基于ArcGIS的室外燃气扩散分析及模拟
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摘要： 论述了影响燃气扩散的主要因素和高斯烟羽模型的主要内容，结合高斯烟羽模型，设计了系统的各个功能模块，基于arcgis进行了燃气扩散模拟系统的开发。
Abstract： This paper discussed the main factors affecting gas diffusion and the main content of Gauss plume model. Combined with the Gauss plume model， function modules of the system were designed and based on ArcGIS， the development of gas diffusion simulation system was carried out.
关键词： 燃气扩散；高斯烟羽模型；燃气扩散模拟
Key words： gas diffusion；the Gaussian plume model；gas diffusion simulation
中图分类号：TE88 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）21-0118-03
0 引言
城市室外燃气管道泄漏事故具有突发性，完全杜绝是不可能的，我们能做的就是通过燃气管网的信息化管理尽量减少人为事故的发生，以及通过燃气管网的智能关阀搜索和扩散分析提供智能的决策，进行及时的处理和补救，维护人民生命财产安全，降低事故对社会造成的危害。目前，致力于燃气扩散分析的研究较多，张甫仁等人采用CFD软件对燃气的扩散程度进行模拟[1]；张增刚等人进行了室内燃气扩散的分析与模拟[2]；尹贻林等人从GIS方向对扩散分析进行了模拟[3]，但未进行后续的影响范围分析。
本文基于ArcGIS软件，以昭通市为例构建了室外真实场景，采用高斯烟羽模型，对燃气的扩散进行计算和模拟，并运用ArcGIS的开发功能在地图上对不同泄漏浓度的范围进行了渲染模拟，结合ArcGIS的空间分析功能确定受影响区域，查询受影响的单位和个人，为事故处理提供决策支持。燃气公司和政府部门可以根据燃气泄漏影响情况制定人员撤离方案，制定抢修方案，保证人民的生命财产安全。以此为依据，还可以为以后新建的燃气管道安全距离提供一定的理论依据。
1 燃气扩散模型的选择
燃气的泄漏和扩散是一个复杂的过程，受到多方面的影响，通过目前的一些研究可以主要归纳为以下几方面的影响：风向、风速、气温、大气稳定度、湿度等气象因素，地形因素，排放源参数，泄漏气体密度，稀释和沉降作用的影响，分解、化合、地面吸收以及雨雪冲洗等作用的影响。正是由于影响因素众多，导致燃气的扩散情况多种多样，对其扩散模型的研究显得较为复杂。
近年来，大气环境学家和气象学家研究和建立了许多的大气扩散模型，形成多种多样可以处理不同条件下复杂大气扩散问题的扩散模型。然而没有哪个模型可以适用于各种条件的燃气扩散分析，因此，应用者需根据实际情况选用合适的扩散模型。
本研究通过对各个大气扩散模型的学习和对比，最终选择了最常用的高斯模型。高斯模型是通过对大量的实测资料进行分析，应用统计理论得到的一种建模方法。它适用于点源气体的扩散，是发展较早的气体扩散模型，早在五、六十年代就已经开始被应用于模拟气体扩散浓度分布。主要包括：适用于连续泄漏扩散的高斯烟羽模型和适用于瞬时泄漏扩散的高斯烟团模型。本研究以连续泄漏扩散为研究对象，因此选用高斯烟羽模型作为实现燃气扩散分析的模型。
2 高斯烟羽模型[4][5]
高斯烟羽扩散模型是以平流――扩散微分方程为依据，在风速及湍流扩散系数为定值的条件下，其解为标准正态分布。所以通常将烟羽模型用来描述轻质气体突发性泄漏事故中污染物的浓度分布。高斯烟羽模型可以根据风速u的大小：u>1m/s、u
本文选取了第一种情况，即在连续泄漏的情况下，风速u>1m/s的情况下，以泄漏源为原点，风向方向为x轴的空间坐标系中一点（x，y，z）处的浓度为：
因为本研究是针对地面泄漏源，因此有效源高H默认取值为0，风速由实际的测定值或气象部门给出的数值为准。在公式中需要确定的数值主要是气体泄漏流量Q，扩散参数σy，σz，下面具体给出其确定方法。
2.1 管道孔口泄漏率
燃气管道有一定的压力，当气体从有压力设备的裂口泄漏时，应采用气体流动标准方程计算，从而判断气体在泄漏时属于亚音速流动还是音速流动，前者称为次临界流，后者称为临界流。本课题是与昭通燃气公司合作，其气源是天然气，主要成分为甲烷，临界压力为1.837，绝热指数为1.307，通过气体流动标准方程计算可知属于音速流即临界流。因此选用公式（2）来计算其泄漏率。
气体呈音速流动时，泄漏速度Q0为
2.2 扩散参数σy、σz的确定
扩散参数σy、σz是大气稳定度、下风向距离、地面粗糙度等构成的函数，目前应用较广泛的估算法是P-G扩散曲线法，但此方法更适用于平坦地面，且在大气稳定度分级上有一定局限性。Briggs于1973 年根据公式渐近线的概念，用内插公式将帕斯奎尔、布鲁克海汶和其他几种扩散曲线统一起来，从而得出了一种新的扩散参数表达式。此方法充分考虑了下垫面的影响，适用于102m～104m的范围。这种方法是在无法提供现场实测或模拟实验数据的情况下，估算扩散参数的有效途径。
3 模块流程及系统实现
3.1 模块流程设计
①图形显示模块：地图的显示、缩放、平移、保存、属性查询等功能。
②气象分析模块：输入各项气象参数，通过气象数据库查询其余相关参数，计算出大气的稳定度等级，最终用于计算扩散参数σy、σz。
③事故后果计算模块：通过输入泄漏口的形状、气体压力、泄漏口面积、风向等参数，按照高斯烟羽模型计算出空间点（x、y、z）的浓度。
④扩散模拟及影响用户显示：通过泄漏浓度内插出不同浓度的区域范围，进行颜色渲染，显示在地图上；通过叠加分析得出影响区域，输出影响用户的excel表。
根据高斯烟羽扩散模型，系统流程图设计如图1。
3.2 系统的实现
①实现软件。ArcGIS Engine是为客户化GlS应用提供的嵌入式开发组件，利用此软件，开发者能将ArcGIS功能集成到一些应用软件中去，还可以为用户提供针对GIS应用的解决方案的定制。
②应用效果。打开软件，显示目标区地图，找到泄漏的准确地点，放置标志点，点击燃气扩散模拟功能，出现一个参数输入界面，如图2所示。根据当地的实际情况输入泄漏点经纬度、时间。输入一组模拟数据：云量5～7，风速2m/s
通过泄漏浓度范围图，我们可以大致了解气体主要往哪个范围扩散以及各个范围大概的浓度及危险程度。这样就不必盲目的进行人员的疏散，可以告知处于警戒范围内（可以闻到燃气的臭味，但不一定会有爆炸危险，在图3中区域①及区域②）的人员，避免手机、金属碰撞、汽车发动机等潜在火源的发生，防止次生灾害的发生，安抚他们有序撤离；封锁区域③，除救援人员不允许其余人员进入。同时，通过属性信息表的查询，可以得出受影响的人数和单位。在居民地属性表中加入三个字段：保护等级、危险等级、可参与救援单位。保护等级主要描述需要重点保护的对象（比如学校），需要优先进行撤离（图3中的星星幼儿园就属于重点保护单位，需要进行及时的撤离）；危险等级主要描述易于引发次生灾害的单位，同样按照可能性分为几个等级，比如食堂、饭店、修理厂等有明火的地方就属于一级危险，在遇到泄漏事故后需要及时通知停工；可参与救援单位描述的是可以参加救援工作的单位和个人，主要指消防、公安、医院这一类单位，可以通知就近参与疏散和救援任务。通过以上属性信息的分析可有助于救援工作准确、快速、有效的进行。
4 结论
室外燃气的泄漏事故如果得到及时有效的分析和处理，基本不会对社会和人民生命财产安全造成太大的危害。反之，一旦在空间中形成可燃气云，浓度达到一定范围，且遇到合适的点火源就可能发生火灾或者更严重的爆燃事故，对社会造成极其严重的危害。在系统测试中，通过模拟数据可以计算出各点的泄露浓度，在地图上显示泄露影响范围，输出受影响的用户数据。从而配合救灾部门进行有效的疏散和撤离，对缩短救援时间，有效抑制燃气与空气的有效混合，减少火灾和爆燃的可能性起到至关重要的作用。
参考文献：
[1]张甫仁，等.建筑群外空间城市燃气泄漏扩散浓度场模拟[J].天然气工业，2013（33）：114-119.
[2]张增刚，等.燃气管道泄漏原因及扩散影响因素分析[J].山东建筑大学学报，2012（2）：189-202.
[3]尹贻林，郭慧岩，付聪.基于GIS的燃气管网泄漏扩散后果分析及模拟[J].山东建筑大学学报，2009（6）：514-517.
[4]张斌才，赵军.大气污染扩散的高斯烟羽模型及其GIS集成研究[J].环境监测管理与技术，2008（5）：1-19.
[5]谷清，李云生.大气环境模式计算方法[M].气象出版社，2002.
[6]Arystanbekova，N.Kh..Application of Gaussian plume models for air pollution Simulation at instantaneous emissions.Mathematics and Computers in Simulation， 2004， 67（4―5）：451-458.