基于GIS的管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪技術(shù)研究

徐杰，高海康，吳志強(qiáng)，張正雄，劉天堯

(國家管網(wǎng)北方管道公司 管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

近年來，管道運(yùn)營安全越來越受到社會(huì)公眾的關(guān)注，國內(nèi)外發(fā)生的管道泄漏爆炸事故說明管道運(yùn)營有其固有的脆弱性，如何有效應(yīng)對管道應(yīng)急事件，對降低事故影響尤為重要。應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)開發(fā)管道應(yīng)急技術(shù)系統(tǒng)，是近幾年管道應(yīng)急研究應(yīng)用的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]論述了基于完整性數(shù)據(jù)庫的管道應(yīng)急信息化技術(shù)，也有大量類似的研究集中于基于GIS的管道安全應(yīng)急決策支持系統(tǒng)、油氣管道事故應(yīng)急救援系統(tǒng)等[2-5]，這些系統(tǒng)的研究離不開GIS的有效支持。但是在已有的研究中，對管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪技術(shù)的研究較少，而管道態(tài)勢標(biāo)繪對管道應(yīng)急救援有著重要的作用，結(jié)合應(yīng)急管理理論和GIS空間分析等相關(guān)技術(shù)，使用圖形標(biāo)繪形成專業(yè)的管道應(yīng)急態(tài)勢圖輔助決策[6-8]。本文設(shè)計(jì)了關(guān)于管道應(yīng)急模塊的態(tài)勢標(biāo)繪體系，研究了應(yīng)急態(tài)勢圖生成的決策模型，包括油品泄漏標(biāo)繪模型、天然氣泄漏標(biāo)繪模型、應(yīng)急資源調(diào)配標(biāo)繪模型，探討了基于GIS的管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪技術(shù)。

1 管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪體系

管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪是在GIS強(qiáng)大的可視化基礎(chǔ)上，當(dāng)管道發(fā)生應(yīng)急事件處置時(shí)，采用規(guī)定的符號、文字和顏色對應(yīng)急搶險(xiǎn)現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)注分析。管道應(yīng)急態(tài)勢圖主要是由地圖底圖與應(yīng)急趨勢圖組成，地圖底圖包括GIS基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、管道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等[9]，應(yīng)急態(tài)勢圖是在底圖的基礎(chǔ)上對管道應(yīng)急救援現(xiàn)場隨時(shí)間變化進(jìn)行標(biāo)繪，本文研究的重點(diǎn)是應(yīng)急態(tài)勢圖。

GIS對態(tài)勢標(biāo)繪系統(tǒng)起支撐作用，態(tài)勢標(biāo)繪符號在地理坐標(biāo)系統(tǒng)中才具有具體的含義，態(tài)勢標(biāo)繪元素的符號化表達(dá)主要采用地圖圖形和符號[10-12]。管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪系統(tǒng)中的關(guān)鍵元素是應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪元素，結(jié)合管道應(yīng)急處置方案，本文將態(tài)勢圖中應(yīng)急態(tài)勢元素分為指揮體系、交通要素、人員搶救、應(yīng)急儲(chǔ)備等8個(gè)大類，管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪元素的分類體系如圖1所示。

圖1 管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪分類體系示意

2 管道應(yīng)急標(biāo)繪主要模型

2.1 油品泄漏標(biāo)繪模型

油品泄漏是管道應(yīng)急事件發(fā)生的常見原因，油品泄漏發(fā)生時(shí)需要判斷出泄漏油品的流動(dòng)方向以及對周邊居民、環(huán)境產(chǎn)生危害的潛在范圍。本文提出的油品泄漏標(biāo)繪模型就是基于數(shù)字高程模型(DEM)，利用GIS地形分析中的水文分析，標(biāo)繪油品可能的泄漏路徑，并通過與周邊居民區(qū)、河流、路網(wǎng)的空間分析，標(biāo)繪出有效的應(yīng)急布控點(diǎn)位置，為管道應(yīng)急提供有效決策信息。油品泄漏首先要確定泄漏量[13]，根據(jù)流體力學(xué)理論和陸上管道油品泄漏的特點(diǎn)，單位時(shí)間內(nèi)油品泄漏量可按伯努利方程計(jì)算，如式(1)所示：

(1)

式中：qm1——液體泄漏質(zhì)量流量，kg/s；Cd——液體泄漏系數(shù)，通常取0.6～0.64；A——裂口面積，m2；ρ——泄漏液體密度，kg/m3；p——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；p0——環(huán)境壓力，Pa；g——重力加速度，m/s2；h——泄漏源液位高度，m。

油品泄漏后會(huì)沿著地面流到低洼處形成液池，泄漏量大可能進(jìn)入臨近河流，但泄漏的擴(kuò)散路徑是研究的難點(diǎn)。利用GIS水文分析，對DEM數(shù)據(jù)提取地表水流網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)油品泄漏量達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地表油流，這些油流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是水文分析中的河網(wǎng)提取。目前河網(wǎng)提取方法主要采用地表徑流漫流模型，首先在經(jīng)過處理的無洼地DEM上利用最大坡降法得到每一個(gè)柵格的水流方向，然后計(jì)算出匯流累積量，即每一個(gè)柵格在水流方向上累計(jì)的柵格數(shù)，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑。

河網(wǎng)提取采用ArcGIS中的水文分析模塊完成，由于DEM原始數(shù)據(jù)存在的一些凹陷區(qū)域得到不合理甚至錯(cuò)誤的水流方向，首先計(jì)算洼地深度設(shè)置合理的填充閾值，不斷反復(fù)直到所有洼地被填平，得到無洼地的DEM數(shù)據(jù)。采用D8算法計(jì)算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差確定柵格的流向，生成水流方向數(shù)據(jù)。以地形的水流方向?yàn)榛A(chǔ)，計(jì)算每點(diǎn)處所流過的水量數(shù)值，生成研究區(qū)的匯流累積量數(shù)據(jù)。最后在河網(wǎng)生成時(shí)利用現(xiàn)有地形圖通過不斷試驗(yàn)設(shè)置合理閾值得到柵格河網(wǎng)，柵格河網(wǎng)矢量化即得到油品泄漏的潛在擴(kuò)散路徑，借助GIS強(qiáng)大的空間分析，提出有效的應(yīng)急布控點(diǎn)位置如圖2所示。依據(jù)該模型使用管道態(tài)勢標(biāo)繪的符號體系生成油品泄漏應(yīng)急態(tài)勢圖，為整個(gè)管道應(yīng)急救災(zāi)提供輔助決策作用。

圖2 油品泄漏應(yīng)急布控點(diǎn)位置示意

2.2 天然氣泄漏標(biāo)繪模型

天然氣泄漏后進(jìn)入大氣形成大面積的危險(xiǎn)區(qū)域，常用的氣體泄漏擴(kuò)散模型有高斯模型、Sutton模型、BM模型、FEM3模型等，其中高斯模型的形式比較簡單，計(jì)算值與試驗(yàn)值能較好地吻合，主要應(yīng)用于大氣擴(kuò)散的浮性氣體或中性氣體的擴(kuò)散[14-16]。在算法的基礎(chǔ)上結(jié)合GIS利用等值線算法確定事故影響區(qū)域，提出了態(tài)勢標(biāo)繪的自動(dòng)生成決策模型。天然氣管道泄漏一般為孔口泄漏，天然氣按理想氣體考慮，利用伯努利方程和絕熱方程計(jì)算泄漏量。根據(jù)管道泄漏天然氣擴(kuò)散的特點(diǎn)，選擇高斯煙羽模型分析天然氣擴(kuò)散，其濃度分布的計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：c——天然氣的濃度；qm2——天然氣單位時(shí)間排放量，mg/s；σx，σy，σz——x，y，z軸上的擴(kuò)散系數(shù)，m；x0，y0，z0——任一點(diǎn)坐標(biāo)，m；u——平均風(fēng)速，m/s；H——泄漏源的高度，m。

高斯模型適用于非重氣云氣體，要求氣體在擴(kuò)散過程中，風(fēng)速均勻穩(wěn)定。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，以泄漏源為原點(diǎn)，x軸沿下風(fēng)向，y軸在水平面上垂直于x軸，z軸垂直向上建立坐標(biāo)系，設(shè)置二維應(yīng)急區(qū)域格網(wǎng)，簡化各個(gè)點(diǎn)的H都為固定數(shù)值，每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)存儲(chǔ)天然氣在不同時(shí)刻(t)的空間坐標(biāo)值及污染物的濃度值，模擬氣體擴(kuò)散。為提高模擬推演速度，將模型計(jì)算結(jié)果組織為按時(shí)刻組織的離散空間坐標(biāo)點(diǎn)序列[17]，使用克里金插值方法對離散點(diǎn)進(jìn)行空間插值，將泄漏空間還原為一個(gè)連續(xù)的空間[18]，根據(jù)等值線算法及劃分危險(xiǎn)區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)得到輕度危險(xiǎn)區(qū)、中度危險(xiǎn)區(qū)、重度危險(xiǎn)區(qū)濃度等值線濃度值的所有點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)值。模型計(jì)算完畢使用管道態(tài)勢標(biāo)繪模擬氣體的擴(kuò)散過程和范圍，得到某一時(shí)刻的氣體濃度分布圖，統(tǒng)計(jì)受影響范圍內(nèi)的重要單位、居民區(qū)、河流、道路等信息，生成應(yīng)急態(tài)勢圖即可完成地圖的顯示并生成統(tǒng)計(jì)信息，從地理上實(shí)現(xiàn)了通過提取等值線來模擬天然氣泄漏后擴(kuò)散濃度的渲染圖。

天然氣管道在運(yùn)營過程中一般通過兩種途徑發(fā)生泄漏：一種情況主要受管道腐蝕老化等原因產(chǎn)生穿孔造成泄漏，若天然氣通過縫隙等薄弱環(huán)節(jié)逸出地面達(dá)到爆炸極限，遇火源可能發(fā)生火災(zāi)或爆炸；另一種情況由于第三方破壞等原因造成管道挖斷，天然氣直接泄漏到空氣中，危險(xiǎn)程度高。根據(jù)爆炸對人體的傷害程度，劃分3個(gè)爆炸事故的危險(xiǎn)區(qū)域：輕傷緩沖區(qū)、重傷緩沖區(qū)和死亡緩沖區(qū)。國家管網(wǎng)某支線天然氣管道模擬應(yīng)急泄漏，該輸氣管道管徑為500 mm，設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa，設(shè)計(jì)溫度為20 ℃，裂口面積為3×10-4m2，當(dāng)日平均風(fēng)速為2.0 m/s，天然氣的燃燒熱Qf=5×104kJ/kg。根據(jù)天然氣主要成分所占的比例和混合氣體爆炸極限的計(jì)算公式計(jì)算天然氣爆炸極限質(zhì)量濃度為34.58～105.81 g/m3；質(zhì)量濃度小于34.58 g/m3為輕度危險(xiǎn)區(qū)；質(zhì)量濃度大于105.81 g/m3為高度危險(xiǎn)區(qū)，該區(qū)域有中毒的危險(xiǎn)；質(zhì)量濃度為34.58～105.81 g/m3時(shí)為中度危險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)嚴(yán)防火源防止爆炸。天然氣連續(xù)泄漏在擴(kuò)散后第300 s的標(biāo)繪范圍如圖3所示。

圖3 天然氣連續(xù)泄漏在擴(kuò)散后第300 s的標(biāo)繪范圍示意

2.3 應(yīng)急資源調(diào)度標(biāo)繪模型

在管道應(yīng)急處置中，一些資源被要求送往受災(zāi)地點(diǎn)，應(yīng)急資源是管道應(yīng)急救援的基礎(chǔ)，應(yīng)急事件發(fā)生后要求在最短時(shí)間內(nèi)完成應(yīng)急資源的科學(xué)調(diào)運(yùn)，最快地滿足應(yīng)急救援對應(yīng)急資源的需求，這樣可能有多個(gè)需求點(diǎn)，管道應(yīng)急資源調(diào)度標(biāo)繪模型是以整個(gè)供需響應(yīng)最快為目的而生成資源調(diào)配態(tài)勢圖。目前應(yīng)急資源調(diào)度基本上是以時(shí)間最短和出救點(diǎn)最少為目標(biāo)建立優(yōu)化模型，使用線性規(guī)劃求得目標(biāo)方程全局性的最佳結(jié)果[19]，在已有算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道應(yīng)急的實(shí)際情況，提出管道應(yīng)急資源調(diào)度標(biāo)繪模型。首先需要解決資源調(diào)度問題，應(yīng)急資源調(diào)度問題可描述為在m個(gè)資源供給候選點(diǎn)中選擇k個(gè)供應(yīng)點(diǎn)為n個(gè)資源需求點(diǎn)服務(wù)，決策模型的目的是計(jì)算為資源需求點(diǎn)服務(wù)的總距離(或時(shí)間或費(fèi)用)為最少的供給方式，如式(3)所示：

(3)

式中：αij——分配的指數(shù)，若需求點(diǎn)i接受供應(yīng)點(diǎn)j的服務(wù)則為1，否則記為0；ωi——需求點(diǎn)i的需求量；dij——候選點(diǎn)j到需求點(diǎn)i的距離。

加入式(4)約束條件保證每個(gè)需求點(diǎn)只接受一個(gè)供應(yīng)點(diǎn)服務(wù)：

(4)

由式(4)約束循環(huán)迭代，通過搜索運(yùn)算即可以求得整體上最高效的供應(yīng)點(diǎn)集，就是需要調(diào)度的救援人員和救援物資，將該決策模型與GIS技術(shù)相結(jié)合，使用管道態(tài)勢標(biāo)繪的符號體系標(biāo)繪進(jìn)場路線圖，可實(shí)現(xiàn)管道應(yīng)急資源的可視化管理。同時(shí)借助GIS強(qiáng)大的空間分析能力進(jìn)行資源最優(yōu)調(diào)度，通過對應(yīng)急資源調(diào)運(yùn)方案的定制，提高管道應(yīng)急救援中應(yīng)急資源調(diào)配的整體可靠性[20]。將模型計(jì)算結(jié)果投影到真實(shí)的地理環(huán)境中，利用標(biāo)繪使應(yīng)急救援的發(fā)展趨勢一目了然，為管道應(yīng)急救援提供輔助決策作用。管道應(yīng)急資源調(diào)度標(biāo)繪模型的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 試驗(yàn)與應(yīng)用

基于本文方法開發(fā)完成了管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪模塊，并將該模塊應(yīng)用于長輸管道的應(yīng)急搶險(xiǎn)工作，主要用于輔助管道應(yīng)急信息集成顯示與應(yīng)急可視化分析等工作。該模塊標(biāo)繪功能包括：應(yīng)急地點(diǎn)定位、事故影響范圍、應(yīng)急地理標(biāo)注、應(yīng)急資源調(diào)配以及新建、打開、保存態(tài)勢標(biāo)繪圖等功能，對態(tài)勢標(biāo)繪元素可進(jìn)行刪除、添加、修改、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。結(jié)合高分辨率航空影像和詳盡的管道專題信息，可快速提取各種管道應(yīng)急的相關(guān)信息，在地圖上以可視化的方式進(jìn)行展示，輔助應(yīng)急救援工作，該模塊在管道應(yīng)急救援信息集成示范中得到很好的展示與應(yīng)用。管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪演練如圖5所示。

圖4 應(yīng)急資源調(diào)度標(biāo)繪模型的邏輯結(jié)構(gòu)示意

圖5 管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪演練示意

在演練過程中將標(biāo)繪功能的任務(wù)大致分為3個(gè)階段：第一階段主要是展示階段，采用態(tài)勢標(biāo)繪符號標(biāo)繪泄漏點(diǎn)、周邊地理環(huán)境如居民區(qū)、河流、學(xué)校等分布情況，使救災(zāi)人員對應(yīng)急區(qū)域有初步了解；第二階段為分析階段，結(jié)合油品泄漏標(biāo)繪模型、天然氣泄漏標(biāo)繪模型及應(yīng)急資源調(diào)度標(biāo)繪模型對應(yīng)急區(qū)域進(jìn)行分析，為指揮調(diào)度決策提供信息；第三階段為決策模擬階段，綜合應(yīng)急區(qū)域的地理環(huán)境和分析的結(jié)果，制定備選的應(yīng)急方案，包括應(yīng)急資源的行進(jìn)路線、指揮體系、應(yīng)急安置、應(yīng)急救援等信息的分布。對應(yīng)急預(yù)案以標(biāo)繪形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)演和模擬，檢驗(yàn)預(yù)案的合理性對預(yù)案進(jìn)行完善，為救援指揮的順利開展提供了保障。

4 結(jié)束語

本文針對管道事故應(yīng)急救援處置，研究了管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪技術(shù)。通過GIS的符號化表達(dá)方式設(shè)計(jì)了管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪體系，研究了管道泄漏標(biāo)繪模型及資源調(diào)度標(biāo)繪模型，并基于GIS平臺(tái)構(gòu)建了管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪模塊，生成可供參考的管道應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪圖，為決策者提供應(yīng)急救援輔助信息，可大幅提高管道應(yīng)急指揮處置能力和救援綜合效率。但是管道輸送環(huán)境條件變化太大，對眾多可變因素產(chǎn)生的影響，該模塊僅是在一定條件下進(jìn)行，對復(fù)雜條件下的管道應(yīng)急模擬不足，另外，對管道應(yīng)急搶修的智能化、精細(xì)化和應(yīng)急決策方案對比等問題有待于進(jìn)一步研究解決。