復雜環境下有毒氣體泄漏偵檢與應急救援*

于學春,王 正,毛文鋒

(中國石化青島安全工程研究院,山東青島 266071)

0 引言

經過多年發展，二維GIS已擁有成熟的數據結構和管理手段、豐富的專題圖和統計圖、強大的查詢和統計分析能力，已在各行各業中進行了成功應用。但是，二維GIS與地理空間數據的多維性和人類對現實世界的認識方式存在著本質矛盾，能夠處理真三維數據的三維GIS在近幾年來受到人們的廣泛關注，已成為GIS學科發展的主流方向之一[1]。與二維GIS相比，三維GIS的研究對象從二維地圖轉變為三維世界，使地形地物的空間形態、結構與相互之間的關聯關系變得更加復雜[2]，可以表現更為豐富的空間關系，空間分析功能更加強大，空間信息的展示更為直觀，更接近于人類視覺習慣。應急人員結合自己的從業經驗和對周邊環境的認知可以對突發事件做出更為準確而快速的判斷。目前，三維GIS己在各行業得到了廣泛深入的應用，例如城市規劃、地下管線、石油設施管理、應急救援、軍事仿真、虛擬旅游、智能交通、地下礦山等行業領域，并取得了良好的經濟效益和社會反響[3]。雖然三維GIS相對于二維GIS系統具有直觀、準確的優點，但三維GIS應用系統又經常需要應用二維GIS的屬性查詢、緩沖區分析、疊加分析等基礎GIS功能，以建立綜合功能完善的GIS應用系統[4]，所以二、三維一體化GIS平臺日趨成為相關行業和領域的研究和應用熱點。本文以某氣區復雜環境為背景，介紹二、三維一體化GIS平臺在復雜環境下有毒氣體泄漏偵檢及應急救援中的應用。

1 復雜環境及設施建模

該氣區天然氣H2S含量高，地質情況復雜，地表村莊密集、人口眾多，自然環境敏感，社會應急資源匱乏，而高含硫天然氣因高含H2S而引發的毒性及強污染性、強腐蝕性、易冰堵和單質硫沉積等特殊性及復雜性，大大增加了地面集輸系統的安全環保風險[5]。區域內山勢險峻、溝壑縱橫、植被茂密、地形復雜、高度落差較大，氣井一般都位于半山坡中，集輸管線在山谷間穿行，與周圍居民區相距不遠。泄漏后擴散過程受風向、風力、溫度、氣壓梯度、周邊環境等多種因素影響，預測難度大，一旦發生泄漏事故，不僅影響氣田的正常生產運行，還會帶來嚴重的社會、環境問題。在社會日益重視公眾安全和環保的背景下，高含硫氣田的安全開發受到了社會上的廣泛關注，如何進行H2S泄漏偵檢和事故狀態下安全區域的劃分、人員疏散、輔助決策指揮成為亟待解決的問題。

由于該地區環境復雜，傳統的二維GIS雖然能夠宏觀、抽象、綜合地展現工區地理特征，但在直觀性、真實性表現方面還存在不足，對此三維GIS可以提供有效的補充。為應對該地區復雜地理環境下的高含硫氣體泄漏事故，融合區域數字高程模型(DEM)、數字正射影像圖(DOM)、線劃圖(DLG)、三維模型等多種模型，構建二、三維應急地理信息平臺，基于適用現場的通訊、監測、定位跟蹤等信息獲取技術，開發二、三維聯動的應急GIS系統，將有效預防氣體泄漏對安全生產和周邊居民生活的影響，降低高硫氣井勘探開發及集輸過程中有毒氣體泄漏造成的事故影響。

a)DEM數據生成：獲取工區各級比例尺的等高線地形圖，掃描后進行數字化處理，生成工作區數字高程模型(DEM)。

b)DOM數據生成：利用地面控制點和數字高程模型對數字化后的航片或衛片進行糾正，按圖幅范圍裁切生成工區數字正射影像圖(DOM)。如果監測區域航片或衛片不易獲取或精度無法滿足需求，可采用DRG地圖作為疊加數據，提供更為詳細的地理參考。

c)DLG數據生成：獲取工區各級比例尺地形圖、外業地圖數據，建立工作區的各級比例尺線劃圖(DLG)，數字線畫圖有拓撲關系與屬性數據。

d)站場三維模型建設：利用已有井站三維模型，如果尚未建設三維模型，可利用三維激光掃描儀對站場進行三維掃描，并采用Microstation軟件對場站進行三維建模，并用3DMax進行后期處理。

e)其它設施三維建模：采用3DMax和MultiGen對工作區內其它地面建筑物、地標、油井和油氣設備進行建模。

系統擁有3D可視化工具，可對輸入的地形高程數據進行3D可視化重建，并可與DRG地圖、航片、衛片等地圖數據進行疊加，可任意縮放、旋轉、移動、漫游，實現區域選擇、模擬計算，以及地形、地貌、道路、人文等地理元素的有機結合。在此基礎上，構建適用于復雜環境的二、三維聯動應急管理GIS系統，實現二、三維場景同步移動和縮放，視野范圍高度一致，滿足日常巡檢和應急救援工作需求。圖1為復雜場景模型三維模型。

圖1 復雜場景模型三維模型

2 有毒氣體泄漏偵檢

在鉆井過程中，H2S主要來自地層，隨鉆井液循環到地面，在井站設備中發生外溢從而造成危害[6]。此外，集輸管道和設備因腐蝕、破壞、疲勞損傷或操作失誤而發生穿孔、開裂等形式的失效，也會導致高含硫天然氣泄漏。高含硫天然氣的劇毒性和易燃易爆性對有毒氣體泄漏偵檢的準確性、及時性提出了很高的要求。為此，可依托二、三維應急GIS系統，結合現場安裝的氣體報警系統，直觀表達出泄漏源的具體情況、周邊地形特點、應急救援設施和疏散路徑。系統接收H2S和可燃氣體報警器傳來的數據后，對數據進行解析、判讀并做出相應處理。如果H2S氣體濃度超出閾值，可根據不同等級的報警閾值提供紅、橙、黃三色報警提示，并在三維地圖上按照紅、橙、黃三色繪制數據點，顯示濃度值。偵檢人員需穿戴正壓式空氣呼吸器，并攜帶便攜式氣體檢測儀進入泄漏現場，實時回傳檢測氣體濃度、經緯度和重力加速度等信息。在此過程中，監控中心可對偵檢人員所處位置的有毒氣體濃度和身體姿態進行實時跟蹤，及時處置突發情況。如果偵檢人員身體姿態長時間異常，系統將自動進行危險報警。

系統可提供泄漏氣體數據檢測起止時間的設置窗口，設置起止時間和繪制間隔(默認為0，表示按照獲取數據的順序顯示數據點。如果設置為n，則間隔n個數據點繪制新數據點)，設置完畢可顯示當前處于開機狀態的所有氣體檢測儀的最新檢測數據列表，在三維地圖上以不同顏色動態標注各檢測儀的當前位置，顯示設備名稱和氣體濃度。可繪制指定的單臺檢測儀軌跡，也可對所有處于開機狀態的檢測儀進行跟蹤及位置點繪制，如圖2所示。

圖2 檢測數據及位置標注

可以對泄漏源的泄漏趨勢進行動態分析。通過對H2S氣體濃度進行曲線繪制，可顯示指定報警器在指定時間間隔內的氣體濃度變化情況，如圖3所示。從而便于對有毒氣體泄漏情況進行分析研判，為險情判斷和應急處置提供科學依據。為了更好地表達泄漏趨勢，系統采用最小二乘法對采集到的離散泄漏數據進行擬合，直觀地反映H2S氣體的濃度變化情況。

圖3 H2S氣體濃度曲線

系統可以自動跟蹤、顯示偵檢人員的身體姿態，并根據身體姿態、H2S氣體濃度值及持續時間綜合判斷偵檢人員是否發生危險。系統若判斷現場人員有危險則給出報警信息，并在三維GIS地圖上高亮顯示遇險人員所處位置，發出報警音，提醒監控中心通過對講機聯系該人員并詢問情況，如果問題嚴重則需派出救援人員，根據系統提供的具體位置和救援路線，前往事發地點進行救援，同時在三維GIS地圖上對救援人員進行跟蹤監控，最大限度地保護復雜環境下現場工作人員的人身安全。

發生H2S氣體泄漏時，如果不能確定具體的泄漏源位置，應急中心可依據三維GIS和風速風向對泄漏源位置進行預估，并通知偵檢人員對預估位置周邊一定范圍(300 m)內進行偵檢，以便快速確定泄漏位置，判斷泄漏點直徑；氣防搜救人員對三維GIS中標注的危險區域進行搜救，搶救中毒人員。泄漏源確定后，在距離泄漏源下風向100米處設置監測點，并根據有毒氣體監測值劃分警戒范圍，警戒范圍設置標準見表1。警戒范圍同時在二、三維應急GIS系統中進行標注，并快速確定受影響人群。

表1 距泄漏點100 m監測點H2S濃度級別和警戒范圍確定標準

3 事故模擬

對有毒氣體泄漏擴散進行模擬計算，直觀展現三維事故場景，提高決策人員理解和分析事故的能力。由于H2S氣體為強烈的神經性毒物，對粘膜有強烈的刺激作用，危險臨界濃度(對工作人員的生命健康產生不可逆轉或延遲性影響的H2S濃度)為100×10-6，所以本文重點給出了泄漏擴散后H2S濃度為100×10-6和500×10-6的影響范圍，表2為某單井井噴事故的模擬計算條件。

在風速為0.5 m/s、風向為西北風條件下，模擬計算在某時刻下，H2S泄漏擴散的危害區域分布，如圖4所示。

表2 某單井井噴事故的模擬計算條件

圖4 典型事故場景模擬

從模擬結果看，在不同風速條件下，由于地形的阻礙作用，H2S泄漏擴散的影響范圍差距較大。上述計算條件下，15 min內模擬計算H2S泄漏擴散的影響范圍如表3所示：①當風速為0.5 m/s時，H2S濃度為100×10-6時的最遠影響距離為805 m，H2S濃度為500×10-6時的最遠影響距離為615 m；②當風速為1.5 m/s時，H2S濃度為100×10-6時的最遠影響距離為850 m，H2S濃度為500×10-6時的最遠影響距離為547 m。該模擬計算數據可為人員疏散和應急救援提供指導。

表3 不同風速條件下模擬計算H2S泄漏擴散范圍

4 應急及疏散

為防止應急處置過程出現失控或勢態擴大的情況，在搶險救援過程中，往往要對一定范圍內的人員進行應急疏散[7]。井站或地面集輸系統發生H2S泄漏時，應急中心應立即啟動應急預案，采取安全截斷、安全防控等技術，及時快速切斷泄漏點上、下游閥門，關閉井口和井場集輸系統，有效控制H2S泄漏[8],同時啟動消防泵，利用消防炮對泄漏區域進行防H2S擴散水霧吸收，減小H2S泄漏的擴散速度，降低空氣中H2S濃度，有效控制泄漏源。在系統中動態顯示泄漏源周邊的H2S氣體濃度，研判擴散范圍變化情況，如果擴散可能危及周邊居民安全時，系統可根據緊急疏散安全級別和泄漏影響范圍劃分應急疏散區域，并通知值班人員進行廣播報警，同時采取短信群發、電話追呼等方式通知周邊村鎮啟動應急聯動小組成員組織疏散。為了提高應急效果，可依托二、三維應急GIS系統設置逃生集合點、居民疏散點、周邊逃生路線、救援力量部署等專題圖，為事發時的應急救援和人員疏散提供決策支持和路線選擇。以井站為例，可以參考表1給出的警戒分級數據，在二維地圖上圍繞井站預設警戒范圍，滿足應急演練和應急疏散需要。

5 結語

由于二維、三維GIS各具優勢，功能和應用方面可以相輔相成，尤其在復雜環境區域的地理信息展示方面，可以有機結合二維GIS的宏觀性、整體性和三維GIS場景的局部性、現實性、直觀性優點，同時克服二維GIS的抽象多義性和三維虛擬場景漫游的方向迷失感，建立二、三維一體化應急管理GIS平臺，為復雜環境下有毒氣體偵檢和應急救援提供有效的平臺支撐，在此基礎上集成現場工作人員保護、泄漏源識別、影響區域確定、警戒范圍劃分、疏散和救援方案制定方法和手段，有效提升相關企業的安全管控能力和應急水平，為企業的可持續發展提供有力保障。