高硫氣田應(yīng)急疏散GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭屹桐，王 亮，張志華

（1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830）

高硫氣田應(yīng)急疏散GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭屹桐1，王 亮2，張志華3

（1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830）

在川東北高含硫油氣田的開采過程中，天然氣運(yùn)輸管道破裂導(dǎo)致有毒氣體泄漏是重大的安全隱患，急需針對其建立完善的應(yīng)急系統(tǒng)。針對川東北地區(qū)天然氣運(yùn)輸管道泄漏事故，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于CALPUFF模型的天然氣運(yùn)輸管道應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)；CALPUFF氣體模型；川東北油氣田；管道泄漏

在國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的今天，動(dòng)力資源的需求量不斷增加，天然氣作為一種使用便利、燃燒干凈的天然資源，在提升人們生活質(zhì)量的過程中發(fā)揮著不可代替的作用，但是，天然氣的開采嚴(yán)重污染了環(huán)境。

為了減小這種事故帶來的危害和造成的損失，有必要研究有毒氣體的遷移和運(yùn)輸規(guī)律，計(jì)算氣體擴(kuò)散的影響范圍，并建立完善的應(yīng)急系統(tǒng)。對應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)提出的基本要求是，能夠準(zhǔn)確模擬天然氣運(yùn)輸管道破裂后有毒氣體（尤其是硫化氫氣體）的擴(kuò)散過程。氣體擴(kuò)散模型是系統(tǒng)的核心模塊，也是本文研究的重難點(diǎn)內(nèi)容。

國內(nèi)外在危險(xiǎn)性物質(zhì)事故性泄漏基礎(chǔ)研究方面的發(fā)展趨勢是：著重研究事故性泄漏動(dòng)力學(xué)演化機(jī)理和規(guī)律，準(zhǔn)確描述事故性泄漏過程理論模型的建立，模擬事故性泄漏動(dòng)力學(xué)過程的大型數(shù)值模擬軟件的研制開發(fā)，并將其應(yīng)用于事故應(yīng)急預(yù)案的制訂，同時(shí)，應(yīng)用于事故后果分析和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。本文采用EPA推出的CALPUFF模型進(jìn)行川東北天然氣項(xiàng)目中的有毒氣體（主要是硫化氫）擴(kuò)散的模擬。

本文以川東北為項(xiàng)目背景，因川東北地區(qū)高含硫天然氣項(xiàng)目所處地勢凹凸不平、山坡有起伏，且基礎(chǔ)設(shè)施差，還靠近高密度的人口區(qū)域，導(dǎo)致川東北含硫天然氣的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)較大。筆者在分析了CALPUFF模型算法和CALPUFF模型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣體擴(kuò)散的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬在天然氣運(yùn)輸管道氣體泄漏事故中的應(yīng)用后，將CALPUFF模型嵌入到應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)針對天然氣運(yùn)輸管道的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。

1 建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容

根據(jù)川東北的項(xiàng)目背景，通過對CALPUFF模型算法和CALPUFF模型系統(tǒng)的分析，實(shí)現(xiàn)了氣體擴(kuò)散的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬在天然氣運(yùn)輸管道氣體泄漏事故后，將CALPUFF模型嵌入到應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中，同時(shí)，還設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)針對天然氣運(yùn)輸管道的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以GIS平臺為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌管理天然氣運(yùn)輸管道沿線2.5 km緩沖區(qū)內(nèi)的地形地貌、人居分布、社會經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行狀況和應(yīng)急資源等要素，實(shí)時(shí)發(fā)布危險(xiǎn)源監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)明確事故，及時(shí)報(bào)警，準(zhǔn)確定位；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬氣體泄漏后的擴(kuò)散過程，預(yù)計(jì)危害范圍，指揮應(yīng)急救援。

在實(shí)際研究過程中，筆者主要研究的內(nèi)容有：①研究管道天然氣泄漏事故的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，包括管道狀態(tài)監(jiān)測、事故報(bào)警、應(yīng)急資源和應(yīng)急救援措施等，建立完備的應(yīng)急響應(yīng)流程，并設(shè)計(jì)基于GIS的天然氣運(yùn)輸管道應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)；②研究應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中的地理信息核心技術(shù)，編程開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于GIS的天然氣運(yùn)輸管道應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)；③研究CALPUFF的氣象場原理、煙團(tuán)擴(kuò)散機(jī)理，以及CALPUFF模型系統(tǒng)流程、輸入輸出數(shù)據(jù)格式、系統(tǒng)調(diào)用接口等；④研究CALPUFF與應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的集成技術(shù)、集成中的關(guān)鍵問題和模型結(jié)果評價(jià)，并將CALPUFF嵌入到天然氣運(yùn)輸管道應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)一體化自動(dòng)計(jì)算流程。

2 天然氣運(yùn)輸管道應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

羅家寨氣田、滾子坪氣田處于四川省宣漢縣和重慶市開縣境內(nèi)，南距重慶市約200 km。羅家寨構(gòu)造飛仙關(guān)氣藏的儲量經(jīng)計(jì)算為5.076 3×1010m3，滾子坪構(gòu)造飛仙關(guān)氣藏的儲量經(jīng)計(jì)算為1.214 6×1010m3。

2.1 需求分析

配套的安全控制技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范和管理體系，安全生產(chǎn)和應(yīng)急處置，氣田硫化氫的含量高、壓力大、集輸體系點(diǎn)多線長，泄漏監(jiān)測與安全控制的需求很高，這些都是高含硫氣田大規(guī)模開發(fā)所面臨的技術(shù)難題。另外，由于地形復(fù)雜，人口密集，人口相對分散，所以，交通和通信不便，應(yīng)急處理非常困難。這種特殊性向應(yīng)急管理提出了很高的要求。

2.2 危險(xiǎn)有害因素分析

該項(xiàng)目的主要危險(xiǎn)、有害物質(zhì)，包括天然氣（主要是甲烷（CH4））、硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、硫和硫塵（S）、硫化鐵（FeS）、二甲基乙醇胺（MDEA）、三（TEG）甲醇、乙二醇和水處理化學(xué)品等。

按照《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識》（GB 18218—2009）和《關(guān)于開展重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理工作的指導(dǎo)意見》（國家安監(jiān)總局安監(jiān)管技裝協(xié)調(diào)字〔2004〕56號）的規(guī)定進(jìn)行重大危險(xiǎn)源辨識。本項(xiàng)目可能存在的重大危險(xiǎn)源涉及生產(chǎn)場所、壓力管道、壓力容器和鍋爐4個(gè)方面。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.3.1 建設(shè)原則

全面實(shí)施“快速反應(yīng)、高效救援”的方針，規(guī)定四川東北地區(qū)天然氣項(xiàng)目的應(yīng)急管理，提高應(yīng)急響應(yīng)的速度和協(xié)調(diào)能力，加強(qiáng)綜合處置重大特大事故的能力，防患和節(jié)制二次災(zāi)難的發(fā)生，確保企業(yè)每個(gè)職工和民眾的生命安全，最大限度地減少財(cái)產(chǎn)損失、對環(huán)境的破壞和對社會的影響。

項(xiàng)目建設(shè)要嚴(yán)格按照“總體規(guī)劃、分步實(shí)施”的總體原則進(jìn)行。分布開發(fā)是指：①用較短的時(shí)間開發(fā)出能夠滿足項(xiàng)目應(yīng)急管理要求的GIS系統(tǒng)；②不斷完善系統(tǒng)，開發(fā)出完整、實(shí)用的二三維應(yīng)急管理平臺。

2.3.2 總體設(shè)計(jì)框架

川東北天然氣應(yīng)急管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)、管理、服務(wù)、應(yīng)用分離的基本思想，以維持?jǐn)U展性和靈活性為前提，系統(tǒng)采納二三維一體化的平臺為總體框架，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和硬件平臺為依據(jù)，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、三維仿真、嵌入式、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)和多媒體等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急救援、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急指揮等專業(yè)應(yīng)用。同時(shí)，系統(tǒng)建設(shè)是在國家政策、法規(guī)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

系統(tǒng)分成了三個(gè)層次建設(shè)，即數(shù)據(jù)源層、地理云服務(wù)、應(yīng)用層。數(shù)據(jù)源層是通過SQL Server或Oracle數(shù)據(jù)庫存儲基礎(chǔ)地形、地理和影像等空間數(shù)據(jù)；地理云服務(wù)是采取2D、3D一體化的專用GIS數(shù)據(jù)服務(wù)；應(yīng)用層是針對應(yīng)急管理系統(tǒng)的需求，完成二三維地理信息展現(xiàn)、安全治理信息集成、重大危險(xiǎn)源監(jiān)測、應(yīng)急管理和應(yīng)急響應(yīng)等工作。系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)由兩部分組成：外圍是支撐平臺體系，中間是信息系統(tǒng)的應(yīng)用體系。

應(yīng)用系統(tǒng)是采取多層分布式體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)建的一個(gè)可持續(xù)改善的，達(dá)成應(yīng)急管理要求的靈活綜合應(yīng)用系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是依照面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA）設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的。外圍支撐體系是信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐平臺，它包括地理信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全標(biāo)準(zhǔn)體系等。

2.3.3 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計(jì)了五大功能模塊，即場景管理、應(yīng)急資源管理、重大危險(xiǎn)源監(jiān)測、氣體泄漏事故模擬預(yù)測和應(yīng)急指揮救援，其中，每個(gè)模塊又包含了若干個(gè)小模塊，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.1CALPUFF模型

CALPUFF模型系統(tǒng)是由西格瑪（sigma）研究公司（現(xiàn)為美國Earth Tech，Inc子公司）開發(fā)的，它包含了CALMET、CALPUFF、CALPOST這三部分和一系列對氣象數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的標(biāo)準(zhǔn)程序。

3.1.1 氣象模型CALMET

CALMET包括診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)、一個(gè)陸上和水上的邊界層氣象模型。它使用氣象數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)，按照具體格式輸出三維風(fēng)場和溫度場，以及相關(guān)的二維場。

3.1.2 擴(kuò)散模型CALPUFF

CALPUFF是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)Lagrange Gauss煙團(tuán)模型，它在風(fēng)場和溫度場的基礎(chǔ)上，結(jié)合排放數(shù)據(jù)，模擬三維流場隨時(shí)間和空間變化時(shí)污染物的傳送、轉(zhuǎn)化和根除過程。CALPUFF包含處理近源影響和長距離傳輸影響的算法。

3.1.3 后處理器CALPOST

CALPOST用于處理CALPUFF模型結(jié)果，比如平均時(shí)間濃度和沉降通量計(jì)算，確定受體最高和次高3 h的平均濃度，計(jì)算能見度影響。

3.1.4 氣象地理數(shù)據(jù)預(yù)處理器

多個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理器用于處理地理數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，生成格式化文件，直接輸入。

3.2 應(yīng)急管理系統(tǒng)中的地理信息核心技術(shù)

本項(xiàng)目系統(tǒng)的體系架構(gòu)主要采用SOA技術(shù)和組件化的技術(shù)來確保整個(gè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在相對穩(wěn)定的前提下，降低各個(gè)功能模塊之間的耦合性，加強(qiáng)系統(tǒng)模塊的復(fù)用性，提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可定制性。

由于衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)量很大，再考慮數(shù)據(jù)的分類特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)，必須采取空間數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)對它進(jìn)行高效的程序化處理，并入庫。為了適應(yīng)衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)在Web上的快速發(fā)布，解決數(shù)據(jù)發(fā)布及時(shí)性的問題，可采取以集群服務(wù)技術(shù)、AJAX技術(shù)、智能緩存技術(shù)為主要技術(shù)的WebGIS空間信息動(dòng)態(tài)發(fā)布技術(shù)。RIA（Rich Internet Application）技術(shù)基于XML、腳本語言和 Web Service可構(gòu)建豐富并強(qiáng)大的應(yīng)用。豐富互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序RIA是集Web應(yīng)用程序的快速和低成本部署，互動(dòng)多媒體通信的實(shí)時(shí)快捷，還有桌面應(yīng)用程序最佳的用戶體驗(yàn)于一體的新一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。為了更好地適應(yīng)硬件升級和操作系統(tǒng)的升級，系統(tǒng)應(yīng)該具備跨平臺的移植能力，提供對Windows、Unix、Linux等各個(gè)操作系統(tǒng)的支持。

隨著地理信息系統(tǒng)在各行業(yè)的深入應(yīng)用，二維矢量地圖、三維DEM、DOM和遙感影像疊加地圖顯示方式已經(jīng)成為一種常用的地圖顯示方式。

4 天然氣運(yùn)輸管道應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

應(yīng)用CALPUFF模型和GIS系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)，本文開發(fā)了B/S架構(gòu)的天然氣運(yùn)輸管道應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)管理川東北地區(qū)天然氣管道沿線的地形地貌、人居分布等要素，它以GIS系統(tǒng)為基礎(chǔ)；關(guān)注天然氣管道泄漏事故，實(shí)時(shí)監(jiān)測管道運(yùn)行狀態(tài)、周邊氣象狀況，并在事故發(fā)生時(shí)自動(dòng)檢測并報(bào)警，最后評估該事故所引發(fā)的后果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，生成事故報(bào)告。

4.1 現(xiàn)場管理

在二維地圖上增加周邊環(huán)境基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)GIS圖層，測量距離、面積，在頁面左側(cè)形成關(guān)鍵位置導(dǎo)航樹，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵位置的導(dǎo)航與快速定位。同時(shí)，還可以在二維地圖上通過數(shù)據(jù)庫的字段模糊匹配，完成屬性數(shù)據(jù)的模糊搜索，并將檢索結(jié)果通過列表展示出來。

4.2 重大危害信息管理

GIS模塊體現(xiàn)重大危險(xiǎn)源管理的可視化，對重大的危險(xiǎn)源進(jìn)行監(jiān)測管理。在實(shí)際工作中，相關(guān)人員可根據(jù)氣田生產(chǎn)工藝劃分生產(chǎn)單元，對氣田內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施做安全評價(jià)，辨識危險(xiǎn)有害因素，確定重大危險(xiǎn)源。另外，還可以在GIS模塊標(biāo)繪重大危險(xiǎn)源的位置，提供定期檢測、評估、監(jiān)控重大危險(xiǎn)源管理的信息。

4.3 應(yīng)急預(yù)案和培訓(xùn)演練管理

在二維地圖中，在基于時(shí)間軸的預(yù)案演練中，利用超鏈接標(biāo)簽的方式實(shí)現(xiàn)救援地點(diǎn)、應(yīng)急處置地點(diǎn)的快速定位和地圖聯(lián)動(dòng)，在用戶交互的基礎(chǔ)上讓各應(yīng)急小組明確應(yīng)急救援地點(diǎn)。同時(shí)，還可以利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺技術(shù)為相關(guān)人員提供“角色”動(dòng)畫練習(xí)，幫助他們熟識廠區(qū)重大事故預(yù)案的模擬場景，模擬整個(gè)應(yīng)急預(yù)案，并進(jìn)行推演。

4.4 應(yīng)急指揮和救援

應(yīng)急響應(yīng)是本模塊的關(guān)鍵所在，為用戶在遇到突發(fā)事故時(shí)查詢相關(guān)信息，以便及時(shí)做出應(yīng)急決策提供支持和幫助。事故應(yīng)急救援系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)程序按照過程可以分為接警、響應(yīng)級別確定、應(yīng)急啟動(dòng)、救援行動(dòng)、應(yīng)急恢復(fù)和應(yīng)急結(jié)束等6個(gè)過程。

4.5 應(yīng)急響應(yīng)輔助決策

在成熟的泄漏等事故預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，選擇并完善適合項(xiàng)目的預(yù)測預(yù)警模型，快速計(jì)算氣體擴(kuò)散模型，對泄露點(diǎn)影響趨勢和范圍進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)模擬。

5 結(jié)束語

氣體擴(kuò)散模型是天然氣運(yùn)輸管道應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分，對于應(yīng)急指揮救援有重要的指導(dǎo)意義。雖然本文成功設(shè)計(jì)了天然氣運(yùn)輸管道氣體泄漏事故應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，它能夠較準(zhǔn)確和迅速地模擬氣體擴(kuò)散過程，但還是存在很多不足之處。因此，為提高模擬精度，還需要做很多工作：①完善輸入數(shù)據(jù)的獲取渠道，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；②繼續(xù)深入地研究CALPUFF模型算法和它的源代碼，從底層解決一些問題。

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郭屹桐（1994—），男，山西運(yùn)城人，地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生，主要研究方向?yàn)镚IS理論與應(yīng)用。

〔編輯：白潔〕

P208

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.033

2095－6835（2017）23－0033－03