大氣污染物擴散高斯模型模擬

1、92.2大氣污染物擴散的高斯模型模擬：可視化模擬點源大氣污染的擴散9.2.2 Gaussian Atmospheric Dispersion Model突發(fā)性大氣污染事故時有發(fā)生，對大氣污染擴散進行模擬和分析，有利于減小事故的危害，減輕人員傷亡和財產(chǎn)損失。高斯擴散模型是國際原子能機構(gòu)(IAEA)推薦使用于重氣云擴散模擬的數(shù)學(xué)模型，該模型在非重氣云擴散的應(yīng)用日益廣泛。高斯擴散模型是描述大氣對有 害氣體的輸移、擴散和稀釋作用的物理或數(shù)學(xué)模型，是進行災(zāi)害預(yù)測和救援指揮的有力手段之一。高斯擴散模型高斯模型又分為高斯煙團模型和高斯煙羽模型。大氣污染物泄漏分為瞬時泄漏和連續(xù)泄漏，瞬時泄漏是指污染物泄放的時

2、間相對于污染物擴散的時間較短如突發(fā)泄漏等的情形，連續(xù)泄漏則是指污染物泄放的時間較長的情形。瞬時泄漏采用高斯煙團模型模擬，而連續(xù)泄漏采用高斯模型煙羽模型模擬。高斯模型適用于非重氣云氣體，包括輕氣云和中性氣云氣體。 要求氣體在擴散過程中，風(fēng)速均勻穩(wěn)定。在高斯煙團模型中，選擇風(fēng)向建立坐標(biāo)系統(tǒng)，即取泄漏源為坐標(biāo)原點，x軸指向風(fēng)向，y軸表示在水平面內(nèi)與風(fēng)向垂直的方向，z軸則指向與水平面垂直的方向，具體公式見式(9.1):(x ut)2C(x,y,z, t)y2e花(z_H)2(z H)2,(eP +eF)(9.1)其中：|C(x, y,z,t) |為泄漏介質(zhì)在某位置某時刻的濃度值；Q為污染物單位時間排放

3、量(mg/s);匕、已、二分別x、y、z軸上的擴散系數(shù)，需根據(jù)大氣穩(wěn)定度選擇參數(shù)計算得到(m); x、y、z表示x、y、z上的坐標(biāo)值(m); u表示平均風(fēng)速(m/s); t表示擴散時間(s); H 表示泄漏源的高度(m)。同理，高斯煙羽模型的表達式如：C(x,y,z,t)= Q2 y 2占 e2二 u二 z(z H)2(z H )2(9.2)技術(shù)方法若用高斯模型算出空間每一個點在一個時刻的污染濃度，這個計算量是很大的。因此所設(shè)計的系統(tǒng)一般都是采用先進行圖層網(wǎng)格化，由高斯模型計算出有限個網(wǎng)格點的上的污染物濃度，在進行空間內(nèi)插得到面上每一個點的污染物濃度，并由此得到污染物濃度的等值線。整個過程的示

4、意圖如圖 所示幵始I加載地圖圖921大氣污染擴散的高斯模擬的步驟1）圖層網(wǎng)格化圖層網(wǎng)格格式分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格中每個結(jié)點都有數(shù)量相同的相鄰點，如正方形格網(wǎng)，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則不同。由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格易于實現(xiàn)，便于進行插值處理，故多用于實際應(yīng)用。 考慮到氣體污染物質(zhì)量濃度的空間變化頻繁，采用固定的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以事故發(fā)生中心地為整個區(qū)域的幾何中心，采用等間距條件將圖層的二維空間離散化，計算每個網(wǎng)格點上面的污染物濃度，自動生成反映大氣污染物質(zhì)量濃度分布的等間距網(wǎng)格。2）空間插值空間插值常用于將離散點的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，以便與其他空間現(xiàn)象的分布模式進行比較，它包括了空

5、間內(nèi)插和外推兩種算法?？臻g插值的理論假設(shè)是空間位置上越靠近的點，越可能具有相似的特征值；而距離越遠(yuǎn)的點，其特征值相似的可能性越小。空間插值的方法可以分為整體插值和局部插值兩類。整體插值方法用研究區(qū)所有采樣點的數(shù)據(jù)進行全區(qū)特征的擬合，局部插值方法僅僅用鄰近的數(shù)據(jù)點來估計未知的值。整體插值方法一般包括邊界內(nèi)插方法、趨勢面分析和變化函數(shù)插值。局部插值方法只使用臨近的數(shù)據(jù)點來估計未知點的數(shù)值，一般包括最鄰近點法（泰森多邊形法 ） 、移動平均插值法 （距離倒數(shù)插值法 ）、樣條函數(shù)插值法和空間自協(xié)方差最佳法（克里金插值法 ）。在 ArcGIS 中，有如下插值方法可供使用：全局多項式插值法，反距離權(quán)重法，含

6、障礙 的擴散插值法， 含障礙的核插值法， 局部多項式插值法， 徑向基函數(shù)插值法和移動窗口克里 金法。3） 系統(tǒng)實現(xiàn)由于ArcGIS等軟件無法直接實現(xiàn)大氣污染物的高斯模擬，需要借助諸如MapX、ArcGISEngine的二次開發(fā)實現(xiàn)氣體濃度值在 GIS平臺上動態(tài)展示的技術(shù)方法。這里以基于 C#.NET 和GIS組件ArcGIS Engine的二次開發(fā)為例，介紹實現(xiàn)二三維模擬大氣污染物高斯擴散的方案。ArcGIS Engine是用于構(gòu)建定制應(yīng)用的一個完整的嵌入式 GIS組件庫。本案例模擬共包括 五個功能模塊： 空間數(shù)據(jù)庫模塊、地圖基本操作模塊、事故參數(shù)設(shè)置模塊、 事故模擬分析模 塊和文檔保存輸出模

7、塊。各個模塊的主要功能具體如下：a. 空間數(shù)據(jù)庫模塊主要是指地圖中各個圖層中的空間數(shù)據(jù)庫，包含安全數(shù)據(jù)、 加氣站、消火栓、避難場所等應(yīng)急設(shè)施信息以及道路、鐵路建筑物，居民點、橋梁、水系、湖泊等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用OraclelOg作為有關(guān)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與管理工具，在ArcGIS中通過Add Data添加數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)，并按一定的圖層順序存放，形成 .mxd 格式文檔。b. 地圖基本操作模塊中，可以對地圖進行打開圖形、保存圖形、漫游、放大、縮小、 全屏顯示、地圖窗口刷新、屬性選擇、距離量算、面積量算等地理信息系統(tǒng)中的基本操作， 在程序中是通過 ArcGIS Engine組件的IToolbarCo

8、ntrol接口中AddItem 來實現(xiàn)。c. 事故參數(shù)設(shè)置模塊， 包括事發(fā)地點查詢和定位、 事發(fā)時間參數(shù)設(shè)置、 泄漏參數(shù)設(shè)置、 氣象參數(shù)設(shè)置等信息。d. 事故模擬分析模塊， 是在高斯煙羽模型和高斯煙團模型的基礎(chǔ)上， 利用 ArcGIS Engine組件在電子地圖上模擬毒氣連續(xù)泄漏或持續(xù)泄漏的擴散過程，主要功能有動態(tài)模擬擴散過程模擬、整個擴散過程的軌跡回放、 某個時刻或者某個時間段氣體的擴散范圍并分析該時刻或 者時間段受影響單位的統(tǒng)計信息。e. 三維分析模塊，利用ArcGIS 3D Analyst擴展模塊提供的三維數(shù)據(jù)查看環(huán)境實現(xiàn)系統(tǒng)的三維可視化。在 ArcSce ne中導(dǎo)入城市三維數(shù)據(jù)，通過3

9、D View Tools工具條實現(xiàn)對圖層的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作。調(diào)用IScene-graph的Locate（）方法實現(xiàn)建筑物的查詢。加載三維大氣擴散表面圖層，顯示 TIN 要素中的三角面，設(shè)置要素圖層的顏色、透明度等屬性，顯示大 氣擴散的三維區(qū)域。f. 文檔保存輸出模塊， 是指將事故基本信息、 警戒區(qū)域的擴散圖形、 受影響的重要單位、城鄉(xiāng)道路、居民建筑、水域橋梁、行政區(qū)域、消防監(jiān)控等信息保存輸出在Word 文檔，為應(yīng)急預(yù)案提供信息支持。 實例模擬假設(shè)一輛裝載液氯的槽罐車在城市郊區(qū)發(fā)生了車禍， 造成了氯氣泄露事故。 事故發(fā)生時 間為2012年07月01日12時，氣體泄漏方式為瞬時泄漏，泄漏氣體總量為5 000 kg,云量為 3 成，晴天， 3 級西北風(fēng)。將上述信息輸入模擬系統(tǒng), 包括時間參數(shù)、 泄露參數(shù)和天氣參數(shù)。 設(shè)置參數(shù)完畢后進入 計算分析過程, 將某時刻的計算結(jié)果導(dǎo)入基礎(chǔ)地理圖中進行污染影響范圍繪制。設(shè)定事故發(fā)生一小時后,對事故影響的范圍進行模擬,得到一小時后影響范圍