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摘要：在分析GIS与CFD技术应用现状的基础上，利用GIS-CFD耦合技术，得到含硫气田泄漏事故的CFD数值模拟结果在GIS中展现的可视化效果。以川中油气矿某含硫井站泄漏事故进行实例应用分析，表明该方式可为含硫气田应急决策提供有力的辅助支持，实现基于“情景-应对”的气田应急模式。
Abstract： Based on the analysis of the application status of GIS and CFD technology， the application of GIS-CFD coupling technology can obtain the visualization effect of the numerical simulation results of sulfur gas field leakage accident in GIS. Taking a leak accident of a sulphur-bearing well station in Chuanzhong Oil and Gas Mine as an example， it is shown that this method can provide strong support for emergency decision-making of sulphur-bearing gas field and realize the emergency mode of gas field based on "scenario-response".
关键词：GIS;CFD;含硫气田;情景;应急
Key words： GIS;CFD;sulfur gas field;scenario;emergency response
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）26-0288-02
0 引言
我国川渝地区拥有大量的含硫气田，如普光气田和卧龙河气田，其硫化氢含硫分别达到15%和32%。美国《化学危险袖珍指南》指出，硫化氢立即危害生命或健康的浓度仅为300ppm[1]，气田一旦发生泄漏，容易造成严重的硫化氢中毒事故，导致重大人员伤亡和财产损失。因此，预测气田含硫天然气泄漏后的扩散趋势，量化分析其伤害范围，对应急工作的开展显得极其重要。目前，利用CFD模拟技术可完成气体泄漏扩散的数值模拟，实现对含硫气田泄漏事故伤害范围的预测，但是模拟结果的可视化效果较差。此外，含硫气田大多位于地形复杂地区，考虑复杂地形因素对气体扩散的影响，可使事故发展趋势和伤害范围的预测结果更加精确。GIS在地理数据的显示、分析、模型、可视化等方面能提供强大的技术支持，若与CFD技术耦合使用，可使泄漏事故在真实场景中再现，为含硫气田的应急工作提供更加直观、有效的辅助支持。
1 GIS与CFD技术应用现状
1.1 GIS系统
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS），是在计算机软硬件系统技术支持下，对地理数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述，并解决复杂规划、决策和管理的空间信息系统[2]。经过不断发展，GIS在资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划等领域得到了广泛应用[3]。
1.2 CFD模拟技术
计算流体动力学（Comoutational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想：用一系列有限个离散点上的变量集合，来代替在时间域及空间域上连续物理量的场（如速度场、压力场等），通过一定的原则和方程建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，求解代数方程组获得场变量的近似值[4]。目前，研究人员一般利用CFX、Fluent、Flacs等基于CFD的商用软件对气体的泄漏扩散进行数值模拟研究。
1.3 耦合GIS-CFD技术应用现状
国内外研究者们不断尝试利用GIS的地理数据为CFD建立复杂真实的地理模型，通过GIS数据的输入與CFD结果的输出，结合二者的优势到达理想的模拟结果。
Hsie. T. and I.C. Ward[5]提出了一种使用GIS提供的二维数据用来为CFD建模的方法，以此来开发城市形态模型的框架措施。
孙洁[6]先运用Fluent软件对一定条件下的燃气泄漏扩散情况进行了数值模拟，运用GIS二维地理数据构建了大学校园三维场景，同时借助粒子系统实现了燃气泄漏扩散的三维动态可视化。
2 耦合GIS-CFD技术在含硫气田应急中的应用方式
目前传统的基于“预测-应对”的应急决策模式已经难以满足含硫气田重特大安全生产事故下应急决策的要求，救援、疏散工作难以开展，应急决策必须向“情景-应对”模式转变。该应急模式的工作重点在于对情景的构建和事故范围以及发展趋势的预测，那么预测结果的准确性和直观性成为有效应急决策的前提。应用GIS-CFD耦合技术，可为实现含硫气田“情景-应对”应急模式提供有力帮助。
2.1 复杂地形三维模型构建
含硫气田大多位于地形复杂地区，由于硫化氢比空气重，当含硫天然气发生泄漏，地形条件对其扩散方式的影响比较明显。为了保证预测的准确性，必须考虑含硫气田所处位置的地形地貌条件。在针对气田含硫天然气泄漏事故进行数值模拟前，可利用GIS软件处理地形地貌的数字DEM、等高线以及图像数据，采用曲线拟合或拼接不同高程的小平面等方式，构建气田及其周边地形环境的三维模型，使泄漏事故数值模拟结果与实际情况更加吻合。
2.2 含硫气田泄漏事故三维可视化
在构建气田及其周边地形环境三维模型的基础上，利用CFD软件进行三维动态泄漏扩散数值模拟，并将模拟结果文件采取转换数据格式、筛选范围节点等方式，使节点数据符号化后植入GIS，以此得到气田含硫天然气泄漏扩散事故的模拟结果在GIS中展示的三维可视化效果。
2.3 “情景-应对”的气田应急模式
为了实现事故的实时模拟，研究人员多是将气体扩散模型（如高斯模型）或运算速度较快的定量风险分析软件（如Phast、CASST-QRA等）接入GIS，只需输入实际数据，便可快速得到事故的模拟结果。但这些方式假定的条件较多，得到的结果与实际情况差距较大。如果将CFD软件接入GIS中，由于使用CFD技术模拟气体泄漏需要较长时间，故采用此方法达到事故的实时模拟是难以实现的。
为了解决CFD技术模拟时间长的问题，可先利用软件在考虑尽可能多的工况条件下（不同泄漏孔径、泄漏方向、风速、风向等），对气田含硫天然气泄漏扩散，甚至火灾和爆炸等事故进行数值模拟，以此形成事故情景库。同时，结合气田周边人居分布、集合点、应急资源（如警力、医疗等）等信息要素，针对每一个事故情景制定相应的应急处置方案，并利用合适的算法和程序集成含硫气田三维应急辅助决策系统。当含硫气田发生事故时，只要输入实际条件参数，系统便可快速匹配出事故情景和处置方案。
3 实例应用
以西南油气田分公司川中油气矿某含硫井站为例，运用GIS-CFD耦合技术对井站泄漏事故进行具体分析。
3.1 泄漏事故数值模拟
本文选择基于CFD的Flcas模拟软件，完成对采气井站含硫天然气泄漏事故的数值模拟。数值模拟程序较多，本节只列出模型构建、模拟结果等内容。
3.1.1 模型构建
采集井站及井站周边地形地貌环境具体参数、地理信息数据等资料，利用Flacs软件的前处理器CASD以小平面拼接的方式構建井站及地形地貌环境三维场景模型（见图1）。
3.1.2 模拟结果
以井站内某输气管线由于腐蚀穿孔发生泄漏作为模拟场景，并设置泄漏孔径为100mm的情况进行泄漏事故数值模拟。以硫化氢最低浓度为20ppm的范围作为伤害区域，模拟结果如图2所示。从图中可看到模拟结果的可视化效果较差，不方便进行应急要素编辑、疏散路线规划、应急处置方案编制等后续的应急管理工作。
3.2 泄漏事故情景构建
采集井站及其周边地形地貌环境的卫星图和DEM高程数据，运用GIS软件构建井站及其周边地形地貌环境的真实情景，并将井站周边的人居分布、集合点、路线等应急要素，植入情景中。在此基础上，将3.1节中的数值模拟结果以伤害区域的形式反映在情景中，以此实现GIS与CFD技术的耦合。构建完成的泄漏情景如图3所示。
图3中可看到井站含硫天然气发生泄漏后的扩散趋势，以及在真实场景中的伤害范围。利用泄漏情景和井站周边的应急信息要素，可提出更加方便、清晰明了的现场应急处置措施，为应急应急决策提供辅助作用，同时为实现“情景-应对”的应急模式提供强大的理论基础。
4 结束语
耦合GIS-CFD技术可使含硫气田泄漏事故在真实场景中再现，以此实现“情景-应对”的气田应急模式，对含硫气田生产过程中发生意外泄漏事故后，科学判断泄漏气体扩散趋势、浓度分布以及伤害范围，提高应急响应速度和协调能力，最大限度减少财产损失、对环境的破坏和对社会的影响都具有十分重要的意义，同时也是对国家组建应急管理部，全面实施“快速反应、高效救援”应急方针的积极响应。
参考文献：
[1]AQ2018-2008，含硫化氢天然气井公众安全防护距离[S].国家安全生产监督总局，2008.
[2]屈兴胜.GIS在环境监测中的应用研究[A].2015年中国环境科学学会学术年会论文集（第一卷）[C].中国环境科学学会，2015：4.
[3]张立.耦合GIS与CFD应用潜力与面临挑战的探讨[J].科技视界，2014（29）：162，279.
[4]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.
[5]SamS. Y. Wang， Yaoxin Zhang and Yafei Jia. Development and Application of GIS Module in NCCHE Modeling System： World Environmental and Water Resources Congress[J].2011：1934-1942.
[6]孙洁.室外管道燃气泄漏扩散模拟与可视化研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.