耦合GIS-CFD技術(shù)在含硫氣田應(yīng)急中的應(yīng)用

陳南熹 廖凱 梁開武 楊琪琦 周澤帥

摘要：在分析GIS與CFD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用GIS-CFD耦合技術(shù)，得到含硫氣田泄漏事故的CFD數(shù)值模擬結(jié)果在GIS中展現(xiàn)的可視化效果。以川中油氣礦某含硫井站泄漏事故進(jìn)行實例應(yīng)用分析，表明該方式可為含硫氣田應(yīng)急決策提供有力的輔助支持，實現(xiàn)基于“情景-應(yīng)對”的氣田應(yīng)急模式。

Abstract： Based on the analysis of the application status of GIS and CFD technology， the application of GIS-CFD coupling technology can obtain the visualization effect of the numerical simulation results of sulfur gas field leakage accident in GIS. Taking a leak accident of a sulphur-bearing well station in Chuanzhong Oil and Gas Mine as an example， it is shown that this method can provide strong support for emergency decision-making of sulphur-bearing gas field and realize the emergency mode of gas field based on "scenario-response".

關(guān)鍵詞：GIS;CFD;含硫氣田;情景;應(yīng)急

Key words： GIS;CFD;sulfur gas field;scenario;emergency response

中圖分類號：P208? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0288-02

0? 引言

我國川渝地區(qū)擁有大量的含硫氣田，如普光氣田和臥龍河氣田，其硫化氫含硫分別達(dá)到15%和32%。美國《化學(xué)危險袖珍指南》指出，硫化氫立即危害生命或健康的濃度僅為300ppm[1]，氣田一旦發(fā)生泄漏，容易造成嚴(yán)重的硫化氫中毒事故，導(dǎo)致重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，預(yù)測氣田含硫天然氣泄漏后的擴(kuò)散趨勢，量化分析其傷害范圍，對應(yīng)急工作的開展顯得極其重要。目前，利用CFD模擬技術(shù)可完成氣體泄漏擴(kuò)散的數(shù)值模擬，實現(xiàn)對含硫氣田泄漏事故傷害范圍的預(yù)測，但是模擬結(jié)果的可視化效果較差。此外，含硫氣田大多位于地形復(fù)雜地區(qū)，考慮復(fù)雜地形因素對氣體擴(kuò)散的影響，可使事故發(fā)展趨勢和傷害范圍的預(yù)測結(jié)果更加精確。GIS在地理數(shù)據(jù)的顯示、分析、模型、可視化等方面能提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，若與CFD技術(shù)耦合使用，可使泄漏事故在真實場景中再現(xiàn)，為含硫氣田的應(yīng)急工作提供更加直觀、有效的輔助支持。

1? GIS與CFD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 GIS系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS），是在計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)技術(shù)支持下，對地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述，并解決復(fù)雜規(guī)劃、決策和管理的空間信息系統(tǒng)[2]。經(jīng)過不斷發(fā)展，GIS在資源調(diào)查、環(huán)境評估、災(zāi)害預(yù)測、國土管理、城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。

1.2 CFD模擬技術(shù)

計算流體動力學(xué)（Comoutational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD的基本思想：用一系列有限個離散點(diǎn)上的變量集合，來代替在時間域及空間域上連續(xù)物理量的場（如速度場、壓力場等），通過一定的原則和方程建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值[4]。目前，研究人員一般利用CFX、Fluent、Flacs等基于CFD的商用軟件對氣體的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1.3 耦合GIS-CFD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)外研究者們不斷嘗試?yán)肎IS的地理數(shù)據(jù)為CFD建立復(fù)雜真實的地理模型，通過GIS數(shù)據(jù)的輸入與CFD結(jié)果的輸出，結(jié)合二者的優(yōu)勢到達(dá)理想的模擬結(jié)果。

Hsie. T. and I.C. Ward[5]提出了一種使用GIS提供的二維數(shù)據(jù)用來為CFD建模的方法，以此來開發(fā)城市形態(tài)模型的框架措施。

孫潔[6]先運(yùn)用Fluent軟件對一定條件下的燃?xì)庑孤U(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，運(yùn)用GIS二維地理數(shù)據(jù)構(gòu)建了大學(xué)校園三維場景，同時借助粒子系統(tǒng)實現(xiàn)了燃?xì)庑孤U(kuò)散的三維動態(tài)可視化。

2? 耦合GIS-CFD技術(shù)在含硫氣田應(yīng)急中的應(yīng)用方式

目前傳統(tǒng)的基于“預(yù)測-應(yīng)對”的應(yīng)急決策模式已經(jīng)難以滿足含硫氣田重特大安全生產(chǎn)事故下應(yīng)急決策的要求，救援、疏散工作難以開展，應(yīng)急決策必須向“情景-應(yīng)對”模式轉(zhuǎn)變。該應(yīng)急模式的工作重點(diǎn)在于對情景的構(gòu)建和事故范圍以及發(fā)展趨勢的預(yù)測，那么預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和直觀性成為有效應(yīng)急決策的前提。應(yīng)用GIS-CFD耦合技術(shù)，可為實現(xiàn)含硫氣田“情景-應(yīng)對”應(yīng)急模式提供有力幫助。

2.1 復(fù)雜地形三維模型構(gòu)建

含硫氣田大多位于地形復(fù)雜地區(qū)，由于硫化氫比空氣重，當(dāng)含硫天然氣發(fā)生泄漏，地形條件對其擴(kuò)散方式的影響比較明顯。為了保證預(yù)測的準(zhǔn)確性，必須考慮含硫氣田所處位置的地形地貌條件。在針對氣田含硫天然氣泄漏事故進(jìn)行數(shù)值模擬前，可利用GIS軟件處理地形地貌的數(shù)字DEM、等高線以及圖像數(shù)據(jù)，采用曲線擬合或拼接不同高程的小平面等方式，構(gòu)建氣田及其周邊地形環(huán)境的三維模型，使泄漏事故數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況更加吻合。

2.2 含硫氣田泄漏事故三維可視化

在構(gòu)建氣田及其周邊地形環(huán)境三維模型的基礎(chǔ)上，利用CFD軟件進(jìn)行三維動態(tài)泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果文件采取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式、篩選范圍節(jié)點(diǎn)等方式，使節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)符號化后植入GIS，以此得到氣田含硫天然氣泄漏擴(kuò)散事故的模擬結(jié)果在GIS中展示的三維可視化效果。

2.3 “情景-應(yīng)對”的氣田應(yīng)急模式

為了實現(xiàn)事故的實時模擬，研究人員多是將氣體擴(kuò)散模型（如高斯模型）或運(yùn)算速度較快的定量風(fēng)險分析軟件（如Phast、CASST-QRA等）接入GIS，只需輸入實際數(shù)據(jù)，便可快速得到事故的模擬結(jié)果。但這些方式假定的條件較多，得到的結(jié)果與實際情況差距較大。如果將CFD軟件接入GIS中，由于使用CFD技術(shù)模擬氣體泄漏需要較長時間，故采用此方法達(dá)到事故的實時模擬是難以實現(xiàn)的。

為了解決CFD技術(shù)模擬時間長的問題，可先利用軟件在考慮盡可能多的工況條件下（不同泄漏孔徑、泄漏方向、風(fēng)速、風(fēng)向等），對氣田含硫天然氣泄漏擴(kuò)散，甚至火災(zāi)和爆炸等事故進(jìn)行數(shù)值模擬，以此形成事故情景庫。同時，結(jié)合氣田周邊人居分布、集合點(diǎn)、應(yīng)急資源（如警力、醫(yī)療等）等信息要素，針對每一個事故情景制定相應(yīng)的應(yīng)急處置方案，并利用合適的算法和程序集成含硫氣田三維應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)。當(dāng)含硫氣田發(fā)生事故時，只要輸入實際條件參數(shù)，系統(tǒng)便可快速匹配出事故情景和處置方案。

3? 實例應(yīng)用

以西南油氣田分公司川中油氣礦某含硫井站為例，運(yùn)用GIS-CFD耦合技術(shù)對井站泄漏事故進(jìn)行具體分析。

3.1 泄漏事故數(shù)值模擬

本文選擇基于CFD的Flcas模擬軟件，完成對采氣井站含硫天然氣泄漏事故的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬程序較多，本節(jié)只列出模型構(gòu)建、模擬結(jié)果等內(nèi)容。

3.1.1 模型構(gòu)建

采集井站及井站周邊地形地貌環(huán)境具體參數(shù)、地理信息數(shù)據(jù)等資料，利用Flacs軟件的前處理器CASD以小平面拼接的方式構(gòu)建井站及地形地貌環(huán)境三維場景模型（見圖1）。

3.1.2 模擬結(jié)果

以井站內(nèi)某輸氣管線由于腐蝕穿孔發(fā)生泄漏作為模擬場景，并設(shè)置泄漏孔徑為100mm的情況進(jìn)行泄漏事故數(shù)值模擬。以硫化氫最低濃度為20ppm的范圍作為傷害區(qū)域，模擬結(jié)果如圖2所示。從圖中可看到模擬結(jié)果的可視化效果較差，不方便進(jìn)行應(yīng)急要素編輯、疏散路線規(guī)劃、應(yīng)急處置方案編制等后續(xù)的應(yīng)急管理工作。

3.2 泄漏事故情景構(gòu)建

采集井站及其周邊地形地貌環(huán)境的衛(wèi)星圖和DEM高程數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS軟件構(gòu)建井站及其周邊地形地貌環(huán)境的真實情景，并將井站周邊的人居分布、集合點(diǎn)、路線等應(yīng)急要素，植入情景中。在此基礎(chǔ)上，將3.1節(jié)中的數(shù)值模擬結(jié)果以傷害區(qū)域的形式反映在情景中，以此實現(xiàn)GIS與CFD技術(shù)的耦合。構(gòu)建完成的泄漏情景如圖3所示。

圖3中可看到井站含硫天然氣發(fā)生泄漏后的擴(kuò)散趨勢，以及在真實場景中的傷害范圍。利用泄漏情景和井站周邊的應(yīng)急信息要素，可提出更加方便、清晰明了的現(xiàn)場應(yīng)急處置措施，為應(yīng)急應(yīng)急決策提供輔助作用，同時為實現(xiàn)“情景-應(yīng)對”的應(yīng)急模式提供強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)。

4? 結(jié)束語

耦合GIS-CFD技術(shù)可使含硫氣田泄漏事故在真實場景中再現(xiàn)，以此實現(xiàn)“情景-應(yīng)對”的氣田應(yīng)急模式，對含硫氣田生產(chǎn)過程中發(fā)生意外泄漏事故后，科學(xué)判斷泄漏氣體擴(kuò)散趨勢、濃度分布以及傷害范圍，提高應(yīng)急響應(yīng)速度和協(xié)調(diào)能力，最大限度減少財產(chǎn)損失、對環(huán)境的破壞和對社會的影響都具有十分重要的意義，同時也是對國家組建應(yīng)急管理部，全面實施“快速反應(yīng)、高效救援”應(yīng)急方針的積極響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]AQ2018-2008，含硫化氫天然氣井公眾安全防護(hù)距離[S].國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局，2008.

[2]屈興勝.GIS在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究[A].2015年中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集（第一卷）[C].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會，2015：4.

[3]張立.耦合GIS與CFD應(yīng)用潛力與面臨挑戰(zhàn)的探討[J].科技視界，2014（29）：162，279.

[4]王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5]SamS. Y. Wang， Yaoxin Zhang and Yafei Jia. Development and Application of GIS Module in NCCHE Modeling System： World Environmental and Water Resources Congress[J].2011：1934-1942.

[6]孫潔.室外管道燃?xì)庑孤U(kuò)散模擬與可視化研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2012.