复杂环境下有毒气体泄漏侦检与应急救援*

于学春,王 正,毛文锋

(中国石化青岛安全工程研究院,山东青岛 266071)

0 引言

经过多年发展，二维GIS已拥有成熟的数据结构和管理手段、丰富的专题图和统计图、强大的查询和统计分析能力，已在各行各业中进行了成功应用。但是，二维GIS与地理空间数据的多维性和人类对现实世界的认识方式存在着本质矛盾，能够处理真三维数据的三维GIS在近几年来受到人们的广泛关注，已成为GIS学科发展的主流方向之一[1]。与二维GIS相比，三维GIS的研究对象从二维地图转变为三维世界，使地形地物的空间形态、结构与相互之间的关联关系变得更加复杂[2]，可以表现更为丰富的空间关系，空间分析功能更加强大，空间信息的展示更为直观，更接近于人类视觉习惯。应急人员结合自己的从业经验和对周边环境的认知可以对突发事件做出更为准确而快速的判断。目前，三维GIS己在各行业得到了广泛深入的应用，例如城市规划、地下管线、石油设施管理、应急救援、军事仿真、虚拟旅游、智能交通、地下矿山等行业领域，并取得了良好的经济效益和社会反响[3]。虽然三维GIS相对于二维GIS系统具有直观、准确的优点，但三维GIS应用系统又经常需要应用二维GIS的属性查询、缓冲区分析、叠加分析等基础GIS功能，以建立综合功能完善的GIS应用系统[4]，所以二、三维一体化GIS平台日趋成为相关行业和领域的研究和应用热点。本文以某气区复杂环境为背景，介绍二、三维一体化GIS平台在复杂环境下有毒气体泄漏侦检及应急救援中的应用。

1 复杂环境及设施建模

该气区天然气H2S含量高，地质情况复杂，地表村庄密集、人口众多，自然环境敏感，社会应急资源匮乏，而高含硫天然气因高含H2S而引发的毒性及强污染性、强腐蚀性、易冰堵和单质硫沉积等特殊性及复杂性，大大增加了地面集输系统的安全环保风险[5]。区域内山势险峻、沟壑纵横、植被茂密、地形复杂、高度落差较大，气井一般都位于半山坡中，集输管线在山谷间穿行，与周围居民区相距不远。泄漏后扩散过程受风向、风力、温度、气压梯度、周边环境等多种因素影响，预测难度大，一旦发生泄漏事故，不仅影响气田的正常生产运行，还会带来严重的社会、环境问题。在社会日益重视公众安全和环保的背景下，高含硫气田的安全开发受到了社会上的广泛关注，如何进行H2S泄漏侦检和事故状态下安全区域的划分、人员疏散、辅助决策指挥成为亟待解决的问题。

由于该地区环境复杂，传统的二维GIS虽然能够宏观、抽象、综合地展现工区地理特征，但在直观性、真实性表现方面还存在不足，对此三维GIS可以提供有效的补充。为应对该地区复杂地理环境下的高含硫气体泄漏事故，融合区域数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(DOM)、线划图(DLG)、三维模型等多种模型，构建二、三维应急地理信息平台，基于适用现场的通讯、监测、定位跟踪等信息获取技术，开发二、三维联动的应急GIS系统，将有效预防气体泄漏对安全生产和周边居民生活的影响，降低高硫气井勘探开发及集输过程中有毒气体泄漏造成的事故影响。

a)DEM数据生成：获取工区各级比例尺的等高线地形图，扫描后进行数字化处理，生成工作区数字高程模型(DEM)。

b)DOM数据生成：利用地面控制点和数字高程模型对数字化后的航片或卫片进行纠正，按图幅范围裁切生成工区数字正射影像图(DOM)。如果监测区域航片或卫片不易获取或精度无法满足需求，可采用DRG地图作为叠加数据，提供更为详细的地理参考。

c)DLG数据生成：获取工区各级比例尺地形图、外业地图数据，建立工作区的各级比例尺线划图(DLG)，数字线画图有拓扑关系与属性数据。

d)站场三维模型建设：利用已有井站三维模型，如果尚未建设三维模型，可利用三维激光扫描仪对站场进行三维扫描，并采用Microstation软件对场站进行三维建模，并用3DMax进行后期处理。

e)其它设施三维建模：采用3DMax和MultiGen对工作区内其它地面建筑物、地标、油井和油气设备进行建模。

系统拥有3D可视化工具，可对输入的地形高程数据进行3D可视化重建，并可与DRG地图、航片、卫片等地图数据进行叠加，可任意缩放、旋转、移动、漫游，实现区域选择、模拟计算，以及地形、地貌、道路、人文等地理元素的有机结合。在此基础上，构建适用于复杂环境的二、三维联动应急管理GIS系统，实现二、三维场景同步移动和缩放，视野范围高度一致，满足日常巡检和应急救援工作需求。图1为复杂场景模型三维模型。

图1 复杂场景模型三维模型

2 有毒气体泄漏侦检

在钻井过程中，H2S主要来自地层，随钻井液循环到地面，在井站设备中发生外溢从而造成危害[6]。此外，集输管道和设备因腐蚀、破坏、疲劳损伤或操作失误而发生穿孔、开裂等形式的失效，也会导致高含硫天然气泄漏。高含硫天然气的剧毒性和易燃易爆性对有毒气体泄漏侦检的准确性、及时性提出了很高的要求。为此，可依托二、三维应急GIS系统，结合现场安装的气体报警系统，直观表达出泄漏源的具体情况、周边地形特点、应急救援设施和疏散路径。系统接收H2S和可燃气体报警器传来的数据后，对数据进行解析、判读并做出相应处理。如果H2S气体浓度超出阈值，可根据不同等级的报警阈值提供红、橙、黄三色报警提示，并在三维地图上按照红、橙、黄三色绘制数据点，显示浓度值。侦检人员需穿戴正压式空气呼吸器，并携带便携式气体检测仪进入泄漏现场，实时回传检测气体浓度、经纬度和重力加速度等信息。在此过程中，监控中心可对侦检人员所处位置的有毒气体浓度和身体姿态进行实时跟踪，及时处置突发情况。如果侦检人员身体姿态长时间异常，系统将自动进行危险报警。

系统可提供泄漏气体数据检测起止时间的设置窗口，设置起止时间和绘制间隔(默认为0，表示按照获取数据的顺序显示数据点。如果设置为n，则间隔n个数据点绘制新数据点)，设置完毕可显示当前处于开机状态的所有气体检测仪的最新检测数据列表，在三维地图上以不同颜色动态标注各检测仪的当前位置，显示设备名称和气体浓度。可绘制指定的单台检测仪轨迹，也可对所有处于开机状态的检测仪进行跟踪及位置点绘制，如图2所示。

图2 检测数据及位置标注

可以对泄漏源的泄漏趋势进行动态分析。通过对H2S气体浓度进行曲线绘制，可显示指定报警器在指定时间间隔内的气体浓度变化情况，如图3所示。从而便于对有毒气体泄漏情况进行分析研判，为险情判断和应急处置提供科学依据。为了更好地表达泄漏趋势，系统采用最小二乘法对采集到的离散泄漏数据进行拟合，直观地反映H2S气体的浓度变化情况。

图3 H2S气体浓度曲线

系统可以自动跟踪、显示侦检人员的身体姿态，并根据身体姿态、H2S气体浓度值及持续时间综合判断侦检人员是否发生危险。系统若判断现场人员有危险则给出报警信息，并在三维GIS地图上高亮显示遇险人员所处位置，发出报警音，提醒监控中心通过对讲机联系该人员并询问情况，如果问题严重则需派出救援人员，根据系统提供的具体位置和救援路线，前往事发地点进行救援，同时在三维GIS地图上对救援人员进行跟踪监控，最大限度地保护复杂环境下现场工作人员的人身安全。

发生H2S气体泄漏时，如果不能确定具体的泄漏源位置，应急中心可依据三维GIS和风速风向对泄漏源位置进行预估，并通知侦检人员对预估位置周边一定范围(300 m)内进行侦检，以便快速确定泄漏位置，判断泄漏点直径；气防搜救人员对三维GIS中标注的危险区域进行搜救，抢救中毒人员。泄漏源确定后，在距离泄漏源下风向100米处设置监测点，并根据有毒气体监测值划分警戒范围，警戒范围设置标准见表1。警戒范围同时在二、三维应急GIS系统中进行标注，并快速确定受影响人群。

表1 距泄漏点100 m监测点H2S浓度级别和警戒范围确定标准

3 事故模拟

对有毒气体泄漏扩散进行模拟计算，直观展现三维事故场景，提高决策人员理解和分析事故的能力。由于H2S气体为强烈的神经性毒物，对粘膜有强烈的刺激作用，危险临界浓度(对工作人员的生命健康产生不可逆转或延迟性影响的H2S浓度)为100×10-6，所以本文重点给出了泄漏扩散后H2S浓度为100×10-6和500×10-6的影响范围，表2为某单井井喷事故的模拟计算条件。

在风速为0.5 m/s、风向为西北风条件下，模拟计算在某时刻下，H2S泄漏扩散的危害区域分布，如图4所示。

表2 某单井井喷事故的模拟计算条件

图4 典型事故场景模拟

从模拟结果看，在不同风速条件下，由于地形的阻碍作用，H2S泄漏扩散的影响范围差距较大。上述计算条件下，15 min内模拟计算H2S泄漏扩散的影响范围如表3所示：①当风速为0.5 m/s时，H2S浓度为100×10-6时的最远影响距离为805 m，H2S浓度为500×10-6时的最远影响距离为615 m；②当风速为1.5 m/s时，H2S浓度为100×10-6时的最远影响距离为850 m，H2S浓度为500×10-6时的最远影响距离为547 m。该模拟计算数据可为人员疏散和应急救援提供指导。

表3 不同风速条件下模拟计算H2S泄漏扩散范围

4 应急及疏散

为防止应急处置过程出现失控或势态扩大的情况，在抢险救援过程中，往往要对一定范围内的人员进行应急疏散[7]。井站或地面集输系统发生H2S泄漏时，应急中心应立即启动应急预案，采取安全截断、安全防控等技术，及时快速切断泄漏点上、下游阀门，关闭井口和井场集输系统，有效控制H2S泄漏[8],同时启动消防泵，利用消防炮对泄漏区域进行防H2S扩散水雾吸收，减小H2S泄漏的扩散速度，降低空气中H2S浓度，有效控制泄漏源。在系统中动态显示泄漏源周边的H2S气体浓度，研判扩散范围变化情况，如果扩散可能危及周边居民安全时，系统可根据紧急疏散安全级别和泄漏影响范围划分应急疏散区域，并通知值班人员进行广播报警，同时采取短信群发、电话追呼等方式通知周边村镇启动应急联动小组成员组织疏散。为了提高应急效果，可依托二、三维应急GIS系统设置逃生集合点、居民疏散点、周边逃生路线、救援力量部署等专题图，为事发时的应急救援和人员疏散提供决策支持和路线选择。以井站为例，可以参考表1给出的警戒分级数据，在二维地图上围绕井站预设警戒范围，满足应急演练和应急疏散需要。

5 结语

由于二维、三维GIS各具优势，功能和应用方面可以相辅相成，尤其在复杂环境区域的地理信息展示方面，可以有机结合二维GIS的宏观性、整体性和三维GIS场景的局部性、现实性、直观性优点，同时克服二维GIS的抽象多义性和三维虚拟场景漫游的方向迷失感，建立二、三维一体化应急管理GIS平台，为复杂环境下有毒气体侦检和应急救援提供有效的平台支撑，在此基础上集成现场工作人员保护、泄漏源识别、影响区域确定、警戒范围划分、疏散和救援方案制定方法和手段，有效提升相关企业的安全管控能力和应急水平，为企业的可持续发展提供有力保障。