《化工园区大气污染事故风险模拟》
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【摘 要】化工园区事故风险模拟对应急响应方案制订具有重要的指导意义.文章选取浙江某化工园区作为研究目标,利用WRF-CALMET模拟的高分辨率气象场耦合CALPUFF扩散模型,模拟园区突发性大气污染事故.结果显示：①WRF-CALMET能更好地反映该园区地形特征对风场的影响,模拟结果较仅采用WRF模拟更精确,与观测数据更相近,能更可靠地模拟出高分辨率化工园区气象场;②将WRF-CALMET模拟的高分辨率气象场输入CALPUFF扩散模式中,结果显示模拟的污染物浓度分布与风速风向变化的实际情况相近,表明CALPUFF能较好地模拟园区复杂地形气象条件下的大气污染扩散;③WRF-CALMET耦合CALPUFF模型能根据事故点、排放速率、污染源性质模拟不同污染物扩散浓度分布,对事故应急响应有一定的指导作用,可以作为该化工园区事故风险评估的参考模型.
【关键词】安全工程;大气污染事故;CALPUFF;WRF-CALMET;风险评估
【中图分类号】X507 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）01-0056-04
0 前言
化工园区的建设对我国国民经济有重要的支撑作用,它作为众多企业的聚集地,存在各种危险化学品,有些化学品一旦发生异常排放、泄露或者爆炸,将对生命财产造成巨大损失,同时会严重影響事故发生地周围的环境.近年来,化工园区内的事故频繁发生[1-3],为了降低事故所造成的危害和损失,需要对园区事故风险进行评估,快速确定危害范围,从而提供应急方案.
目前,针对园区事故风险进行评估的大气扩散模型主要有SLAB,DEGAD IS,ALOHA,ARCH IE,DEMRA和 LPDM等,这些模型各有优劣[4],并且事故发生的突发性、时效性及当地实际地形及气象条件都会对扩散模拟结果产生影响.研究发现[5,6]使用中尺度气象模式耦合微尺度气象模式,能够模拟得到园区局部精细地形条件下的高时空分辨率气象,再与大气扩散模式相结合,可以更好地模拟复杂地形下的污染物扩散.近年来,CALPUFF模型在事故模拟中得到广泛应用[7-9],它能够无缝利用中尺度气象模式WRF耦合CALMET风场诊断模式得到高分辨率气象场作为输入,获得污染物扩散浓度分布.
本文以浙江某化工园区液氨泄漏事故为例,首先利用WRF-CALMET模拟得到园区高分辨气象场,其次利用CALPUFF模型模拟园区泄露扩散浓度分布及事故发生后的危害范围,以期为化工园区事故风险评估及应急响应提供参考.
1 模型简介与模拟方案
本文所用的模型主要包括3个部分：中尺度气象模式WRF、风场诊断模式CALMET及CALPUFF扩散模式.WRF-CALMET用于模拟事故地点周围的精细气象场,CALPUFF则用于模拟事故后污染物的扩散过程及危害范围.
WRF模式是由美国大气研究中心（NCAR）、中小尺度气象处（MMM）等多部门联合研究的新一代中尺度数值模式和同化系统,它采用高度模块化、并行化和分层设计技术,具有更为合理的模式动力框架、先进的三维变分资料同化系统,以及更丰富的内部参数化方案[10],尤其是能为其他数值模式提供更准确的初始气象场[11].CALPUFF是一种三维非稳态拉格朗日扩散模式系统,为美国环保局（USEPA）推荐的环境评价模型之一,能模拟复杂地形下几十米至几百公里范围内污染物的扩散.CALMET是CALPUFF模型中气象模型,包括诊断风场模块和微气象模块,可直接使用WRF的模拟结果,输出局部地区高时空分辨率的风场、温度场、湍流场等三维网格点气象数据,提高模拟精度[12].
1.1 WRF参数设置
本文使用WRFv3.7.1版本模拟当地背景气象场,作为CALMET输入数据.模式采用三重嵌套网格（如图1所示）,模拟中心为（33.3°N,103.3°E）,投影方式为Lambert投影,两条真纬度分别为30°N和60°N.最外层网格（d01）范围覆盖全国,网格数为539×512,水平分辨率为9 km,第二层网格（d02）范围基本覆盖包括长江三角洲地区,网格数为300×300,水平分辨率为3 km,第三层网格（d03）范围覆盖化工园区及其周边,网格数为120×120,水平分辨率为1 km.模式垂直分层为不等距34层,近地面的混合层分布较为密集,层顶气压为50 hPa,积分时间步长为30 s.模式中初始气象场和侧边界条件使用水平分辨率为1°×1°,时间间隔为6 h的全球再分析资料NCEP-FNL（National Centers for Environment Prediction-Final Analysis）,静态地形数据采用MODIS_30s数据,输出数据为最内层区域逐时气象数据.WRF模拟参数见表1.
1.2 CALMET参数设置
基于WRFv3.7.1三层嵌套模拟的基础上,使用CALMET 6.5模拟园区风场如图2所示,其中用黑线围起来的区域是园区主要化工厂聚集地,三角形符号代表58553国家气象站,星形符号代表园区附近小型气象监测站（11111站点）.以WRF的逐时气象数据输出结果、58553国家气象站每3小时气象数据和11111监测站逐时气象数据作为其气象输入资料,美国NASA和日本经济贸易工业部（METI）联合测量的30 m精度ASTER GDEM地形数据和美国地质勘察局（USGS）的GLCC提出的1 km分辨率土地利用数据作为其地理输入资料;采用横轴墨卡托投影UTM,模拟区域为20 km×15 km,网格点为200×150,网格大小为100 m,如图2覆盖园区主要工业区及周边大多数村庄;区域模拟的垂直高度均为4 000 m,从地面开始向高空共垂直定义10层、11个等高面,以相邻两个等高面的中心高度作为每层的有效高度,垂直等高面高度分别为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;模拟输出结果为5 min气象场.
1.3 CALPUFF源参数设置
事故发生时,泄露速度很快,可将危险品快速释放的过程视为有限空间内的体源,扩散系数参考《环境影响评价技术导则-大气环境》（HJ2.2 2008）设定体源参数[13],假设该园区内某公司20 t液氨储罐发生泄露,CALPUFF源参数设置见表2.
2 模拟结果分析
2.1 气象模拟效果评估
图3左图为WRF模拟、CALMET模拟和58553气象站实际观测风速、风向和温度的时间变化序列图,从风速数据图像来看,整体上CALMET模拟值与观测值比较接近,变化趋势大致相同.从风向图像来看,从2018-01-06的18：00至2018-01-10的21：00期间,CALMET和WRF模拟数据区别不大,但是与观测数据相比,数据相差较大,其中从2018-01-07的21：00至2018-01-09的9：00期间,CALMET和WRF模拟数据与观测数据相差不大,变化趋势相同;其他时间段,CALMET模拟数据与实际观测数据变化趋势相同,但相较于WRF模拟数据而言,模拟效果要好.从温度图像上看,58553 CALMET数据和58553 WRF数据变化趋势几乎一样,但是与观测数据相比,整体上CALMET温度场数据比较接近观测数据.
图3右图为园区11111观测值和WRF、CALMET模拟值时间序列图,从整体上看,CALMET模拟值和观测值相差很小,模拟效果很好.
对WRF和CALMET模拟值与观测值关系进行统计分析（见表3）,其中统计量为偏差（Bias）、总误差（Gross Error,GE）、均方根误差（Root-Mean-Square Error,RMSE）、一致性指数（Index Of Agreement,IA）[11].结果分析表示,CALMET相比较WRF数据,与观测值比较接近,能更好地反映该区域下的气象场.
总之,CALMET模拟结果较WRF模拟值与观测值更接近,WRF和CALMET均能很好地反映园区风向、风速和温度的变化趋势.
2.2 CALPUFF泄露模拟分析
根据CALMET数据评估结果,选择2018年1月8日0时作为事故发生起始时间,假设某公司发生氨气泄露,泄漏量为20 t,时间间隔为5min,得到液氨泄露过程,结果如图4所示,其中左图分别为泄露过程中15 min和25 min的CALMET模拟气象场,右图为对应为该时间段下CALPUFF模拟的液氨扩散浓度图.从风场可以看出：CALPUFF能很好地模拟污染物泄露过程,模拟浓度扩散分布与当时该地区风向、风速一致.
根据图4液氨泄露浓度分布图,再结合国家卫生标准和氨气阈值[14]分析液氨泄露过程危险范围变化.当泄露量为20 t时,15 min后最内层区域氨气浓度达到100 mg/m3,超过短时间氨气容许值30 mg/m3,存在一定危险;25 min 后危险范围逐渐增大,主要危险区域位于最内层,最大浓度为1 470 mg/m3,该浓度可能危及生命,可致死亡.这表明CALPUFF模型能够很好地模拟园区危险品泄露过程中的浓度分布和危险区域分布,便于分析事故发生時的危害范围.
同时,当泄露量为2 t时（如图5所示）,25 min 后整个区域氨气最大浓度为147 mg/m3,其中最内层浓度超过10 mg/m3;同样,改变事故发生点的位置,则模型模拟扩散地点相应改变.所以,CALPUFF能根据污染源设置参数（地理坐标、泄露速率、污染源种类）模拟不同的大气污染事故,给出相应的危害范围,为该园区突发性事故应急提供有效的指导意见.
3 结论
本文耦合WRF、CALMET与CALPUFF模式,对浙江某化工园区大气污染事故进行风险模拟评估并将模拟结果与观测数据对比分析,得出以下结论.
（1）在WRF模拟基础上,进一步运用CALMET风场诊断模式,考虑局部地形条件的影响,模拟的风速风向与实测值一致,模拟的风场比仅用WRF模拟的风场更接近实际观测结果,显示WRF-CALMET风场模拟结果合理且时空分辨率更高,可以更好地应用于扩散的模拟,提高扩散模拟的精度和可靠性.
（2）基于WRF-CALMET的高分辨率风场,以氨气泄露为例,运用CALPUFF模型对事故风险进行模拟分析,结果显示CALPUFF能合理地模拟出污染物危害距离的演化趋势,这表明WRF-CALMET风场模式耦合CALPUFF扩散模式能够合理地模拟出事故中污染物的扩散过程.
（3）WRF-CALMET与CALPUFF耦合,耦合模式能根据污染源的种类、地理坐标、排放量、排放速率,快速模拟出某化工园区事故后相应的污染源扩散浓度分布和危害范围,为该化工园区事故初始阶段提供有效的应急方案,可以作为该化工园区事故风险评估的参考模型.
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该文结论：这是一篇关于空气污染和环境污染方面的大学硕士和本科毕业论文以及大气污染相关空气污染和环境污染论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
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