CN102567808B - 结合实时气象信息的重大危险源事故后果预测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合实时气象信息的重大危险源事故后果预测预警方法，利用高时空分辨率大气环流数值模拟及预报方法与气体扩散模拟方法相结合，同时加入危险物排放量估算方法及模拟数据结果后处理方法的集成预测方法，结合实时的气象信息及危险源实时监测信息，对危险源事故进行模拟，得到事故发生后危险气体的定量化三维时空分布结果以及事故对周围环境的影响范围、持续时间，对人体的危害级别等分析，预测得到事故发生后有毒有害气体的三维空间分布情况，以及各目标点的定量化污染物浓度数值。提出一种可用于事故后果预测的方法及事故危害级别自动评价方法。具有可实时读取气象信息、结果等时空间距、运算速度快、实时性强等特点。

Description

结合实时气象信息的重大危险源事故后果预测预警方法

技术领域

本发明涉及一种重大危险源事故后果预测预警方法，特别涉及一种结合实时气象信息的重大危险源事故后果预测预警方法。

背景技术

随着我国社会经济的高速发展，环境污染事件进入了高发期。据有关报道显示，2007仅环境保护部直接调度处理的突发环境事件就高达108起，2008年达135起。在各类环境事件中，危险物质泄漏引起的中毒、爆炸和火灾事件通常会造成巨大的人员伤亡和极其严重的经济损失。例如2003年重庆开县特大井喷事故影响半径超过10公里，造成243人死亡、4000余人受伤、9.3万余人受灾；2005年淮安35吨液氯泄漏事件波及周边三个乡镇，造成28人死亡、350余人受伤、1万余人受灾。目前我国的危险品存储及生产运营环节恰恰存在着严重的环境风险和安全隐患。因此，对重大危险源突发性事故造成的有毒有害气体的扩散规律，及其对人体的危害程度进行研究，建立事故影响程度预测方法，保证应急管理部门能够在事故发生后的第一时间迅速、准确地掌握毒性气体的扩散持续时间、空间影响范围及对人员的危害程度等重要信息，对于管理部门进行救援决策，最大程度地减少人员伤亡和财产损失具有极其重要的意义。

危险源事故后果预测预警是以信息技术为手段，应用管理科学、计算机科学等相关学科的理论和方法，辅助决策者通过数据、模型，以人机交互方式进行半结构化或非结构化决策的方法，是服务于突发性大气环境污染事故防范和应急的重要技术工具。这是目前解决危险事故应急管理问题的重要方法，也是国内外公共安全领域一个重要课题。

目前关于事故危险预测方法和有毒有害气体扩散规律与预测方法方面的研究，美国和西欧等国家相对比较成熟，如美国环保局的STORET系统和AIRS系统、英国环保局的WQIS系统、联合国环境规划署(UNEP)的GRID系统等。但美欧等国的相关研究不能完全适用于我国的危险源存储情况。而与国外相比，我国在该领域的研究起步较晚，发展相对滞后，主要工作集中于相关法规及规范的制定与推行。华南理工大学开发了一套化学品贮罐火灾爆炸模拟评价软件系统，该软件系统能够对重大危险源进行辨识和快速分级，但该系统仅能用于化学品贮罐的火灾爆炸模拟，适用范围有一定的局限性，并且没有考虑实时气象条件的影响作用。台湾省“国家灾害防救科技中心”开发构建了毒化灾灾害防救决策支持平台，能够实现毒化物扩散情形与影响范围的仿真，但该平台的气象环境要素为定常数据，无法与复杂的气象条件相结合，在一定程度上影响了气体扩散模拟结果的准确性。南开大学利用MM5、HYSPLIT4模式及6S技术建立了突发性大气污染事件分级标准与风险源识别技术规范，但由于HYSPLIT4模式并非专业的危险气体模式，因此无法对品种繁多、比重差异较大的不同危险气体以及不同排放方式的危险事故进行较好的模拟。北京、青岛等市建立了基于GIS的重大危险源监控信息管理系统，提高了安全生产监督管理的技术含量，但系统以危险源的管理监控为重点，没有危险事故影响范围和影响强度进行定量模拟的能力。武汉大学和清华大学基于GIS建立了危化品泄漏事件应急决策系统，使用高斯公式作为扩散预测模型，但由于扩散模型没有引入重力塌陷原理，对于重气云模拟的准确性造成了一定影响。

综上，目前相关系统及方法都存在很多缺陷：未与实时气象信息相结合，很大程度上影响气体扩散模拟结果的准确性；缺少源强计算能力；所使用的气体扩散算法缺少重气塌陷原理；没有将整套相关方法建立集成系统等。这些缺陷使事故造成的危险物扩散及其危害程度预测无法达到较高的准确性和实用性。本发明为解决该问题提供了一套新的思路和方法。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述系统和方法的缺点和不足，提供一种体系完整的结合实时气象信息的重大危险源事故后果预测预警方法。利用高时空分辨率大气环流数值模拟及预报方法与气体扩散模拟方法相结合，同时加入危险物排放量估算方法及模拟数据结果后处理方法的集成预测方法，结合实时的气象信息及危险源实时监测信息，对危险源事故进行模拟，得到事故发生后危险气体的定量化三维时空分布结果以及事故对周围环境的影响范围、持续时间，对人体的危害级别的方法。

本发明是采用以下技术手段实现的。

本发明包括大气环流数值模拟及预报模式、危险物排放量估算模式、气体三维扩散模式、扩散模拟结果后处理程序、危险品理化性质数据库、污染物危险影响等级数据库、基于GIS的可视化展示软件等部分，包括以下步骤。

1.1、利用气象模式自动下载运行程序，通过FTP链接美国国家大气研究中心，每日自动获取NCEP全球预报背景场数据。

1.2、利用大气环流数值模拟及预报模式预测模拟区域的气象场。

1.3、将用户输入的危险事故信息进行转换，生成模拟参数文件，同时生成预测触发指令，作为后续预测工作的控制结点。

1.4、如危险品存储地点监测到危险事故，则自动获取存储地点安装的实时监测设备所获取的事故信息，并转换信息数据，插入模拟参数文件。

1.5、接到启动预测工作的触发指令后，通过气象要素数据提取程序对气象场预测结果进行提取，并实现数据格式转换，得到模拟区域及周边地区的气象要素数据集。

1.6、接到启动预测工作的触发指令后，根据实时监测设备获知的危险事故类型，利用危险源排放量估算模式中相应的估算方法计算事故过程中的危险品排放量。在运算过程中，通过调用危险品理化性质数据库获取各种危险物质的物理化学性质数据。

1.7、接到启动预测工作的触发指令后，利用气象要素数据和危险源排放量估算结果作为输入数据，运行气体三维预测模式，预测得到事故发生后有毒有害气体的三维空间分布情况，以及各目标点的定量化污染物浓度数值。在运算过程中，通过调用危险品理化性质数据库获取各种危险物质的物理化学性质数据。

1.8、气体三维预测模式运行完毕后，由扩散模拟结果后处理程序提取气体三维预测模式的预测结果数据，并对不均匀浓度计算结点的时空坐标进行转换，实现有效数据的识别筛选，以及等时间、空间格距坐标点的标准化转换。

1.9、通过污染物危险影响等级数据库提供各种危险品的危害浓度限值，根据浓度预测结果划分事故影响区域，并确定各区域对人体的危害级别。

1.10、利用基于GIS的可视化展示软件以各种方式展示事故后污染物扩散情况及其影响区域，筛选不同影响级别区域内的敏感目标查询结果等各种应急管理决策依据。

前述的步骤6中的危险源排放量估算包括以下步骤：

2.1、危险源排放量估算模式根据用户在可视化展示软件的输入参数中录入的事故类型，及危险源实时监测系统传回的事故类型判定结果，结合事故信息、气象信息和危险品的理化性质，通过计算判定危险事故的类型，确定预测对应使用的估算方案。

2.2、如事故伴随有火灾发生，则进入火灾情景估算模块，基于燃烧对危险气体削减量来计算危险事故中的危险物排放量。

2.3、无火灾伴随情况下，根据模式识别判定结果分别进入喷射泄漏释放估算模块、蒸发泄漏释放估算模块或爆炸释放估算模块，计算危险事故中的危险物排放量。若进入喷射泄漏释放估算模块，则基于柏努力方程计算原理，分别对气态、气液两相、液态不同存储状态的泄漏事故进行估算。若进入蒸发泄漏释放估算模块，则分别按不同原理估算闪蒸蒸发量、热量蒸发量和质量蒸发量。若进入爆炸释放估算模块，则分别估算气态、液态、气液两项、固态情况下的排放量。

前述的步骤1.7中的危险气体三维预测包括以下步骤：

3.1、调用危险品理化性质数据库获取危险品的部分物理化学性质数据，读取气象要素数据集中的事故点周边环境条件，同时读取输入参数文件中的事故信息数据。

3.2、根据判定结果，通过三维扩散模式中的稳态烟羽模式主微积分方程组或瞬时烟团模式主微积分方程组进行迭代计算，得出初始计算结果。利用浓度轮廓函数计算三维浓度数据，利用云体平均计算方法得出有效云参数。

3.3、进入时间循环，耦合大气环流数值模拟及预报模式，逐步加入实时气象要素数据，得出结合实时气象信息的二次计算结果。

本发明一种结合实时气象信息的重大危险源事故后果预测预警实现方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明将高时空分辨率大气环流数值模拟及预报方法引入事故后果预测方法中，克服了事故的扩散模拟无法与逐时变化的气象信息结合的严重缺陷，有效提高气体扩散预测结果的准确性与真实性。在事故后果预测方法中增加了危险物排放量估算方法，克服了危险事故模拟过程中缺少源强计算功能的缺陷，延长危险预测工作的系统链。所选用的气体扩散模拟算法突破了以往的事故后果预测方法不能对各种比重的危险气体扩散模拟的局限性，对轻气云、中气云和重气云都具有较好模拟效果。针对危险气体三维扩散模拟算法增加扩散模拟结果后处理方法，解决了原算法无法得到等时间、等空间三维坐标结点浓度标准化计算结果的问题，实现与后续数据处理及可视化部分的可连接性。将多种危险物浓度限值指标引入事故后果预测方法，提出一种可用于事故后果预测方法中的事故危害级别自动评价方法。本发明具有可实时读取气象信息、结果等时空间距、运算速度快、实时性强等特点。

附图说明

图1为本发明的系统框图及数据流示意图；

图2为重大危险源事故后果预测预警方法总流程图；

图3为危险源排放量估算方法流程图；

图4为危险气体三维预测方法流程图。

其中：

1为NCEP全球预报背景场数据；2为危险源实时监测系统；3为大气环流数值模拟及预报模式；4为危险物排放量估算模式；5为气体三维扩散模式；6为扩散模拟结果后处理程序；7为核心计算模块组；8为危险品理化性质数据库及污染物危险影响等级数据库；9为基于GIS的可视化展示软件；10为用户；11为重大危险源事故后果预测预警方法体系；12为气象模式自动下载运行程序；13为气象要素数据提取程序；14为危险事故信息；15为模拟参数文件；16为触发指令；17为Linux系统环境；18为Windows系统环境。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的实施例做进一步的说明：

从整体角度看，本发明各部分集成方法及数据流简述如下：有重大危险源事故发生时，系统收取危险存储地点安装的实时监测设备所获取的事故信息，用户根据事故情况通过软件界面进行部分参数的设定。同时，链接美国NCEP网站获取NCEP全球预报背景场数据，利用高时空分辨率大气环流数值模拟及预测模式计算气象场预测数据，然后以危险事故是否发生作为触发信号控制气象要素数据的提取，若数据提起程序被触发后，则按危险物排放量估算模式与气体三维扩散模式计算所需的数据格式提取气象数据。

事故信息和气象数据传到核心计算模块组后，首先利用危险物排放量估算模块计算得出突发性事故导致的危险物排放量。然后基于排放量计算结果和事故信息数据，由扩散模块进行危险气体三维扩散浓度的预测。之后利用扩散模拟结果后处理程序对数据进行转换。通过调用污染物危害影响等级数据库中的危害浓度限值对危险气体的浓度数据进行评价，得出事故相应影响区域的危害级别。

最后利用可视化部分对预测数据进行可视化展示，提供受影响区域的目标对象查询等结果及各种形式的应急管理决策依据。其中，各过程需用到的大量危险存储品理化性质数据均通过调用系统内嵌的危险品理化性质数据库实现。

系统结构框图及数据流示意如图1所示，其中：1为NCEP全球预报背景场数据；2为危险源实时监测系统；3为大气环流数值模拟及预报模式；4为危险物排放量估算模式；5为气体三维扩散模式；6为扩散模拟结果后处理程序；7为核心计算模块组；8为危险品理化性质数据库及污染物危险影响等级数据库；9为基于GIS的可视化展示软件；10为用户；11为重大危险源事故后果预测预警方法体系；12为气象模式自动下载运行程序；13为气象要素数据提取程序；14为危险事故信息；15为模拟参数文件；16为触发指令；17为Linux系统环境；18为Windows系统环境。

大气环流数值模拟及预报模式在Linux系统下运行，利用FTP实现与Windows系统的数据互传。在本方法中大气环流数值模拟及预报模式用于实时预测当前时刻至未来数小时内的高时空分辨率气象场情况，为实时预测预警系统提供所需的气象要素数据。

危险物排放量估算模式，利用用户输入、危险源实时监测系统的监测判定，确定危险事故类型，根据环境条件、危险品理化性质和事故类型确定排放量估算方案，分别利用对应的火灾情景、喷射泄漏释放情景、蒸发泄漏释放情景或爆炸释放情景估算方法进行计算，为后接的三维气体扩散模式提供危险物排放量计算结果。该部分流程图如图3所示，为危险源排放量估算方法流程图。

危险气体的三维扩散预测是事故后果预测方法的核心部分，根据事故类型判定结果，分别进入喷射、蒸发或爆炸等情景的扩散预测运算，在进行传统的扩散预测后，进入逐时气象数据进行迭代计算，得出结合实时气象信息的有毒有害气体的三维空间分布情况及各目标点的定量化污染物浓度数值。利用扩散模拟结果后处理程序对扩散模式计算得出的不均匀浓度计算结点的时空坐标进行转换，处理得到等空间间距的格点浓度值及等时间间距的浓度计算结果。该部分流程图如图4所示，为危险气体三维预测方法流程图。

下面给出具体实例对本发明作详细的说明。

实施例1某化工厂的氯化氢存储罐爆炸事故

实例描述如下：拟定2009年7月北京市某区某化工厂危险品存储罐发生爆炸，危险存储物为氰化氢，危险品存储量为50吨。获取2009年6月的NCEP全球预报背景场数据，运行大气环流数值模拟及预报模式，得出2009年6月的气象场情况，并提取所需的气象要素数据并转换。输入模拟范围和模拟时间等信息，同时获取实时监测设备的事故信息并进行数据转换，生成模拟参数文件。

依次运行危险源排放量估算模式、气体三维扩散模式、扩散模拟结果后处理程序并转换气体扩散结果。爆炸事故发生后大量氰化氢气体被释放到大气环境中随风漂移扩散，此过程中可得到事故发生后一定间隔时刻的氰化氢空间分布图，以及事故发生一定时间内的氰化氢气体累积空间分布，表征该段时间内事故造成的影响区域总范围。

根据危险物对人体影响浓度限值，对此案例事故影响区域进行危险级别划分，其中氰化氢浓度大于25ppm的区域为致死区域，会对人体造成致死性伤害，在图中以红色表示；氰化氢浓度大于10ppm的区域为致重伤区域，会对人体造成致重伤性伤害，在图中以黄色表示；氰化氢浓度大于0ppm的区域为致轻伤区域，会对人体造成致轻伤性伤害，在图中以绿色表示。根据扩散模拟计算结果可查询得出受事故影响的居民区、医院、学校等各种敏感目标的清单，为应急相应部门提供重要的救援信息和决策依据。

实施例2某存储地点的液氯存储罐泄漏事故

实例描述如下：拟定2009年7月北京市某区某危险品存储罐发生泄漏，危险存储物为氯(C1₂)。

获取2009年7月的NCEP全球预报背景场数据，运行大气环流数值模拟及预报模式，得出2009年7月的气象场情况，并提取所需的气象要素数据并转换。输入模拟范围和模拟时间等信息，同时获取实时监测设备的事故信息并进行数据转换，生成模拟参数文件。依次运行危险源排放量估算模式、气体三维扩散模式、扩散模拟结果后处理程序并转换气体扩散结果。泄漏事故发生后大量氯气被释放到大气环境中随风漂移扩散，此过程中可得到事故发生后一定间隔时刻的氯气空间分布图，以及事故发生一定时间内的氯气气体累积空间分布，表征该段时间内事故造成的影响区域总范围。

根据危险物对人体影响浓度限值，对此次案例事故影响区域进行危险级别划分，其中氯气浓度大于20ppm的区域为致死区域，会对人体造成致死性伤害；氯气浓度大于3ppm的区域为致重伤区域，会对人体造成致重伤性伤害；氯气浓度大于1ppm的区域为致轻伤区域，会对人体造成致轻伤性伤害。根据扩散模拟计算结果可查询得出受事故影响的居民区、医院、学校等各种敏感目标的清单，为应急相应部门提供重要的救援信息和决策依据。

尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种结合实时气象信息的重大危险源事故后果预测预警方法，其特征在于包括以下步骤：

1.1、利用气象模式下载运行程序，获取NCEP全球预报背景场数据；

1.2、利用大气环流数值模拟及预报模式预测模拟区域的气象场；

1.3、将用户输入的危险事故信息进行转换，生成模拟参数文件，同时生成预测触发指令，作为后续预测工作的控制结点；

1.4、如危险品存储地点监测到危险事故，则自动获取存储地点安装的实时监测设备所获取的事故信息，并转换信息数据，插入模拟参数文件；

1.5、启动预测指令，通过气象要素数据提取程序对气象场预测结果进行提取，并实现数据格式转换，得到模拟区域及周边地区的气象要素数据集；

1.6、启动预测指令，根据实时监测设备获知的危险事故类型，利用危险源排放量估算模式中相应的估算方法计算事故过程中的危险品排放量；在运算过程中，通过调用危险品理化性质数据库获取各种危险物质的物理化学性质数据；

1.7、启动预测指令，利用气象要素数据和危险源排放量估算结果作为输入数据，运行气体三维预测模式，预测得到事故发生后有毒有害气体的三维空间分布情况，以及各目标点的定量化污染物浓度数值；在运算过程中，通过调用危险品理化性质数据库获取各种危险物质的物理化学性质数据；

1.8、气体三维预测模式运行完毕后，由扩散模拟结果后处理程序提取气体三维预测模式的预测结果数据，并对不均匀浓度计算结点的时空坐标进行转换，实现有效数据的识别筛选，以及等时间、空间格距坐标点的标准化转换；

1.9、通过污染物危险影响等级数据库提供各种危险品的危害浓度限值，划分事故影响区域，并确定各区域对人体的危害级别；

1.10、通过基于GIS的可视化展示软件，展示事故后污染物扩散情况及其影响区域，并筛选不同影响级别区域内的敏感目标查询结果的各种应急管理决策依据；

所述的步骤1.6中的危险源排放量估算包括以下步骤：

2.1、根据用户在可视化展示软件的输入参数中录入的事故类型，及危险源实时监测系统传回的事故类型判定结果，结合事故信息、气象信息和危险品的理化性质，通过计算判定危险事故的类型，并确定预测对应使用的估算方案；

2.2、如事故伴随有火灾发生，则进入火灾情景估算模块，基于燃烧对危险气体削减量来计算危险事故中的危险物排放量；

2.3、无火灾伴随情况下，根据模式识别判定结果分别进入喷射泄漏释放估算模块、蒸发泄漏释放估算模块或爆炸释放估算模块，计算危险事故中的危险物排放量；

2.4、若进入喷射泄漏释放估算模块，则基于柏努力方程计算原理，分别对气态、气液两相、液态不同存储状态的泄漏事故进行估算；若进入蒸发泄漏释放估算模块，则分别估算闪蒸蒸发量、热量蒸发量和质量蒸发量；若进入爆炸释放估算模块，则分别估算气态、液态、气液两项、固态情况下的排放量。

2.根据权利要求1所述的一种结合实时气象信息的重大危险源事故后果预测预警方法，其特征在于：所述的步骤1.7中的危险气体三维预测包括以下步骤：

3.1调用危险品理化性质数据库获取危险品的部分物理化学性质数据，读取气象要素数据集中的事故点周边环境条件，同时读取输入参数文件中的事故信息数据；

3.2根据判定结果，通过三维扩散模式中的稳态烟羽模式主微积分方程组或瞬时烟团模式主微积分方程组进行迭代计算，得出初始计算结果；利用浓度轮廓函数计算三维浓度数据，利用云体平均计算方法得出有效云参数；

3.3进入时间循环，耦合大气环流数值模拟及预报模式，逐步加入实时气象要素数据，得出结合实时气象信息的二次计算结果。