基于GIS的管道应急态势标绘技术研究

徐杰，高海康，吴志强，张正雄，刘天尧

(国家管网北方管道公司 管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

近年来，管道运营安全越来越受到社会公众的关注，国内外发生的管道泄漏爆炸事故说明管道运营有其固有的脆弱性，如何有效应对管道应急事件，对降低事故影响尤为重要。应用地理信息系统(GIS)开发管道应急技术系统，是近几年管道应急研究应用的热点和重点。文献[1]论述了基于完整性数据库的管道应急信息化技术，也有大量类似的研究集中于基于GIS的管道安全应急决策支持系统、油气管道事故应急救援系统等[2-5]，这些系统的研究离不开GIS的有效支持。但是在已有的研究中，对管道应急态势标绘技术的研究较少，而管道态势标绘对管道应急救援有着重要的作用，结合应急管理理论和GIS空间分析等相关技术，使用图形标绘形成专业的管道应急态势图辅助决策[6-8]。本文设计了关于管道应急模块的态势标绘体系，研究了应急态势图生成的决策模型，包括油品泄漏标绘模型、天然气泄漏标绘模型、应急资源调配标绘模型，探讨了基于GIS的管道应急态势标绘技术。

1 管道应急态势标绘体系

管道应急态势标绘是在GIS强大的可视化基础上，当管道发生应急事件处置时，采用规定的符号、文字和颜色对应急抢险现场进行标注分析。管道应急态势图主要是由地图底图与应急趋势图组成，地图底图包括GIS基础地理信息数据、管道业务数据等[9]，应急态势图是在底图的基础上对管道应急救援现场随时间变化进行标绘，本文研究的重点是应急态势图。

GIS对态势标绘系统起支撑作用，态势标绘符号在地理坐标系统中才具有具体的含义，态势标绘元素的符号化表达主要采用地图图形和符号[10-12]。管道应急态势标绘系统中的关键元素是应急态势标绘元素，结合管道应急处置方案，本文将态势图中应急态势元素分为指挥体系、交通要素、人员抢救、应急储备等8个大类，管道应急态势标绘元素的分类体系如图1所示。

图1 管道应急态势标绘分类体系示意

2 管道应急标绘主要模型

2.1 油品泄漏标绘模型

油品泄漏是管道应急事件发生的常见原因，油品泄漏发生时需要判断出泄漏油品的流动方向以及对周边居民、环境产生危害的潜在范围。本文提出的油品泄漏标绘模型就是基于数字高程模型(DEM)，利用GIS地形分析中的水文分析，标绘油品可能的泄漏路径，并通过与周边居民区、河流、路网的空间分析，标绘出有效的应急布控点位置，为管道应急提供有效决策信息。油品泄漏首先要确定泄漏量[13]，根据流体力学理论和陆上管道油品泄漏的特点，单位时间内油品泄漏量可按伯努利方程计算，如式(1)所示：

(1)

式中：qm1——液体泄漏质量流量，kg/s；Cd——液体泄漏系数，通常取0.6～0.64；A——裂口面积，m2；ρ——泄漏液体密度，kg/m3；p——容器内介质压力，Pa；p0——环境压力，Pa；g——重力加速度，m/s2；h——泄漏源液位高度，m。

油品泄漏后会沿着地面流到低洼处形成液池，泄漏量大可能进入临近河流，但泄漏的扩散路径是研究的难点。利用GIS水文分析，对DEM数据提取地表水流网络，当油品泄漏量达到一定值时，就会产生地表油流，这些油流路径构成的网络，就是水文分析中的河网提取。目前河网提取方法主要采用地表径流漫流模型，首先在经过处理的无洼地DEM上利用最大坡降法得到每一个栅格的水流方向，然后计算出汇流累积量，即每一个栅格在水流方向上累计的栅格数，所有汇流量大于临界值的栅格就是潜在的水流路径。

河网提取采用ArcGIS中的水文分析模块完成，由于DEM原始数据存在的一些凹陷区域得到不合理甚至错误的水流方向，首先计算洼地深度设置合理的填充阈值，不断反复直到所有洼地被填平，得到无洼地的DEM数据。采用D8算法计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差确定栅格的流向，生成水流方向数据。以地形的水流方向为基础，计算每点处所流过的水量数值，生成研究区的汇流累积量数据。最后在河网生成时利用现有地形图通过不断试验设置合理阈值得到栅格河网，栅格河网矢量化即得到油品泄漏的潜在扩散路径，借助GIS强大的空间分析，提出有效的应急布控点位置如图2所示。依据该模型使用管道态势标绘的符号体系生成油品泄漏应急态势图，为整个管道应急救灾提供辅助决策作用。

图2 油品泄漏应急布控点位置示意

2.2 天然气泄漏标绘模型

天然气泄漏后进入大气形成大面积的危险区域，常用的气体泄漏扩散模型有高斯模型、Sutton模型、BM模型、FEM3模型等，其中高斯模型的形式比较简单，计算值与试验值能较好地吻合，主要应用于大气扩散的浮性气体或中性气体的扩散[14-16]。在算法的基础上结合GIS利用等值线算法确定事故影响区域，提出了态势标绘的自动生成决策模型。天然气管道泄漏一般为孔口泄漏，天然气按理想气体考虑，利用伯努利方程和绝热方程计算泄漏量。根据管道泄漏天然气扩散的特点，选择高斯烟羽模型分析天然气扩散，其浓度分布的计算如式(2)所示：

(2)

式中：c——天然气的浓度；qm2——天然气单位时间排放量，mg/s；σx，σy，σz——x，y，z轴上的扩散系数，m；x0，y0，z0——任一点坐标，m；u——平均风速，m/s；H——泄漏源的高度，m。

高斯模型适用于非重气云气体，要求气体在扩散过程中，风速均匀稳定。在实际计算时，以泄漏源为原点，x轴沿下风向，y轴在水平面上垂直于x轴，z轴垂直向上建立坐标系，设置二维应急区域格网，简化各个点的H都为固定数值，每个格网点存储天然气在不同时刻(t)的空间坐标值及污染物的浓度值，模拟气体扩散。为提高模拟推演速度，将模型计算结果组织为按时刻组织的离散空间坐标点序列[17]，使用克里金插值方法对离散点进行空间插值，将泄漏空间还原为一个连续的空间[18]，根据等值线算法及划分危险区域的标准得到轻度危险区、中度危险区、重度危险区浓度等值线浓度值的所有点数据，最后将坐标转换成地理坐标值。模型计算完毕使用管道态势标绘模拟气体的扩散过程和范围，得到某一时刻的气体浓度分布图，统计受影响范围内的重要单位、居民区、河流、道路等信息，生成应急态势图即可完成地图的显示并生成统计信息，从地理上实现了通过提取等值线来模拟天然气泄漏后扩散浓度的渲染图。

天然气管道在运营过程中一般通过两种途径发生泄漏：一种情况主要受管道腐蚀老化等原因产生穿孔造成泄漏，若天然气通过缝隙等薄弱环节逸出地面达到爆炸极限，遇火源可能发生火灾或爆炸；另一种情况由于第三方破坏等原因造成管道挖断，天然气直接泄漏到空气中，危险程度高。根据爆炸对人体的伤害程度，划分3个爆炸事故的危险区域：轻伤缓冲区、重伤缓冲区和死亡缓冲区。国家管网某支线天然气管道模拟应急泄漏，该输气管道管径为500 mm，设计压力为0.7 MPa，设计温度为20 ℃，裂口面积为3×10-4m2，当日平均风速为2.0 m/s，天然气的燃烧热Qf=5×104kJ/kg。根据天然气主要成分所占的比例和混合气体爆炸极限的计算公式计算天然气爆炸极限质量浓度为34.58～105.81 g/m3；质量浓度小于34.58 g/m3为轻度危险区；质量浓度大于105.81 g/m3为高度危险区，该区域有中毒的危险；质量浓度为34.58～105.81 g/m3时为中度危险区，应严防火源防止爆炸。天然气连续泄漏在扩散后第300 s的标绘范围如图3所示。

图3 天然气连续泄漏在扩散后第300 s的标绘范围示意

2.3 应急资源调度标绘模型

在管道应急处置中，一些资源被要求送往受灾地点，应急资源是管道应急救援的基础，应急事件发生后要求在最短时间内完成应急资源的科学调运，最快地满足应急救援对应急资源的需求，这样可能有多个需求点，管道应急资源调度标绘模型是以整个供需响应最快为目的而生成资源调配态势图。目前应急资源调度基本上是以时间最短和出救点最少为目标建立优化模型，使用线性规划求得目标方程全局性的最佳结果[19]，在已有算法的基础上，结合管道应急的实际情况，提出管道应急资源调度标绘模型。首先需要解决资源调度问题，应急资源调度问题可描述为在m个资源供给候选点中选择k个供应点为n个资源需求点服务，决策模型的目的是计算为资源需求点服务的总距离(或时间或费用)为最少的供给方式，如式(3)所示：

(3)

式中：αij——分配的指数，若需求点i接受供应点j的服务则为1，否则记为0；ωi——需求点i的需求量；dij——候选点j到需求点i的距离。

加入式(4)约束条件保证每个需求点只接受一个供应点服务：

(4)

由式(4)约束循环迭代，通过搜索运算即可以求得整体上最高效的供应点集，就是需要调度的救援人员和救援物资，将该决策模型与GIS技术相结合，使用管道态势标绘的符号体系标绘进场路线图，可实现管道应急资源的可视化管理。同时借助GIS强大的空间分析能力进行资源最优调度，通过对应急资源调运方案的定制，提高管道应急救援中应急资源调配的整体可靠性[20]。将模型计算结果投影到真实的地理环境中，利用标绘使应急救援的发展趋势一目了然，为管道应急救援提供辅助决策作用。管道应急资源调度标绘模型的逻辑结构如图4所示。

3 试验与应用

基于本文方法开发完成了管道应急态势标绘模块，并将该模块应用于长输管道的应急抢险工作，主要用于辅助管道应急信息集成显示与应急可视化分析等工作。该模块标绘功能包括：应急地点定位、事故影响范围、应急地理标注、应急资源调配以及新建、打开、保存态势标绘图等功能，对态势标绘元素可进行删除、添加、修改、平移、旋转等操作。结合高分辨率航空影像和详尽的管道专题信息，可快速提取各种管道应急的相关信息，在地图上以可视化的方式进行展示，辅助应急救援工作，该模块在管道应急救援信息集成示范中得到很好的展示与应用。管道应急态势标绘演练如图5所示。

图4 应急资源调度标绘模型的逻辑结构示意

图5 管道应急态势标绘演练示意

在演练过程中将标绘功能的任务大致分为3个阶段：第一阶段主要是展示阶段，采用态势标绘符号标绘泄漏点、周边地理环境如居民区、河流、学校等分布情况，使救灾人员对应急区域有初步了解；第二阶段为分析阶段，结合油品泄漏标绘模型、天然气泄漏标绘模型及应急资源调度标绘模型对应急区域进行分析，为指挥调度决策提供信息；第三阶段为决策模拟阶段，综合应急区域的地理环境和分析的结果，制定备选的应急方案，包括应急资源的行进路线、指挥体系、应急安置、应急救援等信息的分布。对应急预案以标绘形式进行动态预演和模拟，检验预案的合理性对预案进行完善，为救援指挥的顺利开展提供了保障。

4 结束语

本文针对管道事故应急救援处置，研究了管道应急态势标绘技术。通过GIS的符号化表达方式设计了管道应急态势标绘体系，研究了管道泄漏标绘模型及资源调度标绘模型，并基于GIS平台构建了管道应急态势标绘模块，生成可供参考的管道应急态势标绘图，为决策者提供应急救援辅助信息，可大幅提高管道应急指挥处置能力和救援综合效率。但是管道输送环境条件变化太大，对众多可变因素产生的影响，该模块仅是在一定条件下进行，对复杂条件下的管道应急模拟不足，另外，对管道应急抢修的智能化、精细化和应急决策方案对比等问题有待于进一步研究解决。