城市小區(qū)環(huán)境中生物劑氣溶膠的擴(kuò)散模擬方法研究.pdf

1、生物恐怖是指恐怖分子有預(yù)謀地施放病原微生物或者其有害產(chǎn)物所進(jìn)行的恐怖活動(dòng),以達(dá)到危害人類健康、引起社會(huì)恐慌、威脅社會(huì)安全和穩(wěn)定的目的。生物恐怖問(wèn)題由來(lái)已久,并隨著2001年美國(guó)“9.11”事件后的炭疽郵件恐怖事件引起世人的廣泛關(guān)注,許多國(guó)家也開始把反生物恐怖作為國(guó)家安全的重要組成加以考慮,因此,反生物恐怖危害評(píng)估,越來(lái)越受到世界上許多研究與前沿專家的高度重視。盡管生物恐怖襲擊的方式多種多樣,如氣溶膠擴(kuò)散、污染水源或者食物、媒介傳播等,但

2、是氣溶膠擴(kuò)散因?yàn)榫哂杏绊懛秶蟆鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn),最有可能成為生物恐怖的襲擊方式。因此,研究生物劑氣溶膠的傳播擴(kuò)散以及之后對(duì)人員產(chǎn)生的危害,就成為反生物恐怖危害評(píng)估的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。
　　生物劑氣溶膠擴(kuò)散的研究方法主要包括高斯模型、拉格朗日模型和計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamic,CFD)數(shù)值計(jì)算等。傳統(tǒng)的高斯擴(kuò)散模型是目前應(yīng)用最廣泛的研究生物劑氣溶膠擴(kuò)散的方法,但它主要適用于幾公里到幾百公里的中小

3、尺度范圍,且要求氣流條件相對(duì)穩(wěn)定均勻,例如平坦開闊的郊外或者城市邊界層(城市建筑物屋頂以上到積云中部高度)。而城市覆蓋層(城市建筑物屋頂以下到地面的空間區(qū)域),是人類活動(dòng)的主要區(qū)域,特別是建筑物密集、人口集中的大城市,很有可能成為恐怖襲擊的重點(diǎn)目標(biāo)。由于這一區(qū)域內(nèi)建筑物分布復(fù)雜,因此建筑物周圍的空氣流動(dòng)會(huì)變得不規(guī)則,形成湍流,并導(dǎo)致生物劑氣溶膠擴(kuò)散的不規(guī)則性。基于上述內(nèi)容,研究城市覆蓋層生物劑氣溶膠的擴(kuò)散模擬是十分重要且必要的。雖然拉格

4、朗日隨機(jī)模型因其自身適用于復(fù)雜不均勻的氣流條件,而被目前國(guó)外很多相關(guān)的模擬系統(tǒng)所采用,但其主要是針對(duì)城市街區(qū)以上的較大尺度范圍,分辨率和精確度較低。
　　本研究著重城市小區(qū)環(huán)境的生物劑氣溶膠擴(kuò)散研究。由于建筑物密集,空氣流動(dòng)復(fù)雜而不規(guī)則,一旦在城市中施放生物劑氣溶膠,在短時(shí)間內(nèi)其自身隨空氣擴(kuò)散的情況會(huì)復(fù)雜多變,難以準(zhǔn)確把握,同時(shí)因?yàn)槌鞘兄腥丝诿芗?會(huì)造成嚴(yán)重后果,所以需要更精確地把握生物劑氣溶膠擴(kuò)散后的濃度分布,這樣才能滿足反生物

5、恐怖危害評(píng)估和應(yīng)急響應(yīng)日趨精確量化的要求。因此,本研究選取尺度更小(幾十米到幾公里)、人口活動(dòng)頻繁的小區(qū)環(huán)境為研究對(duì)象,嘗試在較小范圍內(nèi)精確模擬建筑物分布對(duì)生物劑氣溶膠擴(kuò)散的影響,最終得到生物劑氣溶膠擴(kuò)散后的顆粒數(shù)目分布,并根據(jù)人員感染的概率進(jìn)行污染區(qū)域的劃分。
　　本研究采用離散相模型來(lái)模擬生物劑氣溶膠顆粒在虛擬小區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程。離散相模型的基本原理是利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)來(lái)進(jìn)行拉格朗日隨機(jī)模型的數(shù)值計(jì)算,模擬離散相生物劑氣

6、溶膠顆粒的擴(kuò)散軌跡和擴(kuò)散過(guò)程。首先根據(jù)實(shí)際小區(qū)的平面圖,建立大小為700m×700m的虛擬小區(qū),中間按一定規(guī)則排列10棟樓,虛擬小區(qū)即整個(gè)模型的流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域。利用離散相模型的前提是掌握離散相所在的連續(xù)相空氣流場(chǎng)信息,因此,首先利用k-ε湍流模型模擬流場(chǎng)中的空氣流動(dòng),得到流場(chǎng)中湍流流動(dòng)的信息,即空氣流場(chǎng)的速度云圖及等值線圖。在此基礎(chǔ)上,以典型的生物劑氣溶膠——炭疽桿菌芽孢氣溶膠為例,通過(guò)離散相模型對(duì)氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算,由于離散相模

7、型的模擬計(jì)算是通過(guò)計(jì)算足夠多的顆粒軌跡情況來(lái)模擬湍流對(duì)顆粒擴(kuò)散的影響,因此可以通過(guò)較少數(shù)目的顆粒軌跡來(lái)近似模擬大量氣溶膠顆粒的擴(kuò)散趨勢(shì)。在得到顆粒軌跡圖以及顆粒隨時(shí)間變化的位置數(shù)據(jù)(橫縱坐標(biāo)值)之后,利用Matlab編程對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,可以準(zhǔn)確地掌握任意時(shí)刻顆粒的分布情況,還可以對(duì)流場(chǎng)中的任意區(qū)域進(jìn)行顆粒數(shù)目的統(tǒng)計(jì),精確地計(jì)算出顆粒的數(shù)目分布。
　　經(jīng)過(guò)離散相模型的模擬計(jì)算以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理,我們得到了炭疽桿菌芽孢氣溶膠顆

8、粒在20s、40s、60s、80s、100s和120s時(shí)的顆粒分布圖以及顆粒數(shù)目分布柱狀圖和等值線圖。通過(guò)不同時(shí)刻的顆粒分布圖,可以定性地分析顆粒在整個(gè)流場(chǎng)中擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和趨勢(shì),并且可以明顯地看到顆粒的擴(kuò)散過(guò)程主要是受湍流影響的。通過(guò)不同時(shí)刻的顆粒數(shù)目分布柱狀圖和等值線圖,我們可以定量地分析整個(gè)小區(qū)內(nèi)任意一個(gè)位置炭疽桿菌芽孢氣溶膠顆粒的數(shù)目,從而為下面準(zhǔn)確地評(píng)估人員的感染概率提供依據(jù)。
　　吸入式炭疽的劑量-反應(yīng)模型,可以描述

9、人員感染炭疽的概率同人員吸入炭疽芽孢的數(shù)目之間的關(guān)系。盡管劑量-反應(yīng)模型主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的,但是隨著近些年來(lái)相關(guān)研究的快速發(fā)展,劑量-反應(yīng)模型已經(jīng)比較成熟,且有研究表明,劑量-反應(yīng)關(guān)系對(duì)于不同的人員年齡來(lái)說(shuō)是不同的。本文利用吸入式炭疽與年齡相關(guān)的劑量-反應(yīng)模型,以小區(qū)中炭疽桿菌芽孢氣溶膠擴(kuò)散模擬得到的顆粒數(shù)目分布等值線圖為基礎(chǔ),針對(duì)不同的人員年齡,以10、20、30、40、50、60、70歲為例,研究其在不同的污染區(qū)域感染炭疽

10、的概率大小,并據(jù)此對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行劃分,來(lái)表示在同一污染區(qū)域不同年齡的人受到的威脅程度不同。
　　經(jīng)過(guò)計(jì)算,針對(duì)每一個(gè)年齡的人員,在60s、80s、100s和120s時(shí)對(duì)其感染炭疽概率即受威脅的程度進(jìn)行了污染區(qū)域的劃分。由計(jì)算結(jié)果可以看到,針對(duì)不同的年齡,劃分的污染區(qū)域所表示的感染炭疽的概率差異明顯,年齡越大的人,暴露在同等炭疽芽孢數(shù)目的情況下感染炭疽的概率越大。因此,決策者在事后進(jìn)行人員安置和處理以及資源配置時(shí),應(yīng)有針對(duì)性的加以區(qū)