第五章：毒物泄漏及擴散模型-第四次

1、1化工安全工程化工安全工程Chemical engineering safety fundamental and application鄒?？鼸mail: Tel: 64443134第四章泄漏源模型泄漏源模型 一、源模型簡介一、源模型簡介 依據(jù)描述物質(zhì)釋放時所表現(xiàn)出的物理化學過程的理論，或傳遞過程理論及經(jīng)驗方程而建立。 作用作用：源模型給出了流出速率、流出總量：源模型給出了流出速率、流出總量(總總時間時間)和流出狀態(tài)。和流出狀態(tài)。二、二、釋放機理釋放機理 大孔和有限孔大孔和有限孔內(nèi)容回顧第四章第四章泄漏源模型泄漏源模型 三、三、7個基本模型基本模型l 液體經(jīng)孔洞流出l 液體經(jīng)貯罐上的孔洞流出l

2、 液體經(jīng)管道流出l 蒸汽經(jīng)孔洞流出，塞壓塞壓l 氣體經(jīng)管道流出l 閃蒸液體l 液池蒸發(fā)或沸騰內(nèi)容回顧第五章：毒物泄漏及擴散模型主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：有毒物質(zhì)泄漏及擴散模型的意義、步驟、作用。擴散影響參數(shù)。中性浮力擴散模型、14個例子；Pasquill-Gifford模型重氣擴散毒性作用標準釋放動量和浮力的影響釋放緩解前前 言言1、有毒物質(zhì)泄漏擴散模型的意義事故期間，過程單元或設備釋放出大量有毒物質(zhì)，形成的危險氣云可能傳播到整個工廠區(qū)域和當?shù)厣鐓^(qū)。重大化學品事故（如Bhopal）的發(fā)生及后果，使人們意識到應急計劃的重要性，將工廠設計成毒物釋放事故發(fā)生最少、事故后果最小化的重要性。需要毒物釋放模型，

3、描述其遷移轉(zhuǎn)化過程規(guī)律。2、作用 毒物釋放和擴散模型是后果模擬步驟的重要部分；是應急管理、應急響應、應急決策的基礎(chǔ)。前前 言言3、步驟確定泄漏事件、泄漏源（第4章介紹了7種泄漏源模型）建立源模型，對事故釋放、釋放速率、釋放量等進行描述。應用擴散模型估算下方向有毒有害物質(zhì)的濃度，并由此根據(jù)一些準則來評估釋放的后果及影響。5.1 擴散影響參數(shù)擴散影響參數(shù)擴散模型用于描述事故釋放后由釋放源開始向其他地點及大范圍區(qū)域的大氣輸送過程。釋放發(fā)生后，大氣中的毒害物質(zhì)在風作用下以煙羽方式（連續(xù)源，圖5-1）、或云團方式（瞬時源，圖5-2）帶走。1. 風圖5-1 物質(zhì)連續(xù)泄漏形成煙羽物質(zhì)連續(xù)泄漏形成煙羽 連續(xù)泄

4、漏處 形狀與風速有關(guān)、與氣云性質(zhì)有關(guān)、地形，釋放源位置及性質(zhì)有關(guān) 煙羽：通過與新鮮空氣混合而消散 風 1. 風圖5-2 物質(zhì)瞬時泄漏形成煙團物質(zhì)瞬時泄漏形成煙團 物質(zhì)瞬時泄漏生成煙團 t1時的煙團 t 2時的煙團 風 三個煙團表面濃度相等：c環(huán) 煙團向下風移動并通過與新鮮空氣混合而消散 5.1 擴散影響參數(shù)擴散影響參數(shù)多個因素影響著毒害物質(zhì)在大氣中的擴散：u風速；u大氣穩(wěn)定度；u地形條件（建筑物、地面類型、地面構(gòu)筑物）；u釋放源離地面的高度；u釋放的初始動量和浮力。 2. 大氣穩(wěn)定度 大氣穩(wěn)定度與空氣的垂直混合有關(guān)。白天，空氣溫度隨高度增加而下降，地面處空氣受熱密度變?。ㄕ趄v），向上運動；夜晚

5、，空氣溫度隨高度增加下降不多，垂直運動較少。此外，由于土壤、地表導熱系數(shù)大，夜間無太陽輻射，地面附近空氣溫度要降低，空氣密度變大，垂直方向運動較小。 圖5-3，晝間和夜間空氣溫度隨高度的變化，溫度梯度影響空氣的垂直運動夜間 晝間2. 大氣穩(wěn)定度穩(wěn)定度劃分：不穩(wěn)定、中性和穩(wěn)定劃分標準：對地面加熱速度與地面散熱速度相對快慢 1 加熱速度地面散熱速度 地面附近的空氣溫度比高處的空氣溫度高，地表附近空氣的密度小，上層空氣密度大，密度小的空氣在這種浮力作用下上升，導致大氣不穩(wěn)定。晴天上午9、10點后，肉眼會觀測到地表升騰；春秋早晨水霧消散。F浮F重2 加熱速度=散熱速度。熱量對大氣擾動很小，但很難長久保

6、持。F浮=F重3 加熱速度散熱速度。地面附近的溫度比高處空氣的溫度低，地表附近空氣密度大于高處空氣的密度。F浮F重。重力影響抑制了大氣機械湍流。 3. 地面條件地面條件通過對大氣施加曳力（摩擦力）改變風速分布及大小。平坦的地面、水面等曳力小。高層建筑、密集建筑群等曳力、起作用的范圍均比較大。圖5-3 地面情況對垂直風速梯度的影響 地面條件：影響地表的機械混合和隨高度變化的風速 4.釋放高度隨著泄漏高度的增加，煙羽達到地面的時間和距離均增加；此外，煙羽到達地面時的濃度也會更低，原因是煙羽被更多的稀釋。圖5-5 泄漏高度增加地面濃度降低對地面濃度的影響很大，釋放高度越大，地面濃度越低。L2L1H1

7、H2。5.釋放物質(zhì)的浮力和動量釋放物質(zhì)的浮力和動量改變了泄漏的有效高度；釋放物質(zhì)的物化性質(zhì)決定了擴散影響的區(qū)域和程度。內(nèi)部浮力占支配地位轉(zhuǎn)變區(qū)周圍環(huán)境湍流占支配地位初始加速和稀釋風源圖5-6 泄漏物質(zhì)的初始動量和浮力影響煙羽的特性, ,D 噴射氣體動量將氣體帶到釋放點上方高處，使有效釋放高度更高。氣體噴出后氣體物化性質(zhì)（ ，D ）等導致氣體是（上浮還是下沉）及其快慢。經(jīng)過一定時間在空氣里傳播后，釋放的氣體被充分稀釋混合，與局部大氣環(huán)境物化性質(zhì)一致，變?yōu)橹行愿×怏w。5.釋放物質(zhì)的浮力和動量釋放物質(zhì)的浮力和動量改變了泄漏的有效高度；釋放物質(zhì)的物化性質(zhì)決定了擴散影響的區(qū)域和程度。噴泉 5.2 中性

8、浮力擴散模型中性浮力擴散模型用來估算釋放后所釋放出的氣體與空氣混合，導致混合氣體具有中性浮力后下風向各處的濃度；適用于低濃度氣體。經(jīng)常有兩種中性浮力蒸氣云擴散模型：煙羽（連續(xù)源釋放）和煙團模型（瞬時釋放）。煙團模型可用來描述煙羽；對涉及動態(tài)煙羽的研究（如風向變化），須使用煙團模型。（5-1 ）考慮固定質(zhì)量Qm的物質(zhì)瞬時泄漏到無限膨脹擴張的空氣中，坐標系固定在釋放源處。假設不發(fā)生反應，或不存在分子擴散，釋放所導致的物質(zhì)的濃度C可由式(5-1)。 考慮到湍流的影響，用平均值和隨機量來代替速度；5.2 中性浮力擴散模型5.2 中性浮力擴散模型jtjjjccu cKtxxx（5-7 ）Kt：湍流擴散系

9、數(shù)，取決于大氣湍流程度、地形條件等 對式（5-7），可給定適當?shù)某跏紬l件（t=0的條件）和邊界條件，即可對各種情況進行求解。圖5-7：風作用下連續(xù)點源泄露（煙羽） x：風向；y：橫風向；z：垂直風向用于擴散模型的坐標系5.2 中性浮力擴散模型圖5-8 風作用下煙團隨風的移動 x：風向；y：橫風向；z：垂直風向5.2 中性浮力擴散模型5.2 中性浮力擴散模型：處理CASE-1：無風情況下、穩(wěn)態(tài)、連續(xù)：無風情況下、穩(wěn)態(tài)、連續(xù)點源點源釋放釋放*jK =K 湍流擴散系數(shù)不變（所有方向上 ） 邊界條件：rr ,c0;222222ccc0 xyzm x,y,z*222Q1C4 Kx +y +zQm=常數(shù)

10、質(zhì)量釋放速率不變：ju0 無風：rr ,c0;A：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形jtjjjccu cKtxxxc0t 穩(wěn)態(tài)：經(jīng)坐標變換和積分：（5-16 ）rr ,c0;CASE-2：無風煙團無風煙團擴散擴散 *jK =K 湍流擴散系數(shù)不變（所有方向上 ） 邊界條件： 一定量 的物質(zhì)瞬間釋放*mQ*222m x,y,z,t3*2Qx +y +zCexp4K t8( K t)22222221cccccrK* txyzrrddddju0無風：A：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理jtjjjccu cKtxxx（5-20 ） x,y,

11、zt0,C0CASE-3：無風情況下的：無風情況下的非穩(wěn)態(tài)連續(xù)點源非穩(wěn)態(tài)連續(xù)點源釋放釋放(從開始釋放到達到穩(wěn)態(tài)前從開始釋放到達到穩(wěn)態(tài)前) Qm=常數(shù)ju0*jK =K 質(zhì)量釋放速率不變： 湍流擴散系數(shù)不變（所有方向上 ）無風： 初始條件： 邊界條件：rr ,c0;2222221ccccK* txyz222m x,y,z,t*x +y +zQCerfc4 K r2 K tA：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理（5-22）（5-7）化簡為： 湍流擴散系數(shù)不變（所有方向上 ）質(zhì)量釋放速率不變：CASE-4：有風情況下：有風情況下的的穩(wěn)態(tài)連續(xù)點源穩(wěn)態(tài)連續(xù)點

12、源釋放釋放 Qm=常數(shù)*jK =K風沿一個方向如x方向： 邊界條件：rr ,c0;jxuuu 常 數(shù)222*222uccccKxxyz222m(x,y,z)*222QuCexpx +y +zx2K4 Kx +y +z沿煙羽中心線 yz0m x,0,0*QC4 K xA：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理（5-27）（5-24）任意點處平均濃度：ju0rr ,c0;constQm*CASE-5：無風無風時的時的煙煙團團, 湍流擴散湍流擴散系數(shù)是系數(shù)是各向異性各向異性煙團釋放，湍流擴散系數(shù)不同邊界條件：無風：xyzK ,K ,K222xyz222ccc

13、cKKKtxyz zyxzyxtzyxKzKyKxtKKKtQmC2222/3,41exp8*A：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理jtjjjccu cKtxxx（5-7）（5-29）化簡為：CASE-6：有風有風情況下情況下穩(wěn)態(tài)連續(xù)穩(wěn)態(tài)連續(xù)點源點源釋放，湍流擴散釋放，湍流擴散系數(shù)系數(shù)各向異性各向異性Qm=常數(shù)連續(xù)釋放， 風沿一個方向如x方向：邊界條件：rr ,c0;jxuuu 常數(shù)與與CASE-4相同，差別在于擴散系數(shù)相同，差別在于擴散系數(shù) xyzKKK222xyz222ccccuKKKtxyz沿煙羽中心，yz0 mxyzQC4 x K K22,

14、 ,exp44mx y zyzyzQuyzCxKKx K KA：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理（5-31）（5-32）化簡為：化簡為：CASE-7：有風下的煙團有風下的煙團煙團釋放，各方向湍流擴散系數(shù)不同，風沿x方向：邊界條件：與與CASE-5相同，但有風相同，但有風 rr ,c0;jxuuu 常數(shù)xyzKKKConstQm* 222mx,y,z,t32xyzxyzx-utQ1yzCexp4tKKK8tK K KA：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理（5-33）通過坐標移動，經(jīng)處理后可以得到：CAS

15、E-8：釋放源在地面上釋放源在地面上的無風時的煙團的無風時的煙團 與CASE-5相同，但釋放源在地面。釋放源在地面代表不能不能滲透滲透的條件，因此濃度是CASE-5的兩倍兩倍 222mx,y,z,t32xyzxyzQ1xyzCexp4tKKK4tK K K（CASE-5）222mx,y,z,t32xyzxyzQ1xyzCexp4tKKK8tK K KA：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理（5-34）（5-29）CASE-9：釋放源在：釋放源在地面上的穩(wěn)態(tài)煙羽地面上的穩(wěn)態(tài)煙羽 與CASE-6相同，但釋放源位于地面，如圖5-9所示。地面不能地面不能滲透

16、滲透。結(jié)果是濃度應是CASE-6的濃度的濃度的2倍倍 22mx,y,zyzyzQuyzCexp4xKK2 x K K22mx,y,zyzyzQuyzCexp4xKK4 x K K（CASE-6）A：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理（5-35）（5-31）CASE-10：連續(xù)的穩(wěn)態(tài)源。釋放源在地面：連續(xù)的穩(wěn)態(tài)源。釋放源在地面上方上方 Qm=常數(shù)連續(xù)釋放， 風沿一個方向x方向：邊界條件：rr ,c0;jxuuu 常數(shù)xyzKKK對此種情形，地面起著距源距源H處的不能滲透的邊界作用處的不能滲透的邊界作用 。A：采用湍流擴散系數(shù)：采用湍流擴散系數(shù)Kj的情

17、形的情形5.2 中性浮力擴散模型：處理222mx,y,zyzzyzQuyuuCexpexpzHrexpzHr4K x4K x4K x4 x K K 若rH0，簡化為釋放源在地面上的情況 （5-36） 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：簡便有效的處理：簡便有效的處理方法方法-Pasquill-Gifford模型模型v對于上面對于上面10種情形都依賴于種情形都依賴于K。一般。一般K隨隨位置、時間、位置、時間、風速和天氣情況而變。風速和天氣情況而變。v湍流擴散系數(shù)這一方法是在理論上可行，但實驗上不湍流擴散系數(shù)這一方法是在理論上可行，但實驗上不方便，且不能提供有效的關(guān)系式。方便，且不能提供有效的關(guān)系

18、式。問題！問題！ 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法解決辦法：解決辦法：1、Sutton提出了解決辦法，引入新的擴散系數(shù)定義。v下風向： v側(cè)風向： v垂直風向： 22 n2x1cut222 n2y1cvt222 n2z1cwt2（5-37） v分別代表下風向、側(cè)風向和垂直方向濃度的標準偏差。v這些值比湍流擴散系數(shù)更易由實驗確定。 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法2、擴散系數(shù)是大氣情況及釋放源下風向距離的函數(shù)：v大氣情況：根據(jù)六種不同的穩(wěn)定度等級進行分類，見表5-1 。表5-1 Pasquil

19、l-Gifford的擴散模型的大氣穩(wěn)定度等級表面風速（m/s）晝間日照夜間條件強適中弱薄云層或大于4/8低沉的云3/822334466AABBCCABBBCCDDBCCDDFEDDDFFEDDv穩(wěn)定度等級依賴于風速和日照程度。白天，風速的增加導致較高的穩(wěn)定度；夜晚則相反。原因是從白天到夜晚，垂直方向上溫度變化引起的。v對連續(xù)源的擴散系數(shù)y 和z ，由圖5-10，5-11給出。表5-2為相應關(guān)系式。為給出x 的值，假設： x=y 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方

20、法圖圖5-10 泄漏位于農(nóng)村時泄漏位于農(nóng)村時P-G煙羽模型的擴散系數(shù)煙羽模型的擴散系數(shù) 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法圖圖5-11 泄漏位于城市時泄漏位于城市時P-G煙羽模型的擴散系數(shù)煙羽模型的擴散系數(shù) 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法表5-2 煙羽擴散的Pasquill-Gifford模型擴散系數(shù)Pasquill-Gifford穩(wěn)定度等級/m/m農(nóng)村條件ABCDEF城市條件ABCDEFy1212121212120 . 2 210 . 0 0 0 10 . 1 610 . 0 0 0 10

21、 . 1 110 . 0 0 0 10 . 0 810 . 0 0 0 10 . 0 610 . 0 0 0 10 . 0 410 . 0 0 0 1xxxxxxxxxxxx121212120 . 3 210 . 0 0 0 40 . 2 210 . 0 0 0 40 . 1 610 . 0 0 0 40 . 1 110 . 0 0 0 4xxxxxxxx1212110.200.120.0810.00020.0610.00150.0310.00030.01610.0003xxxxxxxxxx1212120 .2 410 .0 0 0 10 .2 00 .1 410 .0 0 0 30 .0 8

22、10 .0 0 1 5xxxxxxxz 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法圖圖5-12 P-G煙團模型的擴散系數(shù)煙團模型的擴散系數(shù) 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法表5-3 煙團擴散的Pasquill-Gifford模型擴散系數(shù)Pasquill-Gifford穩(wěn)定度等級 /m或 /m /mPasquill-Gifford穩(wěn)定度等級 /m或 /m /mABCDEFxzzyyx0.920.920.920.180.140.10 xxx0.750.730.710.600.530.34xxx0.920.

23、920.890.060.040.02xxx0.720.650.610.150.100.05xxxPasquill由式（5-37）重新得到了CASE-1CASE-10的方程，即Pasquill-Gifford模型 。煙團的擴散系數(shù)是基于有限數(shù)據(jù)得到的，不夠精確。 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-11：地面上瞬時點源的煙團，坐標系固定在釋放點，：地面上瞬時點源的煙團，坐標系固定在釋放點，風速風速恒定為恒定為u，風向沿風向沿x軸方向軸方向(與情況與情況7相同相同)（5-38） 222222/3*21exp2),(zyxzyxmzyutxQ

24、tzyxC求地面某點濃度時，可令z=0，求得：（5-39） 2222/3*21exp2), 0 ,(yxzyxmyutxQtyxC地面上沿x軸的濃度，可令y=z=0，求得：（5-40） 22/3*21exp2),0 ,0 ,(xzyxmutxQtxC氣云中心坐標的濃度：（5-41） zyxmQtutC2/3*2), 0 , 0 ,( 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-11：地面上瞬時點源的煙團，坐標系固定在釋放點，：地面上瞬時點源的煙團，坐標系固定在釋放點，風速風速恒定為恒定為u，風向沿風向沿x軸方向軸方向站在固定點(x,y,z)處的

25、個體，所接受的全部劑量可用濃度的時間積分：（5-42） 0),(),(dttzyxCzyxDtid地面上的全部劑量，可對式（5-39）進行積分得到：（5-43） )21exp()0 ,(22*yzymtidyuQyxD地面上沿x軸的全部劑量為（5-44） uQxDzymtid*)0 , 0 ,( 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B：簡便有效的處理：簡便有效的處理方法方法-Pasquill-gifford模型模型CASE-11：地面上瞬時點源的煙團，坐標系固定在釋放點，：地面上瞬時點源的煙團，坐標系固定在釋放點，風速風速恒定為恒定為u，風向沿風向沿x軸方向軸方向用固定濃度定義氣云邊界，連接氣云周

26、圍相等濃度的點的曲線稱為等值線，對于指定濃度C* ，地面上的等值線可按下面過程求出：(1) 指定C*、u和t；(2) 利用式(5-40)確定沿x軸的濃度C（x,0,0,t），定義沿x軸的氣云邊界；(3) 在式(5-45)中令C（x,y,0,t）= C* ，確定由步驟(2)確定的每一個中心線的y值。 對于每一個所需的t值，可重復使用該過程。), 0 ,(), 0 , 0 ,(ln2tyxCtxCyy（5-45） 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-12：地面上連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽，風向沿：地面上連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽，風向沿x軸方向，軸方向，風速

27、風速恒定為恒定為u與情況9相同，其結(jié)果與式5-35的形式相近，（5-38） 222221exp),(zyzymzyuQzyxC地面濃度可令z=0，求得：（5-38） 2221exp)0 ,(yzymyuQyxC下風向，沿煙羽中心線的濃度可令y=z=0，求得：（5-38） uQyxCzym)0 ,( 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-13：位于地面：位于地面Hr高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽 風向沿風向沿x軸，風速恒定為軸，風速恒定為u（5-49） 22221exp21exp21exp2),(zrzryzymHzHzyu

28、QzyxC地面濃度可令z=0，求得：地面中心線濃度可令y=z=0，求得：（5-50） 222121exp)0 ,(zryzymHyuQyxC（5-51） 221exp)0 , 0 ,(zrzymHuQxC 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-13：位于地面：位于地面Hr高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽 風向沿風向沿x軸，風速恒定為軸，風速恒定為u地面沿x軸的最大濃度：（5-52） )(22maxyzrmuHeQC下風向地面上最大濃度出現(xiàn)的位置，可由下式求得：2rzH（5-53） 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B： Pas

29、quill-Gifford模型方法模型方法CASE-14：位于地面位于地面Hr高處高處的瞬時點源的煙團，坐標系位于的瞬時點源的煙團，坐標系位于地面并隨煙團移動，風向地面并隨煙團移動，風向沿沿x軸，風速恒定為軸，風速恒定為u煙團中心在x=ut處，平均濃度為：時間的相關(guān)性通過擴散系數(shù)來完成。（5-54） 2222/3*21exp21exp21exp)2(),(zrzryzyxmHzHzyuQtzyxC地面濃度可令z=0，求得：（5-55） 222/3*2121exp2), 0 ,(zryzyxmHyQtyxC 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法C

30、ASE-14：位于地面位于地面Hr高處高處的瞬時點源的煙團，坐標系位于的瞬時點源的煙團，坐標系位于地面并隨煙團移動，風向地面并隨煙團移動，風向沿沿x軸，風速恒定為軸，風速恒定為u地面中心線濃度可令y=z=0，求得：（5-56） 22/3*21exp2), 0 , 0 ,(zrzyxmHQtxC地面上的全部劑量：（5-57） 22*2121exp)0 ,(zryzymtidHyuQyxD 5.2 中性浮力擴散模型：處理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法 22220321111, , ,expexpexpexp22222rrxyzzx y zQz Hz Hx utyC xyz

31、t （ 1）（5-58） CASE-15：位于地面：位于地面Hr高處的瞬時點源的煙團，坐標系位于高處的瞬時點源的煙團，坐標系位于 地面的釋放點處，風向沿地面的釋放點處，風向沿x軸，風速恒定為軸，風速恒定為u 5.2 中性浮力擴散模型：處理 最壞事件情形最壞事件情形對于煙羽：對于煙羽：最大濃度通常在釋放點處，若在高于地平面的地方發(fā)生，那么地面上的最大濃度出現(xiàn)在釋放處的下風向上的某一點。對于煙團對于煙團：最大濃度通常在煙團的中心。若在高于地平面的地方發(fā)生，煙團中心將平行于地面移動，并且地面上的最大濃度出現(xiàn)直接位于煙團中心的下方。煙團等值線的直徑先增加在達到最大后逐漸減小。如果天氣條件未知或不能確定

32、，需要按最壞情形考慮，即估如果天氣條件未知或不能確定，需要按最壞情形考慮，即估算最大濃度，故選擇導致算最大濃度，故選擇導致最小值的擴散系數(shù)和風速最小值的擴散系數(shù)和風速的天氣條的天氣條件和風速。件和風速。 可選擇大氣穩(wěn)定度為F，風速按小于1.5考慮。52l僅用于氣體的僅用于氣體的中性浮力擴散中性浮力擴散，湍流混合是擴散的，湍流混合是擴散的主要特征。主要特征。 l僅對距離釋放源僅對距離釋放源0.1-10 km范圍范圍內(nèi)的距離有效。內(nèi)的距離有效。 Pasquill-Gifford擴散模型的局限性擴散模型的局限性 例 5-1解：由表5-1 可知，大氣穩(wěn)定度等級為D。擴散系數(shù)可由圖5-10或表5-2得到

33、。代入5-1可得到：5.3 重氣擴散重氣擴散二、重氣云擴散特點：v重氣云釋放后，可能在垂直和水平方向上形成尺寸相近的氣云（源附近）；v重氣云在重力影響下向地面沉降，高度減小，水平范圍擴大；v在重力作用下，氣云向周圍空氣擴散而被稀釋；空氣經(jīng)垂直方向和水平方向進一步卷吸，氣云高度略增加；v充分稀釋后，大氣湍流超過重力影響而居支配地位，顯示出典型高斯擴散特征。 一、概念一、概念 氣體密度大于其擴散所經(jīng)過的周圍空氣密度的氣體稱為氣體密度大于其擴散所經(jīng)過的周圍空氣密度的氣體稱為重氣重氣。影響因素：分子量和溫度。5.3 重氣擴散重氣擴散某城郊冶煉廠某城郊冶煉廠18根煙根煙囪不分晝夜排放廢氣囪不分晝夜排放廢

34、氣上萬居民生活在濃煙上萬居民生活在濃煙中（中（2004年年07月月22日日來源：貴州都市報）來源：貴州都市報）硅錳冶煉釋放的黃褐色濃煙中,含有大量粉塵,濃煙升上天空后,粉塵很快會沉到地面 。5.3 重氣擴散重氣擴散三、重氣擴散的三、重氣擴散的Britter-Mcquaid模型模型v1、模型建立：通過量綱分析和對現(xiàn)有重氣云的擴散數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)后建立的。v2、適用條件：對瞬時源或連續(xù)源地面重氣釋放都適用；因主要對偏遠鄉(xiāng)村地區(qū)地形（即平坦、開闊地形）的實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，故僅適用于那些類型條件下的釋放；不能解釋如釋放高度、地面粗糙度和風速的影響。（釋放發(fā)生在周圍環(huán)境溫度下）v3、應用條件：需給定初始氣云體積

35、、初始煙羽體積流量、釋放持續(xù)時間、初始氣體密度，及10m高處的風速、下風向距離和周圍氣體密度。5.3 重氣擴散重氣擴散v4、應用步驟 確定重氣模型是否適用。初始氣云浮力定義為： 確定特征源尺寸 ：a)連續(xù)釋放的特征源尺寸0a0agg（5-59） g0：初始浮力系數(shù)；g：重力加速度；0：泄露物質(zhì)的初始密度；a：周圍環(huán)境空氣的密度。g00，下沉；g0a，g005.3 重氣擴散重氣擴散vb) 瞬時釋放的特征源尺寸（5-60） Di:為瞬時源的特征源尺寸i: instantaneous,V0為泄露的重氣物質(zhì)的初始體積 。120cqDu Dc：特征源尺寸，q0：重氣擴散的初始煙羽體積流量，m3/s；u：

36、10m高處的風速, m/s。c: continuous 13i0DV（5-61） 5.3 重氣擴散重氣擴散 對厚重氣云判據(jù)如下： a：連續(xù)釋放 b:瞬時釋放13003cg q0.15u D（5-62） 00ig V0.20uD（5-63） 若滿足這些準則，可用圖5-13和5-14來估算下風向的濃度。表5-4和5-5給出了圖中關(guān)系的表達式。5.3 重氣擴散重氣擴散（5-64） v 連續(xù)源或瞬時源的區(qū)分準則 duRRxdRR2.5,R0.60.6R2.5 ：泄露持續(xù)時間；x為下風向的距離 判為連續(xù)重氣釋放；,可采用兩種模型但取最大濃度結(jié)果，瞬時釋放；5.3 重氣擴散重氣擴散5.3 重氣擴散重氣擴散

37、5.3 重氣擴散重氣擴散5.3 重氣擴散重氣擴散 對于 非等溫釋放：B-M模型推薦了兩種不同的計算方法 處理一：對初始濃度進行修正（見例5-3） 處理二：不考慮傳熱的影響，釋放物質(zhì)與周圍環(huán)境氣體溫度相平均。 如果這兩種方法計算結(jié)果相差很小，則溫度的影響可以忽略； 若相差在2倍以內(nèi)，則用最大濃度或最悲觀的計算結(jié)果；若相差2倍以上，則使用更加詳盡的方法。5.4 毒性作用標準毒性作用標準 一、問題提出： 通過擴散計算得到濃度后，需要判斷什么樣的濃度水平具有危險性？如何利用第二章的閾限值來確定不同的危險性水平范圍？ 方法1：采用第2章的概率模型，考慮毒物濃度瞬時變化的效應，但僅對少數(shù)化學物質(zhì)有效，且這

38、些模型結(jié)果變化范圍較大 方法2：簡化方法，即指定一些毒害物濃度標準，假設個人暴露于超過該濃度標準的環(huán)境中就有危險。5.4 毒性作用標準毒性作用標準 二、標準和方法：1、ERPGs：由美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會AIHA(American Industrial Hygiene Association)出版 Emergency Response Planning Guidelines污染空氣的應急反應計劃應急反應計劃指南，指南，給出了三個濃度范圍。 ERPG-1：空氣中最高濃度低于該值下，幾乎所有人都可暴露于其中1h，除了輕微的短暫的對身體危害或明顯氣味外，沒有其他影響。 ERPG-2：空氣中最高濃度，若低于

39、該值，幾乎所有人都能在其中暴露1h，逐步顯示出不可逆或嚴重的健康危害，或削弱人員采取保護行動的能力。 ERPG-3：空氣中最高濃度，幾乎所有人在其中暴露1h，會逐步顯示出危機生命健康的影響 AIHA獲得了47個ERPG；且逐步校驗，更新和擴充。ERPGs正逐漸成為企業(yè)/政府的標準。表5-6 緊急響應計劃指南(ERPGs)(凡無注明，單位均為ppm)5.4 毒性作用標準毒性作用標準化學物質(zhì)ERPG-1ERPG-2ERPG-3化學物質(zhì)ERPG-1ERPG-2ERPG-3氨252001000甲醛11025氯氣1320乙醛102001000氯化氫320100甲醇20010005000硫化氫0.1301

40、00苯501501000氰化氫NA1025氯苯11025氟化氫2050苯酚1050200光氣NA0.21甲苯503001000二氧化氯0.3315甲硫醇0.00525100溴0.215乙酸乙烯575500四氯化鈦5mg/m320mg/m3100mg/m3苯乙烯5025010005.4 毒性作用標準毒性作用標準2、IDLH濃度標準Immediately Dangerous to Life and Health 由NIOSH（國家職業(yè)安全與健康研究中心）發(fā)布了常見工業(yè)氣體急性毒性測量IDLH濃度。 IDLH定義為：“暴露于污染物，此暴露很可能引起死亡，或直接的或后續(xù)的永遠不可逆的健康影響，或妨礙人

41、員從暴露環(huán)境中逃離”。 IDLH值也考慮了急性中毒反應，如嚴重的眼部刺激、逃生障礙等。IDLH標準是某一最大濃度，超過該濃度后，所有未防護的人員必須離開該區(qū)域；超過該濃度后，必須提供高度可靠的人員保護設備裝置。 5.4 毒性作用標準毒性作用標準 IDLH值是為保護眾多人員而制定的（未考慮敏感人群），必須根據(jù)敏感人群進行調(diào)整、例如對老人、殘障人員或病人等需要調(diào)整。 目前已有380種化學物質(zhì)的IDLH數(shù)據(jù)。對可燃蒸汽，IDLH濃度定義為可燃下限（LIL）濃度的10%。但IDLH標準尚未被公認，且關(guān)于該值的文件資料很少。5.4 毒性作用標準毒性作用標準3、EEGL標準標準Emergency Expo

42、sure Guideline Limits-緊急暴露標準 由美國國家研究委員會的毒物學家制定，目前對44種化學物給出了EEGL值。 EEGL定義：在緊急情況下，人們持續(xù)暴露其中124h并完成指定任務所能接受的氣體、蒸汽或煙霧的濃度。 應用：暴露于EEGL濃度中可能產(chǎn)生瞬間刺激，或中樞神經(jīng)系統(tǒng)受影響，但不應該產(chǎn)生持續(xù)影響或削弱完成任務能力的影響。5.4 毒性作用標準毒性作用標準 SPEGL：一般公眾可接受的暴露濃度使用SPEGL需考慮不同敏感類型人群對暴露的反應。 EEGL和SPEGL值見表5-7。 EEGL和SPEGL相對IDLH的優(yōu)勢在于：SPEGL考慮了對敏感人群的影響；EEGL和SPEG

43、L是針對一些不同的持續(xù)時間而提出的。EEGLSPEGL%5010表5-7 緊急暴露指導標準(EEGLs)(凡無注明，單位均為ppm)5.4 毒性作用標準毒性作用標準化學物質(zhì)1小時EEGL24小時EEGL來源化學物質(zhì)1小時EEGL24小時EEGL來源氨100NRCVII丙酮85001000NRCI氯氣30.5NRCII丙烯醛0.050.01NRCI氯化氫2020NRCVII甲醇20010NRCIV硫化氫10NRC IV苯502NRCVI一氧化碳40050 NRCIV三氯乙烯210-8110-8 NRCVIII二硫化碳50NRCI甲基苯肼0.240.01NRCV光氣0.20.02NRCII甲苯20

44、0100NRCVII二氧化氮10.04NRCIV二甲苯200100 NRCII氟7.51NRCI環(huán)氧乙烷201NRCVI水銀（蒸汽）0.2mg/m3NRCI乙二醇4020NRCIV5.4 毒性作用標準毒性作用標準4、ACGIH的閾限值的閾限值美國政府工業(yè)衛(wèi)生聯(lián)合會（ACGIH）的TLV-STEL和TLV-Cs等可作為基準。這些閾限值用于保護人員免受來自化學物暴露的急性影響（如刺激和麻醉）。這些標準可用于毒性氣體擴散，但他們是為人員暴露設計的，故結(jié)果比較保守。（p36-37）5.4 毒性作用標準毒性作用標準5 、 O S H A 的 P E L 值 。 具 有 法 律 效 力Permissibl

45、e Exposure Limit- PEL標準同針對TLV-TWA的ACGIH標準相似，亦以8h的時間加權(quán)平均暴露為基礎(chǔ)的，引自OSHA的“可接受的最高極限濃度”。“偏移極限”或“影響水平”等適于作為基準使用。5.4 毒性作用標準毒性作用標準6、EPA-RMP標準 Risk Management Planning 由EPA發(fā)布的一組毒性限值，作為RMP的一部分，并附有毒氣體釋放作了空中擴散模擬。 按照優(yōu)先順序，毒性限值為：ERPG-2；由緊急計劃部門和公眾緊急知情法發(fā)布的關(guān)注標準（level of concern，LOC）。LOC是“普通群眾暴露于極度危險的物質(zhì)中，在相對較短時間內(nèi)不會引起嚴重

46、的不可逆的健康影響的最高濃度?！?在RMP標準中，給出了74種物質(zhì)的毒性限值（表5-8） 表5-8 EPA風險管理計劃確定的中毒極限5.4 毒性作用標準毒性作用標準化學物質(zhì)中毒極限(mg/L)化學物質(zhì)中毒極限(mg/L)氨 (無水)0.14四氯化鈦0.02氯氣0.0087丙烯醛0.0011氯化氫(無水)0.030呋喃0.0012硫化氫0.042氯仿0.49一氧化氮0.031二硫化碳0.16二氧化氯0.0028甲基苯肼0.0094光氣0.00081溴0.0065二氧化硫0.0078三氧化硫0.010氟0.0039環(huán)氧丙烷0.59 甲醛（無水）0.012 乙酸乙烯0.265.4 毒性作用標準毒性作

47、用標準本節(jié)小結(jié)： ERPG、SPEGL、EEGL是通常情況特別是制定緊急反應計劃時可以利用的最直接相關(guān)的毒物學標準。 它們的建立很明確，即應用于一般人群和考慮敏感人群，解決毒性數(shù)據(jù)中的合理的不確定性因素。 若涉及無SPEGL和EEGL的物質(zhì)，可采用IDLH標準。由于IDLH標準的健力未考慮敏感人群，另外它們是建立在最多30分鐘的暴露時間的基礎(chǔ)上，故EPA建議影響區(qū)域的確定應以10%IDLH標準作為暴露標準的基礎(chǔ)。5.4 毒性作用標準毒性作用標準若研究的目的主要是確定瞬時影響的區(qū)域（如感覺器官傷害或者氣味影響），則使用TLV-STEL和最高極限可能最為合適，一般而言，對位于這些極限確定的區(qū)域以外

48、的人員，可認為不受影響若無ERPG數(shù)據(jù)，可利用Craig的濃度指標體系（表5-9）各種方法的結(jié)果可能有差異，實際使用中要選擇適用的方法表5-9 推薦的可選擇濃度指標體系5.4 毒性作用標準毒性作用標準機構(gòu)簡碼：AIHA美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會 NIOSH國家職業(yè)安全與健康研究院 NRC加拿大國家研究委員會 EPA環(huán)境保護局FEMA聯(lián)邦緊急管理局 DOT美國運輸部OSHA美國職業(yè)安全與健康管理局ACGIH美國工業(yè)衛(wèi)生學者政府聯(lián)合會5.4 毒性作用標準毒性作用標準 初始隔離和防護區(qū)示意圖初始隔離區(qū)初始隔離區(qū)是指發(fā)生事故時，公眾生命可能受到威脅的區(qū)域。是以泄漏源為中心的一個園周圍域，周圍的半徑即為初始隔離距

49、離。該區(qū)域只允許少數(shù)消允許少數(shù)消防特勤官兵和搶救隊伍進防特勤官兵和搶救隊伍進入入。防護區(qū)防護區(qū)是指下風向有毒害氣體、蒸氣、煙霧或粉塵可能影響的區(qū)域，泄漏源下風向的正方形區(qū)域。正方形的邊長即為下風向疏散距離。該區(qū)域內(nèi)如果不該區(qū)域內(nèi)如果不進行防護，則可能使人致進行防護，則可能使人致殘或產(chǎn)生嚴重的或不可逆殘或產(chǎn)生嚴重的或不可逆的健康危害，應疏散公眾，的健康危害，應疏散公眾，禁止未防護人員進入或停禁止未防護人員進入或停留留。 5.4 毒性作用標準毒性作用標準 圖片七 控制區(qū)分布示意圖5.4 毒性作用標準毒性作用標準 熱區(qū)熱區(qū)(紅區(qū)，限制區(qū)紅區(qū)，限制區(qū)) ：該區(qū)域是直接接近泄漏源的區(qū)域，在其邊界應該設有

50、明顯的標志，將其與其外的區(qū)域區(qū)別開來。在此區(qū)域內(nèi)的主要任務是進行人員疏散,區(qū)域內(nèi)不執(zhí)行洗消和傷員救護。只有受過正規(guī)訓練和有特殊裝備的應急處置人員才能夠在這個區(qū)域作業(yè)。所有進入這個區(qū)域的人員必須在安全人員和指揮者的控制下工作，還應設定一個可以在緊急情況下得到后援人員幫助的緊急入口。5.4 毒性作用標準毒性作用標準 暖區(qū)暖區(qū)(黃區(qū)，除污區(qū)黃區(qū)，除污區(qū)) ：是進行人員和設備洗消及對熱區(qū)實施支援的區(qū)域。該區(qū)域設有進入熱區(qū)的通道入口控制點和清洗控制通道。一般應設有兩種清洗通道，分別用于處理傷亡人員和穿戴防護服的救援人員。只有受過訓練的凈化人員和安全人員才可以在該區(qū)工作。5.4 毒性作用標準毒性作用標準 冷區(qū)冷區(qū)(綠區(qū)，支援區(qū)綠區(qū)，支援區(qū)) ：冷區(qū)內(nèi)設有指揮所，并具有一些必要的控制事故的功能。該區(qū)域是安全的，只有應急人員和必要的專家才能在該區(qū)域