摘  要: 以某地铁站为例，对可能发生的毒气恐怖袭击，导致地铁站毒气泄漏，利用 FDS 软件开展数值模拟，研究不同机械排气模式下毒气扩散运动规律、排气效果等。为地铁站建设及紧急情况下的防毒、排毒和人员疏散工作提供依据和参考。

关键词: 地铁站; 毒气泄漏; FDS 软件; 排气模式

 

      地铁是现代城市交通的主流和方向，其运量大、可靠性强( 快速、准时) 、节能环保，承担着重要的大客流运输任务; 且舒适性好、安全性高。地铁已成为解决大中型城市交通拥堵以及拓展城市空间的重要工具^［1］。

      但是由于地铁站具有空间狭窄，环境封闭、空气流动性差、人员密度大、疏散困难等特点，极有可能成为化学恐怖袭击( 毒气) 的目标，造成人员群死群伤的重大暴力事故。比如，1995 年 3 月，邪教组织“奥姆真理教”制造的日本东京地铁沙林毒气事件，造成 12 人死亡，14 人终身残疾，6 000 余人中毒，1 036 人住院治疗。2003 年，美国纽约地铁系统内突然出现不明有毒气体，6 名地铁工作人员中毒。世界各国针对地铁恐怖袭击均采取了相应的预防手段，并制定了系列防控策略^［2-3］。

      但目前，由于缺乏对地铁或地铁站毒气灾害事故全面认识和相关研究，在制定防治对策和应急处置措施时缺少有力的科学依据，实际操作过程中可能达不到预想的效果，甚至导致灾情加剧和恶化^［4-9］。本文提出可采用不同机械排烟模式，进行排气、排毒，并对此进行分析比较。

 

      本文中毒气泄漏事件以氯气为例进行分析。氯是化工生产中的重要原料，是用途广泛的强氧化剂，而且毒性很大，具有强刺激性。据统计，氯气是我国化学事故发生率最多的危险品之一。因此氯气也常被用于人为的破坏工具。人工布撒生化毒性物质是较容易实施的恐怖模式，主要通过人员吸入或人员皮肤接触渗透等途径形成危害; 该模式在此类袭击事件中较为常见^［9］。故本文假定: 氯气从嫌疑人员有意安放在相关区域的毒气包( 盒) 中溢出并扩散。

      氯气的相关物化性质如表 1 所示。常温常压下，氯为黄绿色有刺激性气味的有毒气体。环境中，氯气的容许浓度为 0. 5 × 10^{－ 6}。本文以该值作为人员处于危险状态的判据。

      该地铁站为双层式，考虑到其站台层的开放性，本文仅选取其站厅层作为研究对象。该层主要用于办公停车、商业开发以及付费区和设备区，人员相对密集，且安保难度较大。由此建立三维模型，如图 1 所示。

      站厅层模型最大长度( 横向) 396 m，最大宽度( 纵向) 141 m，最大高度 8. 8 m。泄漏点面积 1 × 1 m²，泄漏流量 0. 111 2 kg/s。泄漏点位于站厅层中央。考虑对毒气( 重气) 扩散的影响和实际尺寸，并依据“最不利原则”，模型作了必要的简化处理，如未搭建扶、楼梯和入站闸机等。

紧急情况下采取隔断密闭措施防止毒气外溢并进行换气，换气采用机械送风排烟系统，排烟量由GB50157 － 2003《地铁设计规范》所规定的 60 m³/ ( m²·h)确定。但该系统主要适用于火灾烟气或轻气事故( CO泄漏等) 控制，对于贴地蔓延的重气泄漏事故的控制效果尚不确定，比如高效的机械排烟口布置、排烟速率等。依此，本文设定三种工况，对比分析不同机械排气模式对于氯气泄漏事故的影响。

      数值模拟借助美国国家标准研究所建筑火灾研究实验室开发的 FDS 软件。该软件致力于解决火灾保护工程中的实际消防问题，也为火灾动力学和燃烧理论研究提供工具。FDS 求解热驱动低速流动 N-S 方程，时间和空间采用二阶精度，湍流采用 Smagorinsky形式大涡模拟。FDS 也适用于低压力梯度、低马赫数组分输运问题的求解。

 

      一般情况下，地铁站各层都设有较为完善的机械排烟系统，主要用于火灾烟气控制。根据烟气物化特性，排烟口多数设在各层顶部，功能相对单一。但当紧急状况( 如火灾或毒气泄漏) 出现时，机械排烟可能是主要或唯一的灾情控制手段。图 2 所示为站厅层顶部机械排烟完全开启时，2 m 高度( 人员安全特征高度)处氯气泄漏扩散云图( 摩尔百分数，mol/mol，以下图相同) 。

      完全开启机械排烟系统后，站厅层内毒气流场较为紊乱。由于模型本身的不对称性，各排烟口展开争夺( 竞争和协同效应) ，泄漏氯气主要向右上方蔓延并拉长，初期形态极不规则，高浓度区域分布较广; 之后由于空气动力学效应，形成逆时针漩涡，漩涡逐渐收拢并加强( 转速加快) ，使得高浓度区域紧缩，浓度值也急速下降。

      严重的是，由于重力作用，在地面运动或聚积的氯气很快随排气气流上升，占据当地楼层高度，使人员完全暴露在毒气氛围中，减少了安全疏散时间，而增加了人员暴露时间和特征高度处的毒气浓度 ( 如图 3 所示) 。

      总体来说，完全开启机械排烟的模式，排气量大，对灾情控制有利，后期漩涡的形成，有利于毒气的集中和排出; 但另一方面，由于空间和排烟口布置的不对称性，容易导致初期毒气高浓度区域延展拉伸，扩大分布和影响范围。因此，本文考虑另一种机械排气模式，即部分开启模式。

      部分开启模式，就是根据泄漏点位置的不同，选择性地打开该点附近的四个排烟口，并保持总排气量不变( 单个排烟口排气负荷增加) ，目的是减小毒气的分布扩散，收缩其影响范围，并进一步提高排气效率。本文中泄漏点位置不变( 如图 1) 。图 4 所示为站厅层顶机械排烟部分开启时，2m 高度处氯气泄漏扩散云图。

      从图 4 可以看出，毒气高浓度区域主要集中在泄漏点附近，排气效率也较高，毒气浓度衰减迅速; 由于泄漏点附近排烟口布置的不对称性，以及上方各楼梯口的自然补风，毒气( 低浓度) 首先向右下方扩散，与壁面发生碰撞并倒流; 同时，源于空气动力学效应，排烟口处形成漩涡，漩涡推动了低浓度毒气的扩散蔓延，起到一定的稀释作用; 也加速了高浓度毒气的排出。相比完全开启模式，此模式下高浓度区域集中，排气效率高，空间内总体毒气浓度明显较低。但由于排烟口设置在楼层顶部，在地面运动或聚积的氯气也会随排气气流上升，占据当地楼层高度，使人员完全暴露在毒气氛围中。因此，本文考虑第三种排气模式，即地面排气模式。

      考虑重气的物化特性( 密度大于空气) ，发生紧急情况时，如果采用地面排气模式，既可以达到排出毒气的效果，又可以最大程度地减少毒气的竖向( 向上) 扩散，保护人员安全，留出足够的疏散时间。但这种排气模式，在地铁站设计和建造中并不常见，本文仅作一些初步的探讨，并提出建议。同样，为减少毒气的分布扩散，收缩其影响范围，本文仅在泄漏点附近设置 4 个排气口，排气总量与机械排烟总量相当。图 5 所示为站厅层地面排气开启时，2m 高度处氯气泄漏扩散云图。

      从图 5 可以看出，毒气运动规律与上述部分开启机械排气模式类似( 扩散方向和漩涡) 。但高浓度区域更集中，衰减更快; 空间内总体毒气浓度明显较前两种模式低。更重要的是，如图 6 所示，毒气在竖向的扩散减弱，泄漏点以外的空间内毒气较稀薄，受到的影响较小，保证了足够的安全疏散空间和时间。

      图 7 所示为三种模式下站厅层内氯气总量曲线。可以清楚地判断排气效率: 地面排气 ＞ 部分开启 ＞ 完全开启。这与上述分析结论一致。各种模式下，初期毒气总量都呈线性上升，此时毒气尚未充分蔓延，排烟口不起作用; 之后，部分毒气被排出，但排气并不稳定，毒气总量减速上升; 相当一段时间后，排气设备充分工作，排气速度大于毒气泄漏速度，毒气总量逐渐下降，最终将会被完全排尽。但在部分开启模式中，200 s 附近，毒气总量骤降，这可能是由于该时刻，毒气在排烟口聚积，大大提高了排气效率。对于该现象是否具有典型性的问题，需要后期进一步的分析研究。

      本文以某地铁站为研究对象，对其可能发生的毒气泄漏或袭击事故，利用 FDS 软件开展数值模拟，分析不同机械排气模式下毒气扩散运动规律和排气效果，结果如下:

      ( 1) 部分开启模式下，毒气高浓度区域较完全开启模式时，更为集中，浓度衰减更快，排气效率更高，但是这两种模式下，地面聚积的氯气都会随排气气流上升，占据整个楼层高度，使人员暴露于毒气氛围中，对安全不利。

      ( 2) 地面排气模式不仅排气效率最高，且能最大程度控制毒气的竖向扩散，避免人员长期暴露于高浓度毒气气氛中，保证足够的疏散空间和时间。但该种模式并不常见，在多数地铁站的设计建造中并未采用。

      笔者认为，当今全球恐怖活动日益频繁，对可能发生的化学袭击，特别是重气泄漏等，有必要采取积极的防范和控制措施。同时，笔者注意到，某些地铁站中采用了机械送风设计，送风口一般位于地面附近，在紧急情况时，如能转为排气口，可能会达到很好的控制效果，笔者将开展相关的研究工作。

 

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