一种埋地燃气管道泄漏扩散至相邻地下空间浓度预测方法与流程

1.本发明涉及燃气管道监测技术领域领域，具体是一种埋地燃气管道泄漏扩散至相邻地下空间浓度预测方法。


背景技术：

2.随着城市建设的快速发展，各种地下基础设施日益增多，其与燃气管道设施之间临近、交叉的现象十分常见；当埋地燃气管道发生泄漏后，很容易通过土壤扩散至临近地下空间，进而诱发燃爆事故；因此当发生燃气管线泄漏后，准确预测燃气在土壤中的扩散范围及相邻地下空间燃气聚集浓度，对评估燃气管线泄漏事故态势具有重要意义。
3.现有的中国专利号为2018113259741的燃气管道的泄漏检测方法及装置和中国专利号为201810482649x燃气泄漏溯源方法及装置对燃气的管道泄漏的检测都对做出检测，但是燃气管道泄漏后，如何对相邻地下空间是否存在燃气、燃气积聚浓度上限进行科学、合理的预测，依旧是燃气管网泄漏监测及应急的重点，也是目前燃气行业的难点。


技术实现要素：

4.对于现有产生的问题，本发明的目的在于提供一种埋地燃气管道泄漏扩散至相邻地下空间浓度预测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种埋地燃气管道泄漏扩散至相邻地下空间浓度预测方法，其步骤如下：
7.s1、方法计算
[0008]ⅰ计算土壤扩散系数
[0009]
燃气在土壤中的扩散范围受土壤性质差异的影响，而最关键的一个影响参数就是燃气在土壤中的扩散系数；
[0010]
不同土壤介质的有效扩散系数依据buckingham方法来进行计算；
[0011][0012]
上式中，ds为某种土壤介质的气体扩散系数，d0为气体在相同温度自由大气中的扩散系数，即ds/d0为直接测定的土壤气体扩散系数与该气体在相同温度大气压下于自由大气中的扩散系数之比；d0需要用根据下式进行温度校正：
[0013][0014]
式中，t1为校正前温度，k；对于燃气，取甲烷在t1为273.15k时对应的d0(273.15k)为1.0121
×
10-4
计算过程为：d0(273.15k)＝0.0101*273.15^1.75*(1/16+1/28.9634)
[0015]
^0.5/((15.9+2.31*4)^(1/3)+(19.7)^(1/3))/101325；t2为校正后温度，即燃气管线上方土壤温度或大气温度；
[0016]
ε为充气孔隙度，可根据下式计算：
[0017][0018]
式中：φ为土壤总孔隙度，ρb为土柱容重，ρs为土壤的颗粒密度，θv为土壤体积含水量；
[0019]
综上，燃气在土壤中的有效扩散系数可表示为：
[0020][0021]ⅱ单层土壤覆盖下燃气土壤扩散浓度分析
[0022]
假设燃气管线上方覆盖为均一性质土壤，燃气稳定扩散，其扩散系数不变；则可以利用蒸汽入侵(vi)理论计算与燃气管段相距一定水平距离燃气的检查井或连通管段中燃气通过土壤扩散的聚集浓度为：
[0023][0024]
其中，c为检查井或连通管段内通过土壤扩散的聚集体积浓度，ds为单层土壤的燃气扩散系数，ds为泄漏燃气管线的埋深hg，df为相邻检查井的深度hf，或燃气管线周边相邻连通管段的埋深hf，由于燃气密度较轻，更容易向上扩散，因此当df》ds时，取df＝ds；l0为燃气管线与监测井之间无覆盖(纯土壤)介质部分的距离，l
p
为燃气管线与监测井之间有覆盖(如水泥、沥青等除土壤外)介质部分的距离，η为燃气管线地表覆盖介质类型修正系数，反映的是地表覆盖介质对燃气扩散进入大气的阻挡作用，即η越趋向于0，覆盖介质阻挡气体向大气扩散效果越好；
[0025]ⅲ多层土壤覆盖下燃气土壤扩散浓度分析
[0026]
燃气管线上覆盖有多层土壤时，燃气泄漏在不同性质土壤中的扩散情况各不相同，因此需要综合考虑各层土壤的厚度及燃气有效扩散率影响；则多层土壤性质条件下，燃气扩散浓度可表示为：
[0027][0028]
因此，燃气管线上方覆盖两层、三层覆盖介质时，泄漏扩散浓度与距离的关系可表示为：
[0029][0030]
其中，n是燃气管道上方覆盖不同性质土壤的总层数，hi为第i层中从底部开始计
算的土壤厚度，且∑hi＝ds；di是为第i层中从底部开始计算的土壤中燃气有效扩散系数；
[0031]
s2、构建燃气管段-相邻地下空间燃气扩散聚集浓度关联关系表
[0032]
针对每一段燃气管线i，分析其泄漏扩散后周边12.5米范围内所有窨井j的可能燃气扩散聚集浓度cij，构建关联分析表；
[0033]
同时，针对每一段燃气管线i，分析其泄漏扩散后周边12.5米范围内所有连通管段k的可能燃气扩散聚集浓度c
ik
，构建关联分析表。
[0034]
作为本发明进一步的方案：所述的步骤s1中ⅱ单层土壤覆盖下燃气土壤扩散浓度分析的如下：
[0035]
1)地表覆盖介质类型对燃气土壤扩散浓度影响
[0036]
根据相关文献及案例研究，一般燃气在地表覆盖介质为土壤、草地时的横向最远扩散为2-3m；燃气在地表覆盖介质为道板砖时的横向最远扩散为5-6m；燃气在地表覆盖介质为混凝土时的横向最远扩散为12.5m；因此当地表覆盖介质为水泥、沥青、道板砖、草地或绿化带或土壤时，燃气管线地表覆盖介质类型修正系数η建议取值分别为0.2、0.3、0.4、1；
[0037]
因此，当η取1时，式(3.5)可改写为：
[0038][0039]
其中，ηm指第m种燃气管线地表覆盖介质类型修正系数，l
pm
指第m种燃气管线地表覆盖介质(包含土壤)距m-1燃气管线地表覆盖介质(包含土壤)的横向距离；
[0040]
同时，随着燃气管线埋深的增加，地表覆盖介质对燃气在横向上的最远扩散距离影响相对减小；根据燃气在纯土壤情况下，横向最远扩散距离为2-3m，因此当燃气管线的埋深超过2m时，地表覆盖介质类型对燃气在横向上的最远扩散距离几乎没有影响，此时不管地表为何种覆盖介质类型，η取值均为1；
[0041][0042]
此外，当燃气管线上方地表不同方向上有多种类型覆盖介质时，可以根据不同覆盖介质类型预估燃气泄漏的浓度分布情况；
[0043]
2)燃气管线的扩散横向半径
[0044]
此时，基于燃气预警或边界浓度c，可得燃气管线的扩散横向半径可表示为：
[0045][0046]
作为本发明进一步的方案：所述的步骤s1中ⅲ多层土壤覆盖下燃气土壤扩散浓度分析的如下：
[0047]
1)燃气管线的扩散横向半径
[0048]
取c为3％vol，燃气管线上方覆盖两层、三层覆盖介质时，根据下式可得燃气管线的扩散横向距离；
[0049]
2层土壤：
[0050][0051]
3层土壤：
[0052][0053]
与现有技术相比；本发明的有益效果是：本发明为燃气泄漏土壤扩散方法，主要是依据蒸汽入侵(vi)理论，对埋地燃气管线泄漏扩散至相邻地下空间的浓度范围进行预测，同时预估燃气管线周边任一地下空间可能达到的燃气聚集浓度。
[0054]
本发明适用于埋地燃气管线的埋深、周边地表覆盖介质参数、相邻地下空间埋深、与相邻地下空间水平距离已知的情况下，对燃气管线在土壤中的泄漏范围及相邻地下空间的燃气聚集浓度进行预测。本发明能很好的对地下空间可燃气体的燃气管道泄漏时的浓度进行预测，保证后续的救援速度，增加安全性。
附图说明
[0055]
图1为埋地燃气管道泄漏扩散至相邻地下空间浓度预测方法的结构示意图。
具体实施方式
[0056]
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
[0057]
当燃气管线泄漏发生扩散时，其在土壤中的扩散形式与蒸汽的化学物质从任何地下来源迁移到上覆建筑物时的原理相似，因此可以利用蒸汽入侵(vi)理论对燃气泄漏扩散情况进行分析。
[0058]
根据相关文献，燃气管线周边土壤性质及地表覆盖介质类型对于燃气扩散范围具有一定的影响；当燃气管线泄漏发生扩散时，燃气在纵向与横向上均有扩散；根据《cjj33-2005城镇燃气输配工程施工及验收规范》，城市燃气管线上方覆盖有多层土壤，而土壤的性质不同，燃气在纵向上的最远扩散距离也有所差异；同时，在横向上，地表覆盖介质不同，燃
气在横向上最远扩散距离也不相同；因此需要根据管线上层土壤分层情况及地表覆盖介质类型对燃气泄漏在土壤中的浓度变化进行分析。
[0059]
请参阅图1，一种埋地燃气管道泄漏扩散至相邻地下空间浓度预测方法，其步骤如下：
[0060]
s1、方法计算
[0061]ⅰ计算土壤扩散系数
[0062]
燃气在土壤中的扩散范围受土壤性质差异的影响，而最关键的一个影响参数就是燃气在土壤中的扩散系数；
[0063]
不同土壤介质的有效扩散系数依据buckingham方法来进行计算；
[0064][0065]
上式中，ds为某种土壤介质的气体扩散系数，d0为气体在相同温度自由大气中的扩散系数，即ds/d0为直接测定的土壤气体扩散系数与该气体在相同温度大气压下于自由大气中的扩散系数之比；d0需要用根据下式进行温度校正：
[0066][0067]
式中，t1为校正前温度，k；对于燃气，取甲烷在t1为273.15k时对应的d0(273.15k)为1.0121
×
10-4
计算过程为：d0(273.15k)＝0.0101*273.15^1.75*(1/16+1/28.9634)^0.5/((15.9+2.31*4)^(1/3)+(19.7)^(1/3))/101325；t2为校正后温度，即燃气管线上方土壤温度或大气温度；
[0068]
ε为充气孔隙度，可根据下式计算：
[0069][0070]
式中：φ为土壤总孔隙度，ρb为土柱容重，ρs为土壤的颗粒密度，θv为土壤体积含水量；
[0071]
综上，燃气在土壤中的有效扩散系数可表示为：
[0072][0073]ⅱ单层土壤覆盖下燃气土壤扩散浓度分析
[0074]
假设燃气管线上方覆盖为均一性质土壤，燃气稳定扩散，其扩散系数不变；则可以利用蒸汽入侵(vi)理论计算与燃气管段相距一定水平距离燃气的检查井或连通管段中燃气通过土壤扩散的聚集浓度为：
[0075][0076]
其中，c为检查井或连通管段内通过土壤扩散的聚集体积浓度，ds为单层土壤的燃气扩散系数，ds为泄漏燃气管线的埋深hg，df为相邻检查井的深度hf，或燃气管线周边相邻连通管段的埋深hf，由于燃气密度较轻，更容易向上扩散，因此当df》ds时，取df＝ds；l0为燃
气管线与监测井之间无覆盖(纯土壤)介质部分的距离，l
p
为燃气管线与监测井之间有覆盖(如水泥、沥青等除土壤外)介质部分的距离，η为燃气管线地表覆盖介质类型修正系数，反映的是地表覆盖介质对燃气扩散进入大气的阻挡作用，即η越趋向于0，覆盖介质阻挡气体向大气扩散效果越好；
[0077]
1)地表覆盖介质类型对燃气土壤扩散浓度影响
[0078]
根据相关文献及案例研究，一般燃气在地表覆盖介质为土壤、草地时的横向最远扩散为2-3m；燃气在地表覆盖介质为道板砖时的横向最远扩散为5-6m；燃气在地表覆盖介质为混凝土时的横向最远扩散为12.5m；因此当地表覆盖介质为水泥、沥青、道板砖、草地或绿化带或土壤时，燃气管线地表覆盖介质类型修正系数η建议取值分别为0.2、0.3、0.4、1；
[0079]
因此，当η取1时，式(3.5)可改写为：
[0080][0081]
其中，ηm指第m种燃气管线地表覆盖介质类型修正系数，l
pm
指第m种燃气管线地表覆盖介质(包含土壤)距m-1燃气管线地表覆盖介质(包含土壤)的横向距离；
[0082]
同时，随着燃气管线埋深的增加，地表覆盖介质对燃气在横向上的最远扩散距离影响相对减小。根据燃气在纯土壤情况下，横向最远扩散距离为2-3m，因此当燃气管线的埋深超过2m时，地表覆盖介质类型对燃气在横向上的最远扩散距离几乎没有影响，此时不管地表为何种覆盖介质类型，η取值均为1；
[0083][0084]
此外，当燃气管线上方地表不同方向上有多种类型覆盖介质时，可以根据不同覆盖介质类型预估燃气泄漏的浓度分布情况；
[0085]
2)燃气管线的扩散横向半径
[0086]
此时，基于燃气预警或边界浓度c，可得燃气管线的扩散横向半径可表示为：
[0087][0088]ⅲ多层土壤覆盖下燃气土壤扩散浓度分析
[0089]
燃气管线上覆盖有多层土壤时，燃气泄漏在不同性质土壤中的扩散情况各不相同，因此需要综合考虑各层土壤的厚度及燃气有效扩散率影响；则多层土壤性质条件下，燃气扩散浓度可表示为：
[0090][0091]
因此，燃气管线上方覆盖两层、三层覆盖介质时，泄漏扩散浓度与距离的关系可表示为：
[0092][0093]
其中，n是燃气管道上方覆盖不同性质土壤的总层数，hi为第i层中从底部开始计算的土壤厚度，且∑hi＝ds；di是为第i层中从底部开始计算的土壤中燃气有效扩散系数；
[0094]
1)燃气管线的扩散横向半径
[0095]
取c为3％vol，燃气管线上方覆盖两层、三层覆盖介质时，根据下式可得燃气管线的扩散横向距离。
[0096]
2层土壤：
[0097][0098]
3层土壤：
[0099][0100]
s2、构建燃气管段-相邻地下空间燃气扩散聚集浓度关联关系表
[0101]
针对每一段燃气管线i，分析其泄漏扩散后周边12.5米范围内所有窨井j的可能燃气扩散聚集浓度cij，构建关联分析表，如下表。
[0102][0103]
同时，针对每一段燃气管线i，分析其泄漏扩散后周边12.5米范围内所有连通管段k的可能燃气扩散聚集浓度c
ik
，构建关联分析表，如下表。
[0104][0105]
本发明为一种燃气泄漏土壤扩散方法，主要是依据蒸汽入侵(vi)理论，对埋地燃气管线泄漏扩散至相邻地下空间的浓度范围进行预测，同时预估燃气管线周边任一地下空间可能达到的燃气聚集浓度。
[0106]
本方法适用于埋地燃气管线的埋深、周边地表覆盖介质参数、相邻地下空间埋深、与相邻地下空间水平距离已知的情况下，对燃气管线在土壤中的泄漏范围及相邻地下空间的燃气聚集浓度进行预测。
[0107]
对于本领域技术人员而言；显然本发明不限于上述示范性实施例的细节；而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下；能够以其他的具体形式实现本发明；因此；无论从哪一点来看；均应将实施例看作是示范性的；而且是非限制性的；本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定；因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内；不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；
[0108]
此外；应当理解；虽然本说明书按照实施方式加以描述；但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案；说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见；本领域技术人员应当将说明书作为一个整体；各实施例中的技术方案也可以经适当组合；形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。