基于GIS的管道應急態勢標繪技術研究

徐杰，高?？?，吳志強，張正雄，劉天堯

(國家管網北方管道公司 管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

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

1 管道應急態勢標繪體系

管道應急態勢標繪是在GIS強大的可視化基礎上，當管道發生應急事件處置時，采用規定的符號、文字和顏色對應急搶險現場進行標注分析。管道應急態勢圖主要是由地圖底圖與應急趨勢圖組成，地圖底圖包括GIS基礎地理信息數據、管道業務數據等[9]，應急態勢圖是在底圖的基礎上對管道應急救援現場隨時間變化進行標繪，本文研究的重點是應急態勢圖。

GIS對態勢標繪系統起支撐作用，態勢標繪符號在地理坐標系統中才具有具體的含義，態勢標繪元素的符號化表達主要采用地圖圖形和符號[10-12]。管道應急態勢標繪系統中的關鍵元素是應急態勢標繪元素，結合管道應急處置方案，本文將態勢圖中應急態勢元素分為指揮體系、交通要素、人員搶救、應急儲備等8個大類，管道應急態勢標繪元素的分類體系如圖1所示。

圖1 管道應急態勢標繪分類體系示意

2 管道應急標繪主要模型

2.1 油品泄漏標繪模型

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

(1)

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

油品泄漏后會沿著地面流到低洼處形成液池，泄漏量大可能進入臨近河流，但泄漏的擴散路徑是研究的難點。利用GIS水文分析，對DEM數據提取地表水流網絡，當油品泄漏量達到一定值時，就會產生地表油流，這些油流路徑構成的網絡，就是水文分析中的河網提取。目前河網提取方法主要采用地表徑流漫流模型，首先在經過處理的無洼地DEM上利用最大坡降法得到每一個柵格的水流方向，然后計算出匯流累積量，即每一個柵格在水流方向上累計的柵格數，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑。

河網提取采用ArcGIS中的水文分析模塊完成，由于DEM原始數據存在的一些凹陷區域得到不合理甚至錯誤的水流方向，首先計算洼地深度設置合理的填充閾值，不斷反復直到所有洼地被填平，得到無洼地的DEM數據。采用D8算法計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權落差確定柵格的流向，生成水流方向數據。以地形的水流方向為基礎，計算每點處所流過的水量數值，生成研究區的匯流累積量數據。最后在河網生成時利用現有地形圖通過不斷試驗設置合理閾值得到柵格河網，柵格河網矢量化即得到油品泄漏的潛在擴散路徑，借助GIS強大的空間分析，提出有效的應急布控點位置如圖2所示。依據該模型使用管道態勢標繪的符號體系生成油品泄漏應急態勢圖，為整個管道應急救災提供輔助決策作用。

圖2 油品泄漏應急布控點位置示意

2.2 天然氣泄漏標繪模型

天然氣泄漏后進入大氣形成大面積的危險區域，常用的氣體泄漏擴散模型有高斯模型、Sutton模型、BM模型、FEM3模型等，其中高斯模型的形式比較簡單，計算值與試驗值能較好地吻合，主要應用于大氣擴散的浮性氣體或中性氣體的擴散[14-16]。在算法的基礎上結合GIS利用等值線算法確定事故影響區域，提出了態勢標繪的自動生成決策模型。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算泄漏量。根據管道泄漏天然氣擴散的特點，選擇高斯煙羽模型分析天然氣擴散，其濃度分布的計算如式(2)所示：

(2)

式中：c——天然氣的濃度；qm2——天然氣單位時間排放量，mg/s；σx，σy，σz——x，y，z軸上的擴散系數，m；x0，y0，z0——任一點坐標，m；u——平均風速，m/s；H——泄漏源的高度，m。

高斯模型適用于非重氣云氣體，要求氣體在擴散過程中，風速均勻穩定。在實際計算時，以泄漏源為原點，x軸沿下風向，y軸在水平面上垂直于x軸，z軸垂直向上建立坐標系，設置二維應急區域格網，簡化各個點的H都為固定數值，每個格網點存儲天然氣在不同時刻(t)的空間坐標值及污染物的濃度值，模擬氣體擴散。為提高模擬推演速度，將模型計算結果組織為按時刻組織的離散空間坐標點序列[17]，使用克里金插值方法對離散點進行空間插值，將泄漏空間還原為一個連續的空間[18]，根據等值線算法及劃分危險區域的標準得到輕度危險區、中度危險區、重度危險區濃度等值線濃度值的所有點數據，最后將坐標轉換成地理坐標值。模型計算完畢使用管道態勢標繪模擬氣體的擴散過程和范圍，得到某一時刻的氣體濃度分布圖，統計受影響范圍內的重要單位、居民區、河流、道路等信息，生成應急態勢圖即可完成地圖的顯示并生成統計信息，從地理上實現了通過提取等值線來模擬天然氣泄漏后擴散濃度的渲染圖。

天然氣管道在運營過程中一般通過兩種途徑發生泄漏：一種情況主要受管道腐蝕老化等原因產生穿孔造成泄漏，若天然氣通過縫隙等薄弱環節逸出地面達到爆炸極限，遇火源可能發生火災或爆炸；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，危險程度高。根據爆炸對人體的傷害程度，劃分3個爆炸事故的危險區域：輕傷緩沖區、重傷緩沖區和死亡緩沖區。國家管網某支線天然氣管道模擬應急泄漏，該輸氣管道管徑為500 mm，設計壓力為0.7 MPa，設計溫度為20 ℃，裂口面積為3×10-4m2，當日平均風速為2.0 m/s，天然氣的燃燒熱Qf=5×104kJ/kg。根據天然氣主要成分所占的比例和混合氣體爆炸極限的計算公式計算天然氣爆炸極限質量濃度為34.58～105.81 g/m3；質量濃度小于34.58 g/m3為輕度危險區；質量濃度大于105.81 g/m3為高度危險區，該區域有中毒的危險；質量濃度為34.58～105.81 g/m3時為中度危險區，應嚴防火源防止爆炸。天然氣連續泄漏在擴散后第300 s的標繪范圍如圖3所示。

圖3 天然氣連續泄漏在擴散后第300 s的標繪范圍示意

2.3 應急資源調度標繪模型

在管道應急處置中，一些資源被要求送往受災地點，應急資源是管道應急救援的基礎，應急事件發生后要求在最短時間內完成應急資源的科學調運，最快地滿足應急救援對應急資源的需求，這樣可能有多個需求點，管道應急資源調度標繪模型是以整個供需響應最快為目的而生成資源調配態勢圖。目前應急資源調度基本上是以時間最短和出救點最少為目標建立優化模型，使用線性規劃求得目標方程全局性的最佳結果[19]，在已有算法的基礎上，結合管道應急的實際情況，提出管道應急資源調度標繪模型。首先需要解決資源調度問題，應急資源調度問題可描述為在m個資源供給候選點中選擇k個供應點為n個資源需求點服務，決策模型的目的是計算為資源需求點服務的總距離(或時間或費用)為最少的供給方式，如式(3)所示：

(3)

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

加入式(4)約束條件保證每個需求點只接受一個供應點服務：

(4)

由式(4)約束循環迭代，通過搜索運算即可以求得整體上最高效的供應點集，就是需要調度的救援人員和救援物資，將該決策模型與GIS技術相結合，使用管道態勢標繪的符號體系標繪進場路線圖，可實現管道應急資源的可視化管理。同時借助GIS強大的空間分析能力進行資源最優調度，通過對應急資源調運方案的定制，提高管道應急救援中應急資源調配的整體可靠性[20]。將模型計算結果投影到真實的地理環境中，利用標繪使應急救援的發展趨勢一目了然，為管道應急救援提供輔助決策作用。管道應急資源調度標繪模型的邏輯結構如圖4所示。

3 試驗與應用

基于本文方法開發完成了管道應急態勢標繪模塊，并將該模塊應用于長輸管道的應急搶險工作，主要用于輔助管道應急信息集成顯示與應急可視化分析等工作。該模塊標繪功能包括：應急地點定位、事故影響范圍、應急地理標注、應急資源調配以及新建、打開、保存態勢標繪圖等功能，對態勢標繪元素可進行刪除、添加、修改、平移、旋轉等操作。結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急的相關信息，在地圖上以可視化的方式進行展示，輔助應急救援工作，該模塊在管道應急救援信息集成示范中得到很好的展示與應用。管道應急態勢標繪演練如圖5所示。

圖4 應急資源調度標繪模型的邏輯結構示意

圖5 管道應急態勢標繪演練示意

在演練過程中將標繪功能的任務大致分為3個階段：第一階段主要是展示階段，采用態勢標繪符號標繪泄漏點、周邊地理環境如居民區、河流、學校等分布情況，使救災人員對應急區域有初步了解；第二階段為分析階段，結合油品泄漏標繪模型、天然氣泄漏標繪模型及應急資源調度標繪模型對應急區域進行分析，為指揮調度決策提供信息；第三階段為決策模擬階段，綜合應急區域的地理環境和分析的結果，制定備選的應急方案，包括應急資源的行進路線、指揮體系、應急安置、應急救援等信息的分布。對應急預案以標繪形式進行動態預演和模擬，檢驗預案的合理性對預案進行完善，為救援指揮的順利開展提供了保障。

4 結束語

本文針對管道事故應急救援處置，研究了管道應急態勢標繪技術。通過GIS的符號化表達方式設計了管道應急態勢標繪體系，研究了管道泄漏標繪模型及資源調度標繪模型，并基于GIS平臺構建了管道應急態勢標繪模塊，生成可供參考的管道應急態勢標繪圖，為決策者提供應急救援輔助信息，可大幅提高管道應急指揮處置能力和救援綜合效率。但是管道輸送環境條件變化太大，對眾多可變因素產生的影響，該模塊僅是在一定條件下進行，對復雜條件下的管道應急模擬不足，另外，對管道應急搶修的智能化、精細化和應急決策方案對比等問題有待于進一步研究解決。