论

以四川省罗家寨塔河-梁家院子管段为例，研究了CALPUFF模式模拟的管线内天然气泄漏后H2S在复杂地形条件下的扩散，并且与大气扩散烟团模式模拟结果进行比较。

复杂地形上，CALPUFF和大气扩散烟团模式模拟的不同风向最不利气象条件下H2S的扩散差异非常明显。CALPUFF模式模拟的瞬时H2S严重伤害浓度值范围比大气扩散烟团模式模拟的相同方向上的结果大，但半致死浓度值范围比后者小。这与CALPUFF模式中通过对实际风场筛分选择的风场平均风速小有关。CALPUFF模式模拟的各个风向最不利气象条件下严重伤害和半致死浓度值范围主要出现在东北、西北和南方，大气扩散烟团模式模拟的结果也出现在其他方向。风场分析表明，两个模式模拟的平均风向相同的条件下评价区风场差异很大，这是导致H2S扩散差异的主要原因。而风场的差异与最不利气象条件的选择和评价区风场的产生均有密切关系。CALPUFF模式中最不利气象条件是从经诊断的实际风场中挑选出来的，不需要事先指定，更符合实际情况。

CALPUFF模式得到的30 min平均最大浓度分布结果中，半致死和严重伤害浓度范围与其他模式得到的结果一致，而大气扩散烟团模式的结果过于保守。

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2095-6444(2014)04-0052-05

2013-08-05

陈辉，中国气象科学研究院研究员；全利红、王梓，中国气象科学研究院。