关于有毒气体扩散的国内研究进展分析及发展建议

孙 磊，邵高耸

(武警学院 a.研究生队；b.科研部，河北 廊坊 065000)



关于有毒气体扩散的国内研究进展分析及发展建议

孙 磊a，邵高耸b

(武警学院 a.研究生队；b.科研部，河北 廊坊 065000)

对近六年以来与毒气扩散相关的文献进行分析研究，概述了国内毒气扩散的主要研究方法、研究的主要方向和内容，指出了研究存在的问题。根据研究结果提出了发展建议，包括加强不同演化模型的论证和移动毒气源泄漏研究、增加实际场景的试验研究、促进软件开发、加强对影响毒气扩散因素的不确定性分析、加强国内外学术交流合作等。

毒气；扩散；研究方法

0 引言

毒气是对生物体有害气体的统称，包括天然毒气、化学毒气、含氯有机气体、芥子、沙林等。矿井瓦斯爆炸、气态危险化学品泄漏、地震次生毒气泄漏等事故中有毒有害气体扩散都会造成人员伤亡，如2004年北京京都黄金冶炼有限公司“4·20”氰化物泄漏事故，导致3人死亡、10人中毒；2013年吉林长春宝源丰禽业“6·3”火灾事故，引发氨气泄漏，导致121人死亡、76人受伤。毒气扩散事故危害极大，因此对毒气扩散规律进行研究十分重要。

通过毒气扩散规律的研究，在掌握毒气扩散特点，处置毒气扩散事故，减少人员伤亡及财产损失等方面起到重要的指导作用。赵培[1]等开展了方向与风速对氯气管道泄漏扩散的影响研究，对掌握方向和风速对氯气扩散的影响发挥了指导作用；吴玉剑等研究了绿化带[2]以及建筑物[3]对氯气泄漏扩散的影响，对有绿化带和建筑物遮挡的氯气泄漏事故的处置起到了一定的指导作用；宋倩文[4]等开展了毒气泄漏扩散事故中人员疏散的研究，对泄漏事故中人员疏散起到了一定的指导作用；刘继龙[5]等设计了基于GIS的毒气泄漏危险区域模拟分析系统，对事故中划分危险区域具有重要意义。本文对有关毒气扩散相关文献进行了分析并提出发展建议，对加强我国毒气扩散的研究深度，增强其全面性等方面具有重要的意义。

1 毒气扩散规律的主要研究方法

目前，关于有毒气体泄漏扩散演化的研究方式主要包括数值模拟研究、大型现场试验研究和风洞试验研究三种[6]，但国内的研究方法以数值模拟研究为主。

数值模拟研究中最为典型的是BM模型、MTB模型(高斯修正模型)、箱及相似模型、浅层模型以及计算流体力学模型(CFD)[7]。BM模型利用多次重气扩散实验室数据和现场试验数据拟合出公式并用曲线描述扩散行为。高斯修正模型比较适用于模拟中性气体，模拟精度较差，但模型简单，易于理解，计算量小。箱及相似模型主要以矩形分布和相似分布为计算概念，不考虑空间细节特征，简单易用，但在复杂地形或有障碍物(储罐、围堰)时计算偏差较大。计算流体力学模型为三维有限元计算，该模型主要研究突发性泄漏，模拟LPG的泄漏比较准确，但计算量大，比较耗时。除此之外还有P-G模型、重气云团盒子模型和HLY模型，其中，HLY模型是我国原化工部劳保研究所提出来的模型，适用于有毒气体泄漏规律的研究，在研究结果上比国外的研究数据更符合实际。

2 毒气扩散的研究内容和现状

2.1 毒气泄漏事故的动态演化

国内近几年仍然通过数学建模，使用数值模拟的方法，通过FLUENT、MATLAB等模拟软件，以氯气、氨气、偏二甲肼、二氧化碳、硫化氢等气体为对象，进行毒气扩散模拟[8-9]，分析影响扩散的因素[10-11]，分析毒气扩散风险[12]，进行后果评价[13-14]，辅助实施事故处置[15]。

2.1.1 移动源的毒气泄漏。利用数值模拟的方法，应用半球扩散理论模型，对移动毒源在移动过程中发生的泄漏事故进行模拟演化，分析其扩散规律，一定程度上指导毒气泄漏的处置工作。在预先设定的温度、大气稳定度、风速的基础上，主要分析研究在不同的毒气泄漏速率、泄漏量、移动源行进速度、行进距离时的毒气扩散规律[16]。

2.1.2 固定空间内导弹推进剂泄漏。运用数值模拟的方法，利用扩散模拟软件，对固定空间内导弹推进剂泄漏事故进行模拟扩散规律分析，主要以偏二甲肼[17]气体为例，研究演化扩散规律，划分中毒浓度区域、爆炸危险区域，并结合不同的排风速度、排风方向，为人员防护和事故处置提出建议[18]。

2.1.3 固定装置的毒气泄漏。针对化工企业、工业园区等场所的固定罐、设施泄漏进行模拟演化分析，研究在不同大气稳定度、不同风速、不同泄漏位置、有无障碍物的情况下的毒气泄漏规律，并针对模拟结果划分相应区域，探究最佳疏散路线[19-20]。

2.1.4 城市街区毒气泄漏演化。近几年内的毒气泄漏演化逐渐倾向于城市街区的毒气泄漏模拟，主要特点就是在原有数值模拟的基础上考虑街区建筑物的遮挡、地形的起伏对毒气扩散规律的影响，并引进新的技术和软件，对毒气扩散区域进行可视化分析，根据分析结果划分危险区域，指导事故处置和救援[21]。研究内容主要包括：通过DEM空间分辨率[22]与GIS地图结合，研究引入地形因子后对毒气泄漏演化结果的影响以及不同的DEM空间分辨率对模拟结果的影响；CFD与GIS地图相结合，研究城市街区建筑群对毒气泄漏后扩散的影响[23]；运用ArcGIS及其开发软件，对常规场景以及地震次生灾害毒气泄漏扩散的模拟演化[24]，根据等值线划分不同危险程度的区域，研究其实际应用[25]；OpenFOAM与PISO算法结合，对毒气泄漏进行模拟并与FLUENT软件结果进行对比，分析此方法模拟结果的可靠性[26]；对高斯模型进行优化，加入地形因子，再进行毒气泄漏的扩散规律分析[27]。

2.2 影响毒气扩散风险的参数不确定性研究

随着软件的不断开发和改进，研究学者开始对毒气泄漏过程中影响其风险的参数不确定性进行分析，主要应用数学分析方法和分析软件，以特定毒气为例，分析、评估影响扩散的风速、泄漏速率、大气环境等因素，进行不确定分析。虽然这方面的研究比较少，但其研究的内容是参数的不确定性，比较符合实际泄漏过程各种条件的不确定性，因此，在指导毒气泄漏预案制定、救援训练、实际救援等方面具有一定的指导性意义[28]。

2.3 基于毒气扩散规律的软件研究

近几年对毒气泄漏处置决策软件研发的研究也在逐渐增多，主要通过数值模拟与当地GIS地图相结合，根据用户输入的环境条件进行模拟演化，有利于危险区域边界的辨识和划定[29]；数值模拟与虚拟现实技术相结合，对毒气的扩散过程进行仿真，更加直观地了解毒气的扩散规律[30]。经过几年的技术发展，已经出现了部分软件可以根据设定气体种类、环境条件等进行模拟，并实现了辅助决策的功能，但这方面软件的应用还不普及，设计也还有待改进。

3 毒气扩散研究存在的问题及发展建议

3.1 存在的问题

通过对国内有毒气体扩散的研究现状进行分析，发现此方面的研究还存在以下几个问题：研究方法比较单一，主要以数值模拟法为主，缺乏实际环境的试验研究；毒气泄漏演化过程中，对影响演化结果的因素考虑不全，存在着片面主观的条件设定，不具普适性；对于移动毒气源的泄漏研究较少；对于军事导弹推进剂的模拟演化研究少，多为受限空间内的研究，演化条件单一；由于城市街区地形、气象、建筑的复杂，影响因素多，对于城市街区的扩散规律研究的精确度还有待提高；相关毒气泄漏的辅助决策软件增多，但辅助决策软件是基于一定扩散模型的，而模型的修正，软件跟进不及时，且考虑到的环境因素不够全面，对于复杂场景的毒气扩散模拟及辅助决策的精确度和实时性还有待提高，虽然辅助决策软件能与GIS进行结合，但GIS的精确性不够，更新不及时，对于环境数据的采集还需其他设备检测后进行输入，其人机交互以及智能化程度仍有很大发展空间；对于影响毒气泄漏扩散危险性的因素的不确定性研究少，对此方面的研究还需加强。

3.2 研究发展建议

基于目前我国毒气扩散研究过程中存在的问题，以及此领域的现实需求，提出以下几点建议。

3.2.1 丰富研究方法，增加实际场景的试验研究。毒气泄漏的模拟演化分析虽然更加节省人力物力、更方便进行情况设定和分析研究，但是模拟结果依然不是最接近现实情况的，而且模拟演化无法考虑到实际环境中的不确定因素，其结果的真实性和有效性则无法保证。期望毒气扩散规律的研究更加深入、更加准确，就要丰富研究方法，增加国外经常采用的风洞试验研究以及大型现场试验研究。通过模拟演化分析指导实际试验条件的设定、试验的布置，同时通过实际场景试验又可以对模拟结果的准确性进行验证，从而优化模型，增强模拟的准确性。

3.2.2 加强不同演化模型的论证，逐步修正理论模型。现实环境复杂多变，毒气种类多样，不同的数学模型有着各自的优缺点，模拟结果的准确性和实效性也会在不同的设定情况下出现不同。因此，今后应该加强对不同情况下不同的演化模型的论证，对毒气泄漏过程的模拟演化应该更多地考虑实际情况，确定适当的研究对象，根据研究对象的特点，加入不同泄漏方式的演化，充分考虑环境因素、泄漏源因素以及人为因素对模拟演化的影响，不断修正演化模型，使模拟演化结果更加符合实际。

3.2.3 加强移动泄漏源的模拟演化研究。目前的毒气泄漏演化分析主要集中在固定源的分析与演化上，对于移动源泄漏的演化分析还较少。但是移动过程中毒气泄漏的现象也是存在的，而且其影响程度也是不可确定的，因此，加强对移动源泄漏过程的演化分析研究十分必要。只有移动泄漏源的扩散研究取得一定或者较大的进展后，才能进一步开发出准确、高效的分析软件，为处置指挥者提供决策分析的依据。

3.2.4 加强新技术新手段的应用，促进软件开发。毒气扩散软件的开发应该首先满足演化结果的准确性和高效性，还要满足使用者的便利性。准确性上，要不断改进演化模型和算法，及时更新毒气种类数据库、GIS数据库；便捷高效性上，要同步研发数据采集设备，提高传感器集成度，使整个过程从数据采集到演化结果分析到辅助决策实现一体化，从而提高事故处置效率，减少人员伤亡。

3.2.5 加强对影响毒气扩散风险性因素的不确定性分析。实际发生毒气泄漏时，毒气扩散的发展进程受诸多因素的影响，而目前对于毒气泄漏的模拟演化都是基于特定条件下的模拟，也就是排除了不确定因素的影响，不符合实际现场的毒气扩散规律。要得到科学准确的决策，就应该对影响毒气扩散因素进行不确定分析，找出适当的分析方法，应用于决策中。

3.2.6 加强国内外学术交流，汲取先进成果。国内对毒气泄漏扩散规律的研究虽然取得了一定的进展，但是仍然要看到与国际上其他国家的差距。国外对于毒气扩散规律更加注重试验研究，通过试验进行扩散规律的分析比较多，无论在理论研究方面还是软件设计方面都有着比较先进的研究成果。因此，我国的相关研究人员应该多参与国际间的学术交流，加强国际间的交流合作，学习国外的先进成果，推动我国对毒气扩散的研究进展。

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(责任编辑 马 龙)

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

公安部技术研究计划项目(2014JSYJA024)；武警学院国家基金培育课题(ZKJJPY201601)

孙磊(1992— )，男，山东章丘人，灭火救援专业在读硕士研究生； 邵高耸(1980— )，女，山东济宁人，副教授，博士，主要从事消防灭火与应急救援等方面的研究。

X932

A

1008-2077(2017)06-0027-04