高含硫天然氣事故擴(kuò)散下的復(fù)雜地形人群疏散模擬研究.pdf

1、我國(guó)山區(qū)幅員遼闊，面積約占全國(guó)總面積的65％以上。山區(qū)人口占全國(guó)總?cè)丝诘谋戎匾策_(dá)到了55.7％。大量高污染、高危險(xiǎn)性的企業(yè)，如礦山、井場(chǎng)、水電站等，多分布在偏遠(yuǎn)山區(qū)。另外山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)生山洪、崩塌、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害的可能性較大。因事故、災(zāi)害等險(xiǎn)情而疏散山區(qū)居民的情況已經(jīng)在我國(guó)多次出現(xiàn)。因此，山區(qū)居民疏散安全問(wèn)題是一個(gè)具有重要理論和使用價(jià)值的研究命題。
　　 近年來(lái)隨著我國(guó)對(duì)綠色能源天然氣需求的日益增長(zhǎng)，高硫化氫氣田的

2、勘探開(kāi)發(fā)逐漸被提上日程。我國(guó)高含硫氣井都位于一些遠(yuǎn)郊區(qū)或偏遠(yuǎn)山區(qū)。高含硫氣田的開(kāi)采具有高度危險(xiǎn)性，我國(guó)在高含硫氣田集輸系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行中已多次因出現(xiàn)井噴、井口溢氣等險(xiǎn)情而疏散周邊居民。由于欠缺對(duì)山區(qū)、丘陵等復(fù)雜地形情況下有毒有害氣體蔓延規(guī)律的把握，容易導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)應(yīng)急處置最佳時(shí)機(jī)，人員盲目疏散、延誤疏散，甚至造成大量的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)環(huán)境破壞。
　　 本文以山區(qū)復(fù)雜地形下高含硫氣田井噴事故為背景，對(duì)三維條件下的H2S擴(kuò)散和山區(qū)

3、居民疏散展開(kāi)一系列重點(diǎn)研究。山區(qū)復(fù)雜地形下的氣體擴(kuò)散和人群疏散是非常復(fù)雜的過(guò)程。
　　 在復(fù)雜地形上，大氣受下墊面特性的影響很大，因而在水平和垂直方向上形成非常特殊的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，再加上地形動(dòng)力作用的阻塞與分流，致使污染物的擴(kuò)散、稀釋規(guī)律比平原地區(qū)復(fù)雜得多。鑒于此，本文采用以流體力學(xué)原理中污染物輸送、擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的計(jì)算流體力學(xué)模型，通過(guò)建立各種條件下的基本守恒方程(包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分等)，結(jié)合一些初始和邊界條件，加上數(shù)

4、值計(jì)算理論和方法，來(lái)描述硫化氫在山區(qū)明顯的地形變化條件下的擴(kuò)散過(guò)程。為了完成CFD計(jì)算，本研究選用目前功能最全面、適用性最廣、國(guó)內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件--FLUENT軟件，進(jìn)行復(fù)雜地形條件下的氣體擴(kuò)散研究。
　　 在此基礎(chǔ)上，總結(jié)復(fù)雜地形、特殊氣象條件下的天然氣擴(kuò)散規(guī)律，評(píng)價(jià)硫化氫對(duì)周邊居民的潛在健康危害，根據(jù)硫化氫擴(kuò)散致人員死亡后果建立應(yīng)急疏散區(qū)域計(jì)算方法，確定應(yīng)急疏散的范圍。
　　 國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)行人疏散問(wèn)題開(kāi)展了大

5、量研究，并在疏散實(shí)驗(yàn)和實(shí)際案例等研究的基礎(chǔ)上，提出并完善了許多種人員疏散模型，其中元胞自動(dòng)機(jī)模型、磁場(chǎng)力模型和社會(huì)力模等一些經(jīng)典的模型近年來(lái)不斷發(fā)展完善，已經(jīng)成為行人運(yùn)動(dòng)仿真的主要模型。但是針對(duì)行人的疏散問(wèn)題，大都局限于城市區(qū)域內(nèi)平坦地形或建筑物內(nèi)平面上，針對(duì)山區(qū)復(fù)雜地形下的人員疏散研究甚少，可參考的資料并不多，僅有的相關(guān)研究基本上都是采用觀察實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)于行走速度有簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型研究，在計(jì)算機(jī)模擬研究方向上尚屬空白。
　　

6、本文針對(duì)當(dāng)?shù)厣綆n起伏、山路坡陡等一系列復(fù)雜地形特點(diǎn)，首先使用基于元胞自動(dòng)機(jī)理論的成熟三維疏散軟件--STEPS(simulation of transientevacuation and pedestrian movements)進(jìn)行人群疏散模擬。根據(jù)NASA2009最新放出的全球DEM數(shù)據(jù)、航拍圖和實(shí)地調(diào)研結(jié)果，提供了在軟件中直接繪制山區(qū)三維地形和道路網(wǎng)絡(luò)模型的方法。在人員屬性的設(shè)置中，考慮了地形坡度對(duì)不同性別和年齡的人員移動(dòng)速度的影

7、響。通過(guò)STEPS模擬，主要研究了氣井周圍道路上的疏散時(shí)間、疏散效率以及不同類型人員的疏散。
　　 然后，本文對(duì)傳統(tǒng)社會(huì)力學(xué)模型加以改進(jìn)，用于模擬三維空間的人群疏散。針對(duì)山區(qū)的特點(diǎn)，將復(fù)雜地形簡(jiǎn)化為一系列連續(xù)變化的坡面，相比二維平面，坡面對(duì)人員運(yùn)動(dòng)的直接影響只是多了一個(gè)重力分量。所以，根據(jù)行人不同的動(dòng)機(jī)及其在斜面環(huán)境中所受的影響，行人運(yùn)動(dòng)共受到驅(qū)動(dòng)力fi、人與人之間的作用力fij、人與邊界之間的作用力fiw和重力fg這4種力的作

8、用。依據(jù)牛頓力學(xué)理論，重新構(gòu)建了控制人員運(yùn)動(dòng)的微分方程。本文采用Visual C++6·0的MFC結(jié)合OpenGL，實(shí)現(xiàn)三維幾何模型的繪制、渲染，初始化人口分布區(qū)域、數(shù)量等人群特征以及疏散終點(diǎn)，以空間分析為基礎(chǔ)，按照改進(jìn)的社會(huì)力模型進(jìn)行人群移動(dòng)編程計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了疏散過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化，還能統(tǒng)計(jì)不同時(shí)刻各道路及整個(gè)區(qū)域中的人數(shù)，預(yù)測(cè)疏散時(shí)間。在模擬過(guò)程中可以明顯的觀察到人群在災(zāi)難之中的擁堵行為、轉(zhuǎn)向躲避行為和超越行為，這些都說(shuō)明基于改進(jìn)的社會(huì)

9、力模型模擬山區(qū)居民疏散，能夠反映出人群的真實(shí)行為。最后，將計(jì)算結(jié)果與STEPS軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的疏散時(shí)間基本一致。
　　 對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)了山區(qū)復(fù)雜地形下的人群疏散規(guī)律，可用于指導(dǎo)應(yīng)急疏散和人群的分類管理。
　　 本文從認(rèn)識(shí)高含硫天然氣井噴事故下的硫化氫擴(kuò)散規(guī)律出發(fā)，結(jié)合人群動(dòng)力學(xué)基本理論、人群心理行為理論，開(kāi)展山區(qū)復(fù)雜地形條件下人群疏散模擬研究，可以為復(fù)雜環(huán)境條件下高含硫天然氣泄漏事故情景