应用ArcGIS实现地震次生毒气泄漏与扩散的模拟演示

董晓燕，杨群山，王 超

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

进入二十一世纪，中国乃至全球步入到一个破坏性地震频发的时期，接踵而来的破坏性地震，带给社会生产生活巨大的影响，建筑物破坏、次生灾害频发、巨大的人员和经济损失，一系列灾难促使我们制定相应的政策和措施，预防灾难、及时有效的开展灾后救援也成为提高整个社会防震减灾、抗震救援能力的重中之重。

过去的课题中，我们研究的重点通常是针对建筑物和人员的防震减灾和救援措施，但是随着社会生产力的提高，越来越多的化工企业得到蓬勃发展，化工液体、气体的储存，在地震中可能形成的破坏等问题是我们要面临的又一个新难题。

通过对以往地震的研究我们的工作人员发现，在破坏性地震中，由于地层的错断或是建筑物的倒塌破坏可能会导致储存化工物质的设备、容器、管道遭到破坏，由此引起泄漏与扩散，造成整个厂区及周边形成毒害区。一般在泄漏源附近和下风向，可形成高浓度区，造成人员立即死亡，或因大剂量接触毒气抢救无效而死亡。数量更多的不同程度的中毒人群，则丧失逃生能力。本文主要针对由地震次生灾害引发的毒气泄漏与扩散进行研究，由此建立模拟扩散演示模型，为城市的整体布局、灾难救助提供辅助决策。

1 使用ArcGIS进行地震次生毒气泄漏和扩散模拟的理论基础

GIS是以计算机为手段，用于采集、存储、管理、分析、描述与地理空间分布有关的数据的计算机化的空间信息系统，一般来说，GIS侧重于图形显示和数据库管理，即描述空间对象及其属性的相互关系。伴随GIS技术的逐步成熟和发展，以及其他辅助技术的加入，GIS增加了以数学和模型为主的空间分析模块，从而具有了更强的空间数据分析能力，并可以使空间分析的过程和结果更加清晰和方便，这些对于应用GIS进行地震次生毒气泄漏和扩散的模拟演示提供了良好地技术支持。

2 地震次生灾害泄漏和扩散模拟原理

进行地震次生灾害引发的毒气泄漏和扩散的模拟，需要考虑的因素有很多，泄漏源本身的属性、泄漏地区的自然情况、扩散模型和当时当地的具体情况等，首先介绍其工作原理流程图如下：

图1 工作原理流程图Fig.1 Working principle flowchart

2.1 影响毒气泄漏和扩散的因素

影响毒气泄漏的因素包含很多方面，泄漏源类型、扩散模式、以及泄漏源所在地的大气稳定度、风速、风向等，都直接影响毒气泄漏的影响范围和影响程度。其中：

泄漏源：泄物质的种类，不同类型的气体，其扩散速度和对人体的影响程度都有显著地差异。

扩散模型：通常毒气的泄漏分为三种，连续稳态扩散、一次性扩散、有限量扩散。

泄漏点自然情况：泄漏时的风向、风速、大气稳定度等；泄漏点建筑分布，人员密度等。

此外还包括其他一些不可预知因素。

2.2 扩散模型

这里，我们将扩散模型主要分为三种：

连续稳态泄漏与扩散模型：该模型表示有毒气体连续的不间断的释放，在一定泄漏速度下，在一个较长时间内持续发生。

一次性泄漏与扩散模型：在极短暂的时间内有毒气体就释放完毕，泄漏源的气体在瞬间完成了全部的泄漏与扩散，其后这些有毒有害气体按照一定规律在大气中扩散。

有限量扩散：泄漏的毒气量是有限的，在泄漏后的一段时间内，即全部扩散到大气中，之后以一定的扩散规律继续在大气中扩散。

2.3 浓度分布的数学模型

在模拟毒气泄漏和扩散的过程中，最重要的工作就是针对下风距离释放出的有毒有害气体的浓度的计算，应用的具体数值模型如下：

其中，σxσyσz分别是纵、横和竖直向的扩散参数。这些扩散参数可给出幂函数的表达式：

一般情况下，可取σx=σy，即x、y轴方向上的扩散参数相同。

根据大气稳定度的基本定义，并结合参考文献［1］，可给出大气稳定度与上述扩散参数的待定常数值如下表所示。

表1 不同大气稳定度下的扩散参数值

针对不同的泄漏气体，其影响范围也有所不同，这里根据相关资料的研究，最终决定建立三个影响区，分别为：高浓度区、中浓度区和低浓度区。高浓度区内的人群，在吸入毒气后可能丧失生命或者面临较大生命威胁；中浓度区内的人群需要到医院得到相应的治疗救治，大多数治疗后可痊愈；低浓度区的人群有吸入反应症状，一般在离开泄漏源影响范围后，24小时内不适症状可自然减退。而各区域的范围界定可见参考文献［4］。

3 地震次生灾害泄漏和扩散模拟结果演示

依据上节介绍的原理，通过具体的程序设定和功能调整之后，已基本实现毒气泄漏和扩散在城市防震减灾信息管理系统中的应用。打开城市布局图，确定泄漏源所在地，单击左键，弹出如图2所示对话框。使用者可通过对话框中的提示，选择适合本次泄露的相关条件。

本次模拟发生在朝阳市内的一次毒气泄漏，根据实际情况，在对话框中按说明输入正确参数，点击 “确定”按钮，便可进行本次泄露的模拟操作。本次模拟的各项参数值参见表2。模拟完毕后，弹出模拟计算数值结果显示对话框，如图3。最后泄漏后的影响区最终模拟结果如图4，可以在图上判断毒气扩散的大致影响范围。

图2 毒气扩散－参数输入对话框显示Fig.2 Poison gas diffusion-parameter input

表2 毒气扩散模拟演示参数值

图3 毒气扩散模拟计算数值结果对话框显示Fig.3 Simulation numerical results of poison gas diffusion

图4 毒气扩散影响范围显示Fig.4 Poison gas diffusion scope affected

通过本次模拟可看到，泄漏源西南方向11327m2范围内为高浓度扩散区，再向外延伸7869m2为中浓度扩散区，这两个区域对人体的影响和伤害均为显著区域，应该即刻组织人员开展疏散和救护工作。

4 结语

本文介绍了在城市防震减灾系统中，应用GIS进行的针对地震次生灾害引起的有毒气体泄漏和扩散的模拟演示，本功能的实现虽然对城市防震减灾事业起到了一定的作用，但是还应该看到，该数据模型的建立只是经过不同程度的近似及简化完成的，而在现实中，由于毒气泄漏和扩散过程中存在了许多的不确定因素，所以在制定应急救援方案时，还应结合当时的实际情况和快速分析结果，进行必要的修正。

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.地震灾害预测及其信息管理系统技术规范（GB／T19482－2003）.北京：中国标准出版社，2003.

［2］陈军.GIS空间数据模型的概念与问题－RS/GIS/GPS集成于应用［M］.北京：测绘出版社，1995.

［3］赵振东，等.若干城市地震次生灾害预测研究［R］.中国地震局工程力学研究所研究报告，1995－2000.

［4］杜建科.毒气泄漏过程及其危险区域分析［J］.中国安全科学学报，2002.12（6）：55－60.

［5］余世舟，等.地震次生毒气泄漏与扩散数值模拟的参数分析［J］.地震工程与工程震动，2002.12：150－155.