CN108932394B - 有毒气体泄漏危害范围的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有毒气体泄漏危害范围的确定方法，包括获取有毒气体泄漏源的环境数据；根据气体泄漏类型确定的扩散类型；根据扩散类型计算确定点的有毒气体浓度；根据有毒气体浓度确定在环境数据的坐标系中有毒气体扩散边界点；结合环境数据和有毒气体扩散边界点获取有毒气体扩散区域，并转换到经纬度坐标系。本发明有毒气体泄漏危害范围的确定方法一种基于高斯模型的有毒气体泄漏扩散算法，基于高斯烟羽、高斯烟团模型实现了有毒气体扩散的仿真，可较好地预测扩散造成的危害范围。

Description

有毒气体泄漏危害范围的确定方法

技术领域

本发明涉及化学品泄漏处理方法，尤其涉及一种有毒气体泄漏危害范围的确定方法。

背景技术

在工业生产中，常常需要储存氯气、氨、甲烷、硫化氢等危险性气体，这些物质易燃易爆、有毒有害、一旦泄漏、将污染环境、并对周围居民带来危害，在化学危险品的生产、储存及运输过程中不可避免地发生有毒或可燃气体、液体的泄漏事故，泄漏介质进入大气后伴随周围空气的运动，形成大面积的危险区域。在此类事故处置过程中，如能了解泄漏介质的运动规律及影响范围，对警戒区域的救援具有重要的意义。目前已有较为完整的数学模型(如高斯模型)可以对气云的扩散情况进行描述，但其结果往往是以数据的形式给出，可视性差，在应急救援中应用困难。利用高斯烟羽模型可以较好地解决上述问，高斯烟羽模型可以通过管理和综合分析的地理空间数据，表达和模拟现实世界的地理空间，为可视化模拟危化品气体的扩散情况，判断气云的覆盖区域等提供了重要的途径。

近年来，我国化学工业发展迅速，危险化学品的种类、数量不断增加，危险化学品泄漏事故也急剧上升，给国家和人民群众生命，财产以及生态环境造成了极大的危害。例如，2004年4月16日，重庆天原化工总厂发生液氯泄漏爆炸事故，造成9人死亡，3人受伤，紧急疏散群众15万余人；2005年3月29日，京沪高速公路淮安段发生液氯槽车泄漏事故，导致28人中毒死亡，350人住院治疗，紧急疏散群众15000余人，100余hm2农作物受灾。据不完全统计，2000年至2008年间，公安消防部队参与处置化学灾害事故35438起，平均每周就要处置75起、每天就要处置11起。面对日趋繁重的抢险救援任务，作为应急救援专业力量的公安消防部队，迫切需要有力的技术支撑和专业的辅助手段。目前，比较常见和应用广泛的放射性气体扩散模型主要有Gaussian、BM、Sutton和FEM3等。由于Gaussian模型适用于比较均匀稳定的流动条件，能反映出在放射性气体危险浓度危害区内，放射性气体浓度随扩散半径递降，并能反映出在某一受害点位的放射性浓度随扩散时间呈单峰型的动态变化，这与放射性气体扩散的实际情况接近。因此，Gaussian模型被广泛应用于评价放射性气体泄漏后的扩散预估。

危险化学品泄漏事故具有高突发性、不可控制性和灾难性等特点，其泄漏扩散模式多种多样，既有瞬时泄漏，又有连续泄漏；既有泄压阀失控形成的圆型孔洞泄漏，又有罐体脆裂形成的不规则裂纹泄漏；既有静风条件下的开阔地形扩散，又有一定风速状态下的复杂地形扩散。通过多年的研究和分析，有毒气体扩散遵循一定的规律性和预测性，宜采用适合于小尺度时空范围的数学模型进行研究和模拟，重点应侧重研究有毒物质对人群和生物可能造成的伤害程度。

目前有害气体扩散问题研究主要集中在气体浓度的估算，还需要较准确的确定危害的边界范围，并能够对危害边界在实际环境中的具体位置。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种有毒气体泄漏危害范围的确定方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种有毒气体泄漏危害范围的确定方法，包括以下步骤：

S1、获取有毒气体泄漏源的环境数据；

S2、根据气体泄漏类型确定的扩散类型；

S3、根据扩散类型计算确定点的有毒气体浓度；

S4、根据有毒气体浓度确定在环境数据的坐标系中有毒气体扩散边界点；

S5、结合环境数据和有毒气体扩散边界点获取有毒气体扩散区域，并转换到经纬度坐标系。

具体地，上述步骤S1包括以下步骤：

A1、确定2000国家大地坐标系为参考标准，长半轴a₀＝6378137m，短半轴b₀＝6356752.31414m，扁率I＝298.257222101；

A2、建立直角坐标系，以泄露源为原点，风向的去向方向为x轴的正半轴建立直角坐标系；

A3、建立直角坐标系和经纬度坐标系的转换关系，具体包括：

a1、设定待转换点，在直角坐标系的坐标为P(x,y)，在经纬度坐标系中的坐标为P(L₀，L_A)；

a2、计算相对经线弧长S1和相对纬线弧长S2：

S1＝ρcos(a+θ)

S2＝ρsin(a+θ)

其中：

a3、计算子午圈曲率半径M和卯酉圈曲率半径N：

其中：

λ为泄漏事故源的经度；

φ为泄漏事故源的纬度；

H为事故发生地海拔高度；

θ为风向去向方向与正东方向的夹角，如果正东方向逆时针(或逆时针)逆时针旋转一个锐角或钝角u后与风向去向一致时，令θ＝u(或θ＝-u)，0＜u＜180°；

a4、计算待转换点在经纬度坐标系内的坐标P'(L₀，L_A)：

具体地，上述步骤S2中的气体泄漏类型包括：烟团泄漏和烟羽泄漏，在根据泄露源是否有界具体分为以下四类：

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型；

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型；

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型；

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型；

设定烟团模型中，任意确定点、确定时刻的有毒气体浓度c(x,y,z,t)，烟羽模型中，任意确定点的有毒气体浓度c(x,y,z)。

具体地，上述步骤S3中有毒气体浓度计算方法包括：

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件：

有风条件：

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件：

有风条件：

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型

其中：Q为源强；

为泄漏高度的平均风速，

σ_x,σ_y,σ_z为用浓度标准偏差表示的x轴、y轴和z轴上的扩散参数。

具体地，上述步骤S4中边界点计算方法包括：

b1、确定泄露源在直角坐标系下的等值线方程F(x,y)＝0；

设需要计算等值线的有害气体浓度为c₀，高度值为H₀，时间为t₀，z坐标为z₀，代入浓度方程得到等值线方程；

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件下等值线方程：

有风条件下等值线方程：

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型对应等值线方程：

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件下等值线方程：

有风条件下等值线方程：

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型

b2、得出y的计算公式；

在等值线方程中代入x坐标，得到y的计算式子：

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件f(y)计算式：

有风条件f(y)计算式：

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型对应f(y)计算式：

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件f(y)计算式：

有风条件f(y)计算式：

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型f(y)计算式：

b3、按照设定的搜索步长，以x＝0开始计算，确定(x_i,y_i)，其为等值线上第i个点的坐标；

b4、获得在直角坐标系内的离散型泄漏区域。

具体地，上述步骤S5包括通过步骤A3中的转换模型将(x_i,y_i)转换为经纬度坐标系下的经纬度坐标，获得在经纬度坐标系内的离散型泄漏范围。

本发明的有益效果在于：

本发明有毒气体泄漏危害范围的确定方法一种基于高斯模型的有毒气体泄漏扩散算法，基于高斯烟羽模型实现了有毒气体扩散的仿真，可较好地预测扩散造成的危害范围。

附图说明

图1是本发明所述的有毒气体泄漏危害范围的确定方法的危害范围边界示意图；

图2是本发明所述的直角坐标系与经纬度坐标系的转换示意图；

图3是本发明所述的实施例一的示意图；

图4是本发明所述的实施例二的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

部分参数的物理意义如下：

λ为泄漏事故源的经度；

φ为泄漏事故源的纬度；

H为事故发生地海拔高度；

θ为风向去向方向与正东方向的夹角，如果正东方向逆时针(或逆时针)逆时针旋转一个锐角或钝角u后与风向去向一致时，令θ＝u(或θ＝-u)，0＜u＜180°；

Q为源强；

为泄漏高度的平均风速，

σ_x,σ_y,σ_z为用浓度标准偏差表示的x轴、y轴和z轴上的扩散参数。

本发明一种有毒气体泄漏危害范围的确定方法，包括以下步骤：

1、确定2000国家大地坐标系为参考标准，长半轴a₀＝6378137m，短半轴b₀＝6356752.31414m，扁率I＝298.257222101；

2、建立直角坐标系，以泄露源为原点，风向的去向方向为x轴的正半轴建立直角坐标系；

3、建立直角坐标系和经纬度坐标系的转换关系，如图2所示，具体包括：

(1)、设定待转换点，在直角坐标系的坐标为P(x,y)，在经纬度坐标系中的坐标为P'(L₀，L_A)；

(2)、计算相对经线弧长S1和相对纬线弧长S2：

S1＝ρcos(a+θ)

S2＝ρsin(a+θ)

其中：

(3)、计算子午圈曲率半径M和卯酉圈曲率半径N：

其中：

(4)、计算待转换点在经纬度坐标系内的坐标P'(L₀，L_A)：

4、确定气体泄漏类型，并计算器有毒气体浓度

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件：

有风条件：

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型

连续泄漏向下风方向形成一条烟羽，随着距离泄漏口的距离增加，泄漏物质浓度下降。在任意点处，泄漏物质浓度正比于源强，但不随时间变化。

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件：

有风条件：

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型

特别注意，只有风速不小于1m/s时，风向上的湍流扩散才能忽略，所以，高斯烟羽模型不适用于风速小于1m/s的情况。低风速扩散时应修正高斯模型或采用其他模型。

5、计算有毒气体泄漏区域的边界点：

(1)确定泄露源在直角坐标系下的等值线方程F(x,y)＝0；

设需要计算等值线的有害气体浓度为c₀，高度值为H₀，时间为t₀，z坐标为z₀，代入浓度方程得到等值线方程；

无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件下等值线方程：

有风条件下等值线方程：

无界连续点源扩散，烟羽模型对应等值线方程：

有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件下等值线方程：

有风条件下等值线方程：

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型

(2)得出y的计算公式；

在等值线方程中代入x坐标，得到y的计算式子：

无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件f(y)计算式：

有风条件f(y)计算式：

无界连续点源扩散，烟羽模型对应f(y)计算式：

有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件f(y)计算式：

有风条件f(y)计算式：

有界瞬时点源扩散，烟羽模型f(y)计算式：

(3)按照设定的搜索步长，以x＝0开始计算，确定(x_i,y_i)，其为等值线上第i个点的坐标；

(4)获得在直角坐标系内的离散型泄漏区域。

6、将(x_i,y_i)转换为经纬度坐标系下的经纬度坐标，获得在经纬度坐标系内的离散型泄漏范围。

具体以x＝0开始搜索，步长记为dx.为了提高精度，可以以dx＝0.1m为步长搜索.这里只记录y为正的数据.根据对称性，以风向为对称轴，必定有另外一点(x_i,-y_i)也在危害区域的边界上.

在研究危险化学品泄漏事故过程中，我们需要根据事故发生的坐标，计算出危险发生时可能对周围哪些区域造成危害。在这个过程中，需要我们根据危害范围，计算出可能受到危害区域边界区域的经纬度。以有毒气体扩散为例，我们需要根据泄漏发生地、事故发生地的风向等信息计算出危害发生的边界，进而计算出边界上离散节点经纬度。

如图1有三条近似椭圆的曲线，分别表示在有害气体的一种浓度下的伤害区域的边界.该图是在直角坐标系下绘制.X正半轴表示风向的去向.

下面提供两个具体的实施例进行进一步说明：

实施例一

事故发生地相对直角坐标系与经纬度坐标系转换测试算例:

泄漏事故发生源的经度：2.03136弧度(即116°23'17.1600”)

泄漏事故发生源的纬度：0.69652弧度(即39°54'27.0000”)

地球椭球坐标系长半轴:6378137.00000m

地球椭球坐标系短半轴:6356752.31414m

事故地点海拔:0.00000m(非系统参数)

风向去向与正东方向角度:0.00000弧度(非系统参数)

直角坐标单位：m；经纬度单位：弧度

P(x,y)	P(L<sub>0</sub>，L<sub>A</sub>)	对称点P'(L<sub>0</sub>，L<sub>A</sub>)
			(6000.00,0.00)	(2.031356,0.697742)	(2.031356,0.697742)
(5173.68,2067.63)	(2.031681，0.697573)	(2.031031,0.697573)
			(3149.94,2996.25)	(2.031827,0.697260)	(2.030885,0.697160)
(1043.59，2274.31)	(2.031713,0.696730)	(2.030998,0.696730)
			(14.99,299.50)	(2.031403,0.696520)	(2.031308,0.696520)

该实施例的图形展示如图3所示，第1个P点的y坐标为零，计算结果可见第1个P点与P'重合。这与理论上由于P点与P'点关于x轴对称一致。

实施例二

事故发生地相对直角坐标系与经纬度坐标系转换测试算例:

泄漏事故发生源的经度：2.03136弧度(即116°23'17.1600”)

泄漏事故发生源的纬度：0.69652弧度(即39°54'27.0000”)

地球椭球坐标系长半轴:6378137.00000m

地球椭球坐标系短半轴:6356752.31414m

事故地点海拔:0.00000m(非系统参数)

风向去向与正东方向角度:0.78540弧度(非系统参数)

该实施例的图形展示如图4所示，

P(x,y)	P(L<sub>0</sub>，L<sub>A</sub>)	对称点P'(L<sub>0</sub>，L<sub>A</sub>)
			(6000.00,0.00)	(2.032022,0.697383)	(2.032022,0.697383)
(5173.68,2067.63)	(2.032160,0.696966)	(2.031701,0.697562)
			(3149.94,2996.25)	(2.032039,0.696539)	(2.031373,0.697404)
(1043.59，2274.31)	(2.031724,0.696340)	(0.031219,0.696996)
			(14.99,299.50)	(2.031391,0.696476)	(2.031324,0.696563)

针对近年来日益增多的危险化学品泄漏事故,对国内外常见的有毒气体扩散模型进行了简要论述,在分析其各自特点的基础上,从事故救援需求的角度,提出了一种基于高斯模型的有毒气体泄漏扩散算法；基于高斯烟羽模型实现了有毒气体扩散的仿真,可较好地预测扩散造成的危害范围。实例分析了一定气象条件、地形特征和时间序列下,危险化学品泄漏后有毒气体浓度的分布情况,为辅助救援人员合理划定警戒区域、及时采取有效措施组织抢险救援行动,提供了一种行之有效的方法。对国内外常见有毒气体扩散模型进行了简要介绍,在分析各自特点的基础上,结合危险化学品事故现场应急救援的实战需要,基于高斯模型实现了扩散过程在地理场景中的动态仿真推演,使事件的影响范围、危害程度、发展趋势变得一目了然,既便于平时应急预案制定,又可为战时的应急指挥提供辅助决策

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有毒气体泄漏危害范围的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、获取有毒气体泄漏源的环境数据；

S2、根据气体泄漏类型确定的扩散类型；

S3、根据扩散类型计算确定点的有毒气体浓度；

S4、根据有毒气体浓度确定在环境数据的坐标系中有毒气体扩散边界点；

S5、结合环境数据和有毒气体扩散边界点获取有毒气体扩散区域，并转换到经纬度坐标系；

上述步骤S1包括以下步骤：

A1、确定2000国家大地坐标系为参考标准，长半轴a₀＝6378137m，短半轴b₀＝6356752.31414m，扁率I＝298.257222101；

A2、建立直角坐标系，以泄露源为原点，风向的去向方向为x轴的正半轴建立直角坐标系；

A3、建立直角坐标系和经纬度坐标系的转换关系，具体包括：

a1、设定待转换点，在直角坐标系的坐标为P(x,y)，在经纬度坐标系中的坐标为P(L₀，L_A)；

a2、计算相对经线弧长S1和相对纬线弧长S2：

S1＝ρcos(a+θ)

S2＝ρsin(a+θ)

其中：

a3、计算子午圈曲率半径M和卯酉圈曲率半径N：

其中：

λ为泄漏事故源的经度；

φ为泄漏事故源的纬度；

H为事故发生地海拔高度；

θ为风向去向方向与正东方向的夹角，如果正东方向逆时针旋转一个锐角u后与风向去向一致时，令θ＝u，0＜u＜180°；如果正东方向顺时针旋转一个钝角u后与风向去向一致时，令θ＝-u，0＜u＜180°；

a4、计算待转换点在经纬度坐标系内的坐标P'(L₀，L_A)：

上述步骤S2中的气体泄漏类型包括：烟团泄漏和烟羽泄漏，在根据泄露源是否有界具体分为以下四类：

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型；

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型；

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型；

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型；

设定烟团模型中，任意确定点、确定时刻的有毒气体浓度c(x,y,z,t)，烟羽模型中，任意确定点的有毒气体浓度c(x,y,z)；

上述步骤S3中有毒气体浓度计算方法包括：

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件：

有风条件：

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件：

有风条件：

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型

其中：Q为源强；

为泄漏高度的平均风速，

σ_x,σ_y,σ_z为用浓度标准偏差表示的x轴、y轴和z轴上的扩散参数。

2.根据权利要求1所述的有毒气体泄漏危害范围的确定方法，其特征在于：上述步骤S4中边界点计算方法包括：

b1、确定泄露源在直角坐标系下的等值线方程F(x,y)＝0；

设需要计算等值线的有害气体浓度为c₀，高度值为H₀，时间为t₀，z坐标为z₀，代入浓度方程得到等值线方程；

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件下等值线方程：

有风条件下等值线方程：

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型对应等值线方程：

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件下等值线方程：

有风条件下等值线方程：

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型

b2、得出y的计算公式；

在等值线方程中代入x坐标，得到y的计算式子：

(1)无界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件f(y)计算式：

有风条件f(y)计算式：

(2)无界连续点源扩散，烟羽模型对应f(y)计算式：

(3)有界瞬时点源扩散，烟团模型

无风条件f(y)计算式：

有风条件f(y)计算式：

(4)有界瞬时点源扩散，烟羽模型f(y)计算式：

b3、按照设定的搜索步长，以x＝0开始计算，确定(x_i,y_i)，其为等值线上第i个点的坐标；

b4、获得在直角坐标系内的离散型泄漏区域。

3.根据权利要求2所述的有毒气体泄漏危害范围的确定方法，其特征在于：上述步骤S5包括通过步骤A3中的转换模型将(x_i,y_i)转换为经纬度坐标系下的经纬度坐标，获得在经纬度坐标系内的离散型泄漏范围。

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