基于GIS的大氣污染源擴(kuò)散模擬的實現(xiàn)及應(yīng)用

1、基于GIS的大氣污染源擴(kuò)散模擬的實現(xiàn)及應(yīng)用關(guān)鍵詞：擴(kuò)散模型 WEBGIS 污染源擴(kuò)散摘 要：突發(fā)性的氣體污染源泄露事件，由于其具有的突然性，會在短時間內(nèi)排放出大量有毒有害的氣體，對環(huán)境造成重大污染。本文根據(jù)高斯模型，結(jié)合大氣污染源擴(kuò)散事件的特點(diǎn)，應(yīng)用仿真技術(shù)，完成了GIS下大氣污染源擴(kuò)散的模擬，為突發(fā)性污染源事故的應(yīng)急決策和指揮提供有力的支持。關(guān)鍵詞：擴(kuò)散模型，WEBGIS，污染源擴(kuò)散突發(fā)性環(huán)境污染事故是一種威脅人類安全和健康、破壞生態(tài)環(huán)境、危害性大的污染事故。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的突發(fā)環(huán)境事故暴發(fā)，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，不僅給國家人民財產(chǎn)造成了損失，同時還嚴(yán)重的危害了周邊人民的健康

2、。因此，加強(qiáng)突發(fā)性環(huán)境污染事故應(yīng)急監(jiān)測，研究其處理技術(shù)，對污染物的擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)報是環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中一項非常重要的工作。本文根據(jù)高斯理論，結(jié)合大氣污染源擴(kuò)散事件的特點(diǎn)，實現(xiàn)了基于GIS的大氣污染源擴(kuò)散模型，并在天津某區(qū)的環(huán)保監(jiān)控與應(yīng)急指揮系統(tǒng)得應(yīng)用中取得了很好的效果。1 大氣擴(kuò)散模型研究的意義突發(fā)性環(huán)境污染事故主要是由于高壓容器、儲罐、輸送管道節(jié)門的破裂等諸多原因引起的，它可導(dǎo)致有毒有害氣體外泄。其特點(diǎn)是沒有固定的排放方式和排放途徑，突然發(fā)生、來勢兇猛，在短時間內(nèi)排放大量有毒有害的污染物，有毒氣體外泄后，隨大氣彌散，中心位置濃度最高，向外逐步擴(kuò)散稀釋，下風(fēng)向形成相應(yīng)的時空濃度分布。對于重大

3、突發(fā)事故分析，目前國內(nèi)外普遍采用仿真技術(shù)，通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，而且已建立了很多適用于不同條件的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的應(yīng)急大氣擴(kuò)散模型有：SLAB，DEGADIS，ALOHA，ARCHIE，DEMRA和LPDM,其中比較著名的有RADM、ADOM、STEMD等模型、美國Sigma公司于八十年代中期建立的HPDM模型以及英國劍橋研究院開發(fā)的ADMS模型。這些模型通過對早期的CRSTER的法規(guī)式模式做了一些改進(jìn)和發(fā)展，從而產(chǎn)生新一代擴(kuò)散模型。這些算法以擴(kuò)散統(tǒng)計理論為出發(fā)點(diǎn)，假設(shè)污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布。模式系統(tǒng)可用于多種排放源（包括點(diǎn)源、面源和體源）的排放，也適用于鄉(xiāng)村環(huán)

4、境和城市環(huán)境、平坦地形和復(fù)雜地形、地面污染物排放模擬、區(qū)域環(huán)境容量計算與總量控制等多種功能。這些擴(kuò)散模型的特點(diǎn)是基于專有平臺實現(xiàn)，自成系統(tǒng)。并且在這些系統(tǒng)中大多考慮了擴(kuò)散模型源排放、平流輸送、湍流擴(kuò)散、干沉積、濕沉積、氣象化學(xué)等眾多因素，系統(tǒng)功能龐大。但同時它們基于專有平臺，自成系統(tǒng)，所以很難同環(huán)保局具體的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行整合?？紤]到天津某區(qū)環(huán)保監(jiān)控與應(yīng)急指揮系統(tǒng)的實際情況和具體需求，我們基于高斯擴(kuò)散模型，并根據(jù)實際情況加以改造，最終在GIS系統(tǒng)中進(jìn)行了展現(xiàn)。GIS即地理信息系統(tǒng)，通過空間可視化技術(shù)對環(huán)境進(jìn)行方便有效的管理和監(jiān)控。在GIS平臺下進(jìn)行危險源擴(kuò)散模型的研究，可將研究成果直接運(yùn)用到地方環(huán)

5、保局、化工企業(yè)的危險源預(yù)防控制中，提高綜合管控能力。在此基礎(chǔ)上，建立的應(yīng)急指揮系統(tǒng)，為突發(fā)性的污染源擴(kuò)散事件提供有力的決策依據(jù)，將事故發(fā)生的損失控制在最低程度，充分保障企業(yè)生產(chǎn)安全、穩(wěn)定地進(jìn)行，這將對社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展產(chǎn)生重大意義。2 基于高斯的實用性大氣擴(kuò)散模型的算法實現(xiàn)高斯擴(kuò)散模型是高斯應(yīng)用湍流統(tǒng)計理論，在大量實驗數(shù)據(jù)資料分析以及正態(tài)分布假設(shè)的基礎(chǔ)上，得到的污染物在大氣中擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過多年的研究試驗，國內(nèi)外建立了多種高斯擴(kuò)散模型，包括高斯點(diǎn)源擴(kuò)散模式、點(diǎn)源封閉式擴(kuò)散模型、高斯面源(虛擬點(diǎn)源)擴(kuò)散模式以及多種特殊氣象條件和復(fù)雜地形條件下的高斯擴(kuò)散模式。高斯擴(kuò)散模型是目前運(yùn)用得最普遍的大氣

6、擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型。例如UK一ADMS模型的Urban部分中就直接采用的模型是一個三維高斯模型，以高斯分布公式為主計算污染物濃度，在非穩(wěn)定條件下的垂直擴(kuò)散使用了傾斜式的高斯模型煙羽擴(kuò)散。本系統(tǒng)應(yīng)用的地區(qū)為天津市大港區(qū)，所以其污染源擴(kuò)散模型著眼于平坦開闊地形的點(diǎn)污染源擴(kuò)散。根據(jù)以上條件，選用高斯模型作為污染物擴(kuò)散模擬的理論基礎(chǔ)。2.1大氣污染擴(kuò)散的因素影響大氣污染擴(kuò)散的因素主要是氣象因素和地形因數(shù)兩個方面。其中主要考慮的影響條件為風(fēng)、逆溫和污染源自身的狀況。根據(jù)影響污染物擴(kuò)散的因素，高斯模型有不同的表達(dá)形式。根據(jù)污染物排放源的不同和污染源所處的地理環(huán)境不同，相應(yīng)的擴(kuò)散模型也會有所不同。在實際應(yīng)用中，

7、我們關(guān)心的是污染物在地面的濃度。而相應(yīng)能滿足條件的高斯模型中，有無限空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式，有高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式（有界空間），有地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式，結(jié)合環(huán)保實際應(yīng)用要求，我們選取地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式作為基礎(chǔ)對大氣擴(kuò)散模型進(jìn)行算法實現(xiàn)：32.2算法實現(xiàn)對于當(dāng)前的WEBGIS系統(tǒng)而言，主要是展現(xiàn)二維的污染源擴(kuò)散模型，我們根據(jù)上述理論算法，再結(jié)合Supermap矢量化的需要，實現(xiàn)了Supermap下擴(kuò)散模型的算法流程，如下圖2所示，由該實用算法得到的實際的點(diǎn)集按三個濃度等值線選取后結(jié)果如圖1所示。由于以上算法得出的結(jié)果是直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置和相應(yīng)的濃度值，我們需要將其根據(jù)輸入的擴(kuò)散源點(diǎn)的經(jīng)緯

8、度信息和擴(kuò)散角度轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)上，采用如下的坐標(biāo)變換算法：double Fparameter1 0.144 * Math.Pow(x, 0.927); double Fparameter2 0.126 * Math.Pow(x, 0.839);double Fexp2 1 / Math.Exp(0.5 * y * y / (Fparameter1(x) * Fparameter1(x);private static double Result(double x, double y, double Q, double U, double H) double result = Q * Fexp1(

9、x, y) * Fexp2(H, x) / (3.14 * U * Fparameter1(x) * Fparameter2(x); double cos = Math.Cos(param.triangle*Math.PI/180);圖2 擴(kuò)散模型圖形化實用算法double sin = Math.Sin(param.triangle*Math.PI/180);for (int index = 0; index < result.Length;index+ )ValuePoint point = (ValuePoint)resultindex;for(int i=0;i double x

10、= pointi.x;double y = pointi.y;pointi.x = param.source_longitude + param.coefficient*(x * cos - y * sin);pointi.y = param.source_dimension + param.coefficient * (y * cos + x * sin); 將該算法實現(xiàn)的點(diǎn)集等濃度線的結(jié)果傳遞給Supermap的地圖接口，通過Supermap在電子地圖上完成模型繪制，就可以完成擴(kuò)散模型在GIS上的展現(xiàn)了。3 基于Supermap的擴(kuò)散模型圖形化顯示SuperMap GIS是國內(nèi)具有完全自主

11、知識產(chǎn)權(quán)的大型地理信息系統(tǒng)軟件平臺。包括組件式GIS開發(fā)平臺、服務(wù)式GIS開發(fā)平臺等應(yīng)用開發(fā)平臺，同時具備相關(guān)的空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)、加工和管理工具。其中B/S開發(fā)的組件SuperMap IS .NET采用面向Internet的分布式計算技術(shù)，支持跨區(qū)域、跨網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)集成，提供可伸縮、多種層次的WebGIS解決方案，全面滿足網(wǎng)絡(luò)GIS應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的需要。由第二節(jié)的分析可知，擴(kuò)散的濃度值是受風(fēng)速、源強(qiáng)等諸多因素影響的，對此，我們從可測量和可量化的角度入手，確定了擴(kuò)散模型的輸入?yún)?shù)，具體的參數(shù)輸入界面如下：圖3 參數(shù)輸入界面在系統(tǒng)應(yīng)用中，我們輸入相應(yīng)擴(kuò)散模型參數(shù)，由系統(tǒng)完成擴(kuò)散模型的模擬，

12、估計污染擴(kuò)散趨勢，并保存相應(yīng)得擴(kuò)散模型圖片?；赟upermap實現(xiàn)的擴(kuò)散模型運(yùn)行效果如下圖5所示。左側(cè)為預(yù)留出來的結(jié)果顯示區(qū)，上面是擴(kuò)散功能參數(shù)菜單欄和地圖功能菜單欄，下面地圖區(qū)域是擴(kuò)散模型的顯示展現(xiàn)區(qū).。圖4 實際運(yùn)行效果 表1 模擬參數(shù)變化對比表第一模擬 第二模擬第三模擬 第四模擬注：以上表中的四個參數(shù)依次是風(fēng)向角度、風(fēng)級指定、擴(kuò)散標(biāo)量、擴(kuò)散持續(xù)時間。4 參數(shù)對模型結(jié)果影響的分析由前面的分析我們知道，擴(kuò)散模型是受諸多因素影響的，參數(shù)的不同，擴(kuò)散模型的展現(xiàn)也是不一樣的。下面我們將參數(shù)變化后系統(tǒng)的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，由于篇幅關(guān)系，我們僅選取三次模擬結(jié)果，每次變化一或二個參數(shù)。（注：由于經(jīng)緯度坐

13、標(biāo)參數(shù)只改變模擬的起點(diǎn)位置，對統(tǒng)計無作用，故不參與對比）由對比表分析可得：1) 風(fēng)向角度參數(shù)變化時，影響擴(kuò)散模擬區(qū)域的輸出方向2) 風(fēng)級指數(shù)參數(shù)變化時，影響擴(kuò)散區(qū)域面積圖形的完整性，高斯模型為正態(tài)分布模型，根據(jù)其理論算法輸出的擴(kuò)散分布圖形是以角度方向為對稱軸的對稱圖形，風(fēng)級指數(shù)變化影響圖形的閉合程度和圖形面積大小3) 擴(kuò)散標(biāo)量參數(shù)變化時，影響三個濃度區(qū)域在擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的面積分布， 參數(shù)大時：其他參數(shù)不變化、整體擴(kuò)散面積不變的情況下，高濃度區(qū)域擴(kuò)散面積大 參數(shù)小時：其他參數(shù)不變化、整體擴(kuò)散面積不變的情況下，高濃度區(qū)域擴(kuò)散面積小 結(jié)果和參數(shù)變化成正比4) 擴(kuò)散持續(xù)時間參數(shù)變化時，影響擴(kuò)散區(qū)域面積圖形

14、的對稱變化，高斯模型為正態(tài)分布模型，根據(jù)其理論算法輸出的擴(kuò)散分布圖形是以角度方向為對稱軸的對稱圖形，擴(kuò)散持續(xù)時間參數(shù)變化，使圖形閉合的對稱軸延長，增加了擴(kuò)散圖形的面積，從而影響擴(kuò)散模擬的范圍。以上分析的結(jié)論同我們對實際擴(kuò)散情況的直觀認(rèn)識也是一致的。5 實際應(yīng)用結(jié)合天津市大港區(qū)環(huán)境在線監(jiān)測和應(yīng)急指揮系統(tǒng)的技術(shù)要求以及國內(nèi)對環(huán)保監(jiān)控的新的需求，綜合利用計算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)、智能專家系統(tǒng)等有關(guān)的最新技術(shù)手段，建立以GIS為基礎(chǔ)的環(huán)境事故應(yīng)急指揮系統(tǒng)，完成近年來政府部門應(yīng)急信息化系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與應(yīng)急系統(tǒng)的結(jié)合，達(dá)到"平戰(zhàn)結(jié)合"目的；全面提高了天津市大港區(qū)環(huán)保局在環(huán)境保護(hù)方面的科學(xué)綜合決策能力。6 總 結(jié)突發(fā)性環(huán)境污染事故威脅人類安全和健康、破壞生態(tài)環(huán)境。而通過污染物擴(kuò)散模型可以在環(huán)境決策中模擬出污染事故發(fā)生后各個時間的擴(kuò)散情況,為決策提供科學(xué)的依據(jù)。進(jìn)一步通過建立重大環(huán)境污染事故區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)κ鹿曙L(fēng)險源的地理位置及其屬性、事故敏感區(qū)域位置及其屬性進(jìn)行管理，提供污染事故的大氣、河流污染擴(kuò)散的模擬過程和應(yīng)急方案。本課題項目支持：1、大連市環(huán)保局應(yīng)急指揮系統(tǒng)2、天津大港區(qū)環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測與應(yīng)急指揮系統(tǒng)參考文獻(xiàn)：1 劉佳波. 沈陽市突發(fā)性環(huán)境污染事故應(yīng)急信息系統(tǒng)：學(xué)位論文 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 .2006.62 謝鵬,侯祺棕, 黃曄瑩, 空氣污染擴(kuò)