高含硫天然气事故扩散下的复杂地形人群疏散模拟研究

摘要

我国山区幅员辽阔，面积约占全国总面积的65％以上。山区人口占全国总人口的比重也达到了55.7％。大量高污染、高危险性的企业，如矿山、井场、水电站等，多分布在偏远山区。另外山区地质构造复杂，发生山洪、崩塌、滑坡和泥石流等自然灾害的可能性较大。因事故、灾害等险情而疏散山区居民的情况已经在我国多次出现。因此，山区居民疏散安全问题是一个具有重要理论和使用价值的研究命题。
　　 近年来随着我国对绿色能源天然气需求的日益增长，高硫化氢气田的勘探开发逐渐被提上日程。我国高含硫气井都位于一些远郊区或偏远山区。高含硫气田的开采具有高度危险性，我国在高含硫气田集输系统的生产运行中已多次因出现井喷、井口溢气等险情而疏散周边居民。由于欠缺对山区、丘陵等复杂地形情况下有毒有害气体蔓延规律的把握，容易导致错过应急处置最佳时机，人员盲目疏散、延误疏散，甚至造成大量的人员伤亡、财产损失和生态环境破坏。
　　 本文以山区复杂地形下高含硫气田井喷事故为背景，对三维条件下的H2S扩散和山区居民疏散展开一系列重点研究。山区复杂地形下的气体扩散和人群疏散是非常复杂的过程。
　　 在复杂地形上，大气受下垫面特性的影响很大，因而在水平和垂直方向上形成非常特殊的风场和温度场，再加上地形动力作用的阻塞与分流，致使污染物的扩散、稀释规律比平原地区复杂得多。鉴于此，本文采用以流体力学原理中污染物输送、扩散理论为基础的计算流体力学模型，通过建立各种条件下的基本守恒方程(包括质量、动量、能量及组分等)，结合一些初始和边界条件，加上数值计算理论和方法，来描述硫化氢在山区明显的地形变化条件下的扩散过程。为了完成CFD计算，本研究选用目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件--FLUENT软件，进行复杂地形条件下的气体扩散研究。
　　 在此基础上，总结复杂地形、特殊气象条件下的天然气扩散规律，评价硫化氢对周边居民的潜在健康危害，根据硫化氢扩散致人员死亡后果建立应急疏散区域计算方法，确定应急疏散的范围。
　　 国内外已经对行人疏散问题开展了大量研究，并在疏散实验和实际案例等研究的基础上，提出并完善了许多种人员疏散模型，其中元胞自动机模型、磁场力模型和社会力模等一些经典的模型近年来不断发展完善，已经成为行人运动仿真的主要模型。但是针对行人的疏散问题，大都局限于城市区域内平坦地形或建筑物内平面上，针对山区复杂地形下的人员疏散研究甚少，可参考的资料并不多，仅有的相关研究基本上都是采用观察实验的方法，对于行走速度有简单的数学模型研究，在计算机模拟研究方向上尚属空白。
　　 本文针对当地山峦起伏、山路坡陡等一系列复杂地形特点，首先使用基于元胞自动机理论的成熟三维疏散软件--STEPS(simulation of transientevacuation and pedestrian movements)进行人群疏散模拟。根据NASA2009最新放出的全球DEM数据、航拍图和实地调研结果，提供了在软件中直接绘制山区三维地形和道路网络模型的方法。在人员属性的设置中，考虑了地形坡度对不同性别和年龄的人员移动速度的影响。通过STEPS模拟，主要研究了气井周围道路上的疏散时间、疏散效率以及不同类型人员的疏散。
　　 然后，本文对传统社会力学模型加以改进，用于模拟三维空间的人群疏散。针对山区的特点，将复杂地形简化为一系列连续变化的坡面，相比二维平面，坡面对人员运动的直接影响只是多了一个重力分量。所以，根据行人不同的动机及其在斜面环境中所受的影响，行人运动共受到驱动力fi、人与人之间的作用力fij、人与边界之间的作用力fiw和重力fg这4种力的作用。依据牛顿力学理论，重新构建了控制人员运动的微分方程。本文采用Visual C++6·0的MFC结合OpenGL，实现三维几何模型的绘制、渲染，初始化人口分布区域、数量等人群特征以及疏散终点，以空间分析为基础，按照改进的社会力模型进行人群移动编程计算，实现了疏散过程的动态可视化，还能统计不同时刻各道路及整个区域中的人数，预测疏散时间。在模拟过程中可以明显的观察到人群在灾难之中的拥堵行为、转向躲避行为和超越行为，这些都说明基于改进的社会力模型模拟山区居民疏散，能够反映出人群的真实行为。最后，将计算结果与STEPS软件模拟结果进行对比，发现两种方法得到的疏散时间基本一致。
　　 对模拟结果进行分析，总结了山区复杂地形下的人群疏散规律，可用于指导应急疏散和人群的分类管理。
　　 本文从认识高含硫天然气井喷事故下的硫化氢扩散规律出发，结合人群动力学基本理论、人群心理行为理论，开展山区复杂地形条件下人群疏散模拟研究，可以为复杂环境条件下高含硫天然气泄漏事故情景下的人群管理、应急疏散对策的制定等提供理论依据。最终形成一套适用于山区复杂地形的应急技术体系，提出有效的减缓措施及相应的救援手段。这对于降低高含硫气田的泄漏事故风险，保障国家山区居民安全具有十分重要的现实意义和经济价值。