CN102955887B - 陆上管道油品泄漏对水体影响的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种陆上管道油品泄漏对水体影响的判别方法，涉及其它类不包括的测量、污水的处理和管道系统技术领域。本判别方法依次为：1)泄漏模拟数据准备；2)泄漏位置准备与泄漏量计算；3)泄漏漫流评价；4)泄漏汇流评价；5)水文数据准备；6)流域影响性判别；7)危险管段判别；8)结束。本发明能够确定泄漏路径、识别可能受到影响的水源地并能识别危险管段；并采用地图的方式对分析结果进行展示，其展示手段直观、易于理解。

Description

陆上管道油品泄漏对水体影响的判别方法

技术领域

本发明是一种陆上管道油品泄漏对水体影响的判别方法，涉及其它类不包括的测量、污水的处理和管道系统技术领域。

背景技术

主要对目前的量化风险评价技术(QRA)和基于数字高程模型的水文评价技术，与本发明进行比较。

1、量化风险评价技术(QRA)

QRA基于大量的数据，辨识各种可能的危险源，在此基础上，通过分析对比相似设备设施的历史失效事故数据，分析事故发生的可能性，并模拟事故发生的后果，最终形成风险评估的结果。QRA作为一种纯量化的评价方法，其评价的结果均为数值，同时，该方法在评价过程中受人的主观影响较小，评价结果更为客观，其结果为数值、带有量纲，有明显的实际意义，便于判断风险的可接受性。

在进行QRA评价过程中，有几项关键步骤：辨识各种设备设施是否存在危险；需要准备相应的比对数据，判断同类设备的历史失效频率，以分析失效可能性；失效后果的分析，即进行各种情景分析，以模拟失效后果。目前，QRA技术主要应用于针对站场设备的量化风险评价。

针对陆上管道泄漏，QRA在使用过程中存在以下问题：

(1)QRA技术作为针对站场设备设施的量化风险评价方法，不能解决针对陆上长输管道的泄漏路径及泄漏影响范围的识别与评价，尤其是对河流、海洋等水体的影响性评价；

(2)QRA技术未充分考虑地形、地势的因素，仅考虑了一维空间的计算，且评价结果采用传统图表进行表达，不能很好的展示评价结果的空间分布情况；

(3)QRA技术属于一种精细化的风险评价，其研究尺度较小、数据量大、判别过程复杂，不适用于大尺度、大范围的长距离陆上管道多个场景的判别、评价。

2、基于数字高程模型的水文评价技术

数字高程模型(DigitalElevationModel，简称DEM)，是地表高程属性信息的数字表达，是带有空间坐标信息和高程信息的数值描述，它通过建立空间格网，将地表高程存储与特定的栅格单元内，以模拟现实地表的起伏特征状况。DEM采用有序的数值阵列表示地表高程，是投影平面上格网点平面坐标(x，y)及高程(z)的数据集合。DEM主要有三种类型：规则格网模型(GRID)，等高线模型和不规则三角网模型(TIN)。

基于DEM的水文评价技术，可再现水流的流动过程，判别地表水系以何种方式流经特定区域，包括水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络(包括河流网络的分级等)以及流域等。该技术在城市与区域规划、林业、农业、交通等领域有着广泛的应用，可以用于与地表水流相关的各种分析，如洪水水位及淹没范围、预测地貌变化对某个区域造成的影响等。

针对陆上管道泄漏，基于DEM的水文评价技术在使用过程中存在以下问题：

(1)基于DEM的水文评价技术是针对地表水系流动过程的模拟分析，没有考虑管道专业背景，不能直接用于陆上管道油品泄漏进行识别与评价；

(2)基于DEM的水文评价技术，虽可以再现水流的流动情况，但对于判别油品泄漏范围时存在一定的局限；主要是因为水文评价仅考虑研究区域周边地势落差最大的位置，将其作为水体流动的下一个方向，其结果往往呈线状分布，不符合实际油品泄漏情况；

(3)由于空间尺度较大，基于DEM的水文评价技术在分析过程中为了保证提取水系水流的连通，常需要剔除洼地，以保证水流流向的连贯性；相对于水文评价的研究尺度，油品泄漏范围较小，在判别油品在地表扩散的过程中，不仅需要考虑油品在地面的流动，还需要考虑油品在洼地的汇集，故洼地需要保留。

发明内容

本发明的目的是发明一种能够确定泄漏路径、识别可能受到影响的水源地并能识别危险管段的陆上管道油品泄漏对水体影响的判别方法。

本判别方法依次为：

1.泄漏模拟数据准备；

2.泄漏位置准备与泄漏量计算；

3.泄漏漫流评价；

4.泄漏汇流评价；

5.水文数据准备；

6.流域影响性判别；

7.危险管段判别；

8.结束。

其中：

1.泄漏模拟数据准备

判断用于计算泄漏模拟数据是否完整，数据内容主要有地面高程数据、地表植被、建筑物分布、管道本体参数；

2.泄漏位置准备与泄漏量计算

根据泄漏模拟数据，进行多个泄漏场景的设置，主要内容包括泄漏位置的选择、泄漏量的计算；

(1)泄漏位置选择，即根据选定管道，沿管道均匀布置泄漏模拟点，或根据管道周边的地形、地貌、水文分布情况随机布点；

(2)泄漏量计算，即根据制定的泄漏模拟点，结合上下游截断阀距离、管道高程、输送压力、泄漏孔径尺寸、时间等参数，计算泄漏量；

计算公式参照经验泄漏模型，如下所示：

①V_R＝min{V₀+γ₀t₁/ρ，V₀+γ_Rt₁/ρ}当d_hole＞0.005m时，

或V_R＝γ_Rt₂/ρ当d_hole≤0.005m时；

其中，VR为泄漏量，单位m³；

V0为两个截断阀之间的油量，单位m³；

γ0为油品流动速度，单位kg/s；

γR为油品泄漏速度，单位kg/s；

t1为管道发生泄漏到关闭截断阀的时间，单位s；

t2为管道发生泄漏到停止泄漏的时间，单位s；

ρ为油品密度，单位kg/m³。

② ${\mathrm{\γ}}_R=C_d\mathrm{A\ρ}\sqrt{\frac{2(p+p_0+\mathrm{\ρgh})}{\mathrm{\ρ}}}$

其中，γR为油品泄漏速度，单位kg/s；

Cd为液体泄漏系数，按照表1选择；

A为裂口面积，单位m2；

p为容器内介质压力，单位Pa；

p0为环境压力，单位Pa；

g为重力加速度，为9.8m/s；

h为裂口之上液位高度，单位m。

其中，Cd(液体泄漏系数)可采用表1-1取值；

表1-1液体泄漏系数表

3.泄漏漫流评价

依据地形、地势、地表植被、泄漏量等数据，模拟泄漏油品在地面的扩散过程，计算泄漏范围；

以初始泄漏位置为起点，参照泄漏量、临近地形、坡度、地表植被、建筑物密度判别油品的漫流方向；该判别过程以DEM为基础，考虑研究区域周边所有方向的地势落差情况，识别所有地势低于评价区域的低点，并依据这些地势低点的落差比率，判别泄漏油品的流向和流量；

该判别过程，通过识别初始位置周边的地势低点，经过循环迭代的方式，依次找出漫流的边界点，具体过程如下所示：

该判别示例以数字高程模型(DEM)为基础，其中每个方格内的数值代表地面高程，如E(67)标示该地点的高程为67米，如图2所示。

①初始位置选择：E(67)点。

②第一次漫流过程：依据初始位置周边的地势落差，选择该位置周边的地势低点E(56)，E(53)，E(44)作为漫流影响的像元；

③第二次漫流过程：依据第一次漫流过程的结果，选择边界点E(56)，E(53)，E(44)为第二次漫流的起始位置，选择周边的地势低点E(56)，E(53)，E(44)，E(37)，E(22)作为漫流影响的像元；

④按照此种方式，依次寻找漫流边界点，最终分析结果为：E(67)，E(56)，E(53)，E(44)，E(37)，E(22)，E(31)，E(24)，E(21)，E(16)，E(19)，E(12)，E(11)，E(12)；

本方法将评价区域周边所有地势低点纳入分析范围之内，充分考虑周边所有方向的落差，其结果呈面状分布，能够很好的再现泄漏油品在地面的漫流分布状况；

4.泄漏汇流评价

油品汇流评价以漫流评价结果为基础，计算泄漏油品在各个地势低洼地的汇集情况；该判别过程以DEM为基础，识别评价区域范围内的洼地，依据漫流的结果，计算漫流范围内各个洼地汇集情况；当单个洼地的汇集量超出洼地的容积后，油品外溢并再一次进行漫流评价，直至各个洼地的汇集油品停止外溢；

该判别过程，通过分析初始位置周边的地势高点，经过循环迭代的方式，依次找出汇流的边界点，具体过程如下所示：

该判别示例以数字高程模型为基础，其中每个方格内的数值代表地面高程，如E(22)标示该地点的高程为22米，如图3所示；

①初始位置选择：E(22)点；

②第一次汇流过程：依据初始位置周边的地势落差，选择该位置周边的地势高点E(44)，E(37)，E(38)，E(39)，E(40)，E(38)，E(47)，E(55)作为汇集的像元；

③第二次汇流过程：依据第一次汇集过程的结果，选择边界点E(44)，E(37)，E(38)，E(39)，E(40)，E(38)，E(47)，E(55)为第二次汇流的起始位置，选择周边的地势高点E(67)，E(56)，E(49)，E(50)，E(53)，E(58)，E(61)，E(53)作为漫流影响的像元；

④按照此种方式，依次寻找汇流点，最终分析结果为：E(22)，E(44)，E(37)，E(38)，E(39)，E(40)，E(38)，E(47)，E(55)，E(67)，E(56)，E(49)，E(50)，E(53)，E(58)，E(61)，E(53)，E(69)，E(71)，E(58)，E(49)，E(74)；

本方法利用DEM，判别区域内油品可能汇集的洼地，并计算各个洼地汇集泄漏油品的上限值，以此为依据判断是否再次进入漫流评价过程，更好的再现了泄漏油品在地表的扩散过程；

根据泄漏油品漫流、汇流评价的结果，确定油品的泄漏范围；

5.水文数据准备

判断水文数据是否完整。水文数据准备包括水流走向、水流流量、水系分布等数据的准备；

6.流域影响性判别

依据泄漏范围判别的结果，以水文数据和空间位置信息为基础，将上述判别结果与水文数据进行叠加，判别出直接影响的水域，即处于泄漏范围之内的水域；同时，利用水系之间的连通性(即水体的流向)，参照直接影响的水域，找出可能间接影响的水域；

QRA技术的分析对于评价区域的空间位置特性关注不多，无法实现基于空间位置的分析，即无法实现叠加分析，识别泄漏可能直接影响的水体；同时，QRA技术也无法分析河流之间的连通性，无法识别间接影响的水体；本方法以空间位置信息为基础，将泄漏范围评价的结果与水文数据进行叠加，并依据水体之间的连通性，可识别泄漏直接或间接影响的水域；

7.危险管段判别

依据泄漏位置、泄漏范围、影响水体，识别I、II类危险点，形成管道危险段；本模型将泄漏位置分为2类：I类泄漏位置为距离河流距离较近的泄漏点，如河流穿越处；II类泄漏位置为距离河流较远的泄漏点。

依据前6个阶段的结果，本方法可判别出II类泄漏位置(潜在的危险点)，这类失效点通常离河流等水源地较远，不易发现，常常被忽视，但一旦发生事故往往造成严重的后果。

QRA进行分析的过程中，常将距离河流较近、管道与河流的交叉点作为危险点(I类泄漏位置)进行评价，对于那些距离河流较远的危险点关注度不足；本判别方法不仅可以识别I类泄漏位置，同时，也能够有效识别II类泄漏位置，以这两类危险点为基础形成的管道危险段更全面、完整，可提高管道运营单位对整个管道的认识，为制定管道保护、应急措施提供依据。

本发明根据陆上管道油品泄漏的特点，采用油品泄漏-漫流-汇流-停止扩散-水源地临近判别的过程进行评价，能够确定泄漏路径，判别可能受到影响的水源地，并判别出危险管段。

1、与QRA技术相比：

(1)本方法可用于陆上长输管道的泄漏路径及泄漏影响范围的判别与评价，并可根据泄漏范围判别出可能影响的河流、海洋等水体；

(2)本方法充分考虑了地形、地势的因素，能够贴近实际情况模拟油品物质在地表扩散的过程；同时，本方法可以对结果进行可视化表达，显示泄漏油品扩散范围，与水体的空间相对位置，判别出直接或间接影响的水体；

(3)与QRA技术相比，本判别方法的空间尺度更大，适用于陆上长距离输送油管道，能够针对管道上多个、连续分布的泄漏模拟点进行模拟。

2、基于数字高程模型(DEM)的水文评价技术：

(1)本方法以管道泄漏油品为评价对象，主要用于判别陆上管道油品泄漏范围及识别可能影响的水体；

(2)本方法在模拟泄漏油品随地表漫流的过程中，将研究区域周边所有的地势情况纳入考虑范围之内，以此为依据判断泄漏油品的流向和流量；

(3)本方法不仅考虑油品在地面漫流的过程，同时，亦考虑泄漏油品在地势低洼点的汇集过程，故在评价的过程中，将保留地势低洼的区域作为分析油品汇集的基础数据。

发明的效果：

本发明可以对陆上油管道泄漏范围进行分析，判别可能影响的水源地，识别潜在失效管段，有助于提高管道运营单位对管道危险段的认识程度，提升管道的安全管理水平，并作为管道安全运行管理的一部分，为制定安全对策提供依据。

本发明改变了管道传统的一维平面思考方式，通过空间评价方法对影响区域进行评价，以空间位置信息为基础，对各类信息进行叠加，判别潜在失效管段，并采用地图的方式对分析结果进行展示，其展示手段直观、易于理解。

本发明不仅可用于油品泄漏对水体的影响性判别与评价，也可用于对临近人口密集区等环境敏感区域的影响评价，应用前景广泛。

附图说明

图1陆上管道油品泄漏对水体影响的评价流程图

图2泄漏漫流评价示意图

图3泄漏汇流评价示意图

图4泄漏位置选择图

图5泄漏范围分布图

图6截断阀1到截断阀2之间的泄漏范围分布信息图

图7截断阀2到截断阀3之间的泄漏范围分布信息图

图8管道周边水文分布情况图

图9截断阀1-2泄漏范围与临近水系分布图

图10截断阀1-2泄漏影响水系图

图11截断阀2-3泄漏范围与临近水系分布图

图12截断阀2-3泄漏影响水系图

图13河流交叉位置分布图

图14河流交叉处泄漏影响水域图

图152#位置泄漏直接影响河流图

图162#位置泄漏间接影响河流图

图17危险管段识别图

具体实施方式

实施例.本例是一实验方法，该实施例展示了本发明应用于管道的判别过程，其流程如图1所示。

1、泄漏场景设定

模拟场景：大泄漏，泄漏点孔径为50mm，泄漏时间12小时；

管道基本参数：管道输送压力为6.4MPa，管径为φ529mm；

图4展示了选定的泄漏模拟点；

利用经验计算公式，计算各个泄漏位置的泄漏量，如表7-1所示：

表7-1泄漏位置的泄漏量

	泄漏量(m3)		泄漏量(m3)		泄漏量(m3)
						1#位置	4737	2#位置	6148	3#位置	6701
4#位置	7200	5#位置	6664	6#位置	6900
						7#位置	6454	8#位置	7139	9#位置	6101

2、泄漏范围判别

依据各个泄漏点的泄漏量、周边地势情况，参照漫流、汇流评价方法，利用数字高程模型等基础数据，判别漫流、汇流的边界位置，计算各个泄漏点的泄漏范围；

图5展示了泄漏油品的漫流、汇集评价的结果；

图6展示了截断阀1到截断阀2之间的泄漏范围分布信息；

图7展示了截断阀2到截断阀3之间的泄漏范围分布信息；

3、影响水域判别

依据各个泄漏范围，通过叠加水文数据，参照空间位置关联关系，识别泄漏范围内的水域，这类水域可被视为泄漏直接影响的水域；

同时，考虑水流的流向即水体上、下游之间的关系，在直接影响水域的基础上，识别其下游水系，这类水系可被视为泄漏间接影响的水系；

图8展示了管道周边水文分布情况，并显示了泄漏点与临近水系的相对位置；

图9、图10展示了截断阀1到截断阀2之间的泄漏影响的水系，其中图10中高亮显示的河流为直接或间接影响的河流；

图11、图12展示了截断阀2到截断阀3之间的泄漏影响的水系，其中图12中高亮显示的河流为直接或间接影响的河流；

4、危险管段判别

I类泄漏位置：取河流与管道交叉处作为I类泄漏位置，当该处发生泄漏，油品将流入河流，并影响其下游的水域；

例如：在2#-3#泄漏位置附近取4个河流交叉位置作为I类泄漏点，当发生泄漏时，处于这个位置的河流及其下游将受到影响，如图13和图14所示；

II类泄漏位置：1#、2#、3#、7#、8#、9#

例如：2#泄漏位置，距离河流有一定的距离，属于II类泄漏位置，当该点发生泄漏后，通过泄漏范围分析可以发现，油品会直接对水体产生影响，如图15所示，高亮显示的河流为泄漏直接影响的河流；同时，考虑到河流之间的连通性，泄漏油品还会对下游河流造成影响，如图16所示，高亮显示的河流为间接影响的河流；

通过分析I、II类泄漏位置的影响范围，判别出管道危险段，即1#-3#管段、6#-9#管段，如图17所示；

5、结论

(1)利用该方法能够模拟管道泄漏物质的泄漏路径；

(2)利用该方法不仅能够识别泄漏物质直接影响的水体，还能识别间接影响的水体；

(3)利用该方法可发现距离河流一段距离、泄漏物质可能对河流造成影响的潜在的危险点；

(4)利用该方法可针对陆上长距离输油管道进行多个泄漏场景的分析，识别危险管段。

Claims (2)

1.一种陆上管道油品泄漏对水体影响的判别方法，其特征是它依次为：

1)泄漏模拟数据准备；

所述泄漏模拟数据准备包括判断用于计算泄漏模拟数据是否完整，数据内容有地面高程数据、地表植被、建筑物分布、管道本体参数；

2)泄漏位置准备与泄漏量计算；

所述泄漏位置准备与泄漏量计算是根据泄漏模拟数据，进行多个泄漏场景的设置，包括泄漏位置的选择、泄漏量的计算；

所述泄漏位置选择，即根据选定管道，沿管道均匀布置泄漏模拟点，或根据管道周边的地形、地貌、水文分布情况随机布点；

所述泄漏量计算，即根据制定的泄漏模拟点，结合上下游截断阀距离、管道高程、输送压力、泄漏孔径尺寸、时间参数，计算泄漏量；

计算公式参照经验泄漏模型，如下所示：

①V_R＝min{V₀+γ₀t₁/ρ,V₀+γ_Rt₁/ρ}当d_hole＞0.005m时，

或V_R＝γ_Rt₂/ρ当d_hole≤0.005m时；

其中，V_R为泄漏量，单位m³；

V₀为两个截断阀之间的油量，单位m³；

γ₀为油品流动速度，单位kg/s；

γ_R为油品泄漏速度，单位kg/s；

t₁为管道发生泄漏到关闭截断阀的时间，单位s；

t₂为管道发生泄漏到停止泄漏的时间，单位s；

ρ为油品密度，单位kg/m³；

② ${\mathrm{\γ}}_R=C_{d}A\mathrm{\ρ}\sqrt{\frac{2(p+p_0+\mathrm{\ρ}gh)}{\mathrm{\ρ}}}$

其中，γ_R为油品泄漏速度，单位kg/s；

C_d为液体泄漏系数；

A为裂口面积，单位m²；

p为容器内介质压力，单位Pa；

p₀为环境压力，单位Pa；

g为重力加速度，为9.8m/s；

h为裂口之上液位高度，单位m；

3)泄漏漫流评价；

所述泄漏漫流评价为依据地形、地势、地表植被、泄漏量的数据，模拟泄漏油品在地面的扩散过程，计算泄漏范围；

以初始泄漏位置为起点，参照泄漏量、临近地形、坡度、地表植被、建筑物密度判别油品的漫流方向；判别油品的漫流方向的过程以数字高程模型DEM为基础，考虑研究区域周边所有方向的地势落差情况，识别所有地势低于评价区域的低点，并依据这些地势低点的落差比率，判别泄漏油品的流向和流量；

该判别油品的漫流方向的过程，通过识别初始位置周边的地势低点，经过循环迭代的方式，依次找出漫流的边界点，具体过程如下所示：

该判别以数字高程模型DEM为基础，其中每个方格内的数值代表地面高程；

①初始位置选择；

②第一次漫流过程：依据初始位置周边的地势落差，选择该位置周边的地势低点作为漫流影响的像元；

③第二次漫流过程：依据第一次漫流过程的结果，选择边界点为第二次漫流的起始位置，选择周边的地势低点作为漫流影响的像元；

④按照此种方式，依次寻找漫流边界点，得最终分析结果；

本方法将评价区域周边所有地势低点纳入分析范围之内，充分考虑周边所有方向的落差，其结果呈面状分布，能够很好的再现泄漏油品在地面的漫流分布状况；

4)泄漏汇流评价；

所述泄漏汇流评价是以漫流评价结果为基础，计算泄漏油品在各个地势低洼地的汇集情况；判别泄漏汇流评价的过程以数字高程模型DEM为基础，识别评价区域范围内的洼地，依据漫流的结果，计算漫流范围内各个洼地汇集情况；当单个洼地的汇集量超出洼地的容积后，油品外溢并再一次进行漫流评价，直至各个洼地的汇集油品停止外溢；

该判别泄漏汇流评价的过程，通过分析初始位置周边的地势高点，经过循环迭代的方式，依次找出汇流的边界点，具体过程如下所示：

该判别示例以数字高程模型为基础，其中每个方格内的数值代表地面高程；

①初始位置选择；

②第一次汇流过程：依据初始位置周边的地势落差，选择该位置周边的地势高点作为汇集的像元；

③第二次汇流过程：依据第一次汇集过程的结果，选择边界点为第二次汇流的起始位置，选择周边的地势高点作为漫流影响的像元；

④按照此种方式，依次寻找汇流点，得最终分析结果；

本方法利用数字高程模型DEM，判别区域内油品可能汇集的洼地，并计算各个洼地汇集泄漏油品的上限值，以此为依据判断是否再次进入漫流评价过程；

根据泄漏油品漫流、汇流评价的结果，确定油品的泄漏范围；

5)水文数据准备，所述水文数据准备是判断水文数据是否完整，水文数据准备包括水流走向、水流流量、水系分布数据的准备；

6)流域影响性判别，所述流域影响性判别是依据泄漏范围判别的结果，以空间位置信息为基础，将上述判别结果与水文数据进行叠加，判别出直接影响的水域，即处于泄漏范围之内的水域；同时，利用水系之间的连通性，参照直接影响的水域，找出可能间接影响的水域；

7)危险管段判别，所述危险管段判别是依据泄漏位置、泄漏范围、影响水体，识别I、II类危险点，形成管道危险段；本模型将泄漏位置分为2类：I类泄漏位置为距离河流距离较近的泄漏点；II类泄漏位置为距离河流较远的泄漏点；

8)结束。

2.根据权利要求1所述的陆上管道油品泄漏对水体影响的判别方法，其特征是所述液体泄漏系数Cd取值为：当裂口大于100mm时，裂口形状为圆形，其值为0.65，裂口形状为三角形其值为0.60，裂口形状为长方形，其值为0.55；当裂口小于或等于100mm时，裂口形状为圆形，其值为0.50，裂口形状为三角形其值为0.45，裂口形状为长方形，其值为0.40。