耦合GIS-CFD技術在含硫氣田應急中的應用

陳南熹 廖凱 梁開武 楊琪琦 周澤帥

摘要：在分析GIS與CFD技術應用現狀的基礎上，利用GIS-CFD耦合技術，得到含硫氣田泄漏事故的CFD數值模擬結果在GIS中展現的可視化效果。以川中油氣礦某含硫井站泄漏事故進行實例應用分析，表明該方式可為含硫氣田應急決策提供有力的輔助支持，實現基于“情景-應對”的氣田應急模式。

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".

關鍵詞：GIS;CFD;含硫氣田;情景;應急

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

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

0? 引言

我國川渝地區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到15%和32%。美國《化學危險袖珍指南》指出，硫化氫立即危害生命或健康的濃度僅為300ppm[1]，氣田一旦發生泄漏，容易造成嚴重的硫化氫中毒事故，導致重大人員傷亡和財產損失。因此，預測氣田含硫天然氣泄漏后的擴散趨勢，量化分析其傷害范圍，對應急工作的開展顯得極其重要。目前，利用CFD模擬技術可完成氣體泄漏擴散的數值模擬，實現對含硫氣田泄漏事故傷害范圍的預測，但是模擬結果的可視化效果較差。此外，含硫氣田大多位于地形復雜地區，考慮復雜地形因素對氣體擴散的影響，可使事故發展趨勢和傷害范圍的預測結果更加精確。GIS在地理數據的顯示、分析、模型、可視化等方面能提供強大的技術支持，若與CFD技術耦合使用，可使泄漏事故在真實場景中再現，為含硫氣田的應急工作提供更加直觀、有效的輔助支持。

1? GIS與CFD技術應用現狀

1.1 GIS系統

地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS），是在計算機軟硬件系統技術支持下，對地理數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述，并解決復雜規劃、決策和管理的空間信息系統[2]。經過不斷發展，GIS在資源調查、環境評估、災害預測、國土管理、城市規劃等領域得到了廣泛應用[3]。

1.2 CFD模擬技術

計算流體動力學（Comoutational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。CFD的基本思想：用一系列有限個離散點上的變量集合，來代替在時間域及空間域上連續物理量的場（如速度場、壓力場等），通過一定的原則和方程建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，求解代數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散進行數值模擬研究。

1.3 耦合GIS-CFD技術應用現狀

國內外研究者們不斷嘗試利用GIS的地理數據為CFD建立復雜真實的地理模型，通過GIS數據的輸入與CFD結果的輸出，結合二者的優勢到達理想的模擬結果。

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

孫潔[6]先運用Fluent軟件對一定條件下的燃氣泄漏擴散情況進行了數值模擬，運用GIS二維地理數據構建了大學校園三維場景，同時借助粒子系統實現了燃氣泄漏擴散的三維動態可視化。

2? 耦合GIS-CFD技術在含硫氣田應急中的應用方式

目前傳統的基于“預測-應對”的應急決策模式已經難以滿足含硫氣田重特大安全生產事故下應急決策的要求，救援、疏散工作難以開展，應急決策必須向“情景-應對”模式轉變。該應急模式的工作重點在于對情景的構建和事故范圍以及發展趨勢的預測，那么預測結果的準確性和直觀性成為有效應急決策的前提。應用GIS-CFD耦合技術，可為實現含硫氣田“情景-應對”應急模式提供有力幫助。

2.1 復雜地形三維模型構建

含硫氣田大多位于地形復雜地區，由于硫化氫比空氣重，當含硫天然氣發生泄漏，地形條件對其擴散方式的影響比較明顯。為了保證預測的準確性，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行數值模擬前，可利用GIS軟件處理地形地貌的數字DEM、等高線以及圖像數據，采用曲線擬合或拼接不同高程的小平面等方式，構建氣田及其周邊地形環境的三維模型，使泄漏事故數值模擬結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

在構建氣田及其周邊地形環境三維模型的基礎上，利用CFD軟件進行三維動態泄漏擴散數值模擬，并將模擬結果文件采取轉換數據格式、篩選范圍節點等方式，使節點數據符號化后植入GIS，以此得到氣田含硫天然氣泄漏擴散事故的模擬結果在GIS中展示的三維可視化效果。

2.3 “情景-應對”的氣田應急模式

為了實現事故的實時模擬，研究人員多是將氣體擴散模型（如高斯模型）或運算速度較快的定量風險分析軟件（如Phast、CASST-QRA等）接入GIS，只需輸入實際數據，便可快速得到事故的模擬結果。但這些方式假定的條件較多，得到的結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技術模擬氣體泄漏需要較長時間，故采用此方法達到事故的實時模擬是難以實現的。

為了解決CFD技術模擬時間長的問題，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、風速、風向等），對氣田含硫天然氣泄漏擴散，甚至火災和爆炸等事故進行數值模擬，以此形成事故情景庫。同時，結合氣田周邊人居分布、集合點、應急資源（如警力、醫療等）等信息要素，針對每一個事故情景制定相應的應急處置方案，并利用合適的算法和程序集成含硫氣田三維應急輔助決策系統。當含硫氣田發生事故時，只要輸入實際條件參數，系統便可快速匹配出事故情景和處置方案。

3? 實例應用

以西南油氣田分公司川中油氣礦某含硫井站為例，運用GIS-CFD耦合技術對井站泄漏事故進行具體分析。

3.1 泄漏事故數值模擬

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值模擬。數值模擬程序較多，本節只列出模型構建、模擬結果等內容。

3.1.1 模型構建

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

3.1.2 模擬結果

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

3.2 泄漏事故情景構建

采集井站及其周邊地形地貌環境的衛星圖和DEM高程數據，運用GIS軟件構建井站及其周邊地形地貌環境的真實情景，并將井站周邊的人居分布、集合點、路線等應急要素，植入情景中。在此基礎上，將3.1節中的數值模擬結果以傷害區域的形式反映在情景中，以此實現GIS與CFD技術的耦合。構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生泄漏后的擴散趨勢，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急信息要素，可提出更加方便、清晰明了的現場應急處置措施，為應急應急決策提供輔助作用，同時為實現“情景-應對”的應急模式提供強大的理論基礎。

4? 結束語

耦合GIS-CFD技術可使含硫氣田泄漏事故在真實場景中再現，以此實現“情景-應對”的氣田應急模式，對含硫氣田生產過程中發生意外泄漏事故后，科學判斷泄漏氣體擴散趨勢、濃度分布以及傷害范圍，提高應急響應速度和協調能力，最大限度減少財產損失、對環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急管理部，全面實施“快速反應、高效救援”應急方針的積極響應。

參考文獻：

[1]AQ2018-2008，含硫化氫天然氣井公眾安全防護距離[S].國家安全生產監督總局，2008.

[2]屈興勝.GIS在環境監測中的應用研究[A].2015年中國環境科學學會學術年會論文集（第一卷）[C].中國環境科學學會，2015：4.

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

[4]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，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.室外管道燃氣泄漏擴散模擬與可視化研究[D].重慶：重慶交通大學，2012.