郑霞忠，田 丹，晋良海，谢雪凌，陈雁高

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 4430022；2.水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌4430023；3.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

考虑空间效应的毒气扩散当量危害研究*

郑霞忠1,2，田 丹1，晋良海1,2，谢雪凌2，陈雁高3

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 4430022；2.水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌4430023；3.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

为揭示空间尺寸对扩散毒气当量危害的影响规律，参考毒气危害程度评价标准，提取有限空间毒气危害程度评价因素，运用均一质量浓度模型与仿真方法，以毒物负荷准则为基础，融合空间毒气动态变化浓度与暴露时间等因素，构建毒气扩散当量危害模型。模拟不同尺寸空间的毒气扩散浓度与人群疏散时间，生成不同有限空间中毒气扩散浓度动态变化曲线，仿真计算人群暴露时间，揭示空间效应对扩散毒气当量危害的影响机制，量化分析有限空间中扩散毒气的危害程度。模拟结果表明：随着空间尺寸的增加，毒气扩散当量危害值呈现先增后减的趋势，并在空间大小达到某一值时，毒气当量危害值达到峰值，在峰值点的左右邻域内，空间尺寸越大，毒气扩散当量危害值的增长与衰变速率就越低。

毒气扩散；当量危害；均一质量浓度；毒物负荷准则；空间效应

空间效应是指由空间大小变化而引起的空间物质与能量改变。空间效应发生在封闭且通风道单一的有限空间[1]。在工业生产过程中，受空间效应的影响，使有限空间中毒气危害程度难以准确计量，导致中毒、窒息事故时有发生[2]。因此，研究空间效应对毒气危害程度的影响机理，有利于应对多空间状态毒气突发事件，并为毒气突发事件应急管理提供依据。

毒气当量危害研究是空间安全管理的重要组成部分，近年来许多学者进行了深入的研究。崔辉[3]等在分析气体危害程度的不同处理标准基础上，运用毒物伤害准则来界定毒气危害浓度，并对危险区域划分等级；张子明[4]等针对毒气泄漏事故，采用高斯烟羽模型，综合毒气伤害准则和AEGL标准，得到毒气泄漏事故下的最小伤害度模型；夏登友等[5]以高斯烟羽模型为基础，挖掘液氨扩散影响因素，结合影响因素与扩散模型，划分液氨安全区域；熊立春等[6]提出将高斯烟羽模型的因素进行叠加，并考虑气体扩散时的浓度，建立以毒气负荷函数为基础的液氨扩散风险矩阵，得到最佳疏散路径；Lisa M等[7]以毒气负荷模型为基础，以H2S气体为载体，通过大量实验，集成毒气危害程度评价因素，验证各个因素在毒气危害程度评价中的权重，构建毒气危害区域划分准则；席学军等[8]利用差分法计算人员在疏散过程中的毒性负荷值，通过融合毒气扩散浓度与人员疏散暴露时间，构建毒气危害概率函数，精确评价毒气危害程度；Lovreglio等[9]剖析工业区毒气扩散因素，探究毒气扩散机理，构建工业区人群疏散运动模型，提取人在危害区域的疏散路径，评价毒气危害程度，度量区域风系数大小，生成毒气风险管理系统。

以上成果从多个角度对毒气扩散危害浓度进行研究，大多集中于开敞的大气环境研究，极少考虑有限空间对毒气扩散危害程度的影响。鉴于此，本文以毒气浓度与暴露时间为载体，分析有限空间中毒气危害程度的影响大小，结合均一质量浓度模型与应急疏散时间的仿真数据，求解空间中毒气动态浓度与人员暴露时间，以毒物负荷准则为基础，构建毒气扩散危害当量模型，生成毒气危害程度动态变化曲线，揭示空间效应对毒气危害程度的影响规律，以期为有限空间毒气扩散应急管理提供理论依据。

1 空间效应下毒气危害程度分析

有限空间中存在两个主要影响毒气危害程度的因素，一是引起中毒的染毒空气浓度[10]；二是人员在没有任何毒气防备措施前提下所暴露的时间[11]。

1.1 不同空间毒气浓度

均一质量浓度模型常用来研究有限空间毒气扩散浓度，并广泛应用于工业生产与日常生活[12]。均一质量浓度模型适用于研究自然状态下有限空间中毒气扩散，参数易于获得，使用比较方便，在稳定风速中，模拟数据精确度较高[13]，具有很强实用性。

当毒气在有限空间泄露时，在扩散区域内毒气会快速与周围空气发生瞬间均匀融合，整个扩散区域处于均一质量浓度之下[14]。由于毒气扩散使原有室内外的气体浓度失衡，在大气环境保持稳定的情况下，气体只会从室内向室外流动，而外面的气体不会进入室内，保持了室内气体成分一致性。因此，在保证空间初始浓度不变与风速稳定的基础上，有限空间中毒气浓度的变化与毒气泄露速率成正比，且与空间大小成反比。得到均一质量浓度方程[13-14]：

(1)

式中：Cj(t)表示t时刻第j个有限空间中毒气浓度(mg/m3)；C0表示毒气泄露之前有限空间中空气浓度；G表示为毒气泄露速率(mg/s)；k为换气次数，主要通过变换得到(min)；vj为第j个有限空间容积(m3)；r表示有限空间的数目，t为有限空间中毒气泄露时间(s)。

1.2 人员暴露时间

(2)

每个人员在空间中的移动速度是由有限空间中行人密度D决定，且空间人员密度的阙值为0.55人/m2，则空间中人员速度公式为：

(3)

有毒气体在有限空间中扩散时，暴露时间t主要是由应急疏散时间T所决定。毒气的暴露时间由人群开始警觉时间与人群到达安全区域时间决定，开始警觉时间为发现毒气泄漏时刻，到达安全区域时间为人员离开有限空间的时刻。当毒气泄漏事故发生时，应急机构就会组织疏散，组织疏散会减少人员暴露时间，降低毒气危害程度，对于疏散时间的确定，常用软件进行疏散模拟[16]。对第j个有限空间中的s个人员，计算各个人员的暴露时间为tij(i=1,2,……s)(i=1,2,……r)，有限空间中的暴露时间tij(i=1,2,……s)(j=1,2,……r)是以空间疏散为载体，通过有限空间中各个人员有序疏散时间Tij=(i=1,2,……s)(j=1,2,……r)确定。因此，人员暴露时间可由下式确定为：

(4)

1.3 毒气扩散当量危害模型

有限空间中毒气危害程度主要是受毒气浓度与暴露时间的影响，危害程度与毒气浓度成正比，与暴露时间也成正比，暴露时间与毒气浓度的增加都会使有限空间毒气危害程度加大[3]。因此，通过进行大量实验基础上，得到评价毒物危害程度的毒物负荷准则，毒负荷准则主要是表示毒物浓度、暴露时间与危害程度之间的关系，考虑到人的呼吸能力以及毒物的性质，修正毒物浓度与暴露时间在中毒效应中的作用，建立不同毒物类型的危害程度评价公式，其公式为[4]：

TL=KCntm。

(5)

式中：TL为毒负荷(ppm·s)；K为与毒气剂量有关的系数(K≤1)；C为毒物浓度(ppm)；t为接触时间(s)；n为时间的修正系数；m为浓度的修正系数。

由于有限空间中的毒气浓度梯度变化较小，在有限空间中的人群所受毒气浓度变化不会发生很大变化，可近似用空间平均浓度表示。根据式(1)可知，在实际扩散过程中毒气浓度会随时间发生变化，加之每个人离开有限空间的时间也存在不同，因此，每个时间点上的毒气浓度Ct也不相同。

(6)

2 数值仿真

根据实验需要，结合现实有限空间大小特点，统计工厂加工车间大小，该工厂针对不同作业规模，设置6种不同大小尺寸的加工车间，其尺寸分别为：3.0 m×3.0 m×3.0 m，3.5 m×3.5 m×3.5 m，4.0 m×4.0 m×4.0 m，4.5 m×4.5 m×4.5 m，5.0 m×5.0 m×5.0 m，5.5 m×5.5 m×5.5 m。在每一个加工车间中有一扇门与一扇窗，门的尺寸按照建筑标准计量，出口高度为2.15 m，宽度为0.8 m。

2.1 不同空间大小下毒气浓度确定

结合各个加工车间大小特征，设置空间存在稳定H2S气体泄漏源，其泄漏速度为66.7 mg/s；空间中空气速率为0.02 m/s，空气中初始H2S气提浓度为0.008 mg/m3，通过式(1)计算，求得各个空间中毒气浓度随时间的变化曲线(图1)。

表1 不同有限空间人数

图1 有限空间毒气浓度变化曲线

图1中横坐标表示时间大小。纵坐标表示有限空间中H2S气体平均浓度，曲线表示随着时间的变化，空间中毒气浓度的变化情况，以及在每个时间点上空间毒气浓度值得大小。

2.2 不同空间大小下暴露时间确定

根据仿真软件要求，设计空间人群密度为1.55 m2/人，其中男女比例为1∶1，不存在老人与小孩，按照亚洲标准男女身材，男人的肩宽设计为45 cm，女人的肩宽为36 cm，根据式(3)可求得人群移动速度为男性1.16 m/s、女性1.01 m/s，人群按照统一标准分布。

根据人口密度与空间大小关系，得到各个空间中人口数(表1)。

参照模拟结果，得到在各个时间点里，有限空间中已疏散人群的数量，以此得到各个人在空间中的暴露时间(图2)。

图2 有限空间人员暴露时间曲线

图2中，依照截距大小，在x,y轴上曲线截距从小到大所对应空间尺寸为3.0 m×3.0 m×3.0 m，3.5 m×3.5 m×3.5 m，4.0 m×4.0 m×4.0 m，4.5 m×4.5 m×4.5 m，5.0 m×5.0 m×5.0 m，5.5 m×5.5 m×5.5 m。图2中曲线表示在各个疏散时间点上，空间中人员的数量，其y轴表示人员在有限空间中的暴露时间，x轴表示各个时间点内空间中人员的数量，同时也表示空间种各人员的暴露时间大小。

2.3 当量危害分析

通过对模拟实验结果的分析，结合各个空间毒气浓度动态变化曲线，得到各个时间段上毒气浓度大小。综合毒气浓度动态变化曲线，以3.0 m×3.0 m×3.0 m有限空间为例，依照仿真软件生成的有限空间人员暴露时间曲线，考虑毒气泄漏后应急反应时间，统计在各个时间点上人员疏散情况，以及每个人在空间中暴露时间(表2)。

表2 人员暴露时间

综合分析各有限空间人员疏散时间，将各个人员的疏散时间与毒气浓度动态变化曲线相结合，确定每个人员的暴露时间tij，融合所得动态毒气浓度与暴露时间，根据毒气性质确定m,n值分别为1，1.24，参考公式(6)，得到不同空间下毒气当量危害值大小(图3)。

图3 不同空间大小下毒气扩散当量危害值

通过模拟6个不同尺寸有限空间毒气扩散浓度及人员疏散时间，得到在不同有限空间中，随着时间增长，空间中毒气扩散浓度增加，随着空间大小增加，人员疏散平均时间增大，人员受到毒气的平均危害时间也增加。

针对不同大小有限空间模拟实验的结果，以H2S气体为研究对象，运用毒气扩散当量危害模型，计算毒气扩散当量危害值，得到空间中毒气扩散当量危害值呈现先增后减的趋势，并在平面面积为16 m2左右时，毒气扩散当量危害值达到最大。当空间尺寸较小时，空间中毒气浓度值较高，人员暴露时间较低，这时空间中毒气扩散当量危害值相对较低。当空间尺寸较大时，空间中毒气浓度值较低，人员的暴露时间增加，空间中毒气扩散当量危害值相对较高。

分析不同空间大小下毒气扩散当量危害值曲线，可知当空间大小为5 m2与15 m2时，空间中毒气危害当量值分别为为25 ppm·s与45 ppm·s，呈线性增长趋势，增长速率大约为9 ppm·s/m2，当空间大小为20 m2与45 m2时，空间中毒气危害当量值分别为为40 ppm·s与30 ppm·s，呈反比例衰变趋势，衰变速率大约为0.67 ppm·s/m2，因此，可得在毒气当量危害的峰值点的左邻域内。随着空间大小的增加，毒气扩散当量危害值的增长速率较快，在峰值点的右邻域内，毒气扩散当量危害值的衰变速率缓慢。

3 结语

(1)在有限空间中，毒气的危害程度主要取决于暴露时间与毒气浓度，空间大小是通过暴露时间与毒气浓度间接作用于毒气危害程度。本文以毒物负荷准则为依托，结合对空间毒气浓度与人员暴露时间的模拟结果，通过毒气扩散当量危害模型，推演了空间效应对毒气当量危害的影响程度。

(2)通过模拟不同空间大小下毒气危害当量值可得：随着空间大小的增加，毒气危害程度会呈现先增后减的趋势，在空间大小为某一定值时，毒气扩散当量危害值达到峰值，且在峰值点的左右邻域内，左邻域的毒气当量危害值增长趋势大于右邻域中毒气当量危害值衰变趋势。当空间尺寸进一步增大时，毒气危害当量值的衰变速率会变缓慢。

(3)在保证以人为本的气体条件下，如何建立有效空间疏散模式以及毒气管理方案，降低有限空间中毒气扩散当量危害值，是下一步将要解决的问题。

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Study on the Equivalent Hazard of Toxic Gas Diffusion Considering Spatial Effect

ZHENG Xiazhong1, 2, TIAN Dan1, JIN Lianghai1, 2, XIE Xueling2and CHEN Yangao3

(1.CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China;2.HubeiKeyLaboratoryofConstructionandManagementinHydropowerEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 3.SinohydroBureau7CompanyLimited,Chengdu610081,China)

In order to reveal the influence of space dimension over the distribution of the toxic gas diffusion equivalent, the author referred to the evaluation criteria of gas hazard degree and used the uniform mass concentration model and the simulation method to do the analysis. Based on the toxic load criteria as well as factors such as spatial concentration of hazard gas and exposure time, the author constructed gas diffusion equivalent hazard model. Then, the author simulated gas diffusion under different dimensions and different exposure time, revealed the influence mechanism of space effect on toxic gas diffusion equivalent and conducted quantitative analysis of hazard degree of gas diffusion in the limited space. The simulation results showed that, with the increasing of space dimension, the equivalent value of the toxic gas diffusion increased at first and then decreased, and when the size of the space reaches a certain value, the hazard value of the gas equivalent reaches the peak value. In the neighborhood area of the peak point, size of the space is inversely proportional to the growth rate and the decay rate.

toxic gas diffusion; equivalent hazard; uniform mass concentration; toxic load criterion; spatial effect

郑霞忠，田丹，晋良海，等. 考虑空间效应的毒气扩散当量危害研究[J].灾害学，2018，33(1)：1-4.[ZHENG Xiazhong,TIAN Dan,JIN Lianghai,et al.Study on the Equivalent Hazard of Toxic Gas Diffusion Considering Spatial Effect[J].Journal of Catastrophology，2018，33(1)：1-4.

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.001.]

2017-07-05

2017-08-30

国家自然科学基金项目(51379110)

郑霞忠(1963-)，男，湖北鄂州人，教授，博士生导师，博士，主要从事安全科学与工程方面研究工作.

E-mail:zhengxz@126.com.

晋良海(1973-)，男，四川简阳人，副教授，博士，主要从事安全认知学、建设项目运筹研究.

E-mail：16405495@qq.com.

X92； X45

A

1000-811X(2018)01-0001-04

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.001