高斯擴(kuò)散模型改進(jìn)總結(jié)

1、高斯擴(kuò)散模型改進(jìn)總結(jié)1目錄0. 技術(shù)路線(xiàn)大氣擴(kuò)散理論高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn)可視化模擬顯示污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證總結(jié)與展望20. 技術(shù)路線(xiàn)本文是將研究污染源作為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)污染源特征的分析，根據(jù)影響大氣污染物擴(kuò)散的相關(guān)因素，選擇高斯擴(kuò)散模型作為研究對(duì)象，根據(jù)物理學(xué)中求合力的平行四邊形法則，將具有夾角關(guān)系的風(fēng)速和污染氣體自身的擴(kuò)散速度進(jìn)行合成，得到本文中擴(kuò)散模型求解時(shí)所需的擴(kuò)散速度，通過(guò)這一模型改進(jìn)，求解空間計(jì)算點(diǎn)的污染濃度值，最后，結(jié)合 GIS 技術(shù)，在 GIS 平臺(tái)上完成污染物濃度等值線(xiàn)的繪制及顯示，并與地圖進(jìn)行疊加，初步實(shí)現(xiàn) GIS 支持下的污染擴(kuò)散模擬結(jié)果的可視化表達(dá)，顯示城市的大氣污染狀況，從

2、而協(xié)助相關(guān)的政府部門(mén)進(jìn)行決策分析。3信息采集地理，氣象，污染源信息確定模型改進(jìn)模型離散點(diǎn)濃度值濃度對(duì)比符合精度？否可視化顯示，結(jié)果分析是41. 大氣擴(kuò)散理論大氣成分及其結(jié)構(gòu)1.大氣污染物的分類(lèi): 氣溶膠狀態(tài)污染物氣體狀態(tài)污染物1.影響大氣污染擴(kuò)散因素 氣象因素地形因素氣溫，氣壓，氣濕，風(fēng)向，降水，蒸發(fā)，日張，太陽(yáng)輻射，地面輻射，云量，云況，能見(jiàn)度，垂直風(fēng)速梯度和垂直溫度分布等地面粗糙度地形復(fù)雜度52.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 2.1 模型簡(jiǎn)介計(jì)算公式：在下風(fēng)向任意點(diǎn)（X，y，Z）的污染物濃度公式如圖：62.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 2.1 模型簡(jiǎn)介坐標(biāo)系：高斯模式的坐標(biāo)系如圖所示，其原點(diǎn)為排放點(diǎn)（無(wú)界

3、點(diǎn)源或地面源）或高架源排放點(diǎn)在地面的投影點(diǎn)，x軸正向?yàn)槠骄L(fēng)向，y軸在水平面上垂直x軸，正向在x軸的左側(cè)，z軸垂直于水平面xoy，向上為正向，即為右手坐標(biāo)系。72.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 2.1 模型簡(jiǎn)介 高斯擴(kuò)散模型的基本形式是在一系列假設(shè)條件下推導(dǎo)而來(lái)的，地區(qū)的污染源周邊的地勢(shì)必須滿(mǎn)足以下條件：(1) 地勢(shì)平坦開(kāi)闊，沒(méi)有影響大氣流動(dòng)的高山，深谷等地形，空氣的流動(dòng)速度也相對(duì)平緩，穩(wěn)定，并且風(fēng)向不容易發(fā)生變化。(2) 大氣污染物與空氣之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且在大氣污染物擴(kuò)散過(guò)程中，污染物的總質(zhì)量不發(fā)生變化，符合質(zhì)量守恒定律，此外，污染物本身的化學(xué)成分不會(huì)與周?chē)髿庵械奈镔|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，大氣污染物的

4、擴(kuò)散將在地表被反射出去。(3) 污染物的擴(kuò)散范圍一般為 10 到 20 公里范圍內(nèi)。82.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 2.2 高斯擴(kuò)散模型的選取 通常情況下，模擬某區(qū)域的大氣環(huán)境污染狀況時(shí)，需要同時(shí)能夠模擬城市區(qū)域來(lái)自工業(yè)、民用和道路交通的污染源產(chǎn)生的污染物在大氣中的擴(kuò)散，也就是同時(shí)用點(diǎn)源，線(xiàn)源、面源和其他模型來(lái)模擬污染源。 一個(gè)簡(jiǎn)單的固定排放口經(jīng)常被作為點(diǎn)源來(lái)處理；在模擬流動(dòng)源或線(xiàn)狀污染源時(shí)，通常將污染源作為線(xiàn)源來(lái)處理，線(xiàn)源可以看作是多個(gè)點(diǎn)源在一條曲線(xiàn)上的累加的結(jié)果；面源則處理源強(qiáng)較小，排放口較低，數(shù)量多，且分布均勻的污染源，同樣，面源可以看作是多個(gè)點(diǎn)源在一定平面區(qū)域內(nèi)累加的結(jié)果。 92.高斯擴(kuò)散

5、模型及其改進(jìn) 2. 高斯擴(kuò)散模型的改進(jìn) 在瞬時(shí)排放的大氣污染擴(kuò)散模型中，只考慮到風(fēng)速對(duì)污染氣體擴(kuò)散的影響，沒(méi)有考慮到污染氣體自身的擴(kuò)散速度。因此，本文基于瞬時(shí)性排放的大氣污染擴(kuò)散模型的缺點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。 一般地，在有風(fēng)的情況下，風(fēng)向決定了污染的方位；風(fēng)速?zèng)Q定了大氣污染物的輸送速率，本文根據(jù)物理學(xué)中求合力的平行四邊形準(zhǔn)則，將具有夾角關(guān)系的風(fēng)速和污染氣體自身的擴(kuò)散速度進(jìn)行合成，得到本文擴(kuò)散模型求解時(shí)所需的擴(kuò)散速度，通過(guò)這一擴(kuò)散速度改進(jìn)，求解污染區(qū)域中空間計(jì)算點(diǎn)的氣體濃度值。102.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 2. 高斯擴(kuò)散模型的改進(jìn) 在有風(fēng)的情況下，氣體擴(kuò)散速度是由風(fēng)速和氣體自身的擴(kuò)散速度共同作用的結(jié)

6、果，而在相對(duì)穩(wěn)定的大氣環(huán)境下，不同計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)速又受到風(fēng)向的作用，會(huì)出現(xiàn)順風(fēng)，無(wú)風(fēng)，逆風(fēng)等情況。假設(shè)污染源為O 點(diǎn)，計(jì)算點(diǎn)為 P 點(diǎn)，風(fēng)速為u ，則其夾角關(guān)系為下圖所示： 圖中： 是指計(jì)算點(diǎn) P 與污染源O 之間的線(xiàn)段與坐標(biāo)系 x 軸的正向夾角，是指風(fēng)與坐標(biāo)系 x 軸的正向夾角。 可以根據(jù)和計(jì)算點(diǎn)P與風(fēng)速u(mài)之間的夾角并轉(zhuǎn)化成【0，180】之間的值計(jì)算公式為：當(dāng)，=當(dāng)，=-，-180360-（-），-180-，-180360-（-），-180112.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 然后，再將轉(zhuǎn)化成【-1，1】之間的數(shù)m，計(jì)算公式為：（90-）/90 上式中m指計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)速系數(shù)，m=1表示完全順風(fēng)的情況，

7、0m1表示局部順風(fēng)，m=0表示無(wú)風(fēng)，-1m0表示局部逆風(fēng)，m=-1表示完全逆風(fēng)。 此時(shí)，將風(fēng)速u(mài)，計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)速系數(shù)m和污染物自身的擴(kuò)散速度v進(jìn)行合成可得到此計(jì)算點(diǎn)的合成速度：=mu+v 當(dāng)某計(jì)算點(diǎn)的合成速度0是，則表示由于逆風(fēng)的作用，污染氣體不會(huì)擴(kuò)散到此計(jì)算點(diǎn)處：所以此時(shí)的=0，將=mu+v代入到瞬時(shí)排放的大氣污染高斯擴(kuò)散模型中，便可得到改進(jìn)后的高斯擴(kuò)散模型：2. 高斯擴(kuò)散模型的改進(jìn) 122.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 2. 高斯擴(kuò)散模型的改進(jìn) 132.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 2. 實(shí)例驗(yàn)證模型改進(jìn)的可靠性 142.高斯擴(kuò)散模型及其改進(jìn) 2. 實(shí)例驗(yàn)證模型改進(jìn)的可靠性 152.高斯擴(kuò)散模型的參數(shù)設(shè)計(jì)

8、大氣穩(wěn)定度的計(jì)算擴(kuò)散參數(shù)的計(jì)算煙囪的有效高度值計(jì)算煙囪口煙氣自身擴(kuò)散速度的計(jì)算162.1 大氣穩(wěn)定度的計(jì)算 主要采用帕斯奎爾分類(lèi)法，將氣候條件中的云、風(fēng)速、日照等不同的因素相結(jié)合，把大氣穩(wěn)定度劃分為六個(gè)等級(jí)，分別是：強(qiáng)不穩(wěn)定，不穩(wěn)定，弱不穩(wěn)定，中性，較穩(wěn)定，穩(wěn)定，依次對(duì)應(yīng)于 A ， B ，C ， D ， E ， F 表示。 根據(jù)實(shí)際情況，針對(duì)不同的天氣，太陽(yáng)輻射等級(jí)，以及云高，云量等條件，可將大氣穩(wěn)定度進(jìn)行如下劃分，如表 3.2 所示： 172.2 擴(kuò)散參數(shù)的計(jì)算 (1) 有風(fēng)時(shí)的參數(shù)計(jì)算在大氣擴(kuò)散模式中，擴(kuò)散參數(shù)的取值是非常重要的，它是大氣穩(wěn)定度和下風(fēng)向距離的函數(shù)。在國(guó)際上，y，s 由指數(shù)函

9、數(shù)組成：y=1*xa1，s=2*xa2 x指下風(fēng)向計(jì)算點(diǎn)與污染源之間的距離，1，a1，2，a2的值由大氣穩(wěn)定度參數(shù)表獲得(2) 小風(fēng)和靜風(fēng)時(shí)的參數(shù)計(jì)算 Turner 提出 的指數(shù)函數(shù)，T= Ta，a 在不同穩(wěn)定度下的擴(kuò)散參數(shù)也可對(duì)應(yīng)大氣穩(wěn)定度查表獲知。182.3 煙囪有效高度值的計(jì)算 對(duì)于高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式而言，煙囪的有效高度是計(jì)算污染源擴(kuò)散過(guò)程中的重要參數(shù)，煙氣被排出后，受到熱力和動(dòng)力的作用后會(huì)繼續(xù)上升，經(jīng)過(guò)一段距離后逐漸穩(wěn)定。 在大氣環(huán)境模式中，將煙氣的抬升高度計(jì)算在內(nèi)，所以，大氣污染擴(kuò)散模式中的煙囪高度是指有效高度，它等于煙囪的幾何高度與煙氣的抬升高度之和。 指煙囪的有效高度， 指煙囪的幾

10、何高度， 指煙氣的抬升高度，它與煙氣的出口溫度， 外界環(huán)境和煙氣的排放速度有關(guān)192.7.4 煙囪口煙氣自身擴(kuò)散速度 計(jì)算 203.可視化模擬顯示 實(shí)現(xiàn)的步驟主要包括以下兩個(gè)方面：(1) 計(jì)算大氣污染濃度值時(shí)，確定污染源的位置，其地理信息可以通過(guò) GIS 中的圖形編輯功能選定，選擇區(qū)域內(nèi)的空間計(jì)算點(diǎn)，根據(jù)輸入的參數(shù)條件，利用改進(jìn)后高斯擴(kuò)散模型計(jì)算距離污染源一定范圍內(nèi)的大氣污染物的濃度值，得到一系列的計(jì)算點(diǎn)的濃度值信息和地理信息。(2) 根據(jù)第一步的計(jì)算結(jié)果，繪制濃度等值線(xiàn)。實(shí)現(xiàn)步驟：首先，構(gòu)造網(wǎng)格，將污染區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化；其次，進(jìn)行等值點(diǎn)的確定和追蹤；最后，將曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理，完成等值線(xiàn)的繪制，

11、顯示城市的污染狀況。 。213.可視化模擬顯示 計(jì)算污染物濃度值時(shí)，需要采集的信息主要包括污染源的排放信息，氣象信息和地理信息。污染源的排放信息主要包括污染物的源強(qiáng)，排放口的高度及采樣時(shí)間；氣象信息主要是風(fēng)向，風(fēng)速，大氣穩(wěn)定度等；再由用戶(hù)輸入的污染源信息及氣象條件，采用改進(jìn)后的高斯擴(kuò)散模型進(jìn)行模型求解，得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)的大氣污染濃度值。3.1 污染濃度值計(jì)算 3.2 等值線(xiàn)繪制離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化三角形網(wǎng)格化等值點(diǎn)的計(jì)算等值線(xiàn)追蹤及光滑處理223.可視化模擬顯示 離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，是根據(jù)區(qū)域內(nèi)離散點(diǎn)的數(shù)量與位置進(jìn)行網(wǎng)格化，將點(diǎn)轉(zhuǎn)化成線(xiàn)的過(guò)程。網(wǎng)格化是將空間區(qū)域分割成一定數(shù)目更小的區(qū)域，作為等值點(diǎn)確定和追

12、蹤的基礎(chǔ)，按照離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的方法，網(wǎng)格化后的形狀可以分為：規(guī)則網(wǎng)格與不規(guī)則網(wǎng)格。3.2.1 離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化3.2.2 三角形網(wǎng)格化 構(gòu)造三角形網(wǎng)格是指把平面區(qū)域內(nèi)N 個(gè)散亂點(diǎn)用直線(xiàn)段連接起來(lái)，形成既不重疊又無(wú)間隙的緊鄰的三角形集的過(guò)程。 其中，Delaunay三角形網(wǎng)格化算法簡(jiǎn)單、快速，因此，便成為人們普遍使用的三角形網(wǎng)格算法。迪洛尼三角形網(wǎng)格化算法滿(mǎn)足迪洛尼定理。迪洛尼定理具有泰森多邊形的特點(diǎn)。233.可視化模擬顯示 計(jì)算濃度值之前，需要收集三角網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)信息和單元編號(hào)信息，可以用克里格插值法求解濃度值，它的逼近程度高，外推能力很強(qiáng)，適用性廣，也可由其它計(jì)算程序直接求出。 另外，當(dāng)網(wǎng)格尺度

13、較大時(shí)，無(wú)法達(dá)到刻畫(huà)等值線(xiàn)的要求時(shí)，或者當(dāng)網(wǎng)格較密時(shí)， 其內(nèi)插過(guò)程相對(duì)緩慢而且復(fù)雜，因此，可以用一種簡(jiǎn)單的方法得到網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)值，即網(wǎng)格自動(dòng)加密法，先利用離散點(diǎn)形成粗網(wǎng)格，并計(jì)算出粗格的結(jié)點(diǎn)值；然后對(duì)粗網(wǎng)格進(jìn)行加密。3.2.3 等值點(diǎn)的確定3.2.4 等值線(xiàn)光滑處理 在生成等值線(xiàn)時(shí)，如果僅僅只是將等值點(diǎn)依次連接起來(lái)，那么生成的等值線(xiàn)圖是由折線(xiàn)構(gòu)成的，是不光滑的。當(dāng)網(wǎng)格尺寸非常小時(shí)，分段折線(xiàn)近似曲線(xiàn)，但是當(dāng)網(wǎng)格尺寸很大時(shí)，此時(shí)，這種方法得到的等值線(xiàn)極不光滑。而在實(shí)際生活中，通常要求是光滑曲線(xiàn)，因此，需要對(duì)這種折線(xiàn)圖形進(jìn)行光滑處理，一般使用 Bezier 曲線(xiàn)和 B樣條曲線(xiàn)進(jìn)行插值，對(duì)圖形進(jìn)行光滑處理

14、。 在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)光滑函數(shù)得到樣條曲線(xiàn)，有兩種結(jié)果。第一，如果此曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)所有等值點(diǎn)，那么稱(chēng)它是這組等值點(diǎn)的插值樣條曲線(xiàn)；第二：曲線(xiàn)不一定經(jīng)過(guò)每一個(gè)等值點(diǎn)，則稱(chēng)它是這組控制點(diǎn)的逼近樣條曲線(xiàn)，例如 Bezier 曲線(xiàn)法、線(xiàn)形迭代法。244.污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證 4.1計(jì)算污染物濃度值254.污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證 對(duì)污染源附近的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，就可以得到該區(qū)域內(nèi)的污染物濃度值的數(shù)據(jù)集，它是繪制污染濃度等值線(xiàn)的基礎(chǔ)。 在地圖上繪制等值線(xiàn)的步驟可分為三步：(1) 根據(jù)一系列等值點(diǎn)信息，創(chuàng)建幾何體對(duì)象；(2) 根據(jù)幾何體對(duì)象建立相對(duì)應(yīng)的圖元；(3) 將(2)中建立的圖元添加到臨時(shí)的圖層中。 在幾何

15、體創(chuàng)建的過(guò)程中，可以選用不同的顏色對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行填充，顏色越深，表示污染區(qū)域污染越嚴(yán)重。4.2 繪制等值線(xiàn)264.污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證 4.3 模擬結(jié)果及其分析 在模擬過(guò)程中，假設(shè)污染物為S2 ，其源強(qiáng)為 150 kg / h，風(fēng)速為 1.5 m/ s，排放口的有效高度為 20m ，排放時(shí)間為 8min ，有逆溫層的影響且逆溫層的高度小于 1000m時(shí)，污染物的擴(kuò)散模擬如圖 5.2。在圖中，離污染源越接近，濃度值越高，即污染狀況越嚴(yán)重274.污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證 4.3 模擬結(jié)果及其分析 假設(shè)污染物為S2 ，其源強(qiáng)為150 kg / h，風(fēng)速為1.5 m/ s，排放口的有效高度為20m ，排放時(shí)間為3

16、0min ，有逆溫層的影響且逆溫層的高度小于1000m 時(shí)，污染物的擴(kuò)散模擬如圖5.3.284.污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證 4.3 模擬結(jié)果及其分析 結(jié)果分析：比較圖5.2和5.3，可以發(fā)現(xiàn)，排放時(shí)間是影響污染物擴(kuò)散的重要因素，與瞬時(shí)擴(kuò)散相比，連續(xù)擴(kuò)散的影響范圍更大，并且對(duì)于瞬時(shí)排放，可以看出，污染物在下風(fēng)向的橫向擴(kuò)散和縱向擴(kuò)散較為平衡。294.污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證 4.3 模擬結(jié)果及其分析 假設(shè)污染物為S2 ，其源強(qiáng)為150 kg / h，風(fēng)速為1.5 m/ s，排放口的有效高度為20m ，排放時(shí)間為 30min ，沒(méi)有逆溫層的影響，此時(shí)污染物的擴(kuò)散模擬如圖 5.4。304.污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證 4.3 模擬結(jié)果及其分析 結(jié)果分析：比較圖5.3和5.4，可以發(fā)現(xiàn)，有逆溫層影響的時(shí)候，離污染源較近的中間區(qū)域變大，因?yàn)楦鶕?jù)高斯擴(kuò)散模型可知，逆溫層對(duì)于污染物有反射的作用，這使得污染物在逆溫層和地面之間反射，所以就增大了污染物的濃度值。314.污染擴(kuò)散模擬驗(yàn)證 4.3 模擬結(jié)果及其分析 假設(shè)污