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,以達(dá)到危害人類健康、引起社會恐慌、威脅社會安全和穩(wěn)定的目的。生物恐怖問題由來已久,并隨著2001年美國“9.11”事件后的炭疽郵件恐怖事件引起世人的廣泛關(guān)注,許多國家也開始把反生物恐怖作為國家安全的重要組成加以考慮,因此,反生物恐怖危害評估,越來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)散因為具有影響范圍大、傳播速度快等特點,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)散以及之后對人員產(chǎn)生的危害,就成為反生物恐怖危害評估的一項重要研究內(nèi)容。
　　生物劑氣溶膠擴(kuò)散的研究方法主要包括高斯模型、拉格朗日模型和計算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamic,CFD)數(shù)值計算等。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會變得不規(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,而被目前國外很多相關(guān)的模擬系統(tǒng)所采用,但其主要是針對城市街區(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,在短時間內(nèi)其自身隨空氣擴(kuò)散的情況會復(fù)雜多變,難以準(zhǔn)確把握,同時因為城市中人口密集,會造成嚴(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)、人口活動頻繁的小區(qū)環(huán)境為研究對象,嘗試在較小范圍內(nèi)精確模擬建筑物分布對生物劑氣溶膠擴(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模擬生物劑氣溶膠顆粒在虛擬小區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散過程。離散相模型的基本原理是利用計算流體力學(xué)(CFD)來進(jìn)行拉格朗日隨機(jī)模型的數(shù)值計算,模擬離散相生物劑氣

6、溶膠顆粒的擴(kuò)散軌跡和擴(kuò)散過程。首先根據(jù)實際小區(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)即整個模型的流場計算區(qū)域。利用離散相模型的前提是掌握離散相所在的連續(xù)相空氣流場信息,因此,首先利用k-ε湍流模型模擬流場中的空氣流動,得到流場中湍流流動的信息,即空氣流場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,通過離散相模型對氣溶膠顆粒運(yùn)動軌跡進(jìn)行計算,由于離散相模

7、型的模擬計算是通過計算足夠多的顆粒軌跡情況來模擬湍流對顆粒擴(kuò)散的影響,因此可以通過較少數(shù)目的顆粒軌跡來近似模擬大量氣溶膠顆粒的擴(kuò)散趨勢。在得到顆粒軌跡圖以及顆粒隨時間變化的位置數(shù)據(jù)(橫縱坐標(biāo)值)之后,利用Matlab編程對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,可以準(zhǔn)確地掌握任意時刻顆粒的分布情況,還可以對流場中的任意區(qū)域進(jìn)行顆粒數(shù)目的統(tǒng)計,精確地計算出顆粒的數(shù)目分布。
　　經(jīng)過離散相模型的模擬計算以及對數(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。通過不同時刻的顆粒分布圖,可以定性地分析顆粒在整個流場中擴(kuò)散和運(yùn)動的規(guī)律和趨勢,并且可以明顯地看到顆粒的擴(kuò)散過程主要是受湍流影響的。通過不同時刻的顆粒數(shù)目分布柱狀圖和等值線圖,我們可以定量地分析整個小區(qū)內(nèi)任意一個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)實驗數(shù)據(jù)擬合得到的,但是隨著近些年來相關(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)系對于不同的人員年齡來說是不同的。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)此對污染區(qū)域進(jìn)行劃分,來表示在同一污染區(qū)域不同年齡的人受到的威脅程度不同。
　　經(jīng)過計算,針對每一個年齡的人員,在60s、80s、100s和120s時對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。由計算結(jié)果可以看到,針對不同的年齡,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,應(yīng)有針對性的加以區(qū)