應(yīng)用ArcGIS實(shí)現(xiàn)地震次生毒氣泄漏與擴(kuò)散的模擬演示

董曉燕，楊群山，王 超

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)，中國乃至全球步入到一個(gè)破壞性地震頻發(fā)的時(shí)期，接踵而來的破壞性地震，帶給社會生產(chǎn)生活巨大的影響，建筑物破壞、次生災(zāi)害頻發(fā)、巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失，一系列災(zāi)難促使我們制定相應(yīng)的政策和措施，預(yù)防災(zāi)難、及時(shí)有效的開展災(zāi)后救援也成為提高整個(gè)社會防震減災(zāi)、抗震救援能力的重中之重。

過去的課題中，我們研究的重點(diǎn)通常是針對建筑物和人員的防震減災(zāi)和救援措施，但是隨著社會生產(chǎn)力的提高，越來越多的化工企業(yè)得到蓬勃發(fā)展，化工液體、氣體的儲存，在地震中可能形成的破壞等問題是我們要面臨的又一個(gè)新難題。

通過對以往地震的研究我們的工作人員發(fā)現(xiàn)，在破壞性地震中，由于地層的錯(cuò)斷或是建筑物的倒塌破壞可能會導(dǎo)致儲存化工物質(zhì)的設(shè)備、容器、管道遭到破壞，由此引起泄漏與擴(kuò)散，造成整個(gè)廠區(qū)及周邊形成毒害區(qū)。一般在泄漏源附近和下風(fēng)向，可形成高濃度區(qū)，造成人員立即死亡，或因大劑量接觸毒氣搶救無效而死亡。數(shù)量更多的不同程度的中毒人群，則喪失逃生能力。本文主要針對由地震次生災(zāi)害引發(fā)的毒氣泄漏與擴(kuò)散進(jìn)行研究，由此建立模擬擴(kuò)散演示模型，為城市的整體布局、災(zāi)難救助提供輔助決策。

1 使用ArcGIS進(jìn)行地震次生毒氣泄漏和擴(kuò)散模擬的理論基礎(chǔ)

GIS是以計(jì)算機(jī)為手段，用于采集、存儲、管理、分析、描述與地理空間分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)化的空間信息系統(tǒng)，一般來說，GIS側(cè)重于圖形顯示和數(shù)據(jù)庫管理，即描述空間對象及其屬性的相互關(guān)系。伴隨GIS技術(shù)的逐步成熟和發(fā)展，以及其他輔助技術(shù)的加入，GIS增加了以數(shù)學(xué)和模型為主的空間分析模塊，從而具有了更強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)分析能力，并可以使空間分析的過程和結(jié)果更加清晰和方便，這些對于應(yīng)用GIS進(jìn)行地震次生毒氣泄漏和擴(kuò)散的模擬演示提供了良好地技術(shù)支持。

2 地震次生災(zāi)害泄漏和擴(kuò)散模擬原理

進(jìn)行地震次生災(zāi)害引發(fā)的毒氣泄漏和擴(kuò)散的模擬，需要考慮的因素有很多，泄漏源本身的屬性、泄漏地區(qū)的自然情況、擴(kuò)散模型和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐木唧w情況等，首先介紹其工作原理流程圖如下：

圖1 工作原理流程圖Fig.1 Working principle flowchart

2.1 影響毒氣泄漏和擴(kuò)散的因素

影響毒氣泄漏的因素包含很多方面，泄漏源類型、擴(kuò)散模式、以及泄漏源所在地的大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速、風(fēng)向等，都直接影響毒氣泄漏的影響范圍和影響程度。其中：

泄漏源：泄物質(zhì)的種類，不同類型的氣體，其擴(kuò)散速度和對人體的影響程度都有顯著地差異。

擴(kuò)散模型：通常毒氣的泄漏分為三種，連續(xù)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散、一次性擴(kuò)散、有限量擴(kuò)散。

泄漏點(diǎn)自然情況：泄漏時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等；泄漏點(diǎn)建筑分布，人員密度等。

此外還包括其他一些不可預(yù)知因素。

2.2 擴(kuò)散模型

這里，我們將擴(kuò)散模型主要分為三種：

連續(xù)穩(wěn)態(tài)泄漏與擴(kuò)散模型：該模型表示有毒氣體連續(xù)的不間斷的釋放，在一定泄漏速度下，在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)生。

一次性泄漏與擴(kuò)散模型：在極短暫的時(shí)間內(nèi)有毒氣體就釋放完畢，泄漏源的氣體在瞬間完成了全部的泄漏與擴(kuò)散，其后這些有毒有害氣體按照一定規(guī)律在大氣中擴(kuò)散。

有限量擴(kuò)散：泄漏的毒氣量是有限的，在泄漏后的一段時(shí)間內(nèi)，即全部擴(kuò)散到大氣中，之后以一定的擴(kuò)散規(guī)律繼續(xù)在大氣中擴(kuò)散。

2.3 濃度分布的數(shù)學(xué)模型

在模擬毒氣泄漏和擴(kuò)散的過程中，最重要的工作就是針對下風(fēng)距離釋放出的有毒有害氣體的濃度的計(jì)算，應(yīng)用的具體數(shù)值模型如下：

其中，σxσyσz分別是縱、橫和豎直向的擴(kuò)散參數(shù)。這些擴(kuò)散參數(shù)可給出冪函數(shù)的表達(dá)式：

一般情況下，可取σx=σy，即x、y軸方向上的擴(kuò)散參數(shù)相同。

根據(jù)大氣穩(wěn)定度的基本定義，并結(jié)合參考文獻(xiàn)［1］，可給出大氣穩(wěn)定度與上述擴(kuò)散參數(shù)的待定常數(shù)值如下表所示。

表1 不同大氣穩(wěn)定度下的擴(kuò)散參數(shù)值

針對不同的泄漏氣體，其影響范圍也有所不同，這里根據(jù)相關(guān)資料的研究，最終決定建立三個(gè)影響區(qū)，分別為：高濃度區(qū)、中濃度區(qū)和低濃度區(qū)。高濃度區(qū)內(nèi)的人群，在吸入毒氣后可能喪失生命或者面臨較大生命威脅；中濃度區(qū)內(nèi)的人群需要到醫(yī)院得到相應(yīng)的治療救治，大多數(shù)治療后可痊愈；低濃度區(qū)的人群有吸入反應(yīng)癥狀，一般在離開泄漏源影響范圍后，24小時(shí)內(nèi)不適癥狀可自然減退。而各區(qū)域的范圍界定可見參考文獻(xiàn)［4］。

3 地震次生災(zāi)害泄漏和擴(kuò)散模擬結(jié)果演示

依據(jù)上節(jié)介紹的原理，通過具體的程序設(shè)定和功能調(diào)整之后，已基本實(shí)現(xiàn)毒氣泄漏和擴(kuò)散在城市防震減災(zāi)信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。打開城市布局圖，確定泄漏源所在地，單擊左鍵，彈出如圖2所示對話框。使用者可通過對話框中的提示，選擇適合本次泄露的相關(guān)條件。

本次模擬發(fā)生在朝陽市內(nèi)的一次毒氣泄漏，根據(jù)實(shí)際情況，在對話框中按說明輸入正確參數(shù)，點(diǎn)擊 “確定”按鈕，便可進(jìn)行本次泄露的模擬操作。本次模擬的各項(xiàng)參數(shù)值參見表2。模擬完畢后，彈出模擬計(jì)算數(shù)值結(jié)果顯示對話框，如圖3。最后泄漏后的影響區(qū)最終模擬結(jié)果如圖4，可以在圖上判斷毒氣擴(kuò)散的大致影響范圍。

圖2 毒氣擴(kuò)散－參數(shù)輸入對話框顯示Fig.2 Poison gas diffusion-parameter input

表2 毒氣擴(kuò)散模擬演示參數(shù)值

圖3 毒氣擴(kuò)散模擬計(jì)算數(shù)值結(jié)果對話框顯示Fig.3 Simulation numerical results of poison gas diffusion

圖4 毒氣擴(kuò)散影響范圍顯示Fig.4 Poison gas diffusion scope affected

通過本次模擬可看到，泄漏源西南方向11327m2范圍內(nèi)為高濃度擴(kuò)散區(qū)，再向外延伸7869m2為中濃度擴(kuò)散區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域?qū)θ梭w的影響和傷害均為顯著區(qū)域，應(yīng)該即刻組織人員開展疏散和救護(hù)工作。

4 結(jié)語

本文介紹了在城市防震減災(zāi)系統(tǒng)中，應(yīng)用GIS進(jìn)行的針對地震次生災(zāi)害引起的有毒氣體泄漏和擴(kuò)散的模擬演示，本功能的實(shí)現(xiàn)雖然對城市防震減災(zāi)事業(yè)起到了一定的作用，但是還應(yīng)該看到，該數(shù)據(jù)模型的建立只是經(jīng)過不同程度的近似及簡化完成的，而在現(xiàn)實(shí)中，由于毒氣泄漏和擴(kuò)散過程中存在了許多的不確定因素，所以在制定應(yīng)急救援方案時(shí)，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況和快速分析結(jié)果，進(jìn)行必要的修正。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.地震災(zāi)害預(yù)測及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（GB／T19482－2003）.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［2］陳軍.GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與問題－RS/GIS/GPS集成于應(yīng)用［M］.北京：測繪出版社，1995.

［3］趙振東，等.若干城市地震次生災(zāi)害預(yù)測研究［R］.中國地震局工程力學(xué)研究所研究報(bào)告，1995－2000.

［4］杜建科.毒氣泄漏過程及其危險(xiǎn)區(qū)域分析［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2002.12（6）：55－60.

［5］余世舟，等.地震次生毒氣泄漏與擴(kuò)散數(shù)值模擬的參數(shù)分析［J］.地震工程與工程震動，2002.12：150－155.