有毒气体扩散预测法在大气环境应急监测布点中的应用.pdf

监 测 与 评 价 有毒气体扩散预测法在大气环境应急 监测布点中的应用 仝纪龙王皓雷洋袁九毅 兰州大学大气科学学院， 兰州 730000 摘要 利用有毒气体扩散预测方法在大气环境应急监测布点中的应用进行探索性研究。研究认为 有毒气体扩散的大 气环境风险预测可以为大气环境污染事故应急监测布点提供所需的重要信息， 能够很好地解决应急监测只能参照现 有的监测规范和个人工作经验进行布点的问题， 避免了监测人员的主观性， 从而确保了应急监测的科学性、 规范性、 准 确性和可靠性。 关键词 大气环境; 风险预测; 环境污染事故; 应急监测; 监测布点 THE APPLICATION OF THE POISONOUS GAS DIFFUSION FORECAST IN THE ATMOSPHERE EMERGENCY MONITORING POINTS- MAKING Tong JilongWang HaoLei YangYuan Jiuyi College of Atmospheric Sciences， Lanzhou University，Lanzhou 730000，China AbstractIt is studied the application of atmospheric of the poisonous gas diffusion forecast in the emergency monitoring points-making of atmospheric environmental pollution accident. The result of the research shows that the risk forecast of atmos- pheric environment can provide important ination for the emergency monitoring points-making of atmospheric environmental pollution accident，it can also solve the problem that making emergency monitoring points just according to present monitoring criterion and individual experience. Therefore，the risk forecast can avoid the subjectivity of the monitoring workers and then insure the emergency monitoring points-making more scientific，canonical，exact and reliable. Keywordsatmospheric environment;risk forecast;pollution accident of atmospheric environment;emergency monitoring; monitoring points-making 0引言 大气环境污染事故不同于一般的环境污染， 是突 然发生、 来势凶猛， 在瞬时或短时间内大量排放污染 物质， 对大气环境造成严重的污染和破坏， 给人民和 国家财产造成重大损失的污染事故 ［ 1- 2］ 。环境应急监 测对于防范突发性环境污染事故， 在事前预防、 事中 监测、 事后恢复的各个过程中均起着极其重要的作 用。只有通过应急监测， 才能为事故处理决策部门快 速、 准确地提供引起事故发生的污染物质类别、 浓度 分布、 影响范围及发展态势等现场动态资料信息， 为 事故快速处理、 准确决策赢得宝贵的时间， 为有效控 制污染范围， 缩短事故持续时间， 将事故的损失减至 最小， 提供有力的技术支持 ［ 3- 4］。 1目前环境应急监测实际工作中所存在的问题 目前， 应急监测在方法上没有全国统一的应急监 测规范。目前的监测规范， 都是针对环境质量常规监 测及工业污染源监测方面的， 将这些监测规范完全套 用于应急监测， 显然不能满足应急监测“快” 和“准” 的要求。在这种情况下， 各级监测站在遇到突发事故 时， 就只能参照现有监测规范和个人工作经验进行应 急监测的布点、 采样及分析等， 这样难免带有一些监 测人员的主观性， 而不能完全保证应急监测的科学 性、 规范性、 准确性和可靠性 ［ 5］。 目前， 大气污染事故监测的布点原则以事故发生 地污染物浓度的最大处采样， 并考虑事故发生地的地 理特点、 盛行风向及其他自然条件， 在事故发生地下 风向影响区域布点采样。同时也要在事故发生地上 201 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 风向采集对照样品 ［ 6］， 在事故发生地附近的居民区、 学校、 医院等敏感点上也要布设监测点位， 以确定污 染物是否影响到这些敏感区域 ［ 7］。 但是， 污染物浓度最大处的点位并非已知， 污染 物是否能够影响到事故发生地附近的居民区、 学校、 医院等敏感点， 以及影响到哪个方位的敏感点都是未 知的， 在实际应急监测工作中， 只能凭借监测人员的 工作经验进行布点， 影响了监测结果的质量。所以针 对有毒有害气体的大量泄漏污染事故的应急监测布 点问题， 应该结合大气环境风险预测结果来进行。大 气环境风险预测可以根据当时的气象条件计算出污 染物的分布情况， 最大落地浓度值、 最大落地浓度的 点位以及污染物是否会影响到事故所在区域的居民 区、 医院、 学校等敏感点的重要相关信息。一个较为 准确的大气环境风险预测扩散模式的计算结果， 能够 较为真实准确地反映出事故状况下污染物的扩散情 况， 可以为下一步的应急监测布点提供科学依据， 这 样可以确保应急监测结果的价值， 并为应急措施的实 施赢得宝贵的时间。 2有毒有害气体泄漏扩散大气风险预测的前期条件 及预测浓度阈值确定 首先根据有毒气体的具体地理位置， 收集有毒气 体源为中心5 km范围内居民区、 学校、 医院等敏感点 的位置， 并确定区域的计算面积。同时需要确定有毒 气体的伤害浓度和伤害剂量， 以有毒气体氰化氢为 例， 氰 化 氢 工 作 场 所 空 气 最 高 容 许 质 量 浓 度 为 1 mg/m3; 人吸入的最低致死浓度剂量 10 min 内 为 200 mg/m3［ 8］。同时在有毒气体扩散预测的过程中 要特别关注这些伤害浓度， 须作为敏感数值对待。 3有毒气体扩散后的预测模式确定 对于瞬时或短时间事故， 宜采用多烟团模式进行 预测。模式的计算公式见式 1 。 Ciw x， y， o， tw 2Q′ 2π 3 /2σ x， effσy， effσz， eff exp － H2 e 2σ 2 x， eff exp － x － xiw 2 2σ 2 x， eff － y － yiw 2 2σ 2 y， {} eff 1 式中C i w x， y， o， tw 第 i 个烟团在 tw时刻 即第 w 时段 在点 x， y， o 产生 的地面浓度; Q′ 烟团排放量， mg， Q′ QΔt; Q 为释放率， mg/s， Δt 为时 段长度， s; σx， eff 、 σ y， eff 、 σ z， eff 烟团在 w 时段沿 x、 y 和 z 方向的等效 扩散参数， m， 可由式 2 估算。 σ 2 j， eff ∑ w k 1 σ 2 j， k j x， y， z 2 其中 σ 2 j， k σ 2 j， k tk－ σ 2 j， k tk － 1 ; x i w和 y i w为第 w 时段 结束时第 i 烟团质心的 x 和 y 坐标， 由式 3 、 式 4 计算 xiw ux， w t － tw －1∑ w －1 k 1 ux， k tk－ tk－1 3 yiw uy， w t － tw －1∑ w －1 k 1 uy， k tk－ tk－1 4 各个烟团对某个关心点 t 的浓度贡献， 按式 5 计算 C x， y， O， t ∑ n i 1 Ci x， y， O， t 5 式中 n 为需要跟踪的烟团数， 可由式 6 确定 Cn1 x， y， O， t≤ f∑ n i 1 Ci x， y， O， t 6 其中 f 为 1 的系数， 可根据计算要求确定。 4模式的计算及结果分析 4. 1模式的主要计算参数选取及确定 假定某氰化氢气体储罐发生短时泄露， 泄漏量为 1 t， 泄露时间定为30 min; 泄漏气体以均匀速率排放。 4. 1. 1主要源强参数的确定 排放速率 Q 0. 556 kg/s; 扩散时间 t 30 min; 烟团间隔时间为10 s， 烟团总个数 n 180 个; 泄漏高 度 H 6 m; 烟温 Ts 25 ℃ 。 4. 1. 2风速、 风向的选取 对于瞬时或短时间气体泄漏事故， 因为时间较 短， 将事故时间内的风向、 风速和稳定度视为恒定不 变 ［ 9］。在计算中为符合风险事故发生的不确定性， 模式应当选取周边区域内较有代表性的多个风速值， 如储罐区内的最小风速， 多年平均风速， 最大风速等， 本次案例选取 0. 8 区域内的多年平均风速 ， 1. 8， 3. 0， 7. 0 m/s 区域瞬时风速的极大值 。风向选取 区域内的主导风向 NE。 4. 1. 3稳定度的选取 通过模式计算了事故在不同稳定度不同风速条 件下氰化 氢 所造 成 的最 大 危 害 程 度， 计 算 结 果 见 表 1。 选取致死半径最大的 D 类稳定度作为演示进行 污染物浓度扩散预测。计算中采用根据实测拟合出 的适合于当地的扩散参数。 301 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 表 1不同稳定度条件下污染物所造成的 最大危害程度计算结果 稳定度 致死 半径 /m 持续 时间 /min 健康危害 半径 /m 持续 时间 /min A873095537 B126302 29048 C127302 31949 D201314 35967 E11 508141 F20 517237 4. 2计算结果 稳定度为 D， 风速为 0. 6 ～7 m/s的预测结果见表 2。 表 2稳定度为 D 不同风速不同预测 时刻下的预测结果值 风速 / ms － 1 预测时 刻 /min 最大落地质量 浓度 / mgm － 3 最大落地浓度 点下风向距离 /m 0. 85451. 7938 20455. 6238 32101. 11116 520. 921 172 1. 85324. 35106 20324. 35106 32140. 60237 680. 964 151 3. 05294. 9180 20294. 9180 31113. 56204 470. 973 109 7. 05467. 4361 20467. 4361 3112. 48464 350. 792 164 从表 2 中无法直观看出污染物的扩散情况、 污染 物致死浓度和短时间接触容许浓度所能够影响的范 围， 以确定是否会影响到区域内的主要敏感点， 所以 将网格的计算结果画出图形以帮助应急监测人员在 监测中有据可查。选取该稳定度下致死半径最大 风速 1. 8 m/s的 情 况， 预 测 时 刻 分 别 为 30， 45， 60 min的计算结果进行画图， 见图 1 ～ 图 3。 5大气风险预测在大气环境应急监测布点上的应用 以稳定度为 D， 风速为 1. 8 m/s， 风向 NE 气象条 件下的预测结果为例， 来说明危险气体扩散后的大气 风险预测在大气环境应急监测布点的应用。 通过表 1 可以看到该气象条件下各预测时刻的 图 1预测时间为 30 min 的污染物扩散示意 图 2预测时间为 45 min 的污染物扩散示意 图 3预测时间为 60 min 的污染物扩散示意 401 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 最大落地浓度和最大落地浓度下风向距离、 以及地面 质量浓度首次分别降低到200 mg/m3和1 mg/m3以下 的时刻分别为32 min和68 min以及这两个时刻的最 大落地浓度和最大落地浓度所在的下风向距离; 通过 模式计算还可以得到该气象条件下的最大致死半径 为201 m， 致死持续时间31 min; 最大健康危害半径约 4 359 m， 危害持续时间67 min; 从图 1 ～ 图 3 中可以 清楚地看到污染物在该气象条件下的扩散路径、 危害 范围以及污染物在当时的预测时刻下污染物所能影 响到的最远下风向距离。从图 1 中可以看到事故发 生后产生的致死区域很小， 只会影响到储罐周边很小 的区域， 在图 2、 图 3 中没有出现最大致死浓度; 但是 健康危害区域较大。因此， 该气象条件下的应急监测 点位应参照计算结果进行如下具体布设 1 在最大落地浓度点布设监测点位， 由于风向 的不稳定性， 所以针对最大落地浓度的布点应该参考 扇形布点法 ［ 10- 12］， 以事故源为顶点， 以主导风向为轴 线， 以最大落地浓度点位为半径画出扇形弧线为布点 范围， 扇形的角度一般为45。 根据预测结果可知当事 故污染物未排放完全时， 最大落地浓度所在的点位变 化不大， 但当事故污染物排放完全后的最大落地浓度 的点位会随时间变化而变化， 所以弧线应为多条。根 据监测单位实际监测能力将污染物从排放开始到污 染物最大落地质量浓度首次降低到1 mg/m3以下的 时间段里， 按照每隔 5 或10 min不等划分出不同的时 刻， 分别将各个时刻所预测的最大落地浓度所在点位 为半径画出扇形弧线， 在每条弧线上布设 3 ～ 4 个采 样点， 相邻两采样点之间的夹角一般取 10 ～ 20。 2 在事故发生地上风向适当位置布设监测对照 点， 用来采集对照样品以便与其他监测点位的监测结 果进行对比分析。 3 根据污染物扩散示意图， 在污染物所能影响到或 可能影响到的每一处社会极大关注区布设监测点位， 以 便为应急指挥、 应急救援队伍提供现场动态资料信息， 以便针对不同的监测结果采取不同的救援措施。 4 在污染物所能影响到人口众多区域， 应根据 具体的情况增加布设监测点位。 6结论 1 通过大气环境风险预测模式的计算可以为应 急监测的布点提供所需的重要信息。一旦发生事故， 应急监测人员可以迅速的根据预测结果和污染物扩 散示意图进行科学布点， 能够做到有的放矢， 这样既 提高了监测布点的效率， 又可以保证监测质量， 能够 满足应急监测“快” 和“准” 的要求， 可以很好地解决 应急监测布点只能参照现有的监测规范和个人工作 经验进行布点的问题。 2 本文仅针对有害气体大气风险预测在应急监 测布点中的有效应用作了一个演示。在实际应急监 测前， 应该充分考虑有毒气体泄漏的方式， 有毒气体 的物理及化学性质， 同时应当进一步选用预测精度更 高的扩散模式， 尽可能多的计算出所有稳定度下、 不 同风向、 以及划分更为细致的风速等不同气象条件， 不同的源强参数条件所得到的预测结果， 以便事故发 生时， 可以及时并更为准确找到与事故相对应条件下 的计算结果供应急监测单位进行参考。同时应急监 测单位应随时与气象部门保持联系， 以便在事故发生 时获得准确的污染气象信息， 确保应急监测结果的质 量及有效性。 参考文献 ［1 ］ 万本太. 突发性环境污染事故应急监测与处理处置技术［M］ . 北京 高等教育出版社， 1995 1- 8. ［2 ］ 夏卫红， 高峰. 突发性环境污染事故及其应急监测［J］ . 上海应 用技术学院学报， 2005， 5 3 239- 242. ［3 ］ 米同清. 环境应急监测工作现状存在的问题及对策研究［J］ . 环境科学与管理， 2006， 31 4 12- 14. ［4 ］ 李国刚. 环境化学污 染 事 故 现 场 应 急 监 测 技 术 与 仪 器 设 备 ［J］ . 现代科学仪器， 2004 1 12- 17. ［5 ］ 黄晓丽. 对环境应急监测系统的建立和有效运行的认识［J］ . 农业环境与发展， 2005 6 41- 43. ［6 ］ 刘红卫， 叶丽红. 石化企业突发性环境污染事故的应急监测 ［J］ . 安全健康和环境， 2006 6 32- 34. ［7 ］ 郭怀勇. 铁路运输突发性环境污染事故应急监测［J］ . 铁道劳 动安全卫生与环保， 2004， 31 1 41- 43. ［8 ］ 国家环境保护总局， 环境监察办公室. 环境应急手册［M］ . 北 京 中国环境科学出版社， 2003 20- 21. ［9 ］ 胡二邦. 环境风险评价实用技术和方法［M］ . 北京 中国环境科 学出版社， 1999 100- 103. ［ 10］ 吴邦灿. 环境监测管理［M］ . 二版. 北京 中国环境科学出版社， 1997 113- 139. ［ 11］ 奚旦立. 环境工 程 手 册［M］ . 北 京 高 等 教 育 出 版 社， 1998 137- 150. ［ 12］ 奚旦立， 孙裕生， 刘秀英. 环境监测［M］ . 修订版. 北京 高等教 育出版社， 1995 111- 113. 作者通信处仝纪龙730000甘肃省兰州市天水南路 222 号兰 州大学大气科学学院 电话 0931 8912646 E- mail22399 163. com 2009 － 06 － 23 收稿 501 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期