基于GIS的危險化學氣體泄漏事故應急響應研究*

李　軍，李慶奇，賀城墻，趙子文，魏狀狀

(1.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083；2.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

0　引言

近幾十年來，我國在對外開放大環境的影響下，城市化和工業化取得了快速發展，而其中化工行業扮演了非常重要的角色。化工行業的發展在促進國家經濟建設的同時，也對公共安全以及城市和周圍地區的人身安全造成一定的影響[1]。危險化學氣體是化工產品中一類有重大危害風險的物質，一旦泄漏到大氣環境中，會嚴重危害當地的生態環境與居民健康，并有可能帶來致殘甚至致命的潛在危險[2]。近年來，國內對危險化學品的需求及產量每年大約以10%的幅度增加[3]，其泄漏事故發生的頻率也越來越高。2006—2015年的10年間，我國危險化學品事故共發生約2 690起，死亡人數超過2 000人[4-5]，其中包含各類重特大事故，例如：2005 年 3 月29 日，京滬高速公路淮安段一輛載有約35 t液氯的槽罐車與一輛貨車相撞，造成周邊村鎮29人死亡，285人受傷，近10 000人疏散，約2千畝農作物受災，直接經濟損失達1 700萬元，還引起了嚴重的環境污染[6]。因此，深入研究危險化學氣體泄漏后的擴散過程，快速預判風險區并制定受災人員的疏散規劃方案，有助于救災減災部門制定科學的應急響應方案，能最大程度減少人員傷亡和經濟損失。

目前，國內外學者在危險化學品泄漏應急響應方面開展了較多研究。其中，一類是傳統的應急響應研究，Zografos與Androutsopoulos探索了危險品運輸管理的平臺建設方式[7]；虞漢華與蔣軍成通過分析城市危險化學品的典型事故案例，總結了城市危險化學品事故應急救援預案的主要內容、構成要素以及應急響應程序等[8]；陶存新等從危險品運輸應急管理現狀入手，探討了道路危險品運輸預警應急聯動的總體框架，并具體分析了四級響應方案及機制正常運行的保障措施[9]；陳春貽等研究了構建危險品運輸實時監控及應急救援服務平臺的技術方案，設計了平臺系統的技術框架[10]。但以上現有研究，主要聚焦于危險化學品泄漏事故的應急響應機制、預案和平臺框架等內容。另一類是基于地理信息系統(GIS)[11]的應急響應研究，學者們通過專業模型和詳細的基礎地理信息的融入，實現了對多種類型事故的應急響應決策支持系統，Silva與Eglese將疏散過程模擬模型與GIS的地形分析和支持功能進行綜合，設計了可交互式的突發事件疏散模擬器[12]；李希建和林柏泉采用管理信息系統原理和GIS軟件，建立了可視化的煤礦災害應急救援系統，能實現遠程互動救援[13]；張子民等以處理突發化學品事故為目的，通過數字城市服務平臺構建一個面向突發事件應急的決策框架系統，解決分布數據的獲取、應急輔助模型的運算和響應輔助數據集的分發[14]。

與上述研究側重單個環節不同，本文旨在以GIS為基礎，通過融入基礎地理信息、泄漏擴散模型、最優路徑計算和疏散規劃模型，實現集危險化學氣體泄漏擴散模擬、氣體擴散風險分析、最優疏散規劃方案生成于一體的事故應急響應綜合處置，為危險化學氣體泄漏事故的應急處置與指揮等提供參考和借鑒。

1　方法

危險化學氣體泄漏事故的應急響應決策支持主要包括：危險化學氣體擴散模擬、化學氣體危害風險分析和最優疏散方案生成。總體技術流程如圖1所示。其中，危險化學氣體擴散模擬是依據泄漏物質的理化性質、泄漏事故的位置和方式、周邊氣象條件等信息，采用合適的泄漏源強模型和氣體擴散模型，模擬氣體的擴散范圍及隨時間的動態變化過程；化學氣體危害風險分析指結合各類型危險化學氣體風險等級標準，計算對應各濃度等級的影響范圍，根據基礎地理信息庫，使用空間分析方法判定受災人員；最后則是以受災人員分布、救援安置點的容納條件、道路網分布為基礎，引入運輸規劃模型，分析最優疏散路徑和分配方案，快速合理疏散受災人員。

圖1　危險化學氣體泄漏事故應急響應流程Fig.1　Emergency response process for dangerous chemical gas leakage accident

1.1　危險化學氣體泄漏與擴散模擬

危險化學氣體泄漏事故中，氣體會經歷泄漏與擴散2個過程。利用泄漏源模型，依據泄漏物質的理化性質、儲存狀態、泄漏口的尺寸、位置等參數，計算泄漏速率。化學氣體的儲存狀態將直接影響泄漏量和速率，因此泄漏源模型又包含液相泄漏、氣相泄漏和兩相泄漏3種形式。不同密度的氣體對應不同的擴散條件，根據氣體相對于空氣的密度，擴散模型分為重氣擴散模型和非重氣擴散模型。

1.1.1泄漏源模型

危險化學氣體常通過加壓和冷卻的方式進行液化，以儲罐存儲，存在3種泄漏方式。當發生液相泄漏時，泄漏過程服從流體力學的伯努利方程[15]，泄漏速度的計算公式為：

(1)

式中：Q為泄漏流量，kg·s-1；Cd為泄漏系數，通常取值范圍為0.6～0.64；A為泄漏口面積，m2；ρ為泄漏液體密度，kg·m-3；p為容器內介質壓力，Pa；p0為環境壓力，Pa；g為重力加速度，9.8 m·s-2；h為泄漏口上液位高度，m。

1.1.2氣體擴散模型

在氣體擴散分析中，首先通過Richardson數判斷氣體擴散類型為重氣擴散還是非重氣擴散，再選擇合適的擴散模型。非重氣擴散又稱Gauss擴散，若發生突發性瞬時泄漏時采用Gauss煙團模型，當泄漏物質發生連續性泄漏時使用Gauss煙羽模型。

1.1.2.1Gauss煙團模型

Gauss煙團模型[16]適用于重氣體作用消失后或瞬時泄漏所形成氣團的擴散，以泄漏源為坐標原點，以下風方向為x軸，空間任意一點(x,y,z)處的濃度為：

(2)

式中：c(x,y,z,t)為空間點(x,y,z)處在t時刻的濃度，kg·m-3；H為有效源高,m；Q為泄漏源強，kg·s-1；σx為下風向的擴散系數，m；σy為側風向的擴散系數，m；σz為垂直風向的擴散系，m。

1.1.2.2Gauss煙羽模型

Gauss煙羽模型[16]適用于連續泄漏所形成的氣羽狀氣團，在有一定風速時，以泄漏源為原點，以下風方向為x軸的空間坐標系中一點(x,y,z)處的濃度為：

(3)

式中：u為風速，m·s-1；其它參數與Gauss煙團模型相同。

1.1.2.3重氣擴散模型

較常用的DEGADIS模型由美國海岸警備隊和氣體研究所共同開發，能對短期的環境濃度以及預期將暴露在高于限制濃度水平的有毒化學品區域進行精細模擬評估[17]。它的理論基礎是標準高斯擴散模型，假設氣云各處具有均勻的濃度，能夠描述在平坦地形和無障礙物的無限空間條件下，密度比空氣大的氣體發生泄漏事故時在大氣中的擴散過程[18]。

1.2　化學氣體危害風險分析

AEGL是常用的毒性危害風險標準，它包含三級標準，AEGL-1是空氣中風險物質的濃度標準會使包括敏感人群在內的一般人體表現為明顯不適、憤怒或某些無癥狀的喪失感覺現象，但這些現象或不適是暫時的、可控的,一旦暴露停止即可恢復正常；AEGL-2濃度會導致不可逆轉的或受損的逃生能力,或長期持久、其他嚴重的不良健康影響；AEGL-3濃度會產生危及生命的影響或死亡。表1展示了典型危險化學氣體的AEGL風險濃度標準。

表1　典型危險化學氣體的AEGL標準Table 1　AEGL criteria for typical toxic chemical gas

在分析泄漏化學氣體擴散的影響范圍和受災人員分布前，先將泄漏事故周邊區域按等間隔劃分規則格網，利用上文氣體泄漏和擴散模型計算泄漏氣體在格網點濃度值，形成氣體濃度柵格。以AEGL標準的3個濃度等級作為參照，利用GIS等值線追蹤法[19]處理氣體濃度柵格生成3個濃度等級的影響范圍。進一步以此區域的基礎地理信息庫中的重點機構(學校、居民區、商業中心等)為底圖，通過GIS疊置分析法[20]篩選出處于不同濃度等級的受災人員。

1.3　最優疏散方案生成

獲取受災人員的空間分布后，需要采取迅速地疏散和撤離，通常應包含3方面內容：選擇合適的安置或救援點，確保疏散人員的絕對安全，盡量避免二次轉移；合理將風險區中不同地點的人群、財產分配到各安置救援點，避免安置點容量超限問題；選擇最佳疏散路徑。

最短疏散路徑的選擇，可以利用Dijkstra算法[21]依據路網信息計算，因此關鍵在于受災人員到安置點的科學分配。危險化學氣體泄漏事故的受災人員疏散問題，實際上可以看作多源點、多接收點的網絡流問題，可以以數學形式表達此問題：假設在泄漏事故中，風險區域中分布有m個居民點{Α1,Α2,…,Αm}，各居民點的人口數分別為a1，a2，…，am，風險區域外一定范圍內分布有n個安置點{B1,B2,…,Bn}，各安置點接收人口上限分別為b1，b2，…，bn。設由風險區居民點Αi(i=1,2,…,m)向安置點Βj(j=1,2,…,n)疏散單位人口流量的耗時是cij。由于總疏散人口數和總安置容量通常不相等，為解決疏散過程中運輸不平衡的問題，可虛擬一個假想的居民點Αm+1，則其人口數量可表示為:

若以使所有受災人群在最短時間里疏散到安置點為目的，則最優方案的目標模型為：

根據居民點的人口、安置點的容納量及分配限制，可以構建如下約束條件：

式中：xij為居民點i疏散至安置點j的人數；cij為從居民點i向安置點j疏散單位人數的耗時，該問題可以通過單目標線性規劃[22]進行求解。

2　結果與分析

通過設置泄漏化學氣體、儲存條件、氣象條件、居民分布等各類型參數，模擬不同場景的非重氣擴散、重氣擴散及應急疏散規劃方案。

2.1　非重氣擴散

選擇氫氣進行非重氣擴散模擬實驗，假定泄漏事故發生時間為2016年12月10日上午11時30分，氣象條件為西南風，氣溫28 ℃，空氣濕度為80%，泄漏方式為持續泄漏，總氫氣泄漏量為100 kg。圖2(a) ～(d)分別展示了風速為1 m/s，2 m/s，4 m/s和5 m/s時氫氣泄漏后PAC標準下的預警范圍，分別為PAC-3級、PAC-2級、PAC-1級預警范圍。由圖2可以發現，泄漏的氫氣總體上沿著下風方向擴散，隨著風速增加，預警范圍變得越來越狹長。風速越大時，沿風向垂直方向中的影響距離越短，總預警范圍越小，說明風對有毒氣體的稀釋作用非常明顯。

圖2　不同風速條件下氫氣擴散范圍Fig.2　Diffusion range of hydrogen under different wind speeds

在同樣的泄漏和擴散條件下(風速2.5 m/s，風向為正南風，其它參數一樣)，泄漏物質的質量也會影響預警范圍。圖3(a)～(b)展示了氫氣泄漏量為50 kg和300 kg時PAC標準下的預警范圍。圖3 (a)可以看出，當泄漏量為50 kg時，PAC-1的警戒范圍為21.9 m，PAC -2的警戒范圍為9.7 m，PAC-3的警戒范圍為7.2 m。圖3(b)顯示，當泄漏量為300 kg時，PAC-1、PAC-2和PAC-3的警戒范圍分別為69.5 m，31.8 m，21.8 m。

2.2　重氣擴散

選擇氯氣進行重氣擴散模擬實驗，設定泄漏事故發生時間為2016年12月10日上午10時00分，氣象條件為正南風，風速為2.5 m/s，氣溫為28℃，空氣濕度80%，泄漏方式為瞬時泄漏，泄漏氯氣總質量為400 kg。將上述參數輸入到模型中，得到外泄氯氣在空氣中隨時間的動態擴散過程，如圖4所示。

圖4(a)～(f)分別展示了在發生泄漏后1 min，2 min，3 min，7 min，9 min和11 min時AEGL標準下的預警范圍。可以看出，擴散影響區從泄漏位置往下風方向

圖3　不同質量條件下氫氣擴散范圍Fig.3　Diffusion range of hydrogen under different mass conditions

圖4　氯氣泄漏在空氣中的動態擴散過程Fig.4　Dynamic diffusion of chlorine gas in air

延伸出去，形態特征為前端寬后端窄，并隨著時間變化，范圍持續增大。在泄漏事故后期，影響范圍不再快速增加，而是整體范圍往下風方向推移，且往兩側方向略有增長。此后，AEGL-3級預警區面積逐步減小直至消失。

若氯氣總質量非常大，則泄漏過程可認為是連續型泄漏，即在一定時間范圍內泄漏的速率保持不變。假定此類情況的泄漏速率為1 kg/s，其他條件保持不變，得到氯氣連續泄漏情況下的擴散范圍，如圖5所示。從圖5可以看出，AEGL-1的警戒范圍達到10 km，AEGL-2的警戒范圍約為7 km，AEGL-3的警戒范圍約為1 km。

圖5　氯氣連續泄漏的擴散范圍Fig. 5　Chlorine gas diffusion range of continuous leakage

2.3　最優疏散方案生成

為說明如圖5所示的氯氣連續泄漏事故的受災人員快速疏散方案生成過程，假設在事故發生地周邊區域分布有一定數量的居民點和安置點，如圖6所示。線條表示道路網，圓圈表示居民點，居民點旁的標示為編號和居民數量(括號內的數字)，十字符號表示安置點，其標示為編號和最大可容納人數(括號內的數字)。通過上文介紹的毒性氣體危害風險分析，篩選出AEGL-2預警范圍內的居民點作為受災居民點，即需要實施疏散的居民點。

以道路網為基礎計算受災居民點和安置點間的最短疏散路徑。為使氣體擴散區中的疏散路徑總長度最小化，將疏散路徑分析分為擴散區內和擴散區外2個步驟，因此先將擴散區內的道路網分離出來，計算各受災居民點至最近的擴散區邊界點的最短路徑，如圖7所示，

圖6　泄漏事故周邊區域的居民點、安置點、道路分布Fig.6　Residential areas around the leakage accident, settlements, road distribution

圖7　擴散區內疏散路徑分析Fig.7　Evacuation route analysis within diffusion extent

然后再計算擴散區外的最短路徑，如圖8所示。圖8分別展示了居民點1、居民點4、居民點7、居民點8和居民點11的對應邊界點至各安置點的最短路徑。以得到的疏散路徑為基礎，通過線性規劃求解受災人員與安置點間的最優疏散方案，使疏散路徑時間最短，疏散總成本最小。表2表示了各居民點向各安置點疏散的人口數量。此次應急響應的總疏散距離為24.1 km，若以平均疏散速度50 km/h計算，總疏散時間為28.9 min，若同時對各居民點進行疏散，疏散時間為5 min。

圖8　擴散區外受災居民點的對應邊界點到各安置點的最短疏散路徑Fig.8　The shortest evacuation route from the boundary points of affected residential area to each resettlement site

居民點安置點ABCDEFGH17000023000048000000007020200000008000501500401100000140800

3　結　論

1)將危險化學氣體的擴散模型集成到GIS環境中，依據泄漏地點和環境參數計算氣體的實際擴散地理范圍，并在地圖上模擬氣體隨時間的動態擴散過程。

2)依據基礎地理信息，利用GIS空間分析方法快速預測各風險預警等級下的受災人員，并將線性規劃方法應用于受災人員疏散求解，實現危險化學氣體擴散模擬、風險分析和疏散規劃一體化應急響應。

3)本文所使用的擴散模型僅適用于開闊地形條件，存在障礙物遮擋時的氣體擴散模型將是進一步深入研究的方向；此外，將時間因子引入到最優疏散方案生成模型中，以適用氣體擴散過程處于動態變化的情景，也是下一步研究的重點。

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