SLAB模型参数优化及其应用研究

熊 发，曹井国，门晓晔，杨宗政（天津科技大学海洋科学与工程学院，天津300457）

SLAB模型参数优化及其应用研究

熊 发，曹井国，门晓晔，杨宗政
（天津科技大学海洋科学与工程学院，天津300457）

SLAB模型是由典型的浅层模型演变而来的，适用于重气泄漏扩散的模拟。为提高该模型的适用性和精度，在天津临港经济区内进行了二氟一氯甲烷现场泄放试验，试验结果与理论分析显示了较好的一致性；在此基础上将目标函数与响应面最优化求解方法相结合，研究出一种新的模型参数优化方法，采用此方法对SLAB模型的大气稳定度和地表粗糙度两个环境参数进行优化；并以临港经济区为主体，应用优化后的SLAB模型对苯泄漏事故案例进行模拟，对事故危害区域进行划分，分析不同季节典型气候条件下事故的风险区域范围变化。结果表明: SLAB模型的地表粗糙度优化结果为0.32 m，大气稳定度等级为C；发生在各个季节的重气泄漏事故都具有各自的特点，事故的影响范围差异性较大；该模型的应用可以为相关事故的应急指挥工作提供有针对性的指导。

SLAB模型；重气泄漏扩散模拟；参数优化；地表粗糙度；大气稳定度；天津临港经济区

重气在化工和石油化工行业应用相当常见，几乎涉及生产、运输、储存等各个环节，例如苯、氯气（Cl2）、硫化氢（H2S）、液化天然气（LNG）等。重气一旦发生泄漏，会由于分子质量大（如CO2）、突发化学变化、自身温度低（如LNG）等原因形成重气云团［1］。多数重质气体属于危险气体，具有急性毒性、易燃易爆等特性，对人体和生态环境危害巨大。重气泄漏扩散过程的相关研究开始于20世纪70年代［2］，随着毒性重气泄漏事故的不断增加，此方面的研究工作得到了更多关注。由于重气泄漏试验风险较大，用计算机模拟具有显著优越性，国内外已经开发出大量重气扩散的计算模型［3］。

SLAB模型是由美国能源部（United States Department of Energy）的劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发的，为适用于重气泄漏扩散模拟的大气扩散模型［4］。该模型是由典型的浅层模型演变而来，可对重气瞬间泄放、短时间泄放、持续泄放以及泄放后的扩散过程进行数值模拟，并能够处理地面蒸发池泄漏、水平喷射泄漏、垂直喷射泄漏和瞬间或短期蒸发池泄漏共计4种泄漏排放形式。该模型在使用时不考虑下垫面的地势起伏，地表粗糙度水平一般小于气云的垂直高度［5］，并以守恒方程作为基本控制方程（包括质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒），通过稳态烟羽模式、瞬变烟团扩散模式以及两者的组合来实现对各种不同泄漏形式的重气扩散过程模拟［6］。SLAB模型的数学表达式和参数是影响模拟结果的两个关键因素，尤其是模型参数的变化将会对模拟结果产生很大影响。因此，本文重点研究SLAB模型的参数优化方法，并以天津临港经济区为主体对该模型相关参数进行优化，进而探讨该模型在化工园区的应用方式。

1　现场重气泄放试验

现场重气泄放试验在天津临港经济区内进行，泄放物质为二氟一氯甲烷（R22），试验时间为2014 年11月3日上午，风向为西南偏南，相对湿度均值为17.6%，即时气温均值为18.4℃，风速均值为2.2 m/s，属于二级风的范畴，大气稳定度为C级，模拟储罐泄漏事故发生后重质气云的扩散过程，以为模型的参数优化提供现场观测数据。

1.1试验方法

试验主要通过采集泄放开始后不同时间点的下风向各点位处的气体样品，并分析气体样品中的R22含量，其试验方法如下:

1.1.1现场布置

根据现场风向，确定空地的上风向某点为泄放点，在泄放点处设置支架，将成品罐装R22放置于支架上，调整泄放口高度为1.5 m，并以泄放点为起点，分别在下风向5 m、10 m、20 m、50 m、100 m处设置气体样品采集点。具体采样点布设情况见图1。

1.1.2样品采集

分别在泄放过程开始后的5 min、10 min、20 min、30 min4个时间节点，对5个采样点位处的气体样品进行采集，样品采集点距离地面高度一律为0.5 m，泄放持续时间为15 min。

图1　采样点布设示意图Eig.1 Schematic diagram of the sampling points

1.1.3样品检测

采用气相色谱顶空进样与ECD捕集连用的方法对气体样品进行检测。首先用纯R22气体进样，找到其出峰位置，并标定其峰面积与R22含量的对应关系，作出标准曲线；然后通过测定每个样品的峰面积，即可得出其R22浓度。

1.2试验结果及分析

各个采样点位处的R22浓度随时间的变化情况见图2。

图2　各个采样点位处R22浓度随时间的变化曲线Eig.2 Variation curves of R22 concentration at all sampling sites with time

由图2可以看出:各个采样点位处的R22浓度变化均为先升高后降低，曲线始末两端均无限趋近于零，且在泄放过程持续阶段变化趋势较为平缓。这是由于气体初始释放时浓度较低，随后慢慢富集形成重气云团，重气云团在重力作用下沉降，并在气流作用下缓慢移动，与后续补充的重气云团构成较为稳定的状态，使固定点处气体浓度趋于稳定；泄放过程停止后，缺少了后续气体的补充，重气云团在风力作用下逐渐向远处扩散稀释，最终浓度趋近于零。可见，各个采样点位的R22浓度变化过程与气体的泄放扩散过程基本相符，能够反映气体泄放—重力沉降—扩散稀释的整个过程。

2　模型参数优化

模型参数的优化即是寻求一组参数，使模型的输出与实际观测数据之间按给定目标函数的度量方式达到最佳拟合［7］，即通过模型参数识别、参数取值范围确定、实测值获取、目标函数确定等一系列过程完成对各个参数的率定和优选，从而提高模型的精确性，使其在实际应用中能够更好地发挥作用。重气泄漏扩散模型的参数一般包括物质理化参数、泄漏源参数、环境参数和系统参数四大类［4］。本文以天津临港经济区为主体，从参数是否可精确获取和对模型预测结果的影响程度两个方面考虑，对SLAB模型的大气稳定度（Atmospheric Stability Class）和地表粗糙度（Surface Roughness Height）两个环境参数进行优化。

2.1模型参数优化方法

本文对SLAB模型参数优化的具体方法是通过构建以模型实测值和预测值差值为基础的目标函数，利用Design Export 8的试验设计功能，计算参数不同取值下的目标函数值，分析参数取值与目标函数值之间的对应关系，并通过其最优化求解功能给出令目标函数值接近于零的最优化方案。具体步骤如下:

（1）目标函数构建。构建的目标函数为

式中:Fi0为实测值；Fi为模型预测值；x，y，…代表物质理化性质、泄漏源参数、气象参数等客观参数；θ1，θ2分别代表两个需要优化的模型参数。

（2）参数取值范围确定。地表粗糙度是从空气动力学的角度出发，描述风速零点距离地表的平均高度值，反映的是地表对于风速减弱作用的影响，其大小取决于地表粗糙元的性质及流经地表的流体的性质［8］。经过长期研究，国内外学者已经得出多种确定不同地表类型的地表粗糙度的方法，并在分析总结大量试验数据的基础上，得出了各种地表类型不同条件下的地表粗糙度参考值［9］。化工园区内建筑物分布较为密集，但建筑物高度比城市建筑物低，同时有些园区内存在大量空地，其地表粗糙度取值应介于城市类型和草原类型之间，但考虑到多数化工园区为了运输方便选址位于沿海地带，地表粗糙度的取值会受其影响，因此本文将化工园区地表粗糙度参数的取值范围确定为0.2～1 m。大气稳定度指近地层大气作垂直运动的强弱程度，是影响污染物在大气中扩散的极重要因素。根据经典的Pasqiull稳定度划分方法［10］，可将大气稳定度分为A（极不稳定）、B（中等不稳定）、C（弱不稳定）、D（中性）、E（弱稳定）、E（稳定）6种稳定度状况。扩散问题应用领域的大气稳定度通常以理查森数（Ri）或与之相联系的参数为基础所建立的稳定度分类法来划分［11］。范绍佳等［12］给出了沿海地区理查森数Ri大气稳定度推荐分类标准，据此分类标准对天津地区近一年内的大气稳定度等级进行频数统计，结果显示天津地区的大气稳定度等级按频率由高到低排列依次为:C（39.72%）＞D（35.16%）＞B（10.24%）。由此确定出大气稳定度等级优化前的初始取值范围是B～D，经数字化处理后为2.0～4.0。

（3）实测值和预测值获取。本文的实测值是通过现场重气泄放试验获取；预测值是通过SLAB模型计算得到。SLAB模型所需泄漏源参数和气象参数与现场试验环境保持一致，泄放物质的理化参数通过查阅相关资料获得。

（4）制定模拟试验方案。根据步骤（2）中确定的参数取值范围，以现场重气泄放试验中B点在泄放开始后10 min时的实测数据为因变量，用Design Export 8的CCD模块设计出9组两因素多水平正交试验，具体参数优化试验方案见表1。

表1　参数优化试验方案及结果Table 1 Scheme and result of the parameter optimization experiment

（5）回归方程构建。应用Design Export 8的数据拟合功能，构建目标函数值关于待优化参数的回归方程，并根据回归方程的方差检验结果，得到精简后的回归方程。

（6）计算回归方程最优解。利用Design Export 8的最优化求解功能，计算目标函数绝对值最小的点对应的参数值，即可得出模型的参数优化结果。

2.2模型参数优化结果

模型参数优化结果见表1。以大气稳定度（S）和地表粗糙度（R）为自变量，目标函数值为因变量（P），建立目标函数值关于待优化参数的回归方程，并对该回归方程进行方差分析，检验回归方程系数的显著性，去除回归方程中的不显著项，得到如下精简后的回归方程:

令式（2）取值为零，利用Design Export 8的方程求解功能求得模型参数最优解为:地表粗糙度=0.32 m，大气稳定度=2.51，目标函数Min= -0.000 124 211。根据实际情况，确定出的SLAB模型优化后参数为地表粗糙度为0.32 m，大气稳定度等级为C，作为SLAB模型在化工园区内使用时的基础参数值。

3　SLAB模型在天津临港工业区的应用

3.1区域概况

天津临港经济区位于海河入海口南侧滩涂浅海区，是通过围海造地而形成的港口工业一体化的海上工业新城，地处中纬度欧亚大陆东岸，面对太平洋，季风环流影响显著:冬季受蒙古冷高气压控制，盛行偏北风；夏季受西太平洋副热带高气压左右，多偏南风。该地区属暖温带半湿润大陆季风型气候，有明显由陆到海的过渡特点，年平均气温为14.4℃，7月最热，月平均气温可达26℃，1月最冷，月平均气温为-4℃［13］。临港经济区内共包含化工生产类企业20余家，如天津大沽化工有限公司、乐金渤海化学有限公司、天津碱厂等，通过调研，该经济区内及其周边环境敏感点共有4个:临港经济区管委会、临港生态餐厅、散货交易中心和大沽炮台。各环境敏感点的具体位置详见图3。

图3　临港经济区环境敏感点的位置Eig.3 Location of each environmental sensitive point

3.2事故模拟

苯（Benzene，C6H6）是化工行业中最为常用的物料之一，是合成苯酚、苯乙烯、卤代苯等芳香族化合物的重要原料，也是一种可燃、有毒、致癌的危险化学品。苯在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，其蒸气密度比空气重，属于重气的范畴。化工园区内关于苯突发环境污染事故较为多见，事故类型以罐体泄漏为主［14］。本文假设事故案例发生地为临港经济区内某化工厂，事故类型为液态苯储罐泄漏，环境参数按照临港经济区全年气象数据统计结果确定。苯泄漏事故的参数值详见表2。

表2　苯泄漏事故的参数值Table 2 Parameters of Benzene leakage

3.2.1云团运动轨迹分析

参照上文中确定的模型优化参数，用修正后的SLAB模型对苯泄漏后的扩散过程进行模拟，分别截取泄放开始后1 160 s、1 970 s、2 420 s和3 090 s 4个时刻，对苯蒸汽云团的运动轨迹以及随时间的变化规律进行数值模拟，其模拟结果见图4。

图4　不同时刻苯浓度空间分布图Eig.4 Spatial distribution of Benzene concentration at different moments

由图4可以看出，苯泄漏后扩散的过程较为缓慢，这是由于液态苯经水平喷射过程泄漏后挥发成苯蒸汽，苯蒸汽在重力作用下沉降，并在地面附近大量富集并形成重气云团；之后重气云团在气流的驱动力作用下向下风向移动，并在扩散过程中被不断稀释，使得重气云团向侧风向扩张，同时其浓度降低。此次模拟事故中，苯在泄漏后1 160 s时刻到达临港经济区管委会附近，之后越过临港经济区西北边界线，继续向下风向扩散；随后在1 970 s时刻到达大沽炮台，但此时重气云团的浓度已经较低；在泄漏过程停止后（1 800 s），近源端的污染物浓度急速下降，污染区域的扩张也进一步放缓；最后空气中的重气云团在气流的作用下进一步稀释扩散，在3 090 s时刻重气云团移动轨迹中间出现低浓度区间，近源端的污染物也已扩散殆尽。由于在泄放持续进行过程中，气云在稳态烟羽扩散模式下扩散，气云中污染物的量基于下风向距离（x）变量守恒，气云前端仍处于侧风向扩张的阶段，所以此阶段气云的形状呈扇形［如图4（a）］；当泄放过程停止后，气云的扩散模式变为瞬变烟团扩散，气云中污染物的总量保持不变，气云在风力作用下向下风向移动，同时由于大气的湍流卷吸作用，污染物浓度持续下降，导致气云由扇形向带状转变［见图4（b）至（d）］。

3.2.2事故影响范围分析

苯的急性毒性为中等水平，因此本文选用适用于急性毒性水平不高的化学污染事故紧急响应计划指南（ERPG）作为风险区域确定的标准。通过查阅美国环境保护署（EPA）官方网站［15］，得到苯对应的风险等级ERPG-1、ERPG-2和ERPG-3分别为50 ppm、150 ppm和1 000 ppm，并应用SLAB模型对假设的苯储罐泄漏事故在不同季节条件下进行数值模拟，在其他条件不变的情况下，得到苯泄漏事故不同风险等级的危害纵深，见表3。

表3　不同季节条件下苯泄漏事故不同风险等级的危害纵深Table 3 Comparison of the hazard depth of Benzene leakage in different seasons

由表3可以看出:季节变化引起的苯泄漏事故危害纵深波动较为明显，不同风险级别对应的危害纵深之间差别很大，但变化规律较为一致:ERPG-1对应的不同季节条件下苯泄漏事故危害纵深在3 660～5 164 m范围内变化，ERPG-2对应的危害纵深变化范围为1 965～2 650 m，ERPG-3对应的危害纵深变化范围较小，为384～652 m。4个季节按苯泄漏事故危害纵深从大到小排序为:冬季＞秋季＞春季＞夏季。

临港地区春季以东南风为主导风向，风速与年均值相比较大，发生在春季的泄漏扩散事故其影响范围分布更为狭长，污染范围扩张速度更快，且下风向敏感点较多，应做好事故的防范与应急准备工作；夏季主导风向同样是以东南风为主，风速与春季相比较小，高温高湿是夏季的一大特点，当有重气泄漏扩散事故发生时，污染物在高温环境中分子活性更大，加快了其蒸发速率以及侧风向和铅垂风向上的运动速率，从而缩短了其事故影响距离，但包括苯在内的多数重质气体都具有易燃易爆性，夏季的高温特性在增加了其扩散稀释速率的同时也增加了污染物燃烧爆炸的可能性，因此在事故应急过程中，应注意防止引发燃爆事故等次生危害；秋季的气候特点与春季类似，其主导风向较春季略微偏东，如发生危险品突发泄漏事故更易对临港管委会和散货交易中心等环境敏感点产生直接影响；冬季是气温最低的时期，临港地区冬季的平均气温在0℃左右，主导风向为西北风，冬季的低温环境造成重气气体泄漏后扩张较为缓慢，能给相关人员留出更多的应急响应时间，但其影响距离却是几个季节发生的同类型事故中最大的，虽然主导风向是朝向渤海的，但冬季经常性的大气逆温现象会为污染物的扩散稀释造成极大困难。

综上分析可见，临港地区发生在各个季节的重气泄漏事故都具有各自的特点，事故的影响范围差异性较大。

4　结 论

本文在天津临港经济区以二氟一氯甲烷（R22）为泄放介质，进行了现场重气泄放试验，并应用气相色谱法对不同时刻下风向不同距离点位处采集的气体样品进行目标气体浓度分析，得到了R22泄放扩散过程浓度变化曲线，其与理论分析结果具有较好的一致性；在此基础上研究出了一种新的模型参数优化方法，并采用此方法对大气稳定度和地表粗糙度两个关键参数进行优化，优化结果为地表粗糙度为0.32 m，大气稳定度等级为C；通过将优化后的SLAB模型在临港经济区进行模拟应用，达到了预期效果。此外，该模型还可以与各种环境应急监测［16］手段相结合，为相关事故的应急指挥工作提供辅助决策信息。

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Parameter Optimization of SLAB Model and Its Application

XIONG Ea，CAO Jingguo，MEN Xiaoye，YANG Zongzheng
（College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

SLAB model is evolved from the typical shallow layer model and suitable for heavy gas leakage and diffusion simulation.In order to improve the applicability and accuracy of the model，this paper conducts the monochlorodifluoromethane releasing experiment in Tianjin Harbor Economic Area and the result is quite consistent with the theory.Based on the result，the paper combines the objective function and the response surface optimization algorithm and develops a new model parameter optimization method.Then the paper applies the method to optimizing 2 parameters of the SLAB model，namely，the surface roughness and the level of atmospheric stability.In Tianjin Harbor Economic Area，the paper applies the optimized SLAB model to simulating the benzene leakage case，divides the accident hazard zones and analyzes the size change of these hazard zones under typical seasonal conditions.The results show that the surface roughness of SLAB model is 0.32 m，and the atmospheric stability class is C.The heavy gas leak accidents that occur in each season have their own characteristics with obvious differences in hazard zones under influence.So the model can provide corresponding guidance for emergency command of accidents.

SLAB model；heavy gas leakage diffusion simulation；parameter optimization；surface roughness height；atmospheric stability class；Tianjin Harbor Economic Area

X51；X937

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.004

1671-1556（2015）05-0020-05

2015-01-05

2015-05-31

国家重大科学仪器专项（2012YQ060165）

熊 发（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为安全事故模拟及预测。E-mail:faxiong@126.com

杨宗政（1974—），男，博士，教授，主要从事三废处理及资源化利用方面的研究。E-mail:yzz3520@163.com