摘要：預(yù)防和控制燃?xì)庑孤┦鹿实陌l(fā)生以及合理評(píng)價(jià)燃?xì)馐鹿实娘L(fēng)險(xiǎn)，是燃?xì)廨斶\(yùn)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題，其關(guān)鍵技術(shù)在于燃?xì)庑孤┪恢玫拇_定。為了更加科學(xué)合理地對(duì)燃?xì)馐鹿蔬M(jìn)行預(yù)防、控制和評(píng)價(jià)，提出了基于首末端監(jiān)控的雙向同步仿真與實(shí)地監(jiān)測(cè)相結(jié)合的時(shí)差最小化的三色泄漏定位方法和基于GIS的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，并針對(duì)其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討和分析：以增加耗散項(xiàng)和初始點(diǎn)、延長(zhǎng)出口點(diǎn)的方法，簡(jiǎn)化了動(dòng)態(tài)仿真模型求解過(guò)程，增加了結(jié)果的穩(wěn)定性；建立了變孔徑泄漏及擴(kuò)散綜合計(jì)算模型，運(yùn)用格林函數(shù)得出了其相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)解析公式，彌補(bǔ)了非定常泄漏研究及其擴(kuò)散技術(shù)模型無(wú)法對(duì)泄漏擴(kuò)散濃度做出合理可靠分析的不足；對(duì)燃?xì)鉂舛葮O限和沖擊波致人傷亡的危險(xiǎn)性給予了分析。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?；泄漏；預(yù)警；GIS定位；區(qū)域；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是一個(gè)分布在人口和建筑集中區(qū)域的復(fù)雜系統(tǒng)，其安全運(yùn)行受到許多因素的影響，一旦發(fā)生燃?xì)庑孤?、火?zāi)爆炸事故，將會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1～3]。預(yù)防和控制燃?xì)庑孤┦鹿实陌l(fā)生，合理評(píng)價(jià)燃?xì)馐鹿实娘L(fēng)險(xiǎn)，成為燃?xì)廨斶\(yùn)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。泄漏位置的確定[4～7]是預(yù)防和控制燃?xì)庑孤┦鹿?、評(píng)定燃?xì)庑孤┦鹿屎蠊幕A(chǔ)，也是目前燃?xì)廨斶\(yùn)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還存在較多的問(wèn)題。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在燃?xì)廨斶\(yùn)領(lǐng)域才開(kāi)始初步的研究，且目前主要采用的是將單純事故發(fā)生所造成的后果與事故概率相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行分析。為了能夠更科學(xué)合理地對(duì)燃?xì)馐鹿蔬M(jìn)行預(yù)防、控制和評(píng)價(jià)，對(duì)圍繞燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏定位、動(dòng)態(tài)泄漏的泄漏率及泄漏量的分析計(jì)算、泄漏燃?xì)獾臄U(kuò)散規(guī)律及事故的傷害和破壞范圍、三維GIS管網(wǎng)繪制、區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等進(jìn)行了初步的探討，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
1 三色泄漏報(bào)警及定位關(guān)鍵技術(shù)
1.1 泄漏報(bào)警及誤報(bào)排除
為了降低監(jiān)控成本，提高報(bào)警的精確度，排除誤報(bào)警的可能性，采用首末端監(jiān)控的同步雙向仿真雙對(duì)比的三色泄漏報(bào)警及定位法來(lái)進(jìn)行研究。
1.1.1黃色泄漏報(bào)警
當(dāng)燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生時(shí)，為了安全、快速、便捷地進(jìn)行搶修和救災(zāi)，將事故的危害性降到最低，就必須要快速準(zhǔn)確地在燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生時(shí)給予預(yù)警。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)處由于管道內(nèi)外的壓差，流體迅速流失，壓力下降，泄漏點(diǎn)兩邊的流體由于存在壓差而向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充，這一過(guò)程依次向上下游傳遞。因此，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)相關(guān)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的壓力、流量參數(shù)將與同一時(shí)刻用仿真方法所得壓力和流量參數(shù)存在較大的誤差。為了能夠在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)泄漏，將利用智能數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)傳電臺(tái)同時(shí)對(duì)管線兩端的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對(duì)比前后兩時(shí)刻首末端壓力參數(shù)，如果差值較大，則此時(shí)發(fā)出黃色泄漏報(bào)警。
1.1.2橙色泄漏報(bào)警及誤報(bào)排除
為確保報(bào)警精度及排除誤報(bào)警，此時(shí)分別利用該時(shí)刻首端和末端參數(shù)分別為初始條件對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行首末端仿真，分別得到管線的壓力分布曲線2和曲線3。仿真壓力分布及定位如圖1所示(曲線1為管道首端為固定輸入氣源情況下，泄漏前一時(shí)刻仿真壓力分布曲線；曲線為管道首端為非固定輸入氣源情況下，泄漏前一時(shí)刻仿真壓力分布曲線)。如果此時(shí)曲線2和曲線3首末端的壓力相對(duì)誤差均較大，且不在仿真允許誤差范圍內(nèi)，則此時(shí)可發(fā)出橙色泄漏報(bào)警。反之，如果誤差較小，在允許的誤差范圍內(nèi)，則可認(rèn)為此時(shí)壓力變化是由于管道輸送流量或者用戶使用量發(fā)生變化造成的，此時(shí)則可解除泄漏報(bào)警。
1.1.3紅色泄漏報(bào)警及誤報(bào)排除
為了進(jìn)一步提高報(bào)警的精確性，排除誤報(bào)警的可能性，此時(shí)必須調(diào)用下一時(shí)刻參數(shù)，分別進(jìn)行首末端仿真，如果此時(shí)仿真壓力分布曲線2和曲線3的首末端壓力值相對(duì)誤差均較小，且在仿真允許誤差范圍之內(nèi)，同時(shí)，兩條曲線2和曲線3之間相對(duì)誤差也較大，此時(shí)，則可以發(fā)出泄漏紅色報(bào)警，即確定泄漏事故發(fā)生。反之，則取消泄漏報(bào)警。
1.2 泄漏報(bào)警時(shí)差最小化方法
1.2.1泄漏預(yù)警基礎(chǔ)時(shí)間確定
為了縮短泄漏事故的報(bào)警時(shí)間，提高報(bào)警精度，采用雙向同步系統(tǒng)仿真的方法。此時(shí)能確定泄漏發(fā)生的最短時(shí)間為min(τ1，τ2，τ3)[4]，其中：τ1為泄漏所造成的擾動(dòng)傳播到管道首端所需時(shí)間；τ2為泄漏所造成的擾動(dòng)傳播到管道終端所需時(shí)間；τ3為泄漏所造成的擾動(dòng)熵變過(guò)程傳播到管道終端所需時(shí)間。
1.2.2監(jiān)控及仿真時(shí)間間隔的確定
一般說(shuō)來(lái)，泄漏監(jiān)控及仿真數(shù)據(jù)時(shí)間間隔越小越好，但是根據(jù)2.1中黃色報(bào)警最小時(shí)間理論來(lái)看，在實(shí)際運(yùn)行中時(shí)間間隔需要考慮采集系統(tǒng)的設(shè)置，同時(shí)仿真軟件在針對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行仿真時(shí)也是需要一定時(shí)間的。如果針對(duì)全程監(jiān)控管道而言，則△τ可以取一個(gè)較小的值，以實(shí)現(xiàn)理論時(shí)間報(bào)警。
1.2.3泄漏預(yù)警時(shí)差最小化時(shí)間
根據(jù)上述分析可知，文獻(xiàn)[4]、[5]所得到的時(shí)間不可能是實(shí)際運(yùn)行中得到發(fā)出最終警報(bào)的最短時(shí)間，在實(shí)際情況下，當(dāng)泄漏事故發(fā)生時(shí)，真正的最短報(bào)警時(shí)間應(yīng)該是發(fā)出黃色預(yù)警時(shí)間(τy)、橙色預(yù)警時(shí)間(τo)和紅色預(yù)警時(shí)間(τr)之和，即：
τ=τy+τo+2τr+2τf (1)
τy的確定就成為泄漏定位時(shí)間的關(guān)鍵，而τy為：
目前針對(duì)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控已是一件非常容易的事情，故此，△τ值采用一個(gè)較小的時(shí)間。此時(shí)，τy可用泄漏信息傳播所需時(shí)間min(τ1，τ2，τ3)來(lái)近似表示。故此，泄漏最小化時(shí)間可簡(jiǎn)化為：
τ=τy+τo+2τr=τy+2τf=min(τ1，τ2，τ3)+2τf (3)
1.3 泄漏定位
仿真壓力分布曲線2和曲線3交叉點(diǎn)所在的離散點(diǎn)所代表區(qū)域即為泄漏點(diǎn)所在區(qū)域。其具體泄漏位置的確定，則可根據(jù)管網(wǎng)網(wǎng)格化點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算得到。
1.4 仿真模型求解方法的改進(jìn)
由于泄漏報(bào)警需要采用系統(tǒng)仿真來(lái)進(jìn)行，因此管網(wǎng)仿真模型及求解方法也需要給予考慮和分析。針對(duì)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)非等溫仿真模型已進(jìn)行了一定的研究，但其在工程實(shí)際方面的應(yīng)用國(guó)內(nèi)還鮮有報(bào)道。動(dòng)態(tài)非等溫?cái)?shù)學(xué)模型可以表示為[1]：
但目前的模型求解方法給予了較多的簡(jiǎn)化，求解結(jié)果可靠性大大降低，同時(shí)其求解結(jié)果方法也相對(duì)較為煩瑣[1]。在此，將針對(duì)動(dòng)態(tài)非等溫仿真模型的求解方法給予改進(jìn)。
根據(jù)Crank-Nicolson格式，并通過(guò)在方程的右端添加四階耗散項(xiàng)和耗散格式修正項(xiàng)以避免定常數(shù)值解中出現(xiàn)奇偶失聯(lián)波動(dòng)并增強(qiáng)格式穩(wěn)定性。同時(shí)，為了保證模型求解過(guò)程的穩(wěn)定性，在公式左端添加二階耗散項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的簡(jiǎn)化條件和方法，將采用延長(zhǎng)初始時(shí)刻和延長(zhǎng)出口點(diǎn)數(shù)的方法以簡(jiǎn)化的求解。
2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)
燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)將從泄漏率和泄漏量、泄漏動(dòng)態(tài)擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸事故危險(xiǎn)性、事故概率、事故區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等方面入手進(jìn)行分析。
2.1 變孔徑泄漏綜合計(jì)算模型
當(dāng)燃?xì)廨斶\(yùn)管道發(fā)生大孔徑泄漏時(shí)，由于氣源的存在，在一定時(shí)間內(nèi)，可認(rèn)為泄漏維持一種定常泄漏狀態(tài)。而當(dāng)氣源被自動(dòng)或人為切斷后，泄漏將會(huì)呈現(xiàn)出一種泄漏率逐漸降低，直到停止的過(guò)程。目前泄漏擴(kuò)散的研究，還無(wú)法對(duì)上述泄漏情況的擴(kuò)散濃度做出合理可靠的分析。為此，將針對(duì)燃?xì)鈩?dòng)態(tài)泄漏擴(kuò)散模型結(jié)合穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散模型來(lái)進(jìn)行分析。
根據(jù)質(zhì)量守恒方程可以得到此時(shí)非穩(wěn)態(tài)泄漏率的表達(dá)式[3]：
據(jù)臨界壓力判別標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合臨界流、亞臨界流變孔徑孔口泄漏下任意時(shí)刻的P、T、ρ、Qm、m的計(jì)算關(guān)系式[1]，運(yùn)用格林函數(shù)可得出其溫度和壓力經(jīng)驗(yàn)解析公式如下：
通過(guò)進(jìn)一步分析計(jì)算，確立變孔徑泄漏模型(小孔、大孔及管道模型)的適用相對(duì)孔徑范圍，并確定出各影響因素對(duì)泄漏率和泄漏量的影響。
2.2 動(dòng)態(tài)泄漏擴(kuò)散研究
根據(jù)動(dòng)態(tài)泄漏率不定常的特點(diǎn)，以氣體動(dòng)力學(xué)理論和湍流擴(kuò)散微分方程為基礎(chǔ)，結(jié)合相應(yīng)的初始條件和邊界條件，利用格林函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，可得綜合擴(kuò)散模型格林函數(shù)為：
則該模型的濃度積分表達(dá)式為：
t’≠t當(dāng)時(shí)，即泄漏源不是連續(xù)源也非瞬時(shí)源時(shí)，此時(shí)，上式中的Q(t-t’)應(yīng)取泄漏源Q(t’)，則非連續(xù)源非穩(wěn)態(tài)泄漏擴(kuò)散模型計(jì)算式應(yīng)修正為：
當(dāng)泄漏率(Q)是時(shí)間的規(guī)則函數(shù)時(shí)，可以直接利用上式進(jìn)行計(jì)算。但當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，管道泄漏為非穩(wěn)態(tài)泄漏，此時(shí)的Q不是時(shí)間的規(guī)則函數(shù)，為避免積分過(guò)程中的不可積性，此時(shí)以分段求和法(分段積分法)來(lái)進(jìn)行求解。令：
令t1=0，tN=t’，當(dāng)時(shí)間較短時(shí)，取N=1000足可以滿足工程計(jì)算精度需求。則對(duì)任意時(shí)刻任意點(diǎn)處的濃度計(jì)算式為：
當(dāng)泄漏為地面點(diǎn)源泄漏時(shí)，則令上述各式中的H=0，所得各式就為地面源泄漏模型。
式(6)～(13)中相關(guān)參數(shù)及意義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。
2.3 泄漏危險(xiǎn)性分析
1) 以一給定時(shí)間內(nèi)燃?xì)庵聜鰸舛葋?lái)分析研究泄漏氣體擴(kuò)散的單純危險(xiǎn)性，即此時(shí)的傷亡范圍值。
2) 泄漏火災(zāi)爆炸事故的危險(xiǎn)性主要可從兩個(gè)方面來(lái)分析：一是發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的可能性；二是發(fā)生事故后所造成的破壞危險(xiǎn)范圍。其分析手段通過(guò)以泄漏擴(kuò)散中心點(diǎn)為燃爆點(diǎn)，以熱致傷和超壓-沖量綜合準(zhǔn)則來(lái)研究沖擊波致傷，分析研究擴(kuò)散氣體燃燒爆炸所造成的危險(xiǎn)性；分析各影響因素對(duì)泄漏危險(xiǎn)性的影響。
2.4 區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究
城市燃?xì)怙L(fēng)險(xiǎn)是指由各種原因引起的對(duì)人類(lèi)社會(huì)及自然環(huán)境產(chǎn)生破壞、損害及至毀滅性作用的城市燃?xì)馐鹿拾l(fā)生的概率及其后果。區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[9～10]主要是針對(duì)區(qū)域內(nèi)的危險(xiǎn)源在區(qū)域內(nèi)某一固定位置致使人員的個(gè)體死亡概率進(jìn)行研究。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的定義可知，風(fēng)險(xiǎn)是造成損失的可能性大小，因此，它不可能是一個(gè)確切的值，應(yīng)當(dāng)是一個(gè)模糊的界于一個(gè)區(qū)間變化的值。而在現(xiàn)有研究[7～9]中，均將其視為一個(gè)確切的數(shù)值，在一定程度上說(shuō)，是不準(zhǔn)確的。另外，在現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中忽略了許多影響事故風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)因素。因此，下面，將圍繞城市燃?xì)鈪^(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)給予基礎(chǔ)分析。
2.4.1燃?xì)鈪^(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合模型
據(jù)上述分析，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，事故所造成的危險(xiǎn)性不僅與事故本身的危險(xiǎn)性有關(guān)，還與救災(zāi)系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)的完善度、抗災(zāi)能力的大小等降災(zāi)因素有著密切的關(guān)系，同時(shí)還與空間位置有著相當(dāng)?shù)年P(guān)系。但由于三維空間風(fēng)險(xiǎn)需要考慮的因素很多，同時(shí)其結(jié)果也需要利用三維圖形來(lái)顯示，這給在現(xiàn)階段采用軟件來(lái)表示結(jié)果帶來(lái)了相當(dāng)?shù)睦щy，并且，其結(jié)果也無(wú)法在二維地圖上顯示出來(lái)。因此，將忽略空間方向上的影響，提出如下二維空間個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型：
RP,s,d(x，y)=fsvs,des,d(1-h) (14)
式中：RP,s,d(x，y)為燃?xì)馐鹿试诳臻g位置(x，y)處所產(chǎn)生的第s個(gè)情景事故，即泄漏、火災(zāi)和爆炸事故所造成的第d類(lèi)傷害(死亡、重傷和輕傷)食體危險(xiǎn)性；fs為第s個(gè)情景事故發(fā)生的模糊概率值；vs,d為第s個(gè)情景事故發(fā)生時(shí)在(x，y)所產(chǎn)生的第d類(lèi)事故的可能性，即概率值；es,d為第s個(gè)情景故事發(fā)生時(shí)的環(huán)境因素對(duì)事故的影響因子；h為考慮救災(zāi)等因素在內(nèi)的降災(zāi)因子。
區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不僅關(guān)心事故發(fā)生時(shí)的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)，更關(guān)心社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的大小。而社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)與個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)存在較大的差異。以下將針對(duì)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)給予分析。
RN,s,d(x，y)=RM,s,d(x，y)ρP=fsvs,des,d(1-h)ρP (15)
式中：RN,s,d(x，y)為燃?xì)馐鹿试诳臻g位置(x，y)處所產(chǎn)生的第s個(gè)情景事故即泄漏、火災(zāi)和爆炸事故所造成的第d類(lèi)傷害(死亡、重傷和輕傷)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)；ρP為區(qū)域內(nèi)空間位置(x，y)處人口密度值。
fs的計(jì)算方法，可根據(jù)文獻(xiàn)[1]、[10]相關(guān)資料，借助文獻(xiàn)[11]的方法來(lái)進(jìn)行確定和計(jì)算。vs,d的計(jì)算，可采用如下關(guān)系式來(lái)計(jì)算：
式中：Lc為燃?xì)鉂舛?、沖擊波、當(dāng)量熱輻射值為c時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)人體的傷害概率值。
2.4.2基于GIS的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)
區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵還是首先要確定出二維地理空間上各點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值。然而，地理空間相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，故此需要采用網(wǎng)格化二維地理空間，以方便風(fēng)險(xiǎn)分析和求解。網(wǎng)格化過(guò)細(xì)，精度高，但卻相當(dāng)煩瑣，且在實(shí)際應(yīng)用中的效果也不好，反之，如果太過(guò)粗略，計(jì)算精度卻又無(wú)法達(dá)到應(yīng)用的要求。故此，需根據(jù)地理空間和實(shí)際應(yīng)用的具體情況來(lái)進(jìn)行合適精度的網(wǎng)格劃分。
個(gè)體和社會(huì)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)的表達(dá)方法，將分別采用各網(wǎng)格點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值所處等級(jí)，進(jìn)行各等風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)聯(lián)匯，并利用相關(guān)等級(jí)顏色在GIS所表達(dá)的地圖上進(jìn)行等級(jí)色彩渲染。
3 結(jié)論
1) 為了提高報(bào)警的精確度，排除誤報(bào)警的可能性，提出了基于首末端監(jiān)控的雙向同步仿真與實(shí)地監(jiān)測(cè)相結(jié)合的時(shí)差最小化的三色泄漏定位方法，并針對(duì)其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)做了探討和分析。
2) 對(duì)多參數(shù)動(dòng)態(tài)非定常泄漏、擴(kuò)散綜合計(jì)算數(shù)學(xué)模型及相關(guān)難點(diǎn)進(jìn)行了研究，解決了目前在非定常泄漏及擴(kuò)散技術(shù)模型存在的不足。同時(shí)，對(duì)燃?xì)鉂舛葮O限和沖擊波致人傷亡的危險(xiǎn)性給予了分析，為獲得高精度泄漏危險(xiǎn)性和對(duì)已發(fā)事故的分析和再現(xiàn)提供了參考。
3) 提出了基于GIS并綜合考慮救災(zāi)系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)的完善度、抗災(zāi)能力的大小等降災(zāi)因素的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。
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(本文作者：張甫仁1，2 張輝1 徐湃1 1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院；2.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院)
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