CN101739790B - 一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法 - Google Patents

Abstract

本技术方案公开了一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法，包括计算系统和展示系统，展示系统构建在GIS平台上，计算系统包括气象场数值预报系统、毒物数据库和危险源数据库，本技术方案将保护目标所处区域内气象观测网的实时观测数据与气象数值预报结果进行数据同化，输入到扩散伴随模式，解出伴随变量的时空分布，计算风险函数，获得多个化学风险源对保护目标所处位置的风险度，然后确定多个固定化学风险源预警级别并通过展示系统进行发布。本技术方案只需要一次计算就得出所有化学风险源的风险度分布，实时提供风险源预测预警数据，以便决策者采取相应的控制措施和组织调配应急力量，进行应急控制。

Description

一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法

技术领域

本发明涉及一种化学风险源预测预警和应急控制方法，尤其是一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法，属于化学风险源预测与控制领域。

背景技术

对单个化学风险源的预测预警目前的技术比较成熟。但在一些重大活动中，要保护特定目标，我们又无法知晓众多的化学风险源到底哪个会发生事故？理论上任何一个化学风险源都有发生事故的可能，通常的办法是等发生事故之后，根据事故的地点和源强进行危害评估。如果这样的话，为了满足应急时效性的需要，通常采用定常假设条件下的Gauss模型。Gauss模型虽然计算速度较快，但只适用于平坦地形和均匀下垫面条件，而重大活动和化学风险源通常是在城市或复杂地形，Gauss模式就难以满足要求。虽然也有研究者将Gauss模式进行改进，在不同地形和不同下垫面加上一定的修正系数，但即使这样也很难描述复杂地形和复杂下垫面对扩散的实际影响。因此，要相对准确地对化学风险源进行预测预警，能够描述复杂地形和复杂下垫面的数值模式是必然的途径。随着数值气象预报的发展，使得对单个化学风险源的危害预测预警得以实现，即进行实时气象场预报，一旦发生事故后，就直接调用已经预报好的气象场进行扩散模拟，在几分钟之内就可以得到化学事故危害的数值预报结果。但在重大活动中需要同时考虑多个固定的风险源对保护目标的风险度，常规方法就无法实现了。比如，北京市奥运会开幕式时要保护鸟巢的安全，北京地区2000多个固定化学风险源都存在潜在的危害。如果用常规方法的话，需要对各个源逐一进行计算，得出每个源对鸟巢的风险度。这样需要进行2000多次情况的计算，若每种情况的计算时间为3分钟，，则需要耗时100多小时，显然这满足不了实时预测预警的需求。有没有只需要一次计算就得出所有化学风险源的风险度分布并可以根据当前气象观测数据实时提供风险源预测预警数据和应急控制呢？本技术方案提出的方法解决了这一难题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本技术方案公开了一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法，用于预测多个固定化学风险源对保护地区的危害预警级别。

本技术方案所述一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法，包括用于存储有毒物质的毒性和物理化学性质的毒物数据库，用于储存化学风险源的位置信息和源强信息的危险源数据库，本方法包括如下步骤：

步骤1：确定保护目标所处地理位置，将该位置的GIS数据转换为标量坐标数据；

步骤2：应用全球尺度的背景场作为气象场数值预报模式初始场和边界条件，通过多层网格嵌套，根据步骤1得到的保护目标所处区域的标量坐标数据，通过滚动并行计算，获得未来时刻保护目标所在区域的气象场数值预报结果。

当所用的气象场数值预报模式的分辨率较低，满足不了化学危害预测预警的精度需求，则将产生的预报结果作为初步气象场数值预报结果，再应用分辨率更高的气象场数值预报模式进行更精细的预报，即双层模式气象场数值预报；

步骤3：将保护目标所处区域内气象观测网的实时观测数据跟步骤2所得的气象数值预报结果进行数据同化，使得出的气象场与实际气象情况更加吻合；

步骤4：将步骤3同化得到的气象场中的所需要的气象数值预报结果，包括但不限于三维风场、湍流场，输入到扩散伴随模式，解出伴随变量的时空分布场，然后计算风险函数，获得多个化学风险源对保护目标所处位置的风险度；根据化学风险源的位置和源强确定其风险度的具体方法如下：

①当(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源在t_i时刻发生突然泄漏，持续时间不长，将该化学风险源作为瞬间点源来处理，得到风险函数J_i，并用J_i的大小作为风险度D_i

D_i＝J_i＝Q_ic^*(x_i，y_i，z_i，t_i)

其中，Q_i为(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源源强，c^*(x_i，y_i，z_i，t_i)为伴随变量的时空分布场c^*(x，y，z，t)在t_i时刻(x_i，y_i，z_i)位置的取值，伴随变量的时空分布场c^*(x，y，z，t)通过求解伴随方程L^*c^*＝p(x，y，z)获得，其中p(x，y，z)是根据保护目标预置的权重因子，它是空间位置坐标的函数；L是描述化学风险源泄漏后有毒物质扩散的微分算子，L^*是针对L的伴随算子。由于权重因子p是已确定的，因此只需求解一次伴随方程就得到风险函数J_i与泄漏源位置(x_i，y_i，z_i)的定量关系；

②对于在t_i时刻的连续泄漏的(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源，对保护目标的风险度为

$D_i=J_i={\∫}_{t_i}^{t_i+T}{q}_i\left(t\right)c^{*}(x_i,y_i,z_i,t)\mathrm{dt}$

其中，q_i(t)是该化学风险源在t_i时刻的单位时间泄漏量，其中T为积分时间，c^*(x_i，y_i，z_i，t)是伴随变量的时空分布场在(x_i，y_i，z_i)位置取值随时间的变化趋势；

步骤5：根据步骤4得到的风险度D_i，通过下述方法确定多个固定化学风险源的预警级别：

设第i个源位置(x_i，y_i，z_i)的化学风险源Q_i的致死剂量为L_ct ⁱ、失能剂量为I_ct ⁱ、允许剂量为D_p ⁱ；其中，化学风险源Q_i的位置和源强来自预先建立的危险源数据库，相应的致死剂量L_ct ⁱ、失能剂量I_ct ⁱ、允许剂量D_p ⁱ来自预先建立的毒物数据库；

第i个源位置(x_i，y_i，z_i)的化学风险源Q_i对保护目标的预警级别确定方法如下：

(a)当风险度 $D_i\≥L_{\mathrm{ct}}^i,$ 即该化学风险源使保护目标区域内人员致死，该化学风险源的风险等级为一级，定为红色预警；

(b)当 $I_{\mathrm{ct}}^i\&le;D_i<L_{\mathrm{ct}}^i,$ 即该化学风险源使保护目标区域内人员失能但不至于致死，该化学风险源的风险等级为二级，定为橙色预警；

(c)当 $D_p^i\&le;D_i<I_{\mathrm{ct}}^i,$ 即该化学风险源使保护目标区域内人员造成伤害但不至于失能，该化学风险源的风险等级为三级，定为黄色预警；

(d)当 $D_p^i/10\&le;D_i<D_p^i,$ 即该化学风险源使保护目标区域内人员产生一定的影响但不至于造成伤害，该化学风险源的风险等级为四级，定为蓝色预警；

步骤6：将该保护目标的多个固定化学风险源的位置坐标转换为GIS数据，然后将步骤5得到的各个固定化学风险源的预警级别按其对应的位置坐标GIS数据发布在GIS平台上，应急控制的决策者根据各个化学风险源的预警级别采取相应的控制措施和组织调配应急力量。

对比现有技术，本发明有益效果在于：采用本发明所述的一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法，只需要一次计算就得出所有化学风险源的风险度分布，实时提供风险源预测预警数据，以便决策者采取相应的控制措施和组织调配应急力量，进行应急控制。

附图说明

图1基于GIS系统的多个固定化学风险源预测预警与应急控制方法理论框图；

图2本发明实施例中多个固定化学风险源预警实时在线发布系统应用示范。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

利用本技术方案所述一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法构建某化学风险源预测预警和应急控制平台，包括计算系统、展示系统和数据转换引擎，展示系统构建在GIS平台上，计算系统中还包括气象场数值预报系统、毒物数据库(有毒物质的毒性和物理化学性质)和危险源数据库(储存化学风险源的位置信息和源强信息)，本方法包括如下步骤：

步骤1：确定保护目标所处地理位置，将该位置的GIS数据输入给数据转换引擎，数据转换引擎将其转换为标量坐标数据(经纬度坐标或通过平面坐标转换)输入给计算系统；

步骤2：计算系统中首先应用全球尺度的背景场(如T213或NCEP)作为气象预报模式(如MM5、WRF或RAMS)初始场和边界条件，通过多层网格嵌套，根据步骤1输入的保护目标所处区域的坐标，气象场数值预报系统通过滚动并行计算，预报未来时刻(数十小时内)保护目标所在区域的气象场，包括风场、湍流量、温度场、气压场等。比如将MM5预报的结果输入给RAMS6.0进行进一步预报，这样分辨了可到达1km，或者将WRF预报结果输入边界层模式，可得到分辨率为几十米的高分辨率结果。

当所用的气象场数值预报系统预报模式的分辨率较低，满足不了化学危害预测预警的精度需求，则将产生的预报结果作为初步气象场数值预报结果，再应用分辨率更高的气象场数值预报模式进行更精细的预报，(比如将MM5预报的结果输入给RAMS6.0进行进一步预报，这样分辨了可到达1km，或者将WRF预报结果输入边界层模式，可得到分辨率为几十米的高分辨率结果。)，即双层模式气象场数值预报；

步骤3：将保护目标所处区域内气象观测网的实时观测数据跟步骤2所得的气象数值预报结果进行数据同化(比如用LAPS系统)，使得出的气象场与实际气象情况更加吻合；

步骤4：将步骤3同化得到的气象场中的所需要的气象数值预报结果，包括但不限于三维风场、湍流场，输入到扩散伴随模式，解出伴随变量的时空分布场，然后计算风险函数，获得多个化学风险源对保护目标所处位置的风险度；根据化学风险源的位置和源强确定其风险度的具体方法如下：

①当(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源在t_i时刻发生突然泄漏，持续时间不长，将该化学风险源作为瞬间点源来处理，得到风险函数J_i，并用J_i的大小作为风险度D_i

D_i＝J_i＝Q_ic^*(x_i，y_i，z_i，t_i)

其中，Q_i为(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源源强，c^*(x_i，y_i，z_i，t_i)为伴随变量的时空分布场c^*(x，y，z，t)在t_i时刻(x_i，y_i，z_i)位置的取值，伴随变量的时空分布场c^*(x，y，z，t)通过求解伴随方程L^*c^*＝p(x，y，z)获得，其中p(x，y，z)是根据保护目标预置的权重因子，它是空间位置坐标的函数；L是描述化学风险源泄漏后有毒物质扩散的微分算子，L^*是针对L的伴随算子。由于权重因子p是已确定的，因此只需求解一次伴随方程就得到风险函数J_i与泄漏源位置(x_i，y_i，z_i)的定量关系；

②对于在t_i时刻的连续泄漏的(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源，对保护目标的风险度为

$D_i=J_i={\&Integral;}_{t_i}^{t_i+T}{q}_i\left(t\right)c^{*}(x_i,y_i,z_i,t)\mathrm{dt}$

其中，q_i(t)是该化学风险源在t_i时刻的单位时间泄漏量，其中T为积分时间，c^*(x_i，y_i，z_i，t)是伴随变量的时空分布场在(x_i，y_i，z_i)位置取值随时间的变化趋势；

对于上述两种情况，根据化学风险源的位置和源强即可确定其风险度。

关于风险函数的说明如下：

毒气泄漏的危害大小，取决于毒气种类和数量、气象、地形条件及泄漏发生的地点等因素。为了进行定量的评估，建立如下风险函数J，它表现为一个对某评估区域的空间和时间的积分，被积函数是毒气浓度和一个权重因子的乘积。即

$c_p\left(t\right)=\underset{\mathrm{\&Omega;}}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}p(x,y,z)c(x,y,z,t)\mathrm{dxdydz}---\left(1\right)$

$J={\&Integral;}_{t_0}^{t_0+T}{c}_p\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中c(x，y，z，t)是毒气浓度，它是时间和空间的函数，p(x，y，z)是权重因子，它是空间位置坐标的函数。T是积分时段。Ω是积分区域，是包括了保护目标和周边化学风险源(化学设施)的整个区域。

定义权重因子 $p\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{A_E{h}_E},& r\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_E\\ 0,& \mathrm{others}\end{array}\right.$

其中r≡(x，y，z)，Ω_E为需要保护的重要功能区，A_E是重要功能区的面积，而h_E则是直接影响人们呼吸的一层大气的高度。代入风险函数表达式，可看出这样定义的风险函数就等于重要功能区的平均暴露剂量。

当毒气的种类确定，相应的剂量阈值也就可以确定下来，风险函数就仅仅取决于毒气浓度的时间和空间分布。而浓度分布又是与泄漏源、气象和地形等因素有关，通过扩散模式计算得到。

关于多个固定化学风险源风险度计算的说明如下：

利用伴随方程和等式(1)和(2)，对风险函数J进行等价变形。假定在t_i时刻(x_i，y_i，z_i)位置发生某种毒气的突然泄漏，

如果泄漏是突然发生的，持续时间不长，可以作为瞬间点源来处理，源强为Q。即

f＝Qδ(x-x_i，y-y_i，z-z_i，t-t_i)                (3)

由伴随方程

L^*c^*＝p                                       (4)

有 $c_p\left(t\right)=\underset{\mathrm{\&Omega;}}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}c(x,y,z,t)L^{*}{c}^{*}\mathrm{dxdydz}---\left(5\right)$

其中，L是描述化学风险源泄漏后有毒物质扩散的微分算子，L^*是针对L的伴随算子。

由平流扩散方程Lc＝Qδ(x-x_i，y-y_i，z-z_i，t-t_i)得到

$J={\&Integral;}_0^T{c}_p\left(t\right)\mathrm{dt}$

$={\&Integral;}_0^T\left[\underset{\mathrm{\&Omega;}}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}{c}^{*}\mathrm{Q\&delta;}(x-x_i,y-y_i,z-z_i,t-t_i)\mathrm{dxdydz}\right]\mathrm{dt}$

$=Q{c}^{*}(x_i,y_i,z_i,t_i)---\left(6\right)$

上面的推导用到了Dirac函数的性质。关于伴随模式的求解过程请参考刘峰、黄顺祥《用伴随方法对毒气泄漏事件进行危害评估》一文。

对于连续泄漏源，初始时刻c₀(r)＝0，源强S＝q(t)δ(r-r_i)，其中q(t)是单位时间泄漏量，r≡(x，y，z)，r_i是源的位置。则风险函数可转化为

$J={\&Integral;}_{t_i}^{t_i+T}q\left(t\right)c^{*}(r_i,t)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

从(6)式不难看出，对于任意时间t_i任意位置(x_i，y_i，z_i)发生的突然泄漏事件进行风险预测问题，就归结为求解伴随方程，解出伴随变量的时空分布，利用上述表达式可分别计算出瞬时泄漏和连续泄漏风险函数。由于权重因子p是危害预测前就可确定的，只需求解一次伴随方程，就得到风险函数J与泄漏源位置(x_i，y_i，z_i)的定量关系。求解一次伴随方程的计算量与求解一次平流扩散方程大致相当。

步骤5：根据步骤4得到的风险度D_i，通过下述方法确定多个固定化学风险源的预警级别：

设第i个源位置(x_i，y_i，z_i)的化学风险源Q_i的致死剂量为L_ct ⁱ、失能剂量为I_ct ⁱ、允许剂量为D_p ⁱ；其中，化学风险源Q_i的位置和源强来自预先建立的危险源数据库，相应的致死剂量L_ct ⁱ、失能剂量I_ct ⁱ、允许剂量D_p ⁱ来自预先建立的毒物数据库；

第i个源位置(x_i，y_i，z_i)的化学风险源Q_i对保护目标的预警级别确定方法如下：

(a)当风险度 $D_i\&GreaterEqual;L_{\mathrm{ct}}^i,$ 即该化学风险源使保护目标区域内人员致死，该化学风险源的风险等级为一级，定为红色预警；

(b)当 $I_{\mathrm{ct}}^i\&le;D_i<L_{\mathrm{ct}}^i,$ 即该化学风险源使保护目标区域内人员失能但不至于致死，该化学风险源的风险等级为二级，定为橙色预警；

(c)当 $D_p^i\&le;D_i<I_{\mathrm{ct}}^i,$ 即该化学风险源使保护目标区域内人员造成伤害但不至于失能，该化学风险源的风险等级为三级，定为黄色预警；

(d)当 $D_p^i/10\&le;D_i<D_p^i,$ 即该化学风险源使保护目标区域内人员产生一定的影响但不至于造成伤害，该化学风险源的风险等级为四级，定为蓝色预警；

步骤6：将步骤5得到的该保护目标的多个固定化学风险源的预警级别和对应的位置坐标输出给数据转换引擎，数据转换引擎将其中的位置坐标转换为GIS数据，然后将该位置的预警级别发布在基于GIS平台的展示系统上，应急控制的决策者根据各个化学风险源的预警级别采取相应的控制措施和组织调配应急力量。

下面结合实施例对本技术方案进一步解释：

根据本技术方案，构建基于GIS平台的多个固定化学风险源预测预警与控制实时在线发布系统，作为本申请的实施例，见附图2。在本实施例中，固定风险源预测预警系统不需输入任何参数，系统所需要的所有参数均内置在数据库中，系统自动调用气象场、预警模式及风险源数据库，给出实时的预警等级分布。附图2表示了北京市在2007年9月6日13:45时，2000多个固定化学风险源在假定源强条件下对天安门、鸟巢和中关村3个保护目标的危害预警信息，其中红色预警1个、橙色预警0个、黄色预警6个、蓝色预警286个，该结果根据时间和数据库中源强的变化自动变化。结果的显示范围可以通过“放大”、“缩小”、“漫游”等控件进行控制。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多个固定化学风险源预测预警和应急控制方法，包括用于存储有毒物质的毒性和物理化学性质的毒物数据库，用于存储化学风险源的位置信息和源强信息的危险源数据库，其特征在于，本方法包括如下步骤：

步骤1：确定保护目标所处地理位置，将该位置的GIS数据转换为标量坐标数据；

步骤2：应用全球尺度的背景场作为气象场数值预报模式初始场和边界条件，通过多层网络嵌套，根据步骤1得到的保护目标所处区域的标量坐标数据，通过滚动并计算，获得未来时刻保护目标所在区域的气象场数值预报结果；

如果所用的气象场数值预报模式的分辨率较低，满足不了化学危害预测预警的精度需求，则将产生的预报结果作为初步气象场数值预报结果，再应用分辨率更高的气象场数值预报模式进行更精细的预报，即双层模式气象场数值预报；

步骤3：将保护目标所处区域内气象观测网的实时观测数据跟步骤2所得的气象数值预报结果进行数据同化，使得出的气象场与实际气象情况更加吻合；

步骤4：将步骤3同化得到的气象场中的所需要的气象数值预报结果，包括三维风场、湍流场，输入到扩散伴随模式，解出伴随变量的时空分布场，然后计算风险函数，获得多个化学风险源对保护目标所处位置的风险度；

根据化学风险源的位置和源强确定其风险度的具体方法如下：

①当(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源在t_i时刻发生突然泄漏，持续时间不长，将该化学风险源作为瞬间点源来处理，得到风险函数J_i，并用J_i的大小作为风险度D_i

D_i＝J_i＝Q_ic^*(x_i，y_i，z_i，t_i)

其中，Q_i为(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源源强，c^*(x_i，y_i，z_i，t_i)为伴随变量的时空分布场c^*(x，y，z，t)在t_i时刻(x_i，y_i，z_i)位置的取值，伴随变量的时空分布场c^*(x，y，z，t)通过求解伴随方程L^*c^*＝p(x，y，z)获得，其中p(x，y，z)是根据保护目标预置的权重因子，它是空间位置坐标的函数；L是描述化学风险源泄漏后有毒物质扩散的微分算子，L^*是针对L的伴随算子；由于权重因子p是已确定的，因此只需求解一次伴随方程就得到风险函数J_i与泄漏源位置(x_i，y_i，z_i)的定量关系；

②对于在t_i时刻的连续泄漏的(x_i，y_i，z_i)位置的化学风险源，对保护目标的风险度为

其中，q_i(t)是该化学风险源在t_i时刻的单位时间泄漏量，其中T为积分时间c^*(x_i，y_i，z_i，t)是伴随变量的时空分布场在(x_i，y_i，z_i)位置取值随时间的变化趋势；

步骤5：根据步骤4得到的风险度D_i，通过下述方法确定多个固定化学风险源的预警级别：

设第i个源位置(x_i，y_i，z_i)的化学风险源Q_i的致死剂量为 

失能剂量为 

允许剂量为 其中，化学风险源Q_i的位置和源强来自预先建立的危险源数据库，相应的致死剂量 

失能剂量 允许剂量 来自预先建立的毒物数据库；

第i个源位置(x_i，y_i，z_i)的化学风险源Q_i对保护目标的预警级别确定方法如下：

(a)当 

则该化学风险源的风险等级为一级，定为红色预警；

(b)当 

则该化学风险源的风险等级为二级，定为橙色预警；

(c)当 

则该化学风险源的风险等级为三级，定为黄色预警；

(d)当 

则该化学风险源的风险等级为四级，定为蓝色预警；

步骤6：将该保护目标的多个固定化学风险源的位置坐标转换为GIS数据，然后将步骤5得到的各个固定化学风险源的预警级别按其对应的位置坐标GIS数据发布在GIS平台上，应急控制的决策者根据各个化学风险源的预警级别采用相应的控制措施和组织调配应急力量。

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