有毒物质泄漏扩散模型模拟软件系统开发

王云慧，邢志祥，陆中秋，侯振杰，杨扣华，赵 旭

(1．常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164;2常州大学信息科学与工程学院，江苏常州213164;3江苏泰康安全环境科技有限公司，江苏泰州225300)

有毒物质泄漏扩散模型模拟软件系统开发

王云慧1，邢志祥1，陆中秋2，侯振杰2，杨扣华3，赵 旭1

(1．常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164;2常州大学信息科学与工程学院，江苏常州213164;3江苏泰康安全环境科技有限公司，江苏泰州225300)

为评估有毒物质泄漏事故后果，分析了相关文献中有毒物质泄漏扩散模型，并在此基础上运用Visual Studio 2013开发平台，利用C#编程语言和SQL Server 2008数据库系统，构建了基于B/S模式的定量评估有毒物质泄漏事故后果的Web系统，实现了泄漏事故危险特征参数计算和事故后果危害范围图形显示。实例应用表明，该系统具有一定的工程应用价值，可为企业安全管理、泄漏事故预防和控制提供依据。

有毒物质泄漏;Matlab;扩散模型;浓度阈值;软件系统开发

有毒有害物质是化工、石化及其他行业中生产、储存和使用的常见危险化学品，一旦发生泄漏扩散，若超过边界条件，则会引发多米诺连锁事故［1］，对周围环境暴露人员或设备造成损坏。如1984年印度博帕尔市联合碳化物有限公司农药厂45 t异氰酸甲酯储罐发生泄漏事故，造成了2．5万人直接死亡，55万人间接死亡，是历史上迄今为止最严重的化学工业事故［2］。因此，对有毒物质泄漏事故后果进行评估对泄漏事故预防和控制具有重要意义。

目前，国内外针对有毒物质泄漏扩散模型的研究［3-6］主要集中在以下两个方面:一是非重气云扩散模型的提出，如高斯模型，包括烟羽模型和烟团模型，分别适用于连续点源扩散和瞬时点源扩散，美国环保署(EPA)所采用的许多标准都是以高斯模型为基准制定的;二是重气云扩散过程研究，如Van Ulden提出的箱模型，包括盒子模型和平板模型，分别适用于预测瞬时和连续泄漏重气云半径、高度、有毒气体浓度等特征参数。例如Britter等利用多次重气扩散试验结果，以量纲分析方法提出一系列经验公式和无量纲数据拟合曲线，与地面水平的连续泄漏和瞬时重气云泄漏结果吻合很好;Chan等基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法开发了三维有限元模型(3-D Finite Element Model，FEM3)和FEM3A模型模拟重气云扩散的三维常态湍流流动过程，该模型考虑地形及障碍物的影响，但需要计算机大量运算，在工程应用中受到很大限制。我国在该方面的研究起步较晚，主要应用于安全工程领域。

有毒泄漏扩散模型形式复杂且计算量大，计算机辅助量化风险已经成为定量风险评估的重要手段，而仿真技术具有强大的数学计算和图像处理能力［7-8］，本文基于现有相关文献资料［3-6］中的有毒物质泄漏扩散模型，利用Visual Studio 2013开发工具和C#编程语言，设计开发了定量评估不同类型泄漏事故扩散后果的Web系统，以期为化工企业制定有毒物质泄漏事故应急预案和进行应急处理提供依据。

1 有毒物质泄漏扩散模型

由于有毒物质泄漏事故后果模拟较为复杂，涉及不同泄漏模型和相关理论，因此本文分析了相关文献资料，针对不同类型泄漏事故场景，并根据物质类别、泄漏时间、存储温度和气体密度等参数合理选择不同的泄漏扩散模型，如图1所示。由于篇幅限制，泄漏速率、液池面积、蒸发量等参数计算在此不再赘述，本文主要概述非重气云扩散模型和重气云扩散模型中泄漏物质危害浓度范围计算过程，事故危险特征参数计算详见相关文献。

图1 不同类型泄漏事故场景计算模型Fig．1 Calculation model of different types of leakage accident scenarios

1．1 非重气云扩散模型

非重气云扩散模型应用广泛的为高斯模型，其基本假设为:气云密度与空气密度相当;云团中心移动速度等于风速;云团内部或云羽横截面上浓度、密度等参数服从高斯分布。取泄漏源为坐标原点，x轴为下风向，y轴为侧风向，z轴为垂直风向。

连续泄漏采用高斯烟羽模型:

式中:C(x，y，z)为泄漏物质在预测点(x，y，z)的浓度(kg/m3);Q为泄漏源强度(kg/s);u为风速(m/s);H为泄漏源的有效高度(m);σy、σz分别为侧风向和垂直风向的扩散系数(m)，扩散系数为与大气稳定度和泄漏点下风向距离有关的函数，而大气稳定度的划分取决于风速和日照量，扩散系数的确定详见文献［5］。

瞬时泄漏采用高斯烟团模型:

式中:C(x，y，z，t)为t时刻泄漏物质在预测点(x，y，z)的浓度(kg/m3);t为泄漏后扩散时间(s);Q*为瞬时排放的物料质量(kg);σx为下风向的扩散系数(m)。

1．2 重气云扩散模型

重气云扩散模型根据建模原理可分为箱模型、相似模型、浅层模型、三维流体力学模型，广泛应用的盒子模型和平板模型均属于箱模型。

连续泄漏采用平板模型:

式中:C'为重气云羽的浓度(kg/m3);b0为泄漏源点重气云羽横风向半宽(m);h'0为泄漏源点重气云羽的高度(m);C0为初始重气云羽的密度(kg/m3);b为下风向任意距离处的重气云与横截面半宽(m);h'为下风向任意距离处的重气云羽高度(m)。

重气云羽的覆盖面积为

式中:A为下风向距离为x处重气云羽的覆盖面积(m2);x为下风向距离(m);ρ0、ρa分别为蒸气云密度和环境空气密度(kg/m3);g为重力加速度，取值为9．81 m/s2。

瞬时泄漏采用盒子模型:

式中:C为下风向距离为x处重气云团的浓度(kg/m3);C0为初始重气云团的密度(kg/m3);V0为重气云团的初始体积(m3)。

重气云团的覆盖面积为

式中:A为下风向距离为x处重气云团的覆盖面积(m2);R为重气云团的半径(m);R0为重气云团的初始半径(m)。

2 有毒物质泄漏扩散模拟软件系统的设计与开发

2．1 软件系统设计结构

本文基于国内外有毒物质泄漏扩散模型研究，并利用C#编程语言和SQL Server 2008数据库，开发了．NET平台下的有毒物质泄漏事故后果评估Web应用程序。

有毒物质泄漏扩散模拟软件系统设计结构如图2所示。其中，数据层LINQ to SQL将数据库的数据模型映射到C#编程语言表示的对象模型，实现了对数据库中的数据进行查询、更新、添加、删除等操作;逻辑层ASP．NET是基于．NET的开发环境，提供了程序数据与应用层的接口;应用层包括化工区域管理、设备管理、物料管理等5个模块，主要功能设计详见图3。

2．2 软件系统程序设计流程

图2 有毒物质泄漏扩散模拟软件系统设计结构Fig．2 Design structure of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

图3 有毒物质泄漏扩散模拟软件系统功能模块Fig．3 Function modules of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

有毒物质泄漏扩散模拟软件系统程序设计思路［7］为:首先输入发生泄漏事故设备和物料信息作为输入条件，系统涉及7种不同的泄漏事故场景，并根据物质类别、泄漏时间、存储温度和气体密度等参数选择不同的泄漏扩散模型计算泄漏事故危险特征参数和危害范围，其计算结果通过GIS实现图形显示。该软件系统程序设计流程主要包括添加泄漏事故设备和事故、设置物质物性参数和环境条件、查看、修改和删除事故评价单元、计算事故危险特性参数、绘制事故后果危害范围图等［8］，见图4。

该软件系统开发环境为基于Visual Studio 2013开发工具的ASP．NET，服务器操作系统为Windows Server 2008，客户端操作系统为 Microsoft Windows XP Professional，Web服务器采用IIS 7．0。

该软件系统采用浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)模式［9，10］，由传统二层客户端/服务器(Client/Server，C/S)模式改进，具有三层模式(3-Tier)网络结构。B/S模式统一了客户端，客户端只需安装一个Web浏览器如Internet Explorer，服务器则安装SQL Server等数据库，浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互，客户端零安装、零维护，节约了开发成本。服务器(Server)内部采用模型-视图-控制器(Model View Controller，MVC)构架，如图5所示。

图4 有毒物质泄漏扩散模拟软件系统程序设计流程Fig．4 Design flow of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

图5 服务器模型-视图-控制器(MVC)架构示意图Fig．5 Schematic diagram of the MVC framework

该软件系统编程语言采用由微软公司发布的一种面向对象的、运行于．NET Framework的高级程序设计语言 C#。数据库管理系统采用 SQL Server 2008，具有可信任性、高效性、智能性等特点，其包括化工区域信息表、危险设备信息表、危险化学品物质物性参数表、有毒物质泄漏事故模拟计算信息表等数据表，限于篇幅限制，本文仅列出危险设备信息表，见表1。

表1 危险设备信息表Table 1 Information of the dangerous equipment

3 实例应用与分析

本文以某制药企业液氨储罐泄漏［11］和某化工企业液氯储罐泄漏事故为例，对非重气云和重气云扩散模型进行实例应用。该企业泄漏设备和物料信息详见表2和表3。

表2 泄漏设备基本参数Table 2 Basic parameters of the leaking equipment

表3 泄漏物质基本参数Table 3 Basic parameters of leaking materials

根据上述信息及泄漏时间，系统可以自动选择泄漏事故后果计算模型，液氨和液氯泄漏模型输入参数详见表4和表5。

表4 液氨泄漏模型输入参数Table 4 Input parameters of the liquid ammonia leakage model

表5 液氯泄漏模型输入参数Table 5 Input parameters of liquid chlorine leakage model

300 平板模型 101 325 70．91 2 100 东南风22

通过运行软件系统，液氨泄漏不同伤害程度的危害范围模拟结果见图6。由图6可见，液氨ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1浓度阈值等值曲线分别到达泄漏源下风向121 m、281 m、801 m，表明液氨泄漏事故致死区域在厂区范围内，致伤区域波及到厂区西北方向的码头，吸入反应区域波及范围较广且距泄漏源下风向最远距离可达801 m。

图6 液氨泄漏扩散范围系统界面Fig．6 System interface of the range of liquid ammonia leakage diffusion

通过运行软件系统，液氯泄漏事故危险特征参数计算结果见表6。氯的3个浓度阈值ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1分别为8．31×10－8kg/m3、2．49× 10－7kg/m3、1．66×10－6kg/m3，由表6可知，距泄漏源100 m目标处重气云羽浓度为1．41×10－9kg/m3小于氯的ERPG-3浓度阈值，表明目标处不受液氯泄漏事故影响。

表6 液氯泄漏事故危险特征参数计算结果Table 6 Results of risk characteristic parameters of the liquid chlorine leakage accident

图7 液氯泄漏扩散范围系统界面Fig．7 System interface of the range of liquid chlorine leakage diffusion

液氯泄漏不同伤害程度的危害范围模拟结果见图7。由图7可见，液氯ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1浓度阈值等值曲线分别到达泄漏源下风向33 m、85 m、148 m，表明液氯泄漏事故致死区域在厂区范围内，致伤区域波及到厂区北侧邻近企业的储罐区，吸入反应区域波及北侧邻近企业的生产区域。

4 结 论

(1)通过分析国内外有关有毒物质泄漏扩散模型方面的研究，本文基于Visual Studio 2013开发平台，利用C#编程语言和SQL Server2008数据库系统，构建了定量评估有毒物质泄漏扩散事故后果的Web系统，该软件系统能快速、准确地模拟不同类型泄漏事故危险特征参数随目标距离的变化结果，并实现事故危害范围的图形显示，可为泄漏事故预防和控制提供依据。

(2)目前该软件系统已应用于泰州市10余家化工企业有毒物质生产、储存的安全评价，具有良好的应用前景。但系统中部分物质参数难以精确设置，需在今后的研究中不断加以完善。

［1］Khan F I，Abbasi S A．DOMIFFECT(domino effect):User-friendly software for domino effect analysis［J］．Environmental Modeling＆Software，1998，13(2):163-177．

［2］吕东．石油化工企业风险评估系统的研究与开发［D］．大连:大连理工大学，2007．

［3］陈国华．风险工程学［M］．北京:国防工业出版社，2007:156-166．

［4］刘茂．事故风险分析理论与方法［M］．北京:北京大学出版社，2011:62-94．

［5］CCPS(Centre for Chemical Process Safety)．Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis［M］．2nd ed．New York:American Institute of Chemical Engineers，2000:250-266．

［6］AQ/T 3046—2013 化工企业定量风险评价导则［S］．

［7］王喜富，陈建广．基于B/S与C/S模式的铁路运输安全管理信息系统［J］．中国安全科学学报，2004，14(3):73-76．

［8］张作树，徐伟，刘金岭，等．施工企业HSE信息管理系统的设计与运用［J］．中国安全生产科学技术，2015，11(10):191-196．

［9］廖启霞，张礼敬，孟亦飞．BLEVE事故后果分析软件的实现［J］．中国安全科学生产技术，2008，4(2):137-140．

［10］吴宗之，魏利军，于立见，等．重大危险源安全监管信息系统的开发研究［J］．中国安全科学学报，2005，15(11):39-43．

［11］张杰，赵明．液氨泄漏事故的定量风险评价研究［J］．安全与环境工程，2012，19(1):68-72．

Development of Simulation Software System of Toxic Substance Leakage Diffusion Model

WANG Yunhui1，XING Zhixiang1，LU Zhongqiu2，HOU Zhenjie2，YANG Kouhua3，ZHAO Xu1
(1．School of Environment＆Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou213164，China; 2．School of Information Science＆Engineering，Changzhou University，Changzhou213164，China; 3．Jiangsu Taikang Security Environment Technology Company Limited，Taizhou225300，China)

In order to evaluate the consequence of toxic substance leakage accidents，this paper analyzes and summarizes the toxic substance leakage diffusion models in the relevant literature．Based on Visual Studio 2013 development platform，using C#programming language and SQL Server 2008 database system，the paper constructs a Web system for quantitative evaluation of the consequence of toxic substance leakage accidents based on B/S structure．The paper implements the calculation of risk characteristic parameters of leakage accidents and the visualization of the damage range of the consequence．The system is applied to a case．The results show that the system has a certain value in engineering application and may provide decision support for enterprises’safety management，leakage accident prevention and control．

toxic substance leakage;Matlab;diffusion model;concentration threshold;software system development

X937

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．027

1671-1556(2016)05-0158-05

2016-01-21

2016-03-23

国家自然科学基金项目(51276024);江苏省科技支撑计划项目(BE2012644);常州市科技支撑计划项目(CE20135035);江苏省2014年度高校研究生科研创新计划项目(1112)

王云慧(1991—)，女，硕士研究生，主要研究方向为化工安全。E-mail:wyh_9105@163．com