Ｉ３４｛ Ｓｙ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ系统安全 基于ＧＩＳ的毒气泄漏扩散危险区域 模拟分析系统设计 刘继龙曹从咏 （南京理工大学江苏南京２１００９４） 摘要：毒气泄漏会对生态环境和人们的身体健康造成严重影响，为了提高突发事件应急反应能力，研制了 基于ＧＩｓ的毒气泄漏应急处置危险区域分析系统。系统采用常用的高斯模型，结合气象条件，对气体泄漏扩散进 行模拟预测，结合Ｇ１ｓ将扩散区域和浓度分布在图上直观的显示出来，并提取出致死区，重伤区以及轻伤区三条 在等值线，得到应急疏散的区域，为应急疏散决策提供技术支持 关键词：毒气泄漏；扩散；系统 一 一、引言 过程可视为绝热过程。假设气体符合理想气体状态方 程，则根据伯努利方程可推导出如下的气体泄漏公式。 随着国民经济的不断增长，越来越多的危险化学 品被应用于生产中。这些危险化学品一旦发生事故，将 对生态环境和人民健康造成严重影响。其中毒气泄漏 具有速度快、影响区域大的特点，且扩散过程中易受风 （２．１） Ｑ＝Ｃ￣Ｐ 速、风向以及地形的影响经常扩散成非常复杂的情况。 因此，在毒气泄漏事故中，根据毒气的不同的物理化学 性质，结合气象条件，及时准确的预测毒气扩散危险区 域，迅速确定疏散范围，为应急指挥人员有效的组织受 影响区域人员疏散以及应急救援提供决策至关重要。 本文以Ｃ｝｛为开发语言，结合ａｒｏｇｉ Ｓ平台，以大气扩散 模型为理论基础开发了基于ＧｌＳ的毒气泄漏应急处置 危险区域分析系统。 式中０：气体泄漏流量，ｋｇ／ｓ； ｃｄ：为排放系数，当裂口形状为圆形时取１．Ｏ０，三 角形取０．９５．长方形取０．９０； 一号苎１盯 Ａ：为泄漏口面积，ｍ ； Ｒ：为比热比 一 Ｐ：为容器内气体压力，Ｐ。； Ｍ：为气体的分子量，ｋｇ／ｍｏＩ； Ｒ：为气体常数，８．３１４Ｊ／（１１１０Ｉ．Ｋ）； Ｔ：为容器内气体温度，Ｋ； 二、毒气泄漏机理 危险化学品泄漏扩散的研究是应急处置的基础， 准确地确定事故影晌区域和预测危害人群是整个事故 （二）气体扩散模型 目前对于气体扩散模型的研究基本分为两种：ＣＦＤ 模型和概率模型 ］。ＣＦＤ即计算流体力学，是从微观的 应急处置决策的关键。但不同的危险化学品、不同的贮 存容器、不同的泄漏点位置与口径、不同的物理状态、 不同的泄漏量、不同的泄漏速率、不同的自然地理环境 层面上对气体的扩散进行仿真。这类模型一般涉及复 杂的公式和大规模的计算，不适合在对实时性要求较 高的工程应用中使用。概率模型则是从宏观的层面对 气体的扩散进行仿真，这类模型计算量较小，适合于适 时性要求较高的工程中使用。其中比较典型的概率模 型有盒子模型，平板模型，ＢＭ模型，Ｓｕｔｔｏｎ模型，高斯 等因素都影响危险化学品事故扩散速度、影响区域，也 会造成不同的危害程度，泄漏模型分为液体泄漏模型， 气体泄漏模型以及两相泄漏模型等，其中毒气泄漏具 有泄漏速率快，扩散范围大、影响严重的特点，因此我 们选择气体扩散模型进行研究。 （一）气体泄漏模型 烟羽模型，高斯烟团模型等等。其中高斯扩散模型建立 较早，模型简单，实验数据充分，计算结果与实验值能 较好吻合，因此是模拟泄漏到大气中的污染物沿下风 向扩散浓度分布最广泛的模型［ 。假定烟羽水平风向和 气体或蒸气经过小子Ｌ泄漏，因压力降低而膨胀，该 ｊＳｙｓ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ系统安全 ｛３５ 垂直方向上的污染物浓度符合高斯分布，有风条件下 连续点源扩散的浓度分布为： 离测量、漫游鹰眼地图等对地图基础操作的功能，用于 对地图的查看以及在地图上进行复杂查询以及后果分 析的辅助功能；事故现场情况确定：确定事故点，周边 信息，泄漏物质，泄漏量以及气象条件的信息；事故后 果模拟分析：利用数学模型计算出泄漏事故后的致死 唧ｃ一 ｙ２２ｅｘｐ（一１）ｏ ｌ岭ｐ术｛ ｅｘｐ卜Ｉ【 一 ｌ２ １０ ｚ Ｊ ｝（Ｊ｝ （２．２ ） 式中：Ｃ：污染物浓度，； Ｑ：泄漏源连续泄漏速率，ｋｇ／ｓ； Ｖ：泄漏高度的平均风速，ｍ／ｓ： ｏ 、ｏ ：分别为水平和垂直扩散系数； Ｈ：泄漏源有效高度，ｍ。 而实际中，人们更关心的是平面区域的毒气浓度， 因此取泄漏点为坐标原点，Ｘ轴与主导风向一致，垂直 于主导风向的水平方向为Ｙ轴。则地面连续点源的有 毒气体浓度公式为： ｃ（Ｘ．ｖ， （２．３） 式中，ｃ：在下风向Ｘ横向水平Ｙ处地面有毒气体 浓度，ｋｇ／ｍ３； ０：泄漏速度，ｋｇ／ｓ； Ｖ：平均速度，ｍ／ｓ； ｏ 、ｏ ：分别为水平和垂直扩散系数； Ｙ：与主导风向的水平距离，ｍ。 三、系统设计 （一）系统结构设计 本系统主要有５个功能模块（见图３—１）。 基于ＧＩＳ的毒气泄漏应急处置危险区域分析系统 地 事 事 文 系 图 故 故 档 统 基 现 后 打 更 本 场 果 印 新 功 情 模 、 与 能 况 拟 输 维 确 分 出 护 定 析 圈３＿１系魏ｌ籀构圈 地图基本功能主要实现放大、缩小、全幅显示、距 区域，重伤区域以及轻伤区域，结合气象条件以及事故 点在地图上显示出事故影响范围；文档打印输出：打印 出事故基本信息，扩散模拟图形，受影响的区域范围都 可以以文档的形式打印输出给工作人员；系统更新与 维护：主要进行信息更新与维护，如添加危险品的信 息，事故初始应对的信息等等。 （二）系统数据库设计 在系统中我们需要的数据可以分为两类：基础数 据和空间数据，下面就这两种数据分别加以说明。 （１）基础数据 基础数据是指在处置泄漏事故过程中所需的各种 数据，如事故后果模拟分析中的所需化学品的各种参 数的信息，为了提高反应速度，计算中所有的静态参数 都存储在数据表中。根据实际需要，我们设计了危险化 学品的基本信息表，危险化学品的基本信息包括危险 化学品的名称以及它的致死浓度，重伤浓度和轻伤浓 度等信息。 （２）空间数据 空间数据又称为地理数据，它是危险化学品泄漏事 故中与地理空间分布有关的各种要数的图形信息，属 性信息以及相互空间关系的信息总称。系统通过层来 管理空间数据，考虑到各种因素，本系统设计了居民 区，生产场所，医院，消防机构，交警机构等等１０个图 Ｃ Ｊ ０ …删《 ＃ 黪 ｉ＾ 冁 船 ０ 《￡ ＿ ‘《 ＃ 蕾 一 ……… … 嚣悻氍 ～ …一～…… 菇 舻 鸯 薅 菇ｏ 囊 ｝ 嚣 鸯 ， ＊露羲蹙＃鬻 ｛ 耩帮鞯譬赣摊 ～－ 羲 ＿－Ｉｌｌ ＿∞ 一＿＿＿＿－ “ 辘‘∞｛§疆《 ｌ Ｉｔ ＃｝ … 嚣季 戥 ￥ 鲫％＃藏鼙辩 蒜 辅 … ＊ “ ～＾＾ 璃蠹脯 … 舔 ¨ ， 圈．－１氯气黼扩散■报分析圈 （下转４２页） Ｉ信息系统＿Ｔ－程ｆ ２０１０ １１ ２Ｏ ４２ １ Ｓｙ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ系统安全 和隔离的统一矩阵算法［Ｊ】．电力系统自动化，１ ９９９，２ ３ ［１１］吴建中，余贻鑫．一种高效的配电网供电恢 （１）：３１—３３． ［２］杜卫红，孙雅明，刘宏靖，等．基于遗传算法的 配电网故障定位和隔离【Ｊ］．电网技术，２ ００ｏ，２４（５）： ５２－５５． ［３］卫志衣，何桦，邓玉平．配电网故障区间定位的 高级遗传算法［Ｊ】．中国电机工程学报，２ Ｏ０２，２２（４）： １ ２ ７—１ ３０． ［４］Ｈｓｕ Ｙ Ｙ，Ｋｕｏ Ｈ Ｃ．Ａ ｈｅｕｒｉ ＳｔｉＣ ｂａ Ｓｅｄ ｆｕｚｚｙ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｄｉ Ｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｒｖｉｃｅ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌ ｉｖｅｒｙ，１ ９９４，９（２）：９４８—９５ ３． 【５］王志群，朱守真，周双喜，等．分布式发电对配 电网电压分布的影响．电力系统自动化，２ Ｏ０４，２８（１ ６）： ５６—６Ｏ． ［６］陈琳，钟金，倪以信，等．含分布式发电的配电 网无功优化．电力系统自动化，２００６，３０（１４）：２０－２４． ［７］梁有伟，胡志坚，陈允平．分布式发电及其在电 力系统中的应用研究综述．电网技术，２ ００３，２７（１２）： ７１—７６． ［８］邓佑满，张伯明，相年德．配电网络重构的改进 最优流模式算法［Ｊ】．电网技术，１９９５，１９（７）：４７－５０． ［９】胡敏口，陈元．配电系统最优网络重构的模拟 退火算法［Ｊ】．电力系统自动化，１９９４，１８（２）：２４—２８． 【１ ０］刘莉，陈学允．基于模糊遗传算法的配电网络 重构［Ｊ］．中国电机工程报，２０００，２０（２）：６６－６９． 的ｌ苴 量刊 Ｗ ＥＰ， ￣］ＳＫ 气泄漏扩散ＩＮ－Ｋ Ｒ ／￣ 虾 攀 分 蚕 妻喜…Ｂ 三 ｓ： 巳 星鎏，、称Ｌ’ ： 竺。、 芝 只 萼 ，输入简单的气象条件，事故点的经度纬度，时间等 芝 量 图上绘制相应的等值线，从而确定影响区域，为疏散决 复算法［Ｊ］．电网技术，２０Ｏ３，２ ７（１ ０）：８２—８６． ［１ ２］刘健，毕鹏翔，董海鹏．复杂配电网简化分析 与优化．北京：中国电力出版社，２ Ｏ０２． ［１ ３】夏媚珠．基于改进遗传算法的配电网络重构 的研究［Ｄ］．广西：广西大学硕士，２ ００４． ［１４］Ｋｕｎｄｕｒ．电力系统稳定与控制【Ｍ］．北京：中 国电力出版社，２ ００１． ［１ ５］代姚，周口，雷绍兰，等．基于稳定参数控制 的改进遗传算法在配电网络规划中的应用［Ｊ］．电网 技术，２００６，３０（１ ０）：５Ｏ一５ ３． ［１ ６］焦李成，刘静，种伟才．协同进化计算与多 智能体系统［Ｍ］．北京：科学出版社，２ ００６． ［１ ７］陈皓勇，张靠社，王锡凡．电力系统机组组合 问题的系统进化算法［Ｊ］．中国电机工程学报，１ ９９９，１９ （１ ２）：９—１４． ［１ ８］，李淑慧，陈皓勇，等．基于非支配遗 传算法及协同进化算法的多目标多区域电网规划 ［Ｊ】．中国电机工程学报，２ Ｏ０６，２６（１２）：１卜１５． ［１ ９］卢志刚，董玉香．含分布式电源的配电网故 障恢复策略．电力系统自动化，２ ００７，３１（１）：８９—９２． ［２ Ｏ］王建学，王锡凡，陈皓勇，等．基于协同进化 算法的电力系统无功优化［Ｊ］．中国电机工程学报， ２００４，２４（９）：１２４—１ ２９． 蓄 墓 ＇ｌ Ｔ气１２体／＿￣ｇ的ｔ￥ ｇ‘ 运ｌｌ＇ｌ： ｌ行＇Ｊ稳霉 －％ ．．ｌｌ＝ ｌ ～ ～一 ’ ～ 磊 暴 摸 一 ～“。 姐，一 裳 薰 …一。、～ ～一 …‘ 镖蒿一 妻奎一
