城市小区环境中生物剂气溶胶的扩散模拟方法研究

摘要

生物恐怖是指恐怖分子有预谋地施放病原微生物或者其有害产物所进行的恐怖活动,以达到危害人类健康、引起社会恐慌、威胁社会安全和稳定的目的。生物恐怖问题由来已久,并随着2001年美国“9.11”事件后的炭疽邮件恐怖事件引起世人的广泛关注,许多国家也开始把反生物恐怖作为国家安全的重要组成加以考虑,因此,反生物恐怖危害评估,越来越受到世界上许多研究与前沿专家的高度重视。尽管生物恐怖袭击的方式多种多样,如气溶胶扩散、污染水源或者食物、媒介传播等,但是气溶胶扩散因为具有影响范围大、传播速度快等特点,最有可能成为生物恐怖的袭击方式。因此,研究生物剂气溶胶的传播扩散以及之后对人员产生的危害,就成为反生物恐怖危害评估的一项重要研究内容。
　　生物剂气溶胶扩散的研究方法主要包括高斯模型、拉格朗日模型和计算流体力学(ComputationalFluidDynamic,CFD)数值计算等。传统的高斯扩散模型是目前应用最广泛的研究生物剂气溶胶扩散的方法,但它主要适用于几公里到几百公里的中小尺度范围,且要求气流条件相对稳定均匀,例如平坦开阔的郊外或者城市边界层(城市建筑物屋顶以上到积云中部高度)。而城市覆盖层(城市建筑物屋顶以下到地面的空间区域),是人类活动的主要区域,特别是建筑物密集、人口集中的大城市,很有可能成为恐怖袭击的重点目标。由于这一区域内建筑物分布复杂,因此建筑物周围的空气流动会变得不规则,形成湍流,并导致生物剂气溶胶扩散的不规则性。基于上述内容,研究城市覆盖层生物剂气溶胶的扩散模拟是十分重要且必要的。虽然拉格朗日随机模型因其自身适用于复杂不均匀的气流条件,而被目前国外很多相关的模拟系统所采用,但其主要是针对城市街区以上的较大尺度范围,分辨率和精确度较低。
　　本研究着重城市小区环境的生物剂气溶胶扩散研究。由于建筑物密集,空气流动复杂而不规则,一旦在城市中施放生物剂气溶胶,在短时间内其自身随空气扩散的情况会复杂多变,难以准确把握,同时因为城市中人口密集,会造成严重后果,所以需要更精确地把握生物剂气溶胶扩散后的浓度分布,这样才能满足反生物恐怖危害评估和应急响应日趋精确量化的要求。因此,本研究选取尺度更小(几十米到几公里)、人口活动频繁的小区环境为研究对象,尝试在较小范围内精确模拟建筑物分布对生物剂气溶胶扩散的影响,最终得到生物剂气溶胶扩散后的颗粒数目分布,并根据人员感染的概率进行污染区域的划分。
　　本研究采用离散相模型来模拟生物剂气溶胶颗粒在虚拟小区内的扩散过程。离散相模型的基本原理是利用计算流体力学(CFD)来进行拉格朗日随机模型的数值计算,模拟离散相生物剂气溶胶颗粒的扩散轨迹和扩散过程。首先根据实际小区的平面图,建立大小为700m×700m的虚拟小区,中间按一定规则排列10栋楼,虚拟小区即整个模型的流场计算区域。利用离散相模型的前提是掌握离散相所在的连续相空气流场信息,因此,首先利用k-ε湍流模型模拟流场中的空气流动,得到流场中湍流流动的信息,即空气流场的速度云图及等值线图。在此基础上,以典型的生物剂气溶胶——炭疽杆菌芽孢气溶胶为例,通过离散相模型对气溶胶颗粒运动轨迹进行计算,由于离散相模型的模拟计算是通过计算足够多的颗粒轨迹情况来模拟湍流对颗粒扩散的影响,因此可以通过较少数目的颗粒轨迹来近似模拟大量气溶胶颗粒的扩散趋势。在得到颗粒轨迹图以及颗粒随时间变化的位置数据(横纵坐标值)之后,利用Matlab编程对上述数据进行分析和处理,可以准确地掌握任意时刻颗粒的分布情况,还可以对流场中的任意区域进行颗粒数目的统计,精确地计算出颗粒的数目分布。
　　经过离散相模型的模拟计算以及对数据的处理,我们得到了炭疽杆菌芽孢气溶胶颗粒在20s、40s、60s、80s、100s和120s时的颗粒分布图以及颗粒数目分布柱状图和等值线图。通过不同时刻的颗粒分布图,可以定性地分析颗粒在整个流场中扩散和运动的规律和趋势,并且可以明显地看到颗粒的扩散过程主要是受湍流影响的。通过不同时刻的颗粒数目分布柱状图和等值线图,我们可以定量地分析整个小区内任意一个位置炭疽杆菌芽孢气溶胶颗粒的数目,从而为下面准确地评估人员的感染概率提供依据。
　　吸入式炭疽的剂量-反应模型,可以描述人员感染炭疽的概率同人员吸入炭疽芽孢的数目之间的关系。尽管剂量-反应模型主要是根据实验数据拟合得到的,但是随着近些年来相关研究的快速发展,剂量-反应模型已经比较成熟,且有研究表明,剂量-反应关系对于不同的人员年龄来说是不同的。本文利用吸入式炭疽与年龄相关的剂量-反应模型,以小区中炭疽杆菌芽孢气溶胶扩散模拟得到的颗粒数目分布等值线图为基础,针对不同的人员年龄,以10、20、30、40、50、60、70岁为例,研究其在不同的污染区域感染炭疽的概率大小,并据此对污染区域进行划分,来表示在同一污染区域不同年龄的人受到的威胁程度不同。
　　经过计算,针对每一个年龄的人员,在60s、80s、100s和120s时对其感染炭疽概率即受威胁的程度进行了污染区域的划分。由计算结果可以看到,针对不同的年龄,划分的污染区域所表示的感染炭疽的概率差异明显,年龄越大的人,暴露在同等炭疽芽孢数目的情况下感染炭疽的概率越大。因此,决策者在事后进行人员安置和处理以及资源配置时,应有针对性的加以区别考虑。
　　综上所述,本研究以炭疽杆菌芽孢为例,利用离散相模型对城市小区环境中生物剂气溶胶的扩散轨迹成功进行了精确的模拟计算,得到了扩散后的颗粒数目分布,并结合吸入式炭疽与年龄相关的剂量-反应模型,针对不同年龄在污染区域内感染炭疽概率的不同进行了污染区域的划分。本研究为生物恐怖袭击背景下生物剂气溶胶在城市小区环境中扩散的精确模拟提出了一种新的尝试,也为污染区域的划分提供了更详细的参考方法。

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缩略词表

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第一章 前言

1.1 研究背景

1.2 生物剂气溶胶扩散的研究现状

1.3 剂量-反应模型的研究现状

1.4 本研究的目的与意义

1.5 研究方法

1.6 论文结构

第二章 基本理论与原理

2.1 城市覆盖层

2.2 湍流模型原理

2.3 离散相模型原理

2.4 与年龄相关的剂量-反应模型原理

第三章 小区内生物剂气溶胶的扩散模拟

3.1 方法

3.2 步骤

3.3结果的分析与讨论

3.4 小结

第四章 污染区域的划分

4.1 与年龄相关的剂量-反应关系曲线

4.2 污染区域的划分

4.3 小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 工作中的不足之处

5.3 展望

参考文献

文献综述

[参考文献]

研究论文

4 参考文献

个人简历

致谢