城市小区建筑对炭疽气溶胶扩散的影响

毕 波，刘博文

1.中国人民警察大学 侦查学院，河北 廊坊 065000； 2.商丘市消防救援支队，河南 商丘 476600

0 引言

目前，世界范围恐怖袭击事件频发，恐怖分子使用生物战剂作为大规模杀伤性武器的可能性大大增加。生物战剂侵入人体的形式多种多样，最主要方式有三种：皮肤感染、消化道吸收、呼吸道吸入。特别是呼吸道吸入病死率高、隐蔽性强、防护难度大、危害范围广，所以许多恐怖分子在进行生物恐怖袭击时，常常选择采用气溶胶形式释放生物战剂。炭疽气溶胶生产造价低、抗性极强、可长期储存，而且可以以无色无味气溶胶的方式释放，使人处于这种环境下毫无察觉，因此炭疽气溶胶被当作生物战剂的首选[1]。一旦恐怖分子在人口密集、建筑物复杂、空气流动多变的城市小区释放炭疽气溶胶，短时间内将会严重威胁人民生命财产安全。

在国外，Meselson等在对1979年苏联斯维尔德洛夫斯克市炭疽泄漏事件的研讨调查中，应用高斯烟羽模型对炭疽在空气中扩散进行模拟，并探讨了在这次炭疽泄漏事件中污染源的源强和位置[2]。Wein等利用高斯烟羽模型进行炭疽气溶胶浓度模拟计算，并剖析面对炭疽事件可以采取的应急救援措施[3]。自2001年爆发了多起炭疽邮件事件后，美国国家实验室国家大气扩散咨询中心(NARAC)针对炭疽，提高了估测生物剂污染扩散水平，计算在恐怖袭击中有害物质释放的浓度分布[4]。Buckeridge等利用HAPC系统(美国国防威胁降低局开发的灾害预测和评估系统)进行炭疽杆菌的人体吸入模拟[5]，为在面对此类恐怖事件中炭疽的浓度监测评估打下理论基础。

在国内，刘健等从确定炭疽浓度散布的扩散模型和确立致病率与吸入量关系的剂量模型两方面，对炭疽恐怖事件中人员危害评估研讨状况和前瞻作了综述[6]。刘健利用离散相模型模拟计算出城市小区环境中炭疽气溶胶分布轨迹[7]。李林中等模拟口岸炭疽事件中炭疽气溶胶的扩散范围，给污染区域的划分提供参考[8]。

近年来，大气扩散模型在环境评价、防灾减灾以及应急管理中应用越来越广泛。其中，AERMOD模型(AMS/EPA Regulatory Model)是由美国气象协会和美国环保署联合开发并推荐使用的模型之一，也是我国《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ 2.2—2018)中推荐模型之一[9]。该模型属于高斯烟羽模型，能够对点、线、面、体源、火炬源等排放源，以及不同环境下扩散情形进行模拟[10]。AERMOD模型在环境评价、大气环境质量评价中应用广泛，也可用于应急响应。例如：范庆典等利用AERMOD模型模拟肉毒毒素气溶胶在火车站室外广场的扩散情况，制定警戒和疏散方案[11]。但目前采用该模型模拟应急响应中有毒有害气体及气溶胶扩散的研究还较少见报道。本文使用AERMOD模型，研究炭疽气溶胶在城市小区释放时，建筑物对炭疽气溶胶扩散的影响，分析炭疽气溶胶扩散分布情况，为此类事故中污染区划定、人员疏散、快速处置等提供参考。

1 研究方法及数据

本文使用AERMOD大气扩散模型软件，参数设定如下：

1.1 小区环境参数

选取某小区为模拟研究对象，使用该区高空和地面气象数据。该小区最大长度262.7 m，最大宽度110.54 m，楼间距4.48 m，单元间距7.46 m。小区内单元楼为50 m×15 m×25 m的标准建筑，排列方式为五排三列，单元楼按1#～15#顺序编号。模拟小区的整体情况如图1所示。

图1 小区整体模型图

1.2 污染源参数

炭疽杆菌是革兰式阳性菌，两端平截或者凹陷，长约5～10 μm，宽约1～3 μm，无鞭毛和动力，可形成荚膜，排列形状类似竹节。当氧气足够，环境温度在25～30 ℃范围内易形成芽孢。

使用德国Topas公司生产的SAG-410型粉尘气溶胶发生器释放炭疽气溶胶，污染源释放的排放速率为1.5 g·s-1，释放点源的烟囱高度为5 m、烟囱内径为0.15 m，气体出口温度为293 K、出口流量为5 m·s-1，持续释放。设定炭疽气溶胶在小区内释放方式为：小区东侧和北侧近地面释放、小区中心近地面释放和小区楼顶释放。

1.3 受体参数

受体选用非地面受体，为更准确体现污染区人员所处环境浓度，受体高度设定为2 m，受体网格选用等间距极坐标网格，环数为40环，环间距为15 m，半径为600 m，受体数为1 440个。

2 模拟结果

2.1 近地面释放

小区东侧近地面释放炭疽气溶胶，风向为90°时，释放后气溶胶沿风向进入小区，由东向西逐渐蔓延，污染浓度最高点始终在3#楼和8#楼之间的通道中。扩散1,4,12,24 h时的浓度最高值分别为1.82×103,1.53×103,1.39×103,1.29×103μg·m-3，呈逐渐降低趋势，且浓度最高值的位点不断向下风向移动。由于受到两侧建筑阻挡，扩散主要在单元楼之间的通道中进行。

有小区建筑和无建筑情况下气溶胶扩散1 h浓度对比如图2所示。可以看出，无建筑时，扩散1 h炭疽气溶胶浓度最高值为2.11×103μg·m-3。在有建筑存在时，炭疽气溶胶扩散1 h浓度最高点低于无建筑时浓度最高点。有建筑时最高浓度点的位置整体向下风方向处偏移；在水平方向，气溶胶扩散的距离比无建筑情况下大；在垂直方向，气溶胶扩散的距离比无建筑情况下小。这是由于建筑物的阻碍作用，导致气溶胶在垂直方向上扩散距离减小，而由于单元楼之间的通道较窄，导致自然风通过小区狭窄通道时，风速变大，造成强风环境，部分炭疽气溶胶以较大速度向下蔓延，导致通道内炭疽气溶胶浓度最高点往下风方向移动速度加快，下风方向的气溶胶扩散距离较远。

在小区中心近地面(7#和8#单元楼中间)释放炭疽气溶胶，风向为90°时，气溶胶扩散1 h浓度分布如图3所示。可以看出，当污染源在小区中心近地面释放时，炭疽气溶胶的扩散与图2类似，主要是通过单元楼之间的通道扩散。由于两侧建筑物的阻挡，气溶胶在12#和13#单元楼组成的通道中滞留，向建筑物两侧蔓延较小，向下风方向扩散的距离较远，污染物浓度最高点值为2.06×103μg·m-3。

图2 小区东侧近地面释放气溶胶1 h浓度分布

图3 小区中心近地面释放气溶胶1 h浓度分布

小区北侧楼前近地面释放炭疽气溶胶，风向为0°时，气溶胶扩散1 h浓度分布如图4所示。可以看出，在单元楼前释放时，由于建筑物对气流产生阻碍作用，在建筑周围形成环流，气溶胶在建筑周围扩散。在7#和8#单元楼之间扩散的气溶胶由于受到8#单元楼阻挡，在两栋单元楼之间聚集，形成高浓度区域。且由于通道效应的影响，气溶胶向下风方向扩散的距离较远，但向气流两侧扩散面积较小。

2.2 小区楼顶释放

小区中心(8#单元楼)楼顶高度释放炭疽气溶胶，风向为90°时，气溶胶扩散1 h浓度分布如图5所示。可以看出，有建筑时，浓度最高点为5.90×102μg·m-3；无建筑时，浓度最高点为4.32×102μg·m-3。由于在楼顶释放，气溶胶在重力影响下，产生沉降效应，从8#单元楼楼顶向地面扩散，当扩散到13#单元楼前时，受建筑阻碍作用，形成气溶胶滞留区，在建筑物前长时间滞留聚集，气溶胶浓度最高点也在此区域。此外，部分气溶胶通过13#单元楼两侧的通道流通，单元楼两侧通道中气溶胶浓度比无建筑时要高。

图4 小区北侧近地面释放气溶胶1 h浓度分布

图5 小区楼顶释放气溶胶1 h浓度分布

3 结论

通过AERMOD模型模拟城市小区内炭疽气溶胶的扩散，得到如下结论：(1)当炭疽气溶胶的扩散受小区内建筑阻挡时，在建筑物迎风面和侧面形成气溶胶滞留区，在滞留区保持高浓度，严重威胁小区内人员及救援人员生命健康。(2)当炭疽气溶胶在小区内通道中扩散时，通道内会形成建筑瞬时强风，气溶胶快速向下风向蔓延，下风向扩散距离增大，污染区域面积更大，但通道外气溶胶浓度较低。(3)当在楼顶释放时，气溶胶在重力影响下沉降，形成气溶胶滞留区，在建筑物前长时间滞留聚集，向下风方向蔓延扩散的污染区域相比于无建筑情况时要小，但是在小区内的气溶胶浓度更高。

进行应急救援处置时，应根据风向及建筑物情况，避开通道及气溶胶滞留区，可在气溶胶浓度较低的区域建立临时避难所，降低救援人员和民众长时间处在高浓度污染区的可能性，最大程度地减少炭疽气溶胶对人员生命健康造成的损害。