第四節　化學危險源的擴散

一、擴散源概述

排放化學有毒物質進入大氣的源稱為擴散源，它是化學毒物釋放到大氣、水域或地面上的最初形態。擴散源的類型不同，形成的毒物云團在傳播過程中的特點也不同。因此，在考察化學毒物的擴散規律時，必須考慮擴散源的類型、源強、泄漏量和泄漏物的性質等因素。

（一）擴散源的分類

1.按化學毒物的排放方式分類

①連續源。化學毒物以持續、定常的方式向空間排放的擴散源。

②間歇源。化學毒物以規則的間歇性方式排放的擴散源。

③瞬時源。化學毒物以突發性方式在短時間內“瞬間”排放的擴散源。

2.按擴散源排放位置分類

①固定源。位置固定不變的擴散源。

②移動源。位置移動的污染源，如車、船、飛機等擴散源。

③無組織排放源。無規則或泄漏散逸向空間排放毒物的源。

3.按化學毒物排放口的形式分類

①點源。毒物的排放口呈一定口徑的點狀排放的擴散源。

②線源。毒物排放口構成線性排放的擴散源，或由移動擴散源構成線性排放的源。

③面源。在一定區域范圍，以低矮密集的方式自地面或不大的高度排放毒物的源。

④體源。由源本身或附近建筑物的空氣動力學作用使污染物呈一定體積向空間排放的源。

4.按化學毒物排放高度分類

①高架源。通過離地面一定高度的排放口排放毒物的源。

②地面源。通過位于地面或低矮高度上的排放口排放毒物的源。

（二）源強

源強是指擴散源排放有毒物質的速率，也就是化學有毒物質在單位時間單位尺寸的排放量。

對于點源，源強是單位時間排放有毒物質的量，其單位為g/s或kg/h等；對于線源，源強是單位時間、單位長度排放的有毒物質的質量，單位為g/（s·m）；對于面源，源強是單位時間、單位面積上所排出有毒物質的量，單位為g/（s·m2）或kg/（h·km2）。上述是指連續源排放的源強，而對于瞬時源，其源強則是以一次釋放污染物的總量表示，其單位為g、kg等。

（三）泄漏量

1.液體泄漏量

液體泄漏量與其泄漏速度有關，泄漏速度可用流體力學的伯努利方程計算：

　　（2-2）

式中，Q0為液體泄漏速度，kg/s；Cd為液體泄漏系數，如表2-8所示；A為裂口面積，m2；ρ為泄漏液體密度，kg/m3；P為容器內介質壓力，Pa；P0為環境壓力，Pa；g為重力加速度，9.8m/s2；h為裂口之上液位高度，m。

當容器內液體是過熱液體，即液體的沸點低于周圍環境溫度，液體流過裂口時由于壓力減小而突然蒸發。蒸發所需熱量取自于液體本身，而容器內剩下的液體的溫度將降至常壓沸點。在這種情況下，泄漏時直接蒸發的液體所占百分比F的計算公式如下：

　　（2-3）

式中，Cp為液體的定壓比熱容，J/（kg·K）；T為泄漏前液體的溫度，K；T0為液體在常壓下的沸點，K；H為液體的汽化熱，J/kg。

按式（2-3）計算，結果大部分在0～1之間，事實上，泄漏時直接蒸發的液體將以細小煙霧的形式形成云團，與空氣相混合而吸收熱蒸氣。如果空氣傳給液體煙霧的熱量不足以使其蒸發，一些液體煙霧將凝結成液滴降落到地面，形成液池。

根據經驗，當F>0.2時，一般不會形成液池；當F<0.2時，F與被帶走液體之比有線性關系，即當F=0時，沒有液體被帶走（蒸發），當F=0.1時，有50%的液體被帶走。

2.氣體泄漏量

氣體從裂口泄漏的速度與其流動狀態有關。因此，計算泄漏量時首先要判斷泄漏時氣體流動屬于聲速還是亞聲速流動，前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。

當式（2-4）成立時，氣體流動屬聲速流動：

　　（2-4）

當式（2-5）成立時，氣體屬于亞聲速流動：

　　（2-5）

式中，P0為環境壓力，P為容器內介質壓力；k為氣體的絕熱指數。

氣體呈聲速流動時，其泄漏速度是：

　　（2-6）

氣體呈亞聲速流動時，其泄漏速度是：

　　（2-7）

式中，Cd為氣體泄漏系數，當裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90；Y為氣體膨脹系數，由式（2-8）計算；M為分子量；ρ為氣體密度，kg/m3；R為氣體常數，J/（mol·K）；T為氣體溫度，K。

　　（2-8）

3.兩相流泄漏量

在過熱液體發生泄漏時，有時會出現氣、液兩相流動。均勻兩相流的泄漏可按式（2-9）計算：

　　（2-9）

式中，Q0為兩相流泄漏速度，kg/s；Cd為兩相流泄漏系數，可取0.8；P為兩相混合物壓力，Pa；Pc為臨界壓力，可取Pc=0.55Pa；ρ為兩相混合物平均密度，kg/m3，按式（2-10）計算。

　　（2-10）

式中，為蒸發蒸氣密度，kg/m3；為液體密度，kg/m3；Fv為蒸發的液體占液體總量的比例，按式（2-3）計算。

液化氣體的泄漏即屬兩相流泄漏。

（四）爆炸擴散量

容器發生爆炸，伴隨著高溫高壓，液體高速飛散，在大氣中迅速蒸發，分散成云團，其汽化率與液體沸點的關系如表2-9所示。

近似計算式為：

　　（2-11）

則爆炸后立即進入大氣的化合物量為QKu。

二、有毒物質在大氣中擴散

有毒物質以各種源的狀態釋放后進入大氣，在大氣湍流作用下進行擴散，危及下風向一定范圍內的人員健康和安全。

（一）有毒物質在不同大氣環境下的擴散形式

有毒物質在大氣中擴散的規律與氣象條件、地形條件、源的狀況等因素有關。對于連續源，濃度分布的一般規律是：濃度隨擴散距離增大而越來越低；濃度在垂直傳播曲線方向符合正態分布，即中間濃度高，y、z方向濃度逐漸降低。瞬時體源在x、y、z三個方向濃度逐漸降低（其中x為有毒物質在水平面隨風速的傳播方向；y為有毒物質在水平面上垂直風速的傳播方向；z為有毒物質垂直地面的傳播方向）。穩定源強的連續源擴散在下風向某點濃度不隨時間而變化，而瞬時源在下風向某點，濃度隨時間而變化，濃度由低到高再降低。這里只對典型環境下大氣擴散形式進行一般性描述。

1.開闊地域化學毒云的擴散形式

在大氣中的毒云的擴散稀釋很大程度上取決于氣象條件，尤其是平均風速下、風向風速穩定和大氣垂直穩定度逆溫時，毒云擴散稀釋緩慢，有利于云團大范圍傳播，危害后果嚴重。

2.密閉空間場所化學毒云的擴散形式

通風氣孔及外界風速風向、場所內的溫度等都會影響場所內的氣體流動規律。

（1）微風或無風時，有通風設施的場所氣流運動特點及毒云分布特點

①氣流運動特點是：所有開放的門窗都是進風口，氣流由安裝在頂部的排風系統排出，氣流由下往上運動，越靠近排氣口，氣流速度越大；在各進氣口中間的部位發生亂流。

②毒云分布特點是：釋放點濃度很高，部分毒云進入亂流區，不易排出；毒云由低至高運動，釋放點以上的樓層都將受到污染；從排氣口排出的毒氣將形成新的大氣污染源，對下風向具有一定危害性。

（2）有風時，有通風設施的場所氣流運動特點及毒云分布特點

①氣流運動特點是：迎主導風向的門窗有空氣流入，背主導風向的門窗有空氣流出，側面的門窗空氣時進時出不穩定；通風系統使空氣由下向上運動；場內角落處有亂流區。

②毒云分布特點是：部分毒云在主導風的影響下，向下風向門窗運動，并被排出場外；部分毒云在排風系統影響下，通過樓梯向上運動至高層，污染上層空間，一部分從窗口排出，一部分從排氣口排入大氣；在通風不良處形成毒云滯流。

3.城市街區化學毒云的擴散形式

城市街區化學毒云的擴散形式主要包括以下幾種情況：

（1）風向與街道平行時氣流運動特點及毒云分布特點

①氣流運動特點是：氣流沿順風街道運動，由于高層建筑的限制，使氣流速度變大；在街道兩側的空地和建筑物的背風面產生亂流。

②毒云分布特點是：毒云沿順風街道傳播，由于兩側受阻不易擴散稀釋，濃度較高，傳播較遠；在街道兩側空地及建筑物的背風面，毒云滯留，但濃度較低；兩旁高層建筑低層，通過不密閉門窗有毒云滲入，濃度不高，但在室內滯留時間較長。

（2）風向與街道斜交時氣流運動特點及毒云分布特點

①氣流運動特點是：氣流按銳角方向（風的去向與街道方向夾角）運動。

②毒云分布特點是：毒云沿銳角方向街道傳播擴散；在傳播過程中，不斷有部分毒云通過建筑物間隙離開主要傳播路徑，擴大空氣污染范圍；有部分毒云滲入兩側建筑物內，通常迎風或側迎風面進入的毒云濃度較高。

（3）復雜街區的氣流運動特點及毒云分布特點

①氣流運動特點是：氣流按銳角方向運動；遇有垂直風向的街道或建筑物，發生亂流；遇有兜風的空地、建筑物環繞或半環繞的空地，發生亂流；遇有街心花園、茂密樹叢地，風速較小，發生亂流。

②毒云分布特點是：毒云沿銳角方向向街道傳播；傳播過程中，不斷有部分毒云通過建筑物間隙，沿風向離開主要傳播路徑，擴大空氣污染面積；部分毒云深入街道兩側建筑物內，通常從迎風或側迎風面進入的毒云濃度較高；傳播路徑上，遇有垂直風向的街道建筑物時，毒云將向兩側擴散一定距離，并在其后發生滯留；毒云在街心花園、茂密叢林地發生滯留；毒云進入兜風的空地、建筑物環繞或半環繞的空地發生滯留。

（二）有毒物質在一般環境下的大氣擴散模型

1.高架連續點源

高架源釋放濃度的分布特點是：釋放點的地面投影處濃度并不是最高，而是在下風向某一距離上濃度最高，存在一個最大落地濃度，源的釋放高度越高，最大濃度的落地點就越遠，整個地面濃度也越小，這就是高毒性、大排氣量時使用高排氣筒的原因。

對于高架連續點源，濃度在x、y、z方向分布二源高為零時傳播軸線上的濃度×y方向衰減率×z方向的衰減率及源高的影響因素的具體形式為：

　　（2-12）

式中，C（x，y，z，H）為高架源釋放在空間（x，y，z）點的濃度，g/m3；Qp為源強，g/s；Ku為汽化率；σy、σz為大氣擴散系數，也叫濃度分布均分差，m，與氣象地形條件有關，風越大、穩定度越不穩定、地形越復雜，則σy、σz越大，形成的濃度越小。

2.地面連續點源

污染物從地面上一個點釋放時，其濃度公式由式（2-12）令H=0推得

　　（2-13）

3.垂直地面噴射連續線源

設垂直噴射液氣柱高為HL，設HL上各處化合物量分布均勻，把HL分成許多份，每一份都相當于一個連續點源，都對下風向某點的濃度產生一定作用，將它們的所有作用結果加起來（積分），就是連續線源釋放對某點產生的濃度。在源強不變的條件下，HL越大濃度越大。地面上的濃度分布可用下列關系式說明：

濃度=線源無限長時軸線濃度×濃度在y方向的衰減率×線源長度的影響率　　

具體形式為：

　　（2-14）

式中，為垂直線源長度的影響率，當HL很小時，該值趨近于0；當HL很大時，該值趨近于1，該值在0～1之間變化。

若，則近似值為：

　　（2-15）

4.地面垂直面源

設毒云的起始高度為HL，垂直風長為L，在（HL，L）面上化合物量分布均勻。若把這個面分為許多小方塊，每一個小方塊相當于一個連續點源，可用式（2-12）計算每一個點源對下風向某點作用的濃度，將所有點源作用效果加起來就是面源對某點作用的總濃度，處理結果如式（2-16）所示：

　　（2-16）

由于連續源是穩定釋放的，濃度是不隨時間變化的，因此，毒害劑量等于該處濃度乘以作用時間Δt（min），即：

　　（2-17）

作用時間越長，作用毒害劑量越大，人員遭受傷害的程度越嚴重。

5.瞬時體源

瞬時體源釋放在下風向某點的濃度隨時間變化，毒害劑量應是：

　　（2-18）

式中，C（τ）為濃度隨時間的變化函數；τ1、τ2為起止作用時間。

　　（2-19）

式中，LCτ（x，y，0）為下風向（x，y，0）處云團到達后作用Δτ所作用的毒害劑量，mg·min/L；Δτ為作用時間間隔，s；u為離地10m高處的風速，m/s；α、β為與云團起始半徑（r）、高度（h）、下風距離（x）及大氣穩定度（n）有關的系數，計算方法如下：

　　（2-20）

式中，p值見表2-10。

（三）有毒物質在特殊環境下的大氣擴散模型

1.封閉型擴散模式

當低層為不穩定大氣，在離地面幾百米到1～2km的高空存在一個明顯的逆溫層，即通常所稱有上部逆溫的情況。它使污染物的垂直擴散受到限制，只能在地面和逆溫層底之間進行。因此，有上部逆溫的擴散也稱“封閉型”擴散。

若將擴散到逆溫層中的污染物忽略不計，把逆溫層底看成是和地面一樣能起全反射作用的鏡面，這樣，污染物就在地面和逆溫層底這兩個鏡面的全反射作用下進行擴散，其濃度分布可用像源法處理。這時，污染源在兩鏡面上形成的像不止一個，而是無窮多個像對。污染物的濃度可看成是實源和無窮多像源的貢獻之和，于是地面軸線上的污染物濃度可表示為：

　　（2-21）

式中，D為逆溫層底高度，即混合層高度，m；n為毒物云團在兩界面之間的反射次數。

實際中上式計算過于煩瑣，一般多采用一種簡化的方法，可把濃度估算按下風距離x的不同分成三種情況來處理。

（1）當x≤xD時　xD為云團垂直擴散高度剛好達到逆溫層底時的水平距離，在x≤xD時，云團擴散尚未受到上部逆溫層的影響，其濃度仍可按一般擴散模式估算。xD值可按以下方法求取：

　　（2-22）

按式（2-22）求出σz后，由有關圖表查出與σz對應的下風距離x，此x值即為σD。

（2）當x≥2xD時　毒物云團經過兩界面多次反射，達到某一距離x后，在z方向的濃度分布將漸趨均勻，一般認為，x≥2xD時z方向濃度分布就均勻了；但y方向濃度分布仍為正態分布，且仍符合擴散的連續性條件，于是得到此時的濃度方程為：

　　（2-23）

（3）當xD<x<2xD時　污染物濃度在前兩種情況的中間變化，情況較復雜，這時可取x=xD和x=2xD兩點濃度的內插值來計算。

2.熏煙型擴散模式

在夜間發生輻射逆溫時，清晨太陽升起后，逆溫從地面開始被破壞而且逐漸向上發展。當逆溫破壞到毒物云團下邊緣以上時，便會發生強烈的向下混合作用，使地面污染物濃度增大，這個過程稱為熏煙（或漫煙）過程，如圖2-9所示。

為了估算熏煙條件下的地面濃度，假設毒物云團原來是排入穩定層內的，當逆溫層消失，在高度hf以下濃度的垂直分布是均勻的，則地面濃度仍可用式（2-23）計算，只是D應換成逆溫層消失高度hf，源強Q只應包括進入混合層中的部分，所以計算公式改為：

　　（2-24）

式中，p=（hf-H）/σz；hf為逆溫層消失的高度，m；σyf為熏煙條件下y方向擴散系數，m，σyf值可以按式（2-25）計算：

　　（2-25）

式中，σy、σz為原大氣穩定度級別（E或F）時的擴散系數。

當逆溫消失到污染源有效高度處，即hf=H時，可以認為毒物云團的一半向下混合，另一半仍留在上面的穩定大氣中，則：

　　（2-26）

當逆溫層消失到毒物云團的上邊緣時，可以認為毒物云團全部向下混合，使地面熏煙濃度達到最大值。當逆溫層繼續向上消失時，毒物云團全部處于不穩定大氣中，熏煙過程將不復存在。

3.城市大氣污染擴散模式

城市中的擴散是相對于野外鄉村平坦地的擴散而言的。城市是人口、工商業、交通密集地區，受到城市下墊面粗糙及城市熱島效應等環境因素的影響，使得氣象特征及大氣擴散規律與平原地區有著顯著不同。因此，污染物濃度估算是十分復雜和困難的，下面簡單介紹兩種擴散模式。

（1）“箱”模式　“箱”模式是最簡單的城市大氣污染擴散模式，它假定整個城市是長方形，且有一邊和風向完全平行，污染物濃度在混合層內是均勻分布的，即整個城市只有一個濃度值，設城市面源平均強度為Q［g/（s·m2）］，城市邊長為l，混合層高度是h，平均風速u，則“箱”模式濃度是：

　　（2-27）

“箱”模式是對實際情況的極大簡化，假設污染物一旦由源排出，就立即在混合層內均勻分布，這與污染物在垂直方向的擴散情況不符。因此，“箱”模式低估了實際的地面濃度，但范圍越大，應用效果越好。

（2）簡化為點源的面源模式　將城市面源分成若干小方格，每個方格內的源強為方格內所有源強的總和除以方格的面積。計算時，假設面源單元與上風向某一虛擬點源所造成的污染等效，當這個虛擬點源的煙流擴散到面源單元的中心時，其煙流的寬度正好等于面源單元的寬度，其厚度正好等于面源單元的高度。這相當于在點源公式中增加了一個初始擴散參數，以模擬面源單元中許多分散點源的擴散，其地面濃度可用式（2-28）計算：

　　（2-28）

σy0、σz0常用以下經驗方法確定：

　　（2-29）

式中，W為面源單元的寬度，m；H為面源單元的平均高度，m；其他符號意義同前。

4.山區擴散模式

山區流場受到復雜地形的熱力和動力因子影響，流場均勻和定常的假設難以成立。毒物云團的輸送，嚴格說是由一些無規律可循的氣流運動完成的，正態分布假設也難以成立。但國內外許多山區擴散實驗表明，對風向穩定、研究尺度不大、地形相對較為開闊及起伏不很大的地區，相當多的實驗數據基本上還是遵循正態分布規律的。在這樣的地區，污染物擴散仍可用平原地區的高斯擴散模式。但由于山區大氣湍流強烈，擴散速率比平原地區快，擴散參數比平原地區大得多，因此應取向不穩定方向提級后的擴散參數。山谷地區的大氣擴散模式可以采用封閉山谷中的擴散模式。

狹長山谷中近地面源的污染，由于受到狹谷地形的限制，可以認為污染物僅能在狹谷兩壁之間擴散。由于壁的多次反射作用，可以認為在距離污染源一段距離之后，污染物在橫向近似為均勻分布，在垂直方向仍為正態分布，所以有下面的濃度表達式：

　　（2-30）

式中，W為山谷的寬度，m；其他符號意義同前。

若為高架源，則濃度方程為：

　　（2-31）

與前面討論過的封閉型擴散類似，在毒物云團開始擴散的一段距離內，污染物在橫向擴散尚未達到均勻，這時應考慮橫向擴散的影響。當達到一定距離后，可以認為污染物在橫向達到了均勻分布。顯然，這個距離和谷寬W有關，其關系為：

　　（2-32）

已知谷寬W時，可求出σy，再根據大氣穩定度，即可求出相應的距離x值，此距離可認為是擴散開始受到狹谷兩側壁影響的距離。

（四）毒物云團的脫離和受熱上升

1.毒物云團的脫離

毒物云團運動時，必然會向各個方向散布開來。由于風速是隨著地面高度增加而增大的，因此散布在上層的部分云團，其水平方向的運動速度比下層云團要快，若上層與下層風向一致，則上層云團必然會超過下層云團，先到達某地的上空。有時由于湍流混合作用，上層氣流也可能潛入到下層，造成低濃度區。在毒物云團運動過程中，首先接近某地的不是高濃度云團而是低濃度云團，這樣就等于事先給了一個預告，這種現象可以出現在逆溫和等溫條件下。可以根據某地區附近的風速和某一高度上的風速差來估計上層云團超過下層云團多大距離，實驗證明，有時可達50～100m，甚至1000m。

除了風速隨高度增加而增大影響云團運動以外，溫度的影響也是很大的。當溫度梯度為負或零時，云團的傳播規律可用擴散方程表示。但溫度梯度為正時，云團就會脫離地面而上升，這種脫離地面的趨勢隨著風速的減小和空氣不穩定程度的增強而增大，這種現象在擴散方程中是沒有考慮到的。

2.毒物云團的受熱上升

云團受熱上升是指擴散源產生的熱引起的毒物云團上升。在毒物擴散過程中，有時在其附近會產生大量的熱，造成比周圍空氣更高的溫度，因此云團也就比周圍空氣輕，出現上升（在污染氣象學里叫煙云抬升），一直升到與周圍空氣密度相同時才停止，如毒物爆炸或燃燒時，均有大量的熱量傳遞給毒物云團。實驗表明這種溫差雖然消失很快，但上升的云團將在較高的高度上傳播，減小了地面濃度，對人員的殺傷作用將有所減弱。風速增大有利于熱空氣與周圍空氣的混合，抑制了云團的上升，但風速增大也會使擴散加劇。這種現象在前面所述的擴散方程中也沒有考慮。

三、有毒物質在水域中的擴散

大量有毒化合物泄入水中，一般以3種狀態起毒害作用：一是有毒化合物是油狀不溶于水，漂浮在水面上的油狀污染物可直接污染碼頭設施和船舶的接水部分，如遇明火引燃和蒸發有毒氣體可直接擴散入空氣；二是能溶解于水，直接污染水源；三是沉入水底，成為一種長期的污染毒源。

（一）化學毒物污染水域的擴散形式

毒物進入水體后，按照它們與水體的混合狀態可以分為豎向混合、橫向混合與完全混合3個階段。

1.豎向混合階段

由于河流的深度通常比寬度小，毒物進入河流很快達到豎向濃度分布均勻，完成豎向混合過程。完成這一過程所需的水平距離大約為水深的幾倍至幾十倍。在豎向混合過程中也存在橫向混合過程。

2.橫向混合階段

由于擴散和彌散等原因，逐步在橫斷面上達到濃度分布均勻，完成橫向混合過程。完成這一過程所需的下游距離比完成豎向混合所需要的長度大得多，并且河流越寬所需距離越長，該距離與河的寬度呈平方關系：

　　（2-33）

式中，B為河流平均寬度，m；μ為河流平均流速，m/s；H為平均水深，m；μ*為摩阻流速，，m/s，g為重力加速度，m/s2；I為河流水力坡降。

3.完全混合階段

完成橫向混合之后，毒物在斷面上的濃度分布處處均勻，在沒有新的毒物補充的情況下，對于守恒物質，各斷面上濃度保持相等；對于非守恒物質，由于自身不斷降解，使濃度隨距離或時間增長而不斷減小。毒物在天然水體中主要是發生水解，因此，水解速度決定了毒物濃度下降的速度。順直河流中，達到全斷面完全混合的距離與河寬的平方成正比關系：

　　（2-34）

式中，Dy為橫向擴散系數，m2/s。

由于河流中存在著不同的混合過程，因此，要根據各種河流不同的特點選用相應的濃度計算模型。豎向混合過程涉及空間三個方向，豎向混合問題又稱為三維問題；相應的橫向混合問題，稱為二維問題；完成橫向混合以后的問題稱為一維問題。如果河段很長，水深和水寬相對很小，一般可簡化為一維混合問題，這樣處理要比二維、三維簡單得多。

若毒物難溶或不溶于水且難以揮發，此時若毒物與水體的相對密度明顯大于1時，毒物將很快沉入水體底部，或者部分形成懸浮體系，使水體質量嚴重下降，不能正常使用；相對密度明顯小于1時，毒物將在水面上形成直徑在幾至十幾毫米的漂浮物或液膜，長時期污染水體表面，必須及時進行收集打撈。

（二）毒物在水體中的遷移過程

毒物在河流中的混合過程是由于水體的不同遷移過程造成的。毒物在河流中的遷移過程可分為兩類：一類是推流，另一類是非推流。推流也稱平流，在推流過程中河流橫斷面上流速處處相等，水流之間不發生任何混合和干擾，染毒水體被從一個河段推移到下一個河段。非推流運動存在著質點與水流之間的相互混合的擴散和彌散作用。

1.擴散作用

擴散是流體中分子或質點的隨機運動產生的分散現象，分為分子擴散和湍流擴散兩種作用。分子擴散是由于分子無規則運動引起的質點分散現象，分子擴散服從菲克（Fick）第一定律，即分子擴散的質量通量與擴散物質的濃度梯度成正比，即：

　　（2-35）

式中，Mm為分子擴散的質量通量，g/（m2·s）；Dm為分子擴散系數，m2/s；為毒物濃度沿等濃度曲面法線方向的梯度，g/m4。

式（2-35）也可寫成x、y、z多方向上的分量形式：

　　（2-36）

Dm值約為10-8～10-10m2/s。

湍流擴散是湍流場中質點的流速、壓力、濃度等狀態的瞬時值相對于其時間平均值的隨機脈動而導致的分散現象，當流體質點的紊流脈動瞬時速度為穩定的隨機變量時，湍流擴散規律也可以用菲克第一定律表達，即：

　　（2-37）

式中，Mt為湍流擴散的質量通量；Dt為湍流擴散系數；C為水中毒物的時間平均濃度。

同樣，式（2-37）也可寫成：

　　（2-38）

湍流擴散是各向異性的，其值一般為10-4～10-6m2/s。與湍流擴散系數相比，分子擴散系數小得多，因此，一般河流中污染物的分子擴散作用可以忽略不計。

2.彌散作用

彌散作用是由于橫斷面上實際的流速分布不均引起的。在用斷面平均流速描述實際的運動時，就必須考慮一個附加的、由流速不均引起的彌散作用，該作用同樣可以用菲克第一定律表達，即：

　　（2-39）

式中，Md為彌散引起的質量通量；Dd為彌散系數；C為湍流時間平均濃度的空間平均值。

彌散系數一般為10～104m2/s，實際應用中為了簡化常常忽略。

（三）毒物在河流中的擴散模式

1.零維模型基本過程

把某河段看成是一個理想的完全混合反應器，即毒物進入水體后迅速均勻地分布到水體的各部分，起始濃度為C0，在向下游運動的過程中，體積不變化，濃度由于水解時間的延長而下降，假設該過程符合一級反應，則可以得到零維模型基本方程：

　　（2-40）

式中，C為染毒后t時刻或下游處的染毒濃度，mg/L；C0為起始染毒濃度，mg/L；k1為水解速度常數，s-1；u為水流速度，m/s；x為離起始染毒河段的下游距離，m。

起始染毒濃度C0可以由現場偵檢測得，也可以由計算的方法預測。

對于瞬時源：

　　（2-41）

式中，Δ為平均染毒密度，g/m2；B為河寬，m；Δx為河段長，m；h為河深，m。

對于連續源：

　　（2-42）

式中，Qp為擴散源的源強，g/s；Q為河水流量，m3/s；u為河水流速，m/s。

零維模型適用于混合程度較好的均勻河段，例如河寬、河深不大，流速較大的平直河流。

2.一維模型基本方程

一維模型基本方程適用于寬度和深度都很小，但流速隨深度有變化的河流，此時染毒濃度不但在x方向要彌散，而且會發生水解。根據質量守恒定律和連續性原理，可推導出一維模型基本方程。

（1）連續源的一維模型基本方程

　　（2-43）

式中，C0為釋放點的起始濃度，mg/L；ux為x方向的水流速度，m/s；Dx為x方向的彌散系數，m2/s；k1為水解速度常數，s-1；x為下游方向離釋放點的距離，m；C為x處的染毒濃度，mg/L。

（2）瞬時點源的一維模型基本方程

　　（2-44）

式中，W為瞬時釋放的毒物量，g；A為河流斷面平均面積，m2；C（x，t）為x處，t時刻染毒濃度，mg/L。

（3）瞬時線源的一維模型基本方程　如果在長為Δx的河流上染毒，則可以把Δx分成若干斷面，分別計算對下游x處濃度的貢獻，并用積分的方法建立濃度方程。

　　（2-45）

式中，W為在Δx的河段中的毒物量，g；A為河流斷面平均面積，m2；Δx為平均染毒密度，g/m2。

3.二維模型基本方程

二維模型基本方程適用于深度較小，寬度較大的河流，染毒水體在x方向和y方向都擴散的河流。

（1）連續點源的二維模型基本方程

　　（2-46）

該式適用于無邊界的連續點源。

（2）瞬時點源的二維模型基本方程

　　（2-47）

在有邊界的條件下要增加邊界的反射作用，因此，將式（2-47）修正為：

　　（2-48）

式中，b為點源到邊界的距離。

（3）瞬時面源的二維模型基本方程　當發生化學突發災害事故，使靠河岸邊的長Δx，寬Δy的水域染毒，采用積分的方法得到瞬時面源的濃度公式為：

　　（2-49）

4.三維模型基本方程

在均勻河段中，毒物在水中水解符合一級反應的三維模型通式如下：

（1）連續點源的三維模型

　　（2-50）

（2）瞬時點源的三維模型　在均勻流場中，典型的三維模型的解析解為：

　　（2-51）

四、影響化學事故危險源擴散危害的因素

化學事故危險源的危害范圍會受很多因素的影響：

（一）事故發生的時間和地點

1.事故發生的時間

同樣的事故在不同的時間發生，所造成的危害是不同的。這是因為不同時間段人口分布情況、防護狀況不同；不同時間大氣垂直穩定度也不相同。

2.事故發生的地點

不同地點的地表性質不一樣，如茂密的草地和光禿的耕地，起始大小相同的有毒云團傳播的遠近將有明顯差別；再如城市工業區和農村平原，相同天氣條件下大氣垂直穩定度要相差半級到一級，所以大氣湍流的強度不一樣，直接表現就是有害物質的濃度在大氣中衰減的速度不同，因而傳播縱深和危害范圍都不相同。

（二）化學事故的類型和起始參數

1.事故的類型

不同類型的化學事故其危害形式不同。例如，超壓爆炸事故在爆炸瞬間形成一個巨大的有毒云團，這種云團邊向下風向飄移其濃度邊下降，傳播縱深較遠，所經之處均可引起人員中毒；而連續泄漏事故危害縱深較近，并且在危害縱深內毒物濃度基本恒定不變，除非泄漏停止；爆炸燃燒事故則主要以爆炸沖擊波對建筑、設備及人員造成機械損傷，以熱輻射對人員和器材造成燒傷損傷。所以事故類型不同，不僅危害形式不同，而且危害范圍也相差較大，對人員和財產所造成的損失更不相同。

2.事故的起始參數

同樣類型的事故起始參數不同，其危害也大不一樣。根據事故類型確定有關事故起始參數，其中泄漏事故包括泄漏部位、容器壓力、管道直徑，爆炸事故包括爆炸物質總量、爆炸瞬間有毒云團的起始半徑和起始高度，池火燃燒事故則包括池火半徑和環境溫度等參數。以管道斷裂引起的連續泄漏事故為例，管道直徑和壓力越大，則泄漏速率或源強越大，同樣條件下其危害就越大。

（三）化學毒物的理化性質

能夠引起嚴重化學事故的化學危險源，主要指常溫常壓下是氣體，或液體但能迅速揮發，并在大氣中能夠較穩定地擴散的有毒化學物質。

化學毒物的理化性質如分子量、密度、沸點、揮發度、飽和蒸氣壓、爆炸極限、液態毒物的汽化率等都能直接影響化學危險源的危害范圍、程度及對其防護的難易。例如沸點的高低直接影響毒物的汽化率，只有汽化的部分毒物才能造成大范圍的空氣染毒。相對密度太小，泄漏介質容易對流至高空；相對密度太大，又容易沉降至地面，對云團傳播不利，故造成的危害也相對小。對于爆炸極限，若爆炸極限較小，通過泄漏造成空氣染毒后，特別容易引起燃燒爆炸。

（四）化學毒物的毒性和儲量

化學事故危害源的化學毒物毒性越大，危害也就越重；化學毒物的儲量大，危害也就大。例如：等量的氯氣和氨氣發生泄漏，氯氣的危害范圍要比氨氣大5～10倍。表2-11列出了常見化學毒物各種程度的毒害劑量。

（五）氣象條件

氣象條件影響著化學事故危險源的危害程度，包括風速、風向、大氣垂直穩定度、氣溫等。

1.風速

風速是指單位時間內空氣在水平方向上移動的距離，通常用m/s來表示，在天氣預報中用風力等級表示。風速指10m高處的平均風速，可通過風速儀測定，亦可根據風力進行換算。計算機系統可自動建立當時氣象條件下的風速廓線，并據此計算出1m、2m等不同高度上的平均風速。

各風力等級（也稱風級）的各種征象和相應的風速如表2-12所示。

風力等級F與風速的轉換關系是：

V=0.833F1.5　　（2-52）

應用中為了方便起見，6級風以下，可用式（2-53）轉換：

V=2F-1　　（2-53）

在化學事故現場，風速影響泄漏氣云的擴散速度和被空氣稀釋的速度。風速越大，大氣湍流越強，空氣的稀釋作用越大，風的傳送作用也越大。微風條件下，即風速為1～5m/s，易使云團擴散，危害最大；若風速增大，則泄漏氣體在地面的濃度降低。

2.風向

風向指風的來向，采用國家統一的風向劃分，包括東、南、西、北、東北、西北、東南、西南、東東北、北東北、東東南、南西南等16個方位。

風隨時隨地都在變化，但它有一定的變化規律。

①風速隨高度的變化。近地面（距地面50～100m以內），風速隨高度增加而加大。風速隨高度增高而加大的程度與大氣的穩定程度、地面性質有關，描述它們關系的數學公式為風速廓線方程。

　　（2-54）

式中，u1為z1高度上的平均風速，m/s；u2為z2高度上的平均風速，m/s；m為指數，可由表2-13查出。

由于事故可能發生在不同高度處，毒氣云團有一定的高度，因此要用到不同高度處的風速或某一高度內的平均風速來估算毒氣云團的擴散。只要知道10m高的風速或2m高的風速，就可以計算出各高度處的風速。

②風速隨時間的日變化。風在一天內往往隨時間而變化，夜間和傍晚風速較小，而中午前后風速加大。夜間風速較小時，大氣穩定，毒云不易擴散，能保持高濃度，因此化學事故危害更大。

③地形風。地形對風產生影響。在山區有上下坡風。晴天白天由于山下溫度高，空氣向山坡上吹，稱為上坡風；夜間山上冷，冷空氣向山坡下吹，稱為下坡風。因此在有山溝的地方，白天風由山溝外吹向山溝內，稱為進溝風；夜間風由山溝內向山溝外吹，稱為出溝風。同樣道理，在大片山區和平原交界處，白天風由平原向山區吹，稱為谷風；夜間風由山區向平原吹，稱為山風。

城市和鄉村無論白天或夜間，總是城市溫度高于鄉村，因此常常是風從四面八方吹向城市，稱為鄉村風。

在沿海，由于海水一天的溫度日變化很小，而陸地一天的溫度日變化要大得多，因此，白天風由海面吹向陸地，稱為海風；夜間風由陸地吹向海面，稱為陸風。

④風玫瑰圖。某地區一定時間內的各種風向、風速和根據風向、風速對大氣污染綜合影響的資料繪制在方位圖上的圖形，稱為風玫瑰圖。風玫瑰圖包括風向、風速玫瑰圖和污染系數（風向風速綜合影響）玫瑰圖。為保證居民生命安全和減少或避免工業企業有害氣體污染，在城鄉規劃時通常要考慮當地風玫瑰圖，化學救援預案的制定就要以風玫瑰圖為依據。

風玫瑰圖也是表示風向頻率分布的一種圖形，各角度即風的方位，半徑大小即該風向的頻率。

某風向頻率是指某一時刻某風向出現的次數被各個風向出現的總次數所除得到的小數再乘以100%。

風的去向就是毒云危害的方向，風的去向頻率就是毒云危害方向頻率，以此同樣可以畫出毒云危害方向玫瑰圖。

⑤風對大氣污染物傳播、擴散的影響。化學事故大氣污染物危害方向由平均風向決定，傳播軸線就沿著風的下風方向，但由于風向的擺動，實際上形成一個扇形污染區。

風速大小和風向穩定性影響污染物在大氣中的擴散，風速越大，風向、風速越不穩定，大氣湍流越強，污染物在大氣中稀釋擴散越快，濃度下降越快，危害縱深越小；當風速過小（<1m/s）時，近地面層風向極不穩定，此時污染物易彌漫于事故源周圍，形成近距離的傷害。

應當注意的是，當化學突發事故中污染物泄漏時間很長時，可能遇到風向和風速的系統改變，污染的方向也會發生系統的變化。

3.氣溫

氣溫越高，液體毒物的蒸發速度越快，汽化率越大，進入大氣的毒物量越多，染毒空氣濃度越大，危害范圍也越大；同時，溫度高時人員出汗多，著衣少，因而通過皮膚中毒的可能性也增大。

4.濕度

濕度和降水對于毒物在大氣中的傳播與危害效應也有一定影響，但一般只局限于揮發度低或者水溶性好、能發生氣相水解或穩定性較差的化學物質，會使危害縱深相應縮短。

以上討論的各種氣象條件對于有毒云團的傳播速度、方向、影響區域和傳播遠近都有顯著影響，可分別通過儀器觀測或當地氣象臺站得到。

5.大氣垂直穩定度

近地面層大氣的垂直運動，習慣上稱作大氣垂直穩定度，通俗說就是大氣發生垂直運動的難易程度。它是對事故危害有顯著影響的一個參數，這是一個派生的氣象參數，但是非常重要，可以根據發生事故的時間、地點和風速、天空云量等數據由計算機自動判定，也可以用太陽凈輻射儀進行觀察判定。

大氣的垂直運動主要是由于熱力和動力因素引起的。

太陽照射地面，從日出到日落，一天中照射地面的角度（太陽高度角）不同，地面受熱狀況也不同。日出后，太陽高度角逐漸升高，地面吸收的熱量逐漸增多，地面溫度逐漸升高，到中午后達到最大值；以后太陽高度角逐漸減小，地面吸收的熱量開始小于放出的熱量，地面溫度逐漸下降；到日落后，太陽輻射的熱量更小了，地面不斷放熱使地面溫度直線下降，到第二天日出前達到最低點。

空氣溫度主要是由于地面熱輻射引起的，因此晴天白天接近地面的空氣層溫度高于上面的空氣溫度，溫度高氣體密度就變小，從而進行上升運動，形成“對流”；夜間地面溫度降得快，接近地面的空氣溫度低于上面的空氣溫度，下層空氣密度大，上層密度小，形成一種穩定狀態，稱為“逆溫”，空氣很少上下流動，不利于污染物的擴散，往往造成高濃度；在這兩者之間還有一種過渡狀態，稱為“等溫”。

熱力影響，除太陽高度角外，還與天空云高、云量和地面性質有密切關系。

（1）大氣層垂直結構　根據大氣溫度的垂直分布，由地面向外層空間，大氣層依次劃分為對流層、平流層、中層和暖層。其中，對流層是最接近地面的一層大氣，其厚度因緯度和季節不同而有變化，大概在地表以上8～15km的范圍內，赤道最高，約15km，南北兩極最低，約8km。對流層的厚度雖然非常小，但是它的質量卻占大氣圈總質量的75%，而且全部的水分及云霧雨雪等主要的大氣現象都發生在這一層。對流層是對人類生產和生活影響最大的一層，有害物質的遷移、擴散、稀釋、轉化也主要在這一層進行。對流層自身也分很多層，其中30～50m以下的空氣層叫作近地面空氣層，簡稱近地面層，我們所指的大氣垂直穩定度一般指近地面層的空氣垂直穩定度。

（2）大氣垂直穩定度分類　衡量大氣垂直穩定程度的參數叫作垂直穩定度判據，包括拉赫特曼穩定度判據、薩頓穩定度判據、風速比、風向標準差、SR數、溫度梯度、理查遜數和帕斯奎爾-特納爾穩定度數據。在化學事故危害評估中，對爆炸體源的計算采用拉赫特曼穩定度判據，對其他連續泄漏源采用帕斯奎爾穩定度判據，兩者之間可相互轉換。

拉赫特曼穩定度判據分為對流、等溫和逆溫三大類。當氣溫隨高度增加而降低時，大氣的密度就隨高度增加而增加，從而引起空氣在垂直方向的流動，這時的穩定度稱為“對流”。當氣溫隨高度增加而增加時，大氣的密度隨高度增加而減少，空氣在垂直方向幾乎不流動，稱為“逆溫”。當垂直溫度差接近零時，稱為“等溫”。

帕斯奎爾-特納爾穩定度判據分為六類，具體如表2-14所示。

不管是哪種穩定度都可根據發生事故的時間、地點和風速、天空云量等數據進行判定或者計算。以拉赫特曼穩定度判據為例，各種穩定度出現的時機如表2-15所示。

（3）大氣垂直穩定度對化學事故危害的影響　大氣垂直穩定度對化學事故危害的影響主要表現在對有毒云團傳播的影響上。具體表現為：逆溫時云團緊貼著地面運動，傳播縱深較遠；等溫時云團在垂直方向運動加劇，濃度稀釋較快，縱深相對較短；而在對流時有害物質迅速擴散到高空，地面濃度很快衰減，很難形成大范圍的傳播擴散。此外，地面性質對危害縱深也有顯著影響，尤其是在逆溫時影響明顯。這是因為對流或等溫條件下云團的厚度較大，相比之下矮密植物層的作用可以忽略，而逆溫時云團緊貼著地面運動，矮密植物層對云團的阻滯和吸附作用就十分明顯了。由于地面凸凹不平，當風吹過時引起亂流，也會引起大氣污染物的垂直方向輸送，稱為動力因素。風越大，地面越粗糙，擴散越劇烈，因此同樣熱力條件下，城市中的擴散強度要比農村高。實際判定穩定度時，要同時考慮熱力和動力因素。

（六）地形、地物

地形、地物主要影響泄漏氣云的擴散速度，還會改變擴散方向。如毒氣遇獨立的低矮房屋時，可從兩側或屋頂通過；如遇連續排列的建筑物時，毒氣云團可沿街道和里弄空隙通過；如遇高層建筑物時，由于兩側風速較大，毒氣云團可迅速通過并擴散。如當時垂直穩定度處于逆溫或等溫，空氣上下幾乎沒有流動或稍有流動，則高層建筑的上部和頂部毒氣擴散不到，為相對安全區，毒氣從高層建筑物的底部兩側通過并擴散；而遇低矮建筑或封閉里弄時，毒氣最易滯留，特別是居民密集的背風街道、庭院和通風不良的房屋內，毒氣亦容易滯留，此時染毒濃度較高；而且城市的綠化地域也能減緩毒氣傳播速度，毒氣易滯留。這些地域是救援隊伍不能停留、居民應盡快疏散的危險區。

（七）居民整體防護水平和人口密度

1.居民整體防護水平

居民整體防護水平取決于以下幾個方面：①對化學事故危害的認識程度；②接受化學事故應急救援訓練的程度；③防護與救援器材的完備程度與熟練使用能力；④身體素質狀況。

居民整體防護水平的高低，具體表現為在發生事故時能否很快進行正確且有效的自我防護。根據突發事故發生或嗅到異常氣味后完成正確防護所需的時間，可將其劃分為防護水平優良、防護水平中等、防護水平一般和防護水平較差四個等級，具體如表2-16所示。

不言而喻，發生事故后如果大家都能進行有效的防護，那么再大的事故也很難造成人員的中毒身亡。因此，具有一定的逃生知識，能夠及時采取一定的防護措施的人員，能夠避免或減輕化學毒物的危害，大大降低化學事故危險源的危害效應。

為提高居民的整體防護水平，必須開展經常性的化學事故救援訓練。

2.人口密度

人口密度主要影響化學突發事故引發的中毒傷亡人數。同等規模的事故發生在渺無人煙的曠野里和在人海茫茫的繁華都市里，其濃度分布和人員殺傷率差別并不大，因為這與人口密度無關，但是中毒傷亡的人數卻會千差萬別。曠野里可能方圓幾公里內看不見幾個人，所以很大的事故傷亡人數也很少，但如果是在大城市的繁華地段，每平方千米的人口可能高達上萬人甚至數萬人，有些繁華商業區在特定的時間段人口密度可以高達10萬人/km2。在這種情況下如果發生事故，中毒傷亡的人數很可能就是幾十、幾百甚至上千人。因此，相同事故在相同地點、相同條件下發生，人口密度越大，事故造成的中毒傷亡人數就越多。

還有一些其他不可預測的原因，包括控制事故規模不再繼續擴大的技術、應急救援器材、應急救援專業隊伍的建設情況、應急救援預案的完善程度、事故現場的組織指揮與協同水平，以及特殊地形和特殊氣象規律的影響，對于化學事故危害都會產生不同程度的影響。