高硫氣田應急疏散GIS系統設計與實現

郭屹桐，王 亮，張志華

（1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.中國測繪科學研究院，北京 100830）

高硫氣田應急疏散GIS系統設計與實現

郭屹桐1，王 亮2，張志華3

（1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.中國測繪科學研究院，北京 100830）

在川東北高含硫油氣田的開采過程中，天然氣運輸管道破裂導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急系統。針對川東北地區天然氣運輸管道泄漏事故，設計并實現了基于CALPUFF模型的天然氣運輸管道應急響應系統，以期為日后的相關工作提供參考。

應急響應系統；CALPUFF氣體模型；川東北油氣田；管道泄漏

在國民經濟不斷發展的今天，動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，在提升人們生活質量的過程中發揮著不可代替的作用，但是，天然氣的開采嚴重污染了環境。

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輸規律，計算氣體擴散的影響范圍，并建立完善的應急系統。對應急響應系統提出的基本要求是，能夠準確模擬天然氣運輸管道破裂后有毒氣體（尤其是硫化氫氣體）的擴散過程。氣體擴散模型是系統的核心模塊，也是本文研究的重難點內容。

國內外在危險性物質事故性泄漏基礎研究方面的發展趨勢是：著重研究事故性泄漏動力學演化機理和規律，準確描述事故性泄漏過程理論模型的建立，模擬事故性泄漏動力學過程的大型數值模擬軟件的研制開發，并將其應用于事故應急預案的制訂，同時，應用于事故后果分析和環境風險評價。本文采用EPA推出的CALPUFF模型進行川東北天然氣項目中的有毒氣體（主要是硫化氫）擴散的模擬。

本文以川東北為項目背景，因川東北地區高含硫天然氣項目所處地勢凹凸不平、山坡有起伏，且基礎設施差，還靠近高密度的人口區域，導致川東北含硫天然氣的生產風險較大。筆者在分析了CALPUFF模型算法和CALPUFF模型系統，實現氣體擴散的實時動態模擬在天然氣運輸管道氣體泄漏事故中的應用后，將CALPUFF模型嵌入到應急響應系統中，設計并實現了一個針對天然氣運輸管道的應急響應系統。

1 建設目標和內容

根據川東北的項目背景，通過對CALPUFF模型算法和CALPUFF模型系統的分析，實現了氣體擴散的實時動態模擬在天然氣運輸管道氣體泄漏事故后，將CALPUFF模型嵌入到應急響應系統中，同時，還設計并實現了一個針對天然氣運輸管道的應急響應系統。該系統以GIS平臺為基礎，統籌管理天然氣運輸管道沿線2.5 km緩沖區內的地形地貌、人居分布、社會經濟、生產運行狀況和應急資源等要素，實時發布危險源監測數據，根據監測數據明確事故，及時報警，準確定位；實時動態模擬氣體泄漏后的擴散過程，預計危害范圍，指揮應急救援。

在實際研究過程中，筆者主要研究的內容有：①研究管道天然氣泄漏事故的應急響應機制，包括管道狀態監測、事故報警、應急資源和應急救援措施等，建立完備的應急響應流程，并設計基于GIS的天然氣運輸管道應急響應系統；②研究應急響應系統中的地理信息核心技術，編程開發實現基于GIS的天然氣運輸管道應急響應系統；③研究CALPUFF的氣象場原理、煙團擴散機理，以及CALPUFF模型系統流程、輸入輸出數據格式、系統調用接口等；④研究CALPUFF與應急響應系統的集成技術、集成中的關鍵問題和模型結果評價，并將CALPUFF嵌入到天然氣運輸管道應急響應系統中，實現一體化自動計算流程。

2 天然氣運輸管道應急響應系統總設計

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，南距重慶市約200 km。羅家寨構造飛仙關氣藏的儲量經計算為5.076 3×1010m3，滾子坪構造飛仙關氣藏的儲量經計算為1.214 6×1010m3。

2.1 需求分析

配套的安全控制技術、標準的規范和管理體系，安全生產和應急處置，氣田硫化氫的含量高、壓力大、集輸體系點多線長，泄漏監測與安全控制的需求很高，這些都是高含硫氣田大規模開發所面臨的技術難題。另外，由于地形復雜，人口密集，人口相對分散，所以，交通和通信不便，應急處理非常困難。這種特殊性向應急管理提出了很高的要求。

2.2 危險有害因素分析

該項目的主要危險、有害物質，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品等。

按照《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218—2009）和《關于開展重大危險源監督管理工作的指導意見》（國家安監總局安監管技裝協調字〔2004〕56號）的規定進行重大危險源辨識。本項目可能存在的重大危險源涉及生產場所、壓力管道、壓力容器和鍋爐4個方面。

2.3 系統總體設計

2.3.1 建設原則

全面實施“快速反應、高效救援”的方針，規定四川東北地區天然氣項目的應急管理，提高應急響應的速度和協調能力，加強綜合處置重大特大事故的能力，防患和節制二次災難的發生，確保企業每個職工和民眾的生命安全，最大限度地減少財產損失、對環境的破壞和對社會的影響。

項目建設要嚴格按照“總體規劃、分步實施”的總體原則進行。分布開發是指：①用較短的時間開發出能夠滿足項目應急管理要求的GIS系統；②不斷完善系統，開發出完整、實用的二三維應急管理平臺。

2.3.2 總體設計框架

川東北天然氣應急管理系統總體設計堅持數據、管理、服務、應用分離的基本思想，以維持擴展性和靈活性為前提，系統采納二三維一體化的平臺為總體框架，以計算機網絡和硬件平臺為依據，綜合利用物聯網、云計算、三維仿真、嵌入式、數據庫、網絡和多媒體等技術，實現應急預案、應急救援、應急響應、應急指揮等專業應用。同時，系統建設是在國家政策、法規和相關行業標準的基礎上進行的。

系統分成了三個層次建設，即數據源層、地理云服務、應用層。數據源層是通過SQL Server或Oracle數據庫存儲基礎地形、地理和影像等空間數據；地理云服務是采取2D、3D一體化的專用GIS數據服務；應用層是針對應急管理系統的需求，完成二三維地理信息展現、安全治理信息集成、重大危險源監測、應急管理和應急響應等工作。系統的組織結構由兩部分組成：外圍是支撐平臺體系，中間是信息系統的應用體系。

應用系統是采取多層分布式體系結構來構建的一個可持續改善的，達成應急管理要求的靈活綜合應用系統。這個系統是依照面向服務的體系架構（SOA）設計思想設計的。外圍支撐體系是信息系統的基礎支撐平臺，它包括地理信息標準規范體系、安全標準體系等。

2.3.3 功能設計

根據系統的需求分析，設計了五大功能模塊，即場景管理、應急資源管理、重大危險源監測、氣體泄漏事故模擬預測和應急指揮救援，其中，每個模塊又包含了若干個小模塊，具體如圖1所示。

圖1 系統功能設計

3 系統開發關鍵技術

3.1CALPUFF模型

CALPUFF模型系統是由西格瑪（sigma）研究公司（現為美國Earth Tech，Inc子公司）開發的，它包含了CALMET、CALPUFF、CALPOST這三部分和一系列對氣象數據、地理數據進行預處理的標準程序。

3.1.1 氣象模型CALMET

CALMET包括診斷風力發電機、一個陸上和水上的邊界層氣象模型。它使用氣象數據和地理數據，按照具體格式輸出三維風場和溫度場，以及相關的二維場。

3.1.2 擴散模型CALPUFF

CALPUFF是一個非穩態Lagrange Gauss煙團模型，它在風場和溫度場的基礎上，結合排放數據，模擬三維流場隨時間和空間變化時污染物的傳送、轉化和根除過程。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模型結果，比如平均時間濃度和沉降通量計算，確定受體最高和次高3 h的平均濃度，計算能見度影響。

3.1.4 氣象地理數據預處理器

多個數據預處理器用于處理地理數據和氣象數據，生成格式化文件，直接輸入。

3.2 應急管理系統中的地理信息核心技術

本項目系統的體系架構主要采用SOA技術和組件化的技術來確保整個系統體系結構在相對穩定的前提下，降低各個功能模塊之間的耦合性，加強系統模塊的復用性，提升系統的可擴展性和可定制性。

由于衛星影像的數據量很大，再考慮數據的分類特點和應用特點，必須采取空間數據庫相關技術對它進行高效的程序化處理，并入庫。為了適應衛星圖像數據在Web上的快速發布，解決數據發布及時性的問題，可采取以集群服務技術、AJAX技術、智能緩存技術為主要技術的WebGIS空間信息動態發布技術。RIA（Rich Internet Application）技術基于XML、腳本語言和 Web Service可構建豐富并強大的應用。豐富互聯網的應用程序RIA是集Web應用程序的快速和低成本部署，互動多媒體通信的實時快捷，還有桌面應用程序最佳的用戶體驗于一體的新一代網絡應用程序。為了更好地適應硬件升級和操作系統的升級，系統應該具備跨平臺的移植能力，提供對Windows、Unix、Linux等各個操作系統的支持。

隨著地理信息系統在各行業的深入應用，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成為一種常用的地圖顯示方式。

4 天然氣運輸管道應急響應系統的實現及應用

應用CALPUFF模型和GIS系統集成的關鍵技術，本文開發了B/S架構的天然氣運輸管道應急響應系統。系統管理川東北地區天然氣管道沿線的地形地貌、人居分布等要素，它以GIS系統為基礎；關注天然氣管道泄漏事故，實時監測管道運行狀態、周邊氣象狀況，并在事故發生時自動檢測并報警，最后評估該事故所引發的后果，總結經驗，生成事故報告。

4.1 現場管理

在二維地圖上增加周邊環境基礎空間數據GIS圖層，測量距離、面積，在頁面左側形成關鍵位置導航樹，實現關鍵位置的導航與快速定位。同時，還可以在二維地圖上通過數據庫的字段模糊匹配，完成屬性數據的模糊搜索，并將檢索結果通過列表展示出來。

4.2 重大危害信息管理

GIS模塊體現重大危險源管理的可視化，對重大的危險源進行監測管理。在實際工作中，相關人員可根據氣田生產工藝劃分生產單元，對氣田內生產設施做安全評價，辨識危險有害因素，確定重大危險源。另外，還可以在GIS模塊標繪重大危險源的位置，提供定期檢測、評估、監控重大危險源管理的信息。

4.3 應急預案和培訓演練管理

在二維地圖中，在基于時間軸的預案演練中，利用超鏈接標簽的方式實現救援地點、應急處置地點的快速定位和地圖聯動，在用戶交互的基礎上讓各應急小組明確應急救援地點。同時，還可以利用三維虛擬現實平臺技術為相關人員提供“角色”動畫練習，幫助他們熟識廠區重大事故預案的模擬場景，模擬整個應急預案，并進行推演。

4.4 應急指揮和救援

應急響應是本模塊的關鍵所在，為用戶在遇到突發事故時查詢相關信息，以便及時做出應急決策提供支持和幫助。事故應急救援系統的應急響應程序按照過程可以分為接警、響應級別確定、應急啟動、救援行動、應急恢復和應急結束等6個過程。

4.5 應急響應輔助決策

在成熟的泄漏等事故預測模型的基礎上，選擇并完善適合項目的預測預警模型，快速計算氣體擴散模型，對泄露點影響趨勢和范圍進行快速動態模擬。

5 結束語

氣體擴散模型是天然氣運輸管道應急響應系統的重要組成部分，對于應急指揮救援有重要的指導意義。雖然本文成功設計了天然氣運輸管道氣體泄漏事故應急響應系統，它能夠較準確和迅速地模擬氣體擴散過程，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完善輸入數據的獲取渠道，保證數據的實時性和準確性；②繼續深入地研究CALPUFF模型算法和它的源代碼，從底層解決一些問題。

［1］陳建國，潘思銘，劉奕，等.復雜地形下有害氣體泄漏的模擬預測與輸運規律［J］.清華大學學報（自然科學版），2007，47（3）：381-384.

［2］朱好，張宏升，蔡旭暉，等.CALPUFF在復雜地形條件下的近場大氣擴散模擬研究［J］.北京大學學報（自然科學版）， 2013（3）：452-462.

［3］盧小平，朱豐，豆喜鵬，等.井上下一體化三維信息管理與應急系統構建［J］.測繪通報，2016（05）：107-109，134.

［4］梁俊麗，孔維華，費文華，等.基于復雜地形的高斯煙羽模型改進［J］.環境工程學報，2016，10（06）：3125-3129.

［5］彭安琪，儲征偉，張書亮.高斯煙羽模型支持下的城市燃氣管網應急系統設計與實現［J］.測繪通報，2016（10）：110-112.

郭屹桐（1994—），男，山西運城人，地圖學與地理信息系統專業碩士研究生，主要研究方向為GIS理論與應用。

〔編輯：白潔〕

P208

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.033

2095－6835（2017）23－0033－03