油气管道泄漏扩散模拟及环境风险区划

伴随着油气资源开发的不断扩大和长距离大运量管道输送网络的拓展，环境安全风险防控工作面临着新的挑战。油气泄漏之后，轻质组分迅速挥发生成可燃/有毒的气体，而重质组分沿着地表运移污染土壤和水体，扩散过程同时具有气液两相的耦合和多尺度的输送特点。传统经验模型已经很难适应复杂情景泄漏扩散精准预测的需要，因此迫切需要构建一种多物理场耦合数值模拟方法。同时区域环境风险评估需要打破单一事故场景的限制，以系统性的风险区划将地质，气象和人口分布纳入其中，实现了对风险源和承灾体进行空间关联分析以促进风险管理科学有效的目标。

一、油气管道泄漏扩散模拟及风险区划的背景与意义

油气管道是输送能源的“血管”，担负着世界上绝大部分石油，天然气远距离输送的任务。但受管道老化，腐蚀和第三方破坏的影响，油气泄漏的事故频发。一旦漏失，油气快速蔓延，不但造成重大经济损失，而且还会给周围的土壤，水体和大气环境带来严重的污染，甚至火灾、爆炸及其他安全事故威胁着周围居民生命财产安全。因此，对油气管道进行泄漏扩散模拟和环境风险区划具有重要的意义。

油气管道泄漏的扩散过程非常复杂，受很多因素的影响，例如泄漏发生的地点，泄漏的数量，地形地貌，气象条件以及油气的物理化学性质。不同泄漏场景油气扩散范围与速度相差较大。为了更加准确地把握油气泄漏后扩散规律并为应急处置、风险防控等工作提供科学依据，有必要借助先进模拟技术开展泄漏扩散过程研究工作。

环境风险的区域划分是基于泄漏扩散的模拟数据，并结合了区域内的人口分布、生态环境的敏感性以及关键基础设施的分布等多个因素，对油气管道周边地区的环境风险进行了全面的评估和分级。通过风险区划可明确确定高风险区域，方便管理部门有针对性地制定风险防范措施、合理调配应急资源、尽可能减少油气管道泄漏对环境风险及社会影响。

二、油气管道泄漏扩散模拟与环境风险区划的技术方法

（一）油气管道泄漏扩散模拟技术

当前油气管道泄漏扩散的模拟有数值模拟与物理模拟。数值模拟以流体力学，传热学和传质学为理论基础，通过构建数学模型并采用计算机求解的方法对油气的泄漏和扩散过程进行模拟研究。以计算流体动力学（CFD）模型为研究对象，该模型的核心任务是解决纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，并通过离散化的方式，将复杂的流体动力学行为转换为计算机能够处理的数值计算任务。实际工作中首先要针对泄漏点的位置，管道参数，油气物性等特定泄漏场景设置边界条件及初始条件，再运用 FLUENT,ANSYS 等专业软件对其进行计算。这种方法成本较低，可重复性好，能模拟出复杂的运行条件，并且通过调节参数可以快速地模拟出油气在各种泄漏场景中的传播过程，从而为风险评价提供了丰富的数据支撑。比如，对不同风速和风向情况下油气扩散进行模拟时，只要对软件中的气象参数进行修正就可以获得对应的扩散结果。但是数值模拟有一定的局限性，需要对模型的参数进行标定，模拟的结果取决于假设的条件，如果假设偏离了真实的状况，就会造成模拟结果的不精确。

物理模拟的方法是根据特定的比例构建实体模型，并在实验室条件下模拟油气的泄漏和扩散过程。在构建模型时需结合实际管道尺寸，地形地貌等以相似准则来确定其几何尺寸和流体参数。比如在山区管道泄漏模拟中，要求准确地再现山区地形并使用类似于真实油气的流体来测试。在试验过程中通过加装传感器和高速摄像机，可以对泄漏扩散现象进行直观观测并得到精确的试验数据，例如油气浓度分布和扩散速度。但物理模拟代价高昂，从模型搭建至实验运行都需耗费大量人力，物力及时间成本，同时受实验条件限制，很难全面模拟真实复杂环境，例如，极端气象条件、大规模泄漏场景等很难得到真实的恢复。

（二）环境风险区划方法

环境风险区划，首先要确定风险评估的指标体系。评估指标涉及自然环境因素，社会经济因素和管道自身因素 3 类。从自然环境因素来看，地形因素主要包括坡度和高程，坡度越大地区油气扩散越迅速；气象因素考虑风速，风向和降水量，强风可加快油气的扩散速度，降水则可能对油气向土壤及水体运移产生影响；水文因素与河流和湖泊的分布有关，如果管道距离水源地较近，发生渗漏后对水体造成污染的危险极大。在社会经济因素中，人口密度作为一个关键指标表现得更为突出，人口稠密的地区可能受到的威胁人群也更大；产业布局上，化工园区这类特殊地区油气泄漏敏感性较高。管道本身的因素有管道压力、压力越大、油气在泄漏过程中喷出得越快等；输送介质危险性大，例如高毒和易燃易爆介质，发生泄漏时危险性更大。

在确定了各项指标之后，我们采用了层次分析法和熵权法等多种权重分配手段，为每个指标分配了相应的权重。以层次分析法作为研究对象，我们首先构建了一个层次结构模型，其中目标层被定义为环境风险评估，准则层则包括自然环境、社会经济和管道自身这三大因素，而指标层则是用于具体评估的指标；再由专家打分等来构建判断矩阵并计算出各项指标权重。然后采用综合指数法对区域环境风险值进行了测算，其计算公式如下：

其中 R 为环境风险值， ΔW_i 为第 i 个指标的权重，Vi 为第 i 个指标的评分值。依据风险值的大小将油气管道工程分为低风险区，中风险区和高风险区 3 个级别。基于划分的结果，我们绘制了环境风险的区划图，并采用地理信息系统（GIS）技术，直观地在地图上展示了各个区域的风险等级，为油气管道的运营管理及政府决策提供了可视化依据。

三、结语

油气管道泄漏扩散仿真和环境风险分区研究打破了传统技术的限制，将多学科理论和先进技术手段有机结合起来，建立起一套系统的风险防控体系。它在实现复杂泄漏场景精准模拟和科学风险评估的同时，也促进了油气输送行业风险管理模式朝着智能化和精细化方向发展，这对于保障能源安全，维护生态环境稳定，促进社会可持续发展有着深远的意义和战略价值。

参考文献

[1]谢秋菊.高钢级管道环焊缝风险评价方法与软件开发[D].中国石油大学(北京),2022.

[2]甄旭倩.基于有限元分析和优化贝叶斯网络的腐蚀缺陷管道失效风险研究[D].西安建筑科技大学,2022.

[3]郎业龙,潘振.不同黏度油品埋地输油管道泄漏扩散规律分析[J].山西化工,2021,41(04):84-86.