危险化学品泄漏事故大气扩散后果预测与事故源高性能反演方法研究-环境科学专业论文.docx

复 旦 大 学 硕 士 学 位 论 文 危 险 化 学 品 大 气 扩 散 事 故 后 果 预 測 与 事 故源 高 性 能 反 演 研 宄摘 要近 十 年 来 ，我 国 的化 学 工 业 发 展 非常 迅 速 。于 此 同时 ，化 工 企 业 事 故 发生 数 目和 频 率 也 大 大 增 加 。由于 化 工 企业 的生 产 过 程 中大 量 涉 及 到 危 险 化 学 物 质 的存 储 、运 输 、处 理 等 工 艺 过 程 ，其 事 故 后 果有 很 大 的危 害 性 。在 这 之 中 ，危 险 品 大 气 扩 散 事 故 影 响 范 围 广 ，一 旦 发 生 将 对 威 胁 大 量 群 众 的 生 命 安 全 和 健 康 ，是 危 险 化 学 品 应 急 事 故 研 究 的重 点 领 域 。但 是 大 气 扩 散 的物 理 过 程 复 杂 ，数 值 模 型 计 算 量 很 大 ，普 通 的 方 法 计 算 大 气 扩 散 事 故 难 以 同 时 兼 顾 高 精 确 度 和 高 速 度 两 者 ，因 而 难 以满 足 危 险 化 学 品应 急 事 故 现 场 的 需 求 。在 事 故 应 急 现 场 ，事 故 源 的 具 体 参数 受 制 于 现 场 条件 有 可 能 无 法 直 接 观 测 的 ， 而 事 故 源 的 参 数 是 否 准 确 直 接 决 定 了 后 果 预 测 模 型 是 否 能 准 确 的预 测 事 故 后 果 。 因 此 ，研 究 能 够 使 用 现 场 观 测 资 料 对 事 故 源 具 体 参 数 进 行 反 演 的 方 法 研 究 具 有 非常 重 要 的 意 义 。据 此 ，本 文 的 主 要 研 究 包 括 危 险 化 学 品 大 气 扩 散 事 故 的 后 果 预 测 方 法 研 究 和 事 故 源 参 数 反 演 方 法 研 究 两 部 分 。首 先 ，本 研 究 将 广 泛 应 用 于 模 拟 大 气 扩 散 过 程 的 高 斯 多烟 团 模 型 的计 算 方 法进 行 了重 新 设 计 ，通 过 烟 团 路 径 追 踪 和 浓 度 场 参 考 的 技 术 减 少 了模 型 的整 体 计 算 量 ，降 低 了时 间 复 杂 度 。随 后 将 传 统 的 逐 网 格 计 算 浓 度 场 方 法 改 进 为 可 以 应 用 于 大 规 模 并 行 计 算 的 架 构 。 在 此 基 础 上 ， 本 研 究 引 入 了 G P U 和 C P U 异 构 混 合 并 行 汁算 架 构 C U D A 计 算 框 架 ，将 以 h.算 法 使 用 Pytho n 编 程 语 g 和 C 编 程 语 目进 行 编 程 实 现 ，幵 发 了基 于 G P U 并 行计 算 架 构 的 高 性 能 高 斯 烟 团 模 型 一 一 G A PS 模 型 。G A PS 模 型 的 案 例 研 究 证 明 ，G A PS 模 型 具 有 传 统 多 烟 团 模 型 无 法 比拟 的 高 性 能 ， 可 以 在 很 短 的 时 间 内 完 成 大 范 围 ， 高 精 度 浓 度 场 的 计 算 。在 此 G A PS 模 型 的 基 础 上 ，事 故 源 参 数 反 演 研 究 首 先 阐述 了基 于 马 尔 科 夫 链 蒙 特 卡 洛 （M C M C ) 方 法 进 行 事 故 源 参 数 的 具 体 方 法 和 实 现 。在 对 事 故 源 参 数 反 演 的过 程 中 ，本 研 究 使 用 了 G ib b s 抽 样 作 为 马 尔 科 夫 链 的 构 造 工 具 ，实 现 了对 事 故源 位 置 、 泄 漏 时 间 长 度 、 泄 漏 速 率 变 化 等 参 数 的 反 演 。 随 后 将 以 上 方 法 使 用 Pytho n 编 程 语 言加 以实 现 ，为 G A PS 模 型 添 加 了基 于 G PU 计 算 的高 效 的事 故源 反演 模 块 G A P S-Rev 。最 后 ， 本研 宄 对 G A P S-Re v 模 块 进 行 了 多 种 情 形 的 案 例 研 宄 ， 包 括 模 型 原 理 检 验 、理 想 事 故 情 形检 验 和 实 例 检 验 。在 理 想 情 形 检 验 中 ，本 研 宄设 计 了多 种 监 测 点布 点 方 式 。通 过 以上 的 案 例 研 宂 ，证 明 了 G A PS-Rev 模 型 可 以有 效 的 ，其 计 算 效 率 满 足 应 急 现 场 的 时 间 需 求 ，参 数 反 演 结 果 比较 准 确 地 反 应 了 实 际 结 果 。通 过 对 不 同 监 测 点 布 点 方 式 即 对 应 的 反 演 结 果 进 行