环境风险评价中理查德森数计算及SLAB模型应用浅析

环境风险评价中理查德森数计算及SLAB模型应用浅析

吴岚

（中色科技股份有限公司，洛阳 471039）

摘要：SLAB模型是现行环境风险评价导则《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ169—2018）推荐使用的大气环境风险预测模型，适应于平坦地形背景下重质气体扩散的大气环境风险预测。根据气体泄漏时进入大气环境中的物质性质和理查德森数（Ri）来判断气体性质，属于重质气体的泄漏扩散采用SLAB模型进行大气环境风险预测。理查德森数的计算参数为气体膨胀至环境气压状态时对应的参数，此参数可用公式计算得到。SLAB预测模型参数中，泄漏性质参数为气体膨胀至环境气压状态时对应的参数，对泄漏物质最终预测浓度影响较大的参数有地面粗糙度和浓度平均时间，浓度计算高度的选取对预测结果实际对人群的影响较重要。适当的参数选取，能得到更准确地预测结果，更好的指导环境风险事故的应急与疏散。

关键词：SLAB模型；理查德森数（Ri）；地面粗糙度；浓度平均时间

1  前言

在环境风险事故中，气态危险物质泄漏扩散事故相对于液态、固态更难控制的，因此在环境影响评价中，气态危险物质泄漏扩散事故的预测较受重视。目前环评行业情况来看，存在气体性质判断及模型参数选择问题。本文对于大气风险中气体性质的判断及预测模型的应用做一些浅要分析。

目前应用于环境风险物质泄漏扩散模拟的模型有ALOHA（AreaLocation of Hazardous Atmospheres，有害大气区域定位）、DEGADIS（Dense GasAtmospheric Dispersion，重气体扩散）、UDM（Unified Dispersion Model，泄漏扩散模型）、SLAB（Atmospheric Dispersion Model for Denser than Air Releases，密度大于空气的扩散模型）、INPUFF（GAUSS Puff Diffusion Model，高斯烟团扩散模型）、CHARM（Complex Hazardous Air Release Mode，危险物质释放复杂模型）、AFTOX（USAF Toxic Chemical Dispersion Model，美国空军毒性化学物质扩散模型）等。

2  模型的选择

2.1 导则推荐模型简介

《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ169-2018）中，对于平坦地形推荐使用SLAB模型及AFTOX模型。SLAB模型是用于模拟重气体泄漏的空气扩散模型，该模型最初基于Zeman1982年提出的关于重气云的空气卷吸和重力扩散的理念而开发。SLAB模型由美国能源署支持，后期由USAF工程和服务中心及美国石油学会共同开发。SLAB模型可以模拟地面液池蒸发、高于地面的水平射流、烟囱或高于地面的垂直射流、以及瞬时释放。AFTOX模型是由美国空军开发的高斯扩散模型，可用于非浮力中性气体、浮力烟羽扩散。

根据《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ169-2018）推荐，SLAB模型适用于平坦地形下重质气体排放的扩散模拟；AFTOX模型适用于平坦地形下中性和轻质气体排放以及液池蒸发气体的扩散模拟。

2.2 理查德森数

判断烟团/烟羽属于重质还是轻质，取决于它相对空气的“过剩密度”和环境条件等因素。通常采用理查德森数（Ri）作为判断标准。Ri的概念公式为：

Ri是个流体动力学参数。根据不同的排放性质，理查德森数的计算公式不同。一般地，依据排放类型，理查德森数的计算分连续排放、瞬时排放两种形式：

连续排放：

瞬时排放：

式中：ρrel ——排放物质进入大气的初始密度，kg/m3；

ρa——环境空气密度，kg/m3；

Q——连续排放烟羽的排放速率，kg/s；

Qt——瞬时排放的物质质量，kg；

Drel——初始的烟团宽度，即源直径，m；

Ur——10m 高处风速，m/s。

值得注意的是，初始密度ρrel与初始宽度Drel，是物质在其完全膨胀后的性质参数。ρrel为泄漏物质膨胀至大气压时的密度，Drel为泄漏物质膨胀至大气压时烟团的宽度。

以压力容器中气态物质泄漏为例，说明理查德森数的应用。

图1 物质泄漏水平喷射过程示意图

如上图所示，压力容器破损处气态物质带压呈喷射状泄漏，随着物质的喷射泄漏至大气环境中，空气逐渐进入泄漏气体中，烟团不断膨胀，距泄漏源越远空气进入的量越大，直到泄漏气体的压力等于环境压力时扩散开始，理查德森数对应此状态时的气体参数。可根据公式计算。

式中：Pa——环境气压，Pa；

      Mi——摩尔质量，kg/kmol；

      R——气体常数，8314J/kmol·K；

      Ts——泄漏物质温度，K；

      E——排放速度，m/s；

      Ur——环境风速，m/s。

据此计算出理查德森数。

2.3 气体性质判断

判断标准为：对于连续排放，Ri≥1/6为重质气体，Ri

＜1/6为轻质气体；对于瞬时排放，Ri＞0.04为重质气体，Ri≤0.04为轻质气体。当Ri 处于临界值附近时，说明烟团/烟羽既不是典型的重质气体扩散，也不是典型的轻质气体扩散。可以进行敏感性分析，分别采用重质气体模型和轻质气体模型进行模拟，选取影响范围最大的结果。

根据理查德森数判断气体性质后，重质气体采用SLAB模型进行扩散预测，轻质气体采用AFTOX模型进行扩散预测。

3  SLAB模型理论及参数分析

3.1 SLAB模型理论介绍

重气体泄漏的空气扩散计算模型受多种重要气体物理现象因素的共同影响，包括：重气体烟云的稳定密度分层导致的湍流衰减；由于重力流和初始排放源动量导致的环境速率场的改变；由于液滴形成和挥发以及在过热或低温液体排放情况下的地面加热对烟云温度、浮力和湍流的热力学效应等。SLAB模型综合以上物理现象，以质量、动量、能量和物质守恒方程的平均形式为起点，在该理论框架的基础上进行开发。这些方程用于计算扩散烟团的空间平均性质，并且以两种方式来代表两种不同的扩散模式：稳态烟羽扩散模式和瞬时烟团扩散模式。

连续排放（持续时间非常长的排放源）可以作为稳态烟羽。有限时间的排放采用稳态烟羽模式描述最初烟云的扩散，而且在该排放源持续泄漏的时间段内，可以一直使用稳态烟羽模式。释放一旦终止，烟团被视为瞬时烟团，之后的扩散采用瞬时烟团模式来计算。对于瞬时泄漏的排放源，整个过程都均使用瞬时烟团扩散模式。

SLAB的稳态烟羽模式：基于稳态侧风向平均的质量、动量、能量和物质守恒方程，并且使用空气卷吸概念来考虑气体云与环境大气的湍流混合。

SLAB的瞬时烟团模式：基于体积平均浓度的质量、动量、能量和物质守恒方程，采用空气卷吸理念来考虑云和周围空气的湍流混合。

烟羽向烟团转化模式：当扩散方程由稳态烟羽方程向瞬时烟团方程转变时，存在空间平均气云性质在计算上的转变。稳态烟羽模式下，在气云的侧风向上进行空间平均；瞬时烟团模式下，在气云的整个体积上进行空间平均。

3.2 重质气体扩散特征

重质气体烟羽/烟团主要受非高斯扩散的重力驱动，其烟羽/烟团特征是没有向上的浮力，且具有稳定的密度分层现象。重质气体有向地面落下的趋势，烟羽/烟团沿下风方向向地面扩散。当烟羽/烟团下榻至与地面接触时，向下的动能使得烟羽/烟团的中心下沉，而烟羽/烟团的边缘开始膨胀。此时，烟羽/烟团沿地面反弹，形成分层扁平的柱体，柱体的高度只有水平反向长度的1/50~1/20。薄饼型烟羽/烟团沿下风向继续延长、伸展，同时周围的空气不断混合进入烟羽/烟团内部，重气体扩散的最终结果会变成非重气体。

图2  重质气体扩散过程示意图

如上图所示，①点处为泄漏源，气体带压泄放，气体开始加速；②点处，源于释放源本身的压力，气体保持向前的动力继续释放，过程中会把一部分空气卷进来；③点处，重质气体压力丧失后，会有一个向下的过程，此时气体与大气压无压差，但是有速度；④点处，气体撞击地面后进入一个过渡状态，内部自身动量的扰动与环境的扰动转变的状态；⑤点处，完全转变为大气扰动状态，扩散由风速、大气稳定度等决定。

3.3 SLAB模型参数分析

SLAB模型约有30个输入参数，这些参数包括源类型、源性质、泄漏性质、场地性质、气象参数等。源类型及源性质参数是每个环境风险预测项目的基础，准确计算风险源强及找准物质性质参数是环境风险预测的根本。源性质参数包括物质分子量、沸点、临界温度、临界压力、液体密度、蒸汽定压比热容、沸点时液体汽化热、液体比热容、比热容比、饱和压力常数等。场地性质有浓度平均时间、最大下风向距离、浓度计算高度。气象参数有大气稳定度、风向、风速及测量高度、气温及逆温层高度等，环境参数主要有环境温度、湿度及地表粗糙度等。其中源类型及源性质参数是特定值，《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ169-2018）已规定气象参数的选择。本文对SLAB模型参数中对结果影响较大及易混淆的参数进行简要分析。

⑴ 泄漏性质参数

泄漏参数包括物质温度、源排放速率、源面积、连续源持续时间、瞬时源质量、源高度。其中泄漏物质的温度及源面积为泄漏物质泄放至压力为大气压时对应的参数，即图1所示状态2时的参数，可根据公式计算。

式中：TS——泄漏物质温度，K；

γ——气体的绝热指数；

      Pst——物质储存压力，kPa；

      Tst——物质储存温度，K。

式中：AS——泄漏源面积，m2；

Ap——裂口面积，m2。

⑵ 地表粗糙度

SLAB模型中的地表粗糙度属于气象参数，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。规律运动的气流遇到起伏不平的地形扰动，会产生动力湍流，气体的扩散能力会增强。地表粗糙度越高，湍流越剧烈，扩散越好，污染物浓度越低。

SLAB模型中地表粗糙度对结果影响较大，《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ169-2018）已给出地表粗糙度的推荐值，实际工作中按照项目实际情况选取即可。

⑶ 浓度平均时间

浓度平均时间是指安全标准关注的合适平均时间。对于特定的有毒物质，都会有一些需要关注的标准，每一个标准对应不同的暴露时间。SLAB模型中浓度平均时间属于场地参数，对最终影响距离和最终落地浓度都有明显影响。

SLAB模型未对浓度平均时间做具体规定。而AFTOX模型，对于持续排放默认值是15min；对于＜15min持续时间的排放，默认平均时间等于排放时间；对于瞬时气体排放，平均时间是1min。

SLAB使用手册中认为预测的浓度平均时间与扩散方程相关的各种物理现象有关，依赖于烟雾的走向。当浓度平均时间增加时，会发生更多的烟雾路径，形成更宽的烟雾团，而排放物质的最终落地浓度和影响距离相对会更小。也有研究报道浓度平均时间与物质泄漏排放时间、物质到达最近受体时间以及安全暴露浓度标准中暴露时间关系密切，并认为浓度平均时间应取上述3个时间中的最小值。《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ169-2018）中采用的危险物质毒性终点浓度值为美国能源部2016年5月公布的PAC数值，是基于60min的有效数值，因此，浓度平均时间设置需要≤1h。

本文认为环境风险预测过程中，由于关注的危险物质多具有急性毒性，且风险排放时间较短。基于PAC数值的1h平均时间不适合实际风险状态的预测。风险状态下烟团浓度呈正态分布，更短的平均时间结果更保守，更能避免急性毒性物质的危害。因此建议SLAB模型参照AFTOX模型设置浓度平均时间。

⑷ 浓度计算高度

SLAB模型中浓度计算高度属于场地参数。对于重质气体而言，不同浓度计算高度对应的污染物预测浓度差异较明显，质心浓度与计算高度浓度可能存在数量级的差别。因此合理的浓度计算高度对计算结果的准确性影响较大。可以根据实际风险物质的毒性特征设置不同的浓度计算高度，如吸入毒性物质，计算人群鼻子高度的浓度更能准确反映风险物质对人群的影响；皮肤毒性物质，设置人群皮肤暴露的高度更能准确反映风险物质对人群的影响。

4  结语

环境风险预测的目的，是更好的预防环境风险事故的发生、更准确的指导环境风险事故发生时的应急与疏散。SLAB模型是我国环境风险评价导则HJ169—2018中推荐使用的，适应于模拟平坦地形下重质气体扩散的数学模型。计算理查德森数是判断气体性质的依据，需正确输入理查德森数对应的参数状态。判断为重质气体的物质，可使用SLAB模型进行预测。泄漏参数所对应的气体状态、气象参数地面粗糙度、场地参数浓度平均时间对泄漏物质预测浓度影响较大。较小的地面粗糙度和较短的浓度平均时间更偏向于取得更保守的预测结果。恰当的输入参数，得到更准确的预测结果，才能更好的控制环境风险事故发生的危害。

参考文献：

[1]生态环境部．HJ 169 －2018 建设项目环境风险评价技术导则［S］．北京:中国环境科学出版社，2018．

[2]环境保护部环境工程评估中心，国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室SLAB用户手册：模拟重气体泄漏的空气扩散模型中文简要用户使用手册．

[3]肖亿群．环境风险评价中AFTOX模型和SLAB模型的运用分析［J］．绿色性能，2021,03-041-03．

[4]刘宏立，漆宏，付永川，等．SLAB模型在氯碱化工企业环境风险事故中的应用［J］．环境影响评价，2019，242(5):88－93．

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