污染物扩散模型-大气污染物扩散的高斯模型模拟

发布时间：2017-11-08 所属栏目：污染物扩散模型

一 : 大气污染物扩散的高斯模型模拟

9.2.2大气污染物扩散的高斯模型模拟：可视化模拟点源大气污染的扩散

9.2.2 Gaussian Atmospheric Dispersion Model

突发性大气污染事故时有发生，对大气污染扩散进行模拟和分析，有利于减小事故的危害，减轻人员伤亡和财产损失。(www.61k.com]高斯扩散模型是国际原子能机构(IAEA)推荐使用于重气云扩散模拟的数学模型,该模型在非重气云扩散的应用日益广泛。高斯扩散模型是描述大气对有害气体的输移、扩散和稀释作用的物理或数学模型,是进行灾害预测和救援指挥的有力手段之一。

9.2.2.1高斯扩散模型

高斯模型又分为高斯烟团模型和高斯烟羽模型。大气污染物泄漏分为瞬时泄漏和连续泄漏，瞬时泄漏是指污染物泄放的时间相对于污染物扩散的时间较短如突发泄漏等的情形，连续泄漏则是指污染物泄放的时间较长的情形。瞬时泄漏采用高斯烟团模型模拟，而连续泄漏采用高斯模型烟羽模型模拟。高斯模型适用于非重气云气体，包括轻气云和中性气云气体。要求气体在扩散过程中，风速均匀稳定。

在高斯烟团模型中，选择风向建立坐标系统，即取泄漏源为坐标原点，x轴指向风向，y轴表示在水平面内与风向垂直的方向，z轴则指向与水平面垂直的方向，具体公式见式(9.1):

C(x,y,z,t)?Q?e3/2(2?)??x?y?z?(x?ut)22?x?y22?y?e?(e?(z?H)22?z?e?(z?H)22?z)…………(9.1)

其中：C(x,y,z,t)为泄漏介质在某位置某时刻的浓度值；Q为污染物单位时间排放量(mg/s); ?x、?y、?z分别x、y、z轴上的扩散系数，需根据大气稳定度选择参数计算得到(m)；x、y、z表示x、y、z上的坐标值(m)；u表示平均风速(m/s)；t表示扩散时间(s)；H表示泄漏源的高度(m)。

同理，高斯烟羽模型的表达式如：

C(x,y,z,t)?Q?e2?u?y?z?y22?y?(e?(z?H)222?z?e?(z?H)222?z)………………………(9.2)

9.2.2.2 技术方法

若用高斯模型算出空间每一个点在一个时刻的污染浓度，这个计算量是很大的。因此所设计的系统一般都是采用先进行图层网格化，由高斯模型计算出有限个网格点的上的污染物浓度，在进行空间内插得到面上每一个点的污染物浓度，并由此得到污染物浓度的等值线。整个过程的示意图如图9.2.1所示

高斯扩散模型大气污染物扩散的高斯模型模拟

图9.2.1 大气污染扩散的高斯模拟的步骤 1) 图层网格化

图层网格格式分为结构化网格、非结构化网格。［www.61k.com）结构化网格是指网格中每个结点都有数量相同的相邻点，如正方形格网，而非结构化网格则不同。由于结构化网格易于实现，便于进行插值处理，故多用于实际应用。考虑到气体污染物质量浓度的空间变化频繁，采用固定的结构化网格，以事故发生中心地为整个区域的几何中心，采用等间距条件将图层的二维空间离散化，计算每个网格点上面的污染物浓度，自动生成反映大气污染物质量浓度分布的等间距网格。

2) 空间插值

空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其他空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。空间插值的理论假设是空间位置上越靠近的点，越可能具有相似的特征值；而距离越远的点，其特征值相似的可能性越小。

空间插值的方法可以分为整体插值和局部插值两类。整体插值方法用研究区所有采样点的数据进行全区特征的拟合，局部插值方法仅仅用邻近的数据点来估计未知的值。整体插值方法一般包括边界内插方法、趋势面分析和变化函数插值。局部插值方法只使用临近的数据点来估计未知点的数值，一般包括最邻近点法(泰森多边形法) 、移动平均插值法(距离倒数

高斯扩散模型大气污染物扩散的高斯模型模拟

插值法)、样条函数插值法和空间自协方差最佳法(克里金插值法)。[www.61k.com］

在ArcGIS中，有如下插值方法可供使用：全局多项式插值法，反距离权重法，含障碍的扩散插值法，含障碍的核插值法，局部多项式插值法，径向基函数插值法和移动窗口克里金法。

3) 系统实现

由于ArcGIS等软件无法直接实现大气污染物的高斯模拟，需要借助诸如MapX、ArcGIS Engine的二次开发实现气体浓度值在GIS平台上动态展示的技术方法。这里以基于C#.NET和GIS组件ArcGIS Engine的二次开发为例，介绍实现二三维模拟大气污染物高斯扩散的方案。

ArcGIS Engine是用于构建定制应用的一个完整的嵌入式GIS组件库。本案例模拟共包括五个功能模块：空间数据库模块、地图基本操作模块、事故参数设置模块、事故模拟分析模块和文档保存输出模块。各个模块的主要功能具体如下：

a. 空间数据库模块主要是指地图中各个图层中的空间数据库，包含安全数据、加气站、消火栓、避难场所等应急设施信息以及道路、铁路建筑物，居民点、桥梁、水系、湖泊等基础数据。数据库采用Oracle10g作为有关数据库的开发与管理工具，在ArcGIS中通过Add Data添加数据库中相关数据，并按一定的图层顺序存放，形成.mxd格式文档。

b. 地图基本操作模块中，可以对地图进行打开图形、保存图形、漫游、放大、缩小、全屏显示、地图窗口刷新、属性选择、距离量算、面积量算等地理信息系统中的基本操作，在程序中是通过ArcGIS Engine组件的IToolbarControl接口中AddItem来实现。

c. 事故参数设置模块，包括事发地点查询和定位、事发时间参数设置、泄漏参数设置、气象参数设置等信息。

d. 事故模拟分析模块，是在高斯烟羽模型和高斯烟团模型的基础上，利用ArcGIS Engine组件在电子地图上模拟毒气连续泄漏或持续泄漏的扩散过程，主要功能有动态模拟扩散过程模拟、整个扩散过程的轨迹回放、某个时刻或者某个时间段气体的扩散范围并分析该时刻或者时间段受影响单位的统计信息。

e. 三维分析模块，利用ArcGIS 3D Analyst扩展模块提供的三维数据查看环境实现系统的三维可视化。在ArcScene中导入城市三维数据，通过3D View Tools工具条实现对图层的放大、缩小、旋转等操作。调用IScene-graph的Locate()方法实现建筑物的查询。加载三维大气扩散表面图层，显示TIN要素中的三角面，设置要素图层的颜色、透明度等属性，显示大气扩散的三维区域。

f. 文档保存输出模块，是指将事故基本信息、警戒区域的扩散图形、受影响的重要单位、城乡道路、居民建筑、水域桥梁、行政区域、消防监控等信息保存输出在Word文档，为应急预案提供信息支持。

9.2.2.3 实例模拟

假设一辆装载液氯的槽罐车在城市郊区发生了车祸，造成了氯气泄露事故。事故发生时间为2012年07月01日12时，气体泄漏方式为瞬时泄漏，泄漏气体总量为5 000 kg，云量为3成，晴天，3级西北风。

将上述信息输入模拟系统，包括时间参数、泄露参数和天气参数。设置参数完毕后进入计算分析过程，将某时刻的计算结果导入基础地理图中进行污染影响范围绘制。设定事故发生一小时后，对事故影响的范围进行模拟，得到一小时后影响范围和危害程度示意图如图

9.2.2所示。

高斯扩散模型大气污染物扩散的高斯模型模拟

图9.2.2 一小时后事故影响范围和危害程度

利用ArcGIS 3D Analyst扩展模块提供的三维数据查看环境实现系统的三维可视化。［www.61k.com)如图

9.2.3所示，在ArcScene中导入城市三维数据和实时的污染物扩散情况，可以很直观形象地查看污染物的影响范围。

图9.2.3 污染物扩散的三维模拟

二 : 基于PSR模型的江西省工业污染评价

第6卷　第4期太原师范学院学报(自然科学版)　2007年12月　JOURNALOFTAIYUANNORMALUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)　　Dec.2007Vol.6No.4

基于PSR模型的江西省工业污染评价

陆翱翔　陆春燕　刘　影121X

(1.江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022;2.江西省司法警官职业学院,江西南昌330013)

〔摘要〕　借鉴压力-状态-响应框架构建了江西省的工业污染状况评价指标体系,并采用1999年～2004年的江西统计年鉴和环境状况公报的数据在此模型指标基础上进行了实证分析,结果表明在江西省目前这个发展阶段下,工业污染在中短期内有加剧的趋势,而企业社会的响应也相应地有了明显的提高,公众的环保意识有所提升.

〔关键词〕　压力-状态-响应;工业污染;江西省

〔文章编号〕　1672-2027(2007)04-0099-04　〔中图分类号〕　TV135.2　〔文献标识码〕　A

0　引言

工业污染一直是城市污染源的主要方面,也是造成环境污染和生态破坏的罪魁祸首.如何来评价某地工业污染的程度状况,很多学者都进行了相关的研究,如邱德胜等就对湖北省的工业污染现状进行了分析.但是综观这些研究,可以发现其研究主要集中于工业污染的静态污染程度研究,再细致地分析就是针对不同的行业进一步分析,没有顾及到造成污染的原因和社会公众的反应.因此,本文拟以江西省为例,针对工业污染问题,初步建立基于PSR模型的工业污染状况指标体系与评价方法,为全面分析评价江西省的工业污染提供一种新的方法,同时也将为环境保护和管理实践提供一定的参考.

压力-状态-响应模型最早是经济合作组织(OECD)为了评价世界环境状况提出的评价模式.其基本思路是人类活动给环境和自然资源施加压力,结果改变了环境质量与自然资源质量;社会通过环境、经济、土地等政策或管理措施对这些变化发生响应,减缓由于人类活动对环境的压力,维持环境健康.压力-状态-响应模型强调了这些联系,有利于决策者以及公众将环境以及其他问题看作相关的统一实体[2],很多学者将其应用于环境状况评价以外的方面,而且都取得了很好的效果,如郭旭东等利用其构建了县级土地质量的评价指标,谢花林等利用PSR模型对农业生态系统健康进行了评价.[3][4][1]

1　江西省工业发展及污染状况

江西省一直以来在工业方面就存在先天不足,早在20世纪八九十年代一直强调农业强省的发展战略加剧了江西工业的落后.据2001年中国统计年鉴计算,江西的工业增加值仅为539.78亿元,不足浙江省的五分之一,甚至只有安徽的一半(浙江省为2883.37亿元,安徽为1100.45亿元).从行业来看,2001年效益较好的行业主要集中于金属冶炼加工、石油加工、食品加工和化学原料及化学制品行业,这些行业大部分属于高耗能、高污染的行业.新世纪开始后,江西确立了工业强省的发展战略,积极对外招商引资,特别是工业园区的建设更加促进了江西工业的飞速发展,江西工业化水平得到明显的提高.同时在“十一五”规划中还把交通运输设备制造业;黑色金属冶炼及压延加工;有色金属冶炼及压延加工;以汽车航空及精密制造产业、特色冶金和金属制品产业、中成药和生物医药产业、电子信息和现代家电产业、食品工业、精细化工及新型建材产业等六大产业列为支柱产业进行重点发展.

整体而言,江西省的生态环境相对全国而言是比较优越的,江西的森林覆盖率超过60%,水质良好.江西省城市环境空气污染属煤烟型污染,主要污染物为降尘、总悬浮颗粒物和二氧化硫,地表水属有机型污染,X30

(),

100

太原师范学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　第6卷　

主要污染物为挥发酚、氨氮和高锰酸盐指数,其中大部分河段的水质可达到国家二类水质标准(GB3838-88),只有赣江、饶河、萍水河和袁水河等的部分河段水质较差.

2　研究方法和指标体系

通过工业污染的相关资料的搜集,参照已有的环境质量压力-状态-响应模型建立江西省工业污染评价指标系统,采用分类评价、综合评价的方法对江西省近几年的工业污染状况进行分析评价.根据工业污染的特性,结合压力-状态-响应模型的思想建立以下工业污染的评价指标体系,见表1.

表1　江西省工业污染PSR模型指标体系表Table1　Theassessingframeofindustrialpollutionin

JiangxiprovincebasedonthePSRmodeling

项目层工业污染压力

因素层工业生产压力

水污染大气污染土壤污染综合污染企业响应

企业社会响应

法律响应群众响应政府投资公众参与

指标层

工业总产值工业废水排放量工业废气排放量工业固体废弃物生产量

污染事故次数

工业废水达标排放总量固体废弃物综合利用总量

二氧化硫去除量环保立法执法环境污染信访量

环保投资环保宣传教育

3　数据处理

本文的数据来源主要是1999年～2005年江西省环境状况公报和1999年～2005年江西省统计年鉴.经资料的统计汇总发现,部分指标很难完全获取,故下文仅选取可获取的大部分指标来进行综合评价.另外上述工业污染模型中大部分指标数据量纲各不相同,因此,在对各项指标进行综合评估之前,需要对所有数据做无量纲化处理.在借鉴标准离差法(SDM)的基础上对所有数据进行标准化处理,然后对其实行归一化处理,具体过程如下:

工业污染状态

1)分别计算出指标层每项指标的标准差Si,如下(1);2)然后利用(2)式对每个指标进行标准化处理;3)最后,在确定每一指标标准化处理结果的最大值、最小值后,进行归一化处理,得出该指标的归一化数值,如公式(3):

--xi)2

Si=N

式中:Si=i指标标准差;xi=i指标原始值;-xi=i指标平均值;N=6.i-i

STDi=Si

式中:STDi=i指标标准化数值;xi=i指标原始值;-xi=i指标平均值;Si=i指标标准差.

(1)

(2)

iimin(STDi)max-(STDi)min

式中:UNIi=i指标归一化数值;STDi=i指标标准化数值;(STDi)min=i指标最小标准化数值;

UNIi=

(STDi)max=i指标最大标准化数值.

(3)

经过上述标准化处理,原始数据(见表2)均转换为无量纲化指标测评值(见表3),即各指标值都处于同一个数量级别上,然后给同一层次的影响因素赋给相同的权重值,最后进行加总可得江西省工业污染的压力-状态-响应指标,详见表4.

4　结果分析

从表4可以发现:

1)江西的工业污染压力指数、状态指数和响应指数呈明显的正相关,而且是逐年上升的,如图1所示;其中压力指数的增长最为明显平稳,这也证实了江西的“十五”计划中以工业为中心的策略得到了很好的贯彻,全省工业蓬勃发展.

第4期　　　　　　　　　　　　　陆翱翔等:基于PSR模型的江西省工业污染评价

表2　江西省工业污染PSR模型评价原始数据表

101

Table2　TheoriginaldatafortheassessmentofindustrialpollutioninJiangxiprovincebasedonthePSRmodeling

工业总产值(亿元)556.360600.628667.438752.162915.3741059.562

74376

工业废水排放总量(万吨)424241464853492.6083.16507.09119.03341.08128.26

固体废弃物产生总量(万吨)344566983.815376.849.181.524.

5851928224

工业废气排放总量(万标m3)192222263239338204306124019716

843000000000000900

环保投资(亿元)9.12.10.11.24.41

899857517

工业废水达标排放总量(万吨)262831353947222.796.503.786.981.047.

13326544656

固体废弃物综合利用总量(万吨)695.3　702.2　985.321136.2713681669.12

二氧化硫去除量(吨)403528553532667750

110800200900084011

年份199920002001200220032004

数据来源:1999年～2005年江西省环境状况公报和2000年～2005年江西省统计年鉴

表3　江西省工业污染PSR模型评价归一化数据表

Table3　ThenormalizationofthedatafortheindustrialpollutioninJiangxiprovincebasedonthePSRmodeling年份199920002001200220032004

工业总产值0

0.0870.2200.3890.7131

工业废水排放总量0.0840.0490

0.3960.5881

803571857064

固体废弃物产生总量00.3270.1540.7340.8651

246657589224

工业废气排放总量00.0.0.0.1140145332622

6605964246

环保投资00.0.0.0.1

工业废水达标排放00.0.0.0.1123253459660

608609259698

固体废弃物综合利用总量0

0.0070.2970.4520.6901

085817825785

二氧化硫去除量00.3620.4320.3740.7601

322659141949

97274211346099021052476325858073053

2)从状态指数来看,江西工业污染程度具有加重的趋势,主要原因是尽管很多企业做了环境影响评价报告书,但是真正按此来实行的企业却不多,这可以从群众信访量和人大政协的建议或提案数来得到证实.1999年环保部门共收到人民群众反映环境问题的来信达4278件,共受理人大、政协关于环境保护的建议、提案329件;而到了2005年全省共受理群众来信来访达15891件,是1999年的三倍之多.所以环保政策的执行不到位是导致工业污染加剧的重要原因.

3)从响应指数来看,2004年不论是废水达标排放量,还是固体废弃物综合利用量都比1999的能力提高了快两倍了,但是相对于工业三废的排放总量增长速度而言,其治理能力还是明显滞后.

4)另外从环保投资的总量和组成来看,尽管表面上环保投资总量是增加的,但是其在全省GDP的比例变化很小,差不多都没有超过1%,如2002年环保投资仅占同期全省国内生产总值的0.47%;而且,在其中绝大部分都是

表4　江西省工业污染分类评价结果表Table4　TheassessingandclassifingresultfortheindustrialpollutioninJiangxiprovince年份199920002001200220032004

压力指数0

0.0879720.2207420.3891130.713461

状态指数0.0282680.1724720.1000870.4881360.6918441

响应指数00.1480850.2514860.3345750.6471211

图1　江西省工业污染时间变化图

用于城市基础环境设施建设,而用于污染源治Fig.1　AtemporalindexofindustrialpollutionJiangxiprovince理和环境科研监测能力提高的比例却很低,如2003年全省用于环保投资共24.7亿元,其中污染源治理投资2.73亿元,仅占11%,而城市环境基础设施建设投资21.97亿元.

102太原师范学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　第6卷　5　结语

随着江西省工业园区的建设和工业化水平的不断提高,中短期内工业污染具有明显的加重趋势,但是我们也应看到整个国家已经在非常重视环境污染问题,我国人口众多、资源贫乏和生态脆弱决定了我国不能再走“先污染,后治理”的发展道路了,为此中央提出了科学发展观,国家环保总局还多次刮起环保风暴,实行区域限批等强制措施来大力推进环境保护.另外,江西省也提出了“既要金山银山,更要绿水青山”的发展口号,在环保投资方面也逐步增加比例,如2004和2005年的环保投资都超过省GDP的1%.同时,我们也欣喜地看到民众越来越关心身边的环境,接受环境保护宣传和举报环境污染的积极性都有很大提高,环保意识有了明显的提升.因此,从企业社会响应的角度来看,未来的发展会更加重视环境保护,公众参与的力度也会明显增强.

本文在借鉴压力-状态-响应框架的基础上构建了反映江西省工业污染的原因、状况和社会响应的评价指标体系,在一定程度上能够更全面地看清工业污染的影响,为治理工业污染和环境保护提供参考依据.

参考文献:

[1]　邱德胜,钟书华.湖北省工业污染现状分析[J].环境科学与技术,2005(9):51-53

[2]　马小明,张立勋.基于压力-状态-响应模型的环境保护投资分析[J].环境经济,2002(11):31-33

[3]　郭旭东,邱　扬,连　纲,等.基于“压力-状态-响应”框架的县级土地质量评价指标研究[J].地理科学,2005(10):579-583

[4]　谢花林,李　波,刘黎明.基于压力-状态-响应模型的农业生态系统健康评价方法[J].农业现代化研究,2005(9):366-369

TheAssessmentofIndustrialPollutioninJiangxi

ProvinceBasedonthePSRModeling

LuAoxiang1　LuChunyan2　LiuYing1

(1.SchoolofGeographyandEnvironment,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022;

2.JiangxiJusticePoliceVocationalCollege,Nanchang330013,China)

〔Abstract〕　WetendtoproposeaevaluationsystemontheindustrialpollutioninJiangxiprovincebyusingthePSRmodeling,andadoptthefiguresanddataabstractedfromtheJiangxistatisticalyearbookandenvironmentalcommuniqu??,whicharealsoappliedintothedemonstrableanalysisbyusingthismodeling.Theresultsshowthatunderthecurrentdevelopmentcircumstances,thetendencyofindustrialpollutioninJIANGXIprovincemaydeteriorateintheshortperiod,however,therespondenceofthesocietyandenterpriseshavebeenenhancedcorrespondentlyandtheconsciousnessofthepublicenvironmentprotectionhasalsobeenimproved.

〔　PSR;industrialpollution;JiangxiprovinceKeywords〕

三 : 大气污染物扩散模式

第四章大气污染物扩散模式
1.湍流扩散的基本理论
2.高斯扩散模式

3.污染物浓度的估算方法
4.特殊气象条件下的扩散模式 5.城市及山区的扩散模式 6.烟囱高度设计

第一节湍流扩散的基本理论
扩散的要素 ? 风：平流输送为主，风大则湍流大 5 6 ? 湍流：扩散比分子扩散快10 ～10 倍 ? 风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接因素。湍流的基本概念 ? 湍流——大气的无规则运动
? 风速的脉动（上、下） ? 风向的摆动（左、右）

起因与两种形式 ? 热力：温度垂直分布不均（不稳定） ? 机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度

湍流扩散理论
主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 1.梯度输送理论
?

类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比

2.湍流统计理论
? 泰勒－>图4-1，正态分布

? 萨顿实用模式
? 高斯模式（应用最为广泛）

第二节高斯扩散模式
一、高斯模式的有关假定 ? 坐标系
右手坐标系（食指—x轴；中指—y轴；拇指—z轴），原点：为无界点源或地面源的排放点，或者高架源排放点在地面上的投影点；x为主风向；y为横风向；z为垂直向
?

高斯模式的四点假设
? a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 ? b．全部高度风速均匀稳定 ? c．源强是连续均匀稳定的 ? d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）

高斯扩散模式
高斯扩散模式的坐标系

二、无界空间连续点源扩散模式
q y2 z2 c( x, y , z ) ? exp[ ?( 2 ? )] 2 2? y 2? z 2πu? y? z

稳态

ū — 平均风速，m/s； q—源强， g/s； σy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，m； σz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，m；

三、高架连续点源扩散模式
高架源须考虑到地面对扩散的影响。根据假设④可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用，按全反射原理，可用 “像源法”处理 ——把P点污染物浓度看成为两部分（实源和像源）作用之和。

建立三个坐标系：1、以实源在地面的投影点为原点；P点坐标为（x，y，z）； 2、以实源为原点；3、以像源为原点。（1）实源贡献：P点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为（z-H）。不考虑地面的影响，实源在P点形成的污染物浓度为：
?

实源的贡献

q y 2 ( z ? H )2 c( x, ρ,1 , H ) ? y z exp[ ?( 2 ? )] 2 2? y 2? y 2πu? y? z

（2）像源贡献：P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为（z+H），像源在P点形成的污染物浓度为：
?

像源的贡献 ρz c ( x , y , 2, H ) ?

q y2 ( z ? H )2 exp[ ?( 2 ? )] 2 2? y 2? z 2π u? y? z

?

实际浓度

q y2 ( z ? H )2 (

z ? H )2 c( x, y , z, ρ（x,y,z,H） H ) ? 2πu? ? exp( ? 2? y2 ){exp[ ? 2? y2 ] ? exp[ ? 2? z2 ]} y z

高架连续点源扩散模式
地面浓度模式：取z＝0代入上式，得
y2 H2 c( x, y ,0, H ) ? exp( ? 2 ) exp( ? 2 ) 2? y 2? z πu? y? z q

地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式
H2 c( x,0,0, H ) ? exp( ? 2 ) 2? z πu? y? z q

地面最大浓度模式：
考虑地面轴线浓度模式
H2 c( x,0,0, H ) ? exp( ? 2 ) 2? z πu? y? z q

?z 上式，x增大，则 ? y 、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x 处有最大值

高架连续点源扩散模式
地面最大浓度模式（续）：
设
?y ? z ? const （实际中成立） dc( x,0,0, H ) ?0 d? z
2q ? ? z πuH 2e ? y

由此求得

cmax ?

? z |x ? x

cmax

?

H 2

地面源高斯模式（令H＝0）：
y2 z2 c( x, y , z,0) ? exp[ ?( 2 ? )] 2 2? y 2? z πu? y? z q
相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）

设

?y

?z ?k

则? y ? k? z

上式变为：
‘

?＝

Q
2 ? uk? z

exp(?

H2
2 2? z

)?

A
2 ?z

exp(?

H2
2 2? z

)

? 1 ’ H2 1 H 2 ‘? ? ＝A（ 2 ）? exp(? 2 ) ? 2 （exp(? 2 )）? ? ? 2? z ?z 2? z ? ?z ? ? ? ? 1 ’ ? H2 1 H2 H2 1 ’ ＝A（ 2 ）? exp(? ) ? 2 ? exp(? )（ ? ? ） 2 ）? （ ? ? 2 2 2 2? z ?z 2? z 2? z ?z ? ? ?z ? ?

令ρ’=0

H2 0＝ ? 2 ? 1 ?z 2 1

? z＝

H 2
Q ?? z 2 H2

? max＝

Q

? u? y ? z

exp(?1) ?

Q ?? z

? u?

2 ?z y

?e

?

? u? y ? e

??

例题：
一工厂在源高H=30m处以20g/s的速度排放SO2，风速为3m/s，在下风向距离1000m处，扩散系数分别取 σy=30m ，σz=20 m。计算烟流中心线上SO2的浓度；中心线以左60 m 、以下20 m处 SO2的浓度。

颗粒物扩散模式
粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式
(1 ? a )q y2 ( H ? vt x / u ) 2 c( x, y ,0, H ) ? exp( ? 2 ) exp[ ? ] 2? y 2? z2 2πu? y? z d p2 ?p g vt ? 18?

地面反射系数

无界空间连续点源扩散模式
q y2 z2 c( x, y , z ) ? exp[ ?( 2 ? )] 2 2? y 2? z 2πu? y? z

高架连续点源扩散模式
?

实际浓度
q y2 ( z ? H )2 ( z ? H )2 c( x, y , z, H ) ? exp( ? 2 ){exp[ ? ] ? exp[ ? ]} 2 2 2? y 2? y 2? z 2π u? y? z

地面浓度模式：取z＝0代入上式，得
y2 H2 c( x, y ,0, H ) ? exp( ? 2 ) exp( ? 2 ) 2? y 2? z πu? y? z q

地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式
H2 c( x,0,0, H ) ? exp( ? 2 ) 2? z πu? y? z q

地面最大浓度模式（续）：
设
?y ? z ? const （实际中成立） dc( x,0,0, H ) ?0 d? z
2q ? ? z πuH 2e ? y

由此求得

cmax ?

? z |x ? x

cmax

?

H 2

第三节污染物浓度的估算

计算或实

测 u 平均风速多年的风速资料 H 有效烟囱高度 ? y 、 z 扩散参数 ?

q 源强

1.烟气抬升高度的计算
有效源高

H ? H s ? ?H
H s ――烟囱几何高度
?H

――抬升高度

烟云抬升的原因有两个： ①是烟囱出口处的烟流具有一初始动量（使它们继续垂直上升）；②是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。这两种动力引起的烟气浮力运动称烟云抬升，烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度。
烟气抬升
初始动量：速度、内径浮力：烟温度

烟气抬升高度的计算
抬升高度计算式
（1） Holland公式：当大气稳定度为中性，计算烟气抬升

高度时，经常使用霍兰徳公式：
?H ? vs D T ?T 1 (1.5 ? 2.7 s a D) ? (1.5vs D ? 9.6 ?10 ? 3QH ) Ts u u

kW
Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下。在实际计算中，不稳定条件(A、B稳定度)，ΔH 需增加10％～20％；稳定条件(D、E、F稳定度)， ΔH 需减少10％～20％。
?

（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件
不稳定或中性大气下，布里格斯公式用来确定不同的热释放率和下风向距离条件下的烟气抬升高度：
当QH ? 21000kW时 x ? 10 H s x ? 10 H s
当QH ? 21000kW时 x ? 3x * x ? 3x * ?H =0.362QH ? x ? u
1/3 1/3 ?1

?H =0.362QH1/3 ? x 2/3 ? u
1/3 2/3

?1 ?1

?H =1.55QH ? H s ? u

?H =0.332QH 3/5 ? H s 2/5
3/5 3/5 ?6 / 5

x*=0.33QH ? H s ? u

（3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法” (GB/T13201-91)中的公式——在没有特别要求时，应优先使用国家标准规定的方法。
( 1 ) 当 Q H ? 2 1 0 0 k W 和 (Ts ? Ta ) ? 3 5 K 时 ? H ? n 0Q H
n1

?Hs

n2

?u

?1

Q H = 0 .3 5 Pa Q V

?T Ts ? ?H 1)

? T ? Ta ? Ts

(2)当1700 kW ? Q H ? 2100 kW 时 Q H ? 1700 2 400 2 (1 .5 v s D ? 0 .0 1 Q H ) 0 .0 4 8 ( Q H ? 1 7 0 0 ) ?H 1= ? u u (3)当 Q H ? 1700 kW 或 ? T ? 35K 时 ?H =?H 1 ? (?H 2 (1 .5 v s D ? 0 .0 1Q H ) u ( 4 ) 当 1 0 m 高处的年平均风速小于或等于 1 .5 m /s 时 ?H = ? H = 5 .5 Q H 1 / 4 ( d Ta ? 0 .0 0 9 8 ) ? 3 / 8 dz

例：某市远郊区电厂烟囱高160m，烟囱排出口内径 5m，排烟速度12m/s。烟气温度135℃，周围大气温度15 ℃。大气稳定度C级，源高处风速6 12m/s。试分别用霍兰德、布里格斯、国家标准公式计算烟气抬升高度（假设下风向距离x=2km）

大气扩散参数（σy，σz）的确定
扩散参数是表征湍流扩散剧烈程度的物理量，是影响污染物浓度的重要参数。 P－G曲线法帕斯奎尔在1961年推荐一种仅需要常规气象观测资料就能估算 σy，σz的方法，吉福德(Gifford)进一步将它制成应用更方便的图表。应用观测到的风速、云量、云状和日照等天气资料，

将大气扩散稀释能力分为6个等级： A — 极不稳定，B —不稳定，C — 弱不稳定，D — 中性， E — 弱稳定，F —稳定。若稳定级别为A～B，则表示按A 、B级的数据内插。

该法的要点：首先根据帕斯奎尔划分大气稳定度的方法来确定大气稳定度级别；然后从图4-4和图4-5中查得（或表4-4用内插法求出）对应的扩散参数σy和σz；最后将σy、σz代入前面介绍的一系列扩散模式中，就可估计出各种情况下的浓度值。

扩散参数的确定－P－G曲线法
P－G曲线的应用
?

根据常规资料确定稳定度级别

扩散参数的确定－P－G曲线法
P－G曲线的应用
?

利用扩散曲线确定? y 和 ? z

扩散参数的确定－P－G曲线法
P－G曲线的应用
?

地面最大浓度估算
?由 H 和 ? z |x ? x
? H ??z 2

cmax

?由 ? z ~ x 曲线（图4-5）反查出 xcmax ?由 ? y ~ x 曲线（图4-4）查? y ?由式（4-10）求出Cmax

扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法
我国在修订P-T法基础上产生了国家标准法(GB/T 13201-91)。

该方法的技术路线是：根据时间、地理位置确定日倾角、太阳高度角，利用天气条件确定辐射等级，然后利用辐射等级和风速确定大气稳定度，最后查扩散参数幂函数表，确定扩散参数。

太阳高度角云量

（式4-29，地理纬度，倾角）辐射等级稳定度
（加地面风速）

扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法
扩散参数的选取
?

扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）
? y ? ? 1 x a ,? z ? ? x a
1 2 2

? ?

? ?

平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区 ? ? z 不变， y ? ? y ( 2 ) q ? 取样时间大于0.5h， ?1
2 1

例：某冶炼厂烟囱高150m，烟气抬升高度75m， SO2排放量1000g/s 。估算风速3m/s，大气稳定度 C级时地面最大浓度是多少？发生在什么位置？（分别用P-G法和国家标准方法计算）
第一步：确定出现地面最大浓度的Z向扩散参数。第二步：确定出现地面最大浓度的下风向距离。第三步：确定出现地面最大浓度的y向扩散参数。第四步：计算地面最大浓度。

第四节特殊气象条件下的扩散模式
在整层大气都具有同一稳定度（即温度层结构均一，实际中难以实现）、平坦地形的条件下应用高斯模式计算污染物浓度。如果整个大气层不均匀，污染物扩散所涉及的温度层结不止一个，或者地表粗糙度高，地势起伏大就需要特殊处理。下面讨论两种特殊情况：封闭型扩散和熏烟型扩散。
一、封闭型扩散模式——有上部逆温层的扩散模式所谓封闭型

扩散就是指在上部存在逆温层的气象条件下，污染物受到上部逆温层限制，只能在地面和逆温层之间扩散的情况

第四节特殊气象条件下的扩散模式

在封闭型扩散中，假定： ? 污染物完全不向逆温层扩散； ? 上部逆温层对污染物起全反射作用，可用像源法处理； ? 污染源在地面和逆温层之间形成无穷多个像对，污染物浓度是实源和无穷多虚源的贡献之和。由式4-9

得：地面轴线上的污染物浓度为：
( H ? 2nD ) 2 C? ? exp[? 2? 2 ] πu? y? z ?? z q
?

o

o
D-H

D-H D

二次反射无反射一次反射

2D-H

o 地面和逆温层底对烟云多次反射

封闭型扩散模式
简化计算：

例：位于北纬40°，东经117 °的某化工厂烟囱高50m， H2S排放量9kg/h ,排放筒直径0.5m，烟气出口温度50℃。出口气速12m/s。距地面10m处风速为4m/s，早春2月上午8时，天气晴朗，环境气温15℃，距地面500m处出现逆温，试问在下风向5000m、8000m处H2S浓度有多大？第一步：确定大气稳定度——查太阳倾角-计算太阳高度角 -确定辐射等级-查出大气稳定度第二步：确定H——计算QV、QH-计算50m处风速-计算 ΔH。第三步：确定XD——计算σz，按远郊区查表4-8，反算XD。第四步：按4-9计算5000m处H2S浓度。第五步：按4-9计算XD 处H2S浓度；按4-36计算2XD 处 H2S浓度。然后内插，确定 5000m处H2S 浓度。

熏烟型扩散模式
熏烟过程：早晨太阳升起后，地面得到来自太阳的辐射逐渐加热，夜间产生的逆温层逐渐抬升，当逆温破坏到烟流下边缘以上时，使烟流发生向下的强烈混合，地面污染物浓度增大，产生熏烟过程。熏烟过程一般多在早晨发生，持续时间不超过2小时。

熏烟型扩散模式——地面浓度
即hf=H时

hf——逆温层消失高度；σyf——熏烟条件下Y向扩散参数
? yf ?
2.15? y ? H ? tg15o 2.15 ??y ? H 8

第五节城市及山区扩散模式（自学）

线源扩散模式

面源扩散模式

山谷扩散

封闭山谷扩散示意图

第六节烟囱高度的设计
烟囱高度的计算
? ? ?

（1）达到大气污染物稀释扩散的作用；（2）尽量节省投资（造价正比于H2 ）；（3）地面浓度不超过《环境空气质量标准》。
?z 2q ? z Cmax ? ( ) 2 ? y 在0.5～1.0之间取 πuH e ? y 2 q? z Hs ? ? ?H πeu (C0 ? Cb )? y

1、按地面最大浓度计算

C max ? C 0 ? C b

C 0－标准浓度

C b－本底浓度

2、按地面绝对最大浓度计算

B ?H ? B （代入 H ? H s ? ） 1． u u dC 2． max ? 0 ? uc ? B 危险风速 H s （危险风速） du
此时 ?H ?

B H ? Hs ? 代入下式可得 2 uc q ? q ? ? z ? Cabsm ? ( ? z) 2πeH s B ? y 2πeH s2 uc ? y
q ? ? z 2πeuc (c0 ? cb ) ? y

Hs ?

将

烟气抬升公式简化为

?H ? B / u ? H ? H s ? B / u

?z 2Q K 代入到 ? max＝ ? ? 2 2 4—10： ? u(H s ? B / u) ? e ? y H s u ? 2H s B ? B 2 / u
d? max / d u＝K ?1
2 ( H s u ? 2H s B ? B 2 2 ? (H s 2

①

?0?

B2 u
2

)

/ u)

B B H 令d? max / d u＝0 ? u ? ＝ ? 此时?H ? ? Hs ? Hs 2 u?
代入到①式

?z ?z Q ? absm＝ ? ? ? 2 2 ? u ? (2 H s ) ? e ? y 2? u ? H s ? e ? y
2Q

3、按一定保证率的计算法
由地面最大浓度计算法→HS较矮，当u＜ū时，地面浓度可能超标；由地面绝对最大浓度计算法→HS 较高，无论u多大，地面浓度不超标，但烟囱造价高。从环保和经济两方面来看，在选择一个可接受的保证率后，ū、稳定度取一定值后代入上述公式，可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度，较前面较合理。

4、P值法
根据“指定大气污染物排放标准的技术方法”GB/T13201-91中规定的点源烟尘允许排放率计算式：

Q e ? Pe ? H
H
s

2

? 10 ? 6

?

Q e ? 10 6 ? ?H Pe

式中：Qe－烟尘允许排放速率，t/h；Pe－烟尘排放控制系数， t/(h·m2)；H－有效源高，m。

烟囱设计中的几个问题
烟囱高度计算公式的校核
上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，需要用封闭型或熏烟型模式校核

烟气抬升高度的选取
?

优先采用国家标准中的推荐公式（也有人认为一般选霍氏公式）。

烟流下洗现象的防止
为避免烟流因受周围建筑物的影响而产生的烟流下洗现象，烟囱高度应为周围建筑物的2倍以上。

为避免烟囱本身对烟流产生的下洗现象，烟囱出口气速不得低于该高度处平均风速的1.5倍。一般宜在20~30 m/s。
烟温宜在100℃以上。

公式中与气象有关的参数取值方法： ū的取值：①取多年平均值；②取某一保证率的值：如已知ū ＞3m/s的频率为80%，取3m/s可保证有80%不超标，而地面平均最大浓度可能比规定标准更低。 ? ?z 值在 0.5～1.0 间，即：当 Hs>100m 时， z ?y ? y ? 0 . 5 ；当 Hs<100m 时，
?z ? y ? 0 .6 ? 1 .0 。

烟囱出口直径的计算：

例：地处丘陵的某炼油厂进行扩建，拟新建一烟囱排放污染物。烟囱排放条件为：出口内径3m，出口速度15m/s，烟温140 ℃ ，大气温度17 ℃ ， H2S排放量7.2kg/h。离该厂 2500m处有一城镇，大气中H2S现状浓度是0.5μg/m3，为使该城镇H2S的浓度低于10 μg/m3 ，问要建多高的烟囱才能满足要求？设计风速取3m/s。提示：烟气抬升采用霍兰德公式。
取

?z ? 0.9 ?y

第七节
一、所需气候资料

厂址选择

1、风向和风速气候资料：

如图是风速和风向频率复合图，矢线长度代表风向频率大小，矢线末端的风速羽代表平均风速）

静风（风速<1.0m/s）或微风（风速为1～2m/s）情况大气通风条件差，容易引起高浓度污染，尤其是长时间静风会使污染物大量积累，引起严重污染。因此，在空气污染分析中不仅应统计静风频率，有条件还要统计静风持续时间。

2、大气稳定度的气象资料可根据p-T法，利用已知的气象资料对当地大气稳定度进行分类，统计出月（年、季）各稳定度频率，作出必要的图表。 3、混合层高度的确定混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数。具体指出污染物在铅直方向的扩散范围。混合层愈高，则污染物垂直扩散的范围越大。受太阳辐射的影响，午后混合层高度最大。
H 早晨探空曲线

干绝热过程线最大混合层高度

日最高地温图确定最大混合层高度示意图

T

二、长期平均浓度的估算（略）
在厂址选择和环境评价中，人们更关心的长期平均浓度的分布。气象部门提供的风向资料是按16方位给出的，每个方位相当于一个22.5o 的扇形。因此，可按每个扇形计算长期平均浓度。推导时作以下假定：（1）同一扇形内各角度的风向频率相同，即在同一扇形内同一距离上，污染物浓度在y方向是相等的。（2）当吹某一扇形风时，全部污染物都落在这个扇形里。

B

O 污染源 C

x

Q

2Q H2 exp( ? ) C= 2 3/ 2 2? z (2? ) ( x / 16)? z u

三、厂址选择
从环保角度出发，理想的建厂位置是污染本底值小，扩散稀释能力强，排出的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方。 1、本底浓度本底浓度超标的地区不宜建厂，本底浓度虽未超标，但加上拟建厂贡献将超标，短期内又无法改进的也不宜建厂。 2、扩散稀释能力扩散稀释能力主要决定于该地区的气象条件和地形。（1）风向、风速污染物危害的程度和受污染的时间及浓度有关，确定工厂和居民区的相对位置时要考虑风向、风速两个因素。污染系数=
风向频率该风向的平均风速

某风向污染系数小，表示该风向吹来的风所造成的污染小，因此污染源可布置在污染源在污染系数最小风向的上侧。

（2）温度层结
离地面几百米范围内的大气稳定度对污染物的扩散稀释过程有重要影响，最不利于扩散的是近地层逆温和上部逆温。选厂址必须注意收集逆温层的强度、厚度、出现频率和持续时间等资料，要特别注意逆温同时出现静风或微风的情况。

（3）其它气象资料
如降雨、云、雾等

（4）地形
地形对空气污染的影响很复杂，在复杂地形建厂，必须作具体分析，一般应进行专门的气象观测和现场扩散实验或进行风洞试验以便对当地的扩散稀释条件做出准确评价。

高架连续点源扩散模式

地面浓度模式：取z＝0代入上式，得
y2 H2 c( x, y ,0, H ) ? exp( ? 2 ) exp( ? 2 ) 2? y 2? z πu? y? z q

地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式
H2 c( x,0,0, H ) ? exp( ? 2 ) 2? z πu? y? z q

烟气抬升高度的计算
1、Holland公式

2、Briggs公式

3、 (GB/T13201-91)中的公式

大气扩散参数（σy，σz）的确定
1、确定大气稳定度级别 2、由表4-4或4-8确定σy，σz

烟囱高度的计算
按地面最大浓度计算

按地面绝对最大浓度计算

四 : 74大气污染物扩散的高斯模型模拟

9.2.2大气污染物扩散的高斯模型模拟：可视化模拟点源大气污染的扩散

9.2.2 Gaussian Atmospheric Dispersion Model

突发性大气污染事故时有发生，对大气污染扩散进行模拟和分析，有利于减小事故的危害，减轻人员伤亡和财产损失。高斯扩散模型是国际原子能机构(IAEA)推荐使用于重气云扩散模拟的数学模型,该模型在非重气云扩散的应用日益广泛。高斯扩散模型是描述大气对有害气体的输移、扩散和稀释作用的物理或数学模型,是进行灾害预测和救援指挥的有力手段之一。

9.2.2.1高斯扩散模型

C(x,y,z,t)?Q?e3/2(2?)??x?y?z?(x?ut)22?x?y22?y?e?(e?(z?H)22?z?e?(z?H)22?z)…………(9.1)

同理，高斯烟羽模型的表达式如：

C(x,y,z,t)?Q?e2?u?y?z?y22?y?(e?(z?H)222?z?e?(z?H)222?z)………………………(9.2)

9.2.2.2 技术方法

图9.2.1 大气污染扩散的高斯模拟的步骤 1) 图层网格化

图层网格格式分为结构化网格、非结构化网格。结构化网格是指网格中每个结点都有数量相同的相邻点，如正方形格网，而非结构化网格则不同。由于结构化网格易于实现，便于进行插值处理，故多用于实际应用。考虑到气体污染物质量浓度的空间变化频繁，采用固定的结构化网格，以事故发生中心地为整个区域的几何中心，采用等间距条件将图层的二维空间离散化，计算每个网格点上面的污染物浓度，自动生成反映大气污染物质量浓度分布的等间距网格。

2) 空间插值

插值法)、样条函数插值法和空间自协方差最佳法(克里金插值法)。

3) 系统实现

c. 事故参数设置模块，包括事发地点查询和定位、事发时间参数设置、泄漏参数设置、气象参数设置等信息。

9.2.2.3 实例模拟

9.2.2所示。

图9.2.2 一小时后事故影响范围和危害程度

利用ArcGIS 3D Analyst扩展模块提供的三维数据查看环境实现系统的三维可视化。如图

9.2.3所示，在ArcScene中导入城市三维数据和实时的污染物扩散情况，可以很直观形象地查看污染物的影响范围。

图9.2.3 污染物扩散的三维模拟

五 : 72大气污染扩散的高斯烟羽模型及其GIS集成研究

第20卷　第5期环境监测管理与技术2008年10月

?研究报告?

大气污染扩散的高斯烟羽模型及其GIS集成研究

张斌才,赵军

(西北师范大学GIS开发应用研究中心,甘肃　兰州　730070)

摘　要:以VB6结合SuperMapObjects5.2为开发平台,实现高斯烟羽模型与GIS的集成,可视化地表达大气污染物的扩散过程,并通过实例讨论了GIS与烟羽模型集成的方法、技术流程及其他相关问题。

关键词:高斯烟羽扩散模型;GIS集成;大气污染

中图分类号:X169　　　文献标识码:A　　　文章编号:10062009(2008)05-0017-03

ApplicationofGaussianPlumDiffusionIZHAOJun

(DevelopmentandchofGIS,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

Abstract:ThesiulationsystemofGaussianplumemodelwithGISwasdevelopedbyVB6andSuperMapObjects5.2toshowprocessofpollutiondiffusionindifferentweatherconditions.AlsointegrationofthemodewithGISwasdiscussedintheaspectsofmethod,ideaandapplicationthroughitsinstantiation.

Keywords:Gaussianplumediffusionmodel;GISintegration;Atmosphericpollution

高斯烟羽扩散模型(简称烟羽模型)是国际原子能机构(IAEA)推荐使用于重气云扩散模拟的数学模型,该模型在非重气云扩散的应用日益广泛。王凤林等将烟羽模型应用于气团扩散;潘旭海[2][3]等、蒋军成等将烟羽模型用于氰化氢泄露扩散模拟并完成了图形化的计算机实现;陈宏坤[4]

等分析认为GIS与大气扩散模型的整合是发展

[5]

趋势;沈立峰等研究了基于ArcIMS的烟羽模型扩散系统的实现,但对于烟羽模型与GIS集成的理

[6]

论探讨相对不足;N.K.H.Arystanbekova给出了基于多发事故烟羽模型,但不能很好地与GIS系统进行集成。

现以烟羽模型与GIS空间插值理论为基础,采用将烟羽模型中风向坐标转换为GIS投影坐标建立网格图层的方法,得到烟羽模型在GIS环境中的完全模拟量的栅格图层。该图层可以方便地转换为矢量图层并计算相关污染指数,完成烟羽模型与GIS的集成。1　高斯烟羽扩散模型

[1]

高斯烟羽扩散模型以平流-扩散微分方程为

依据,在风速及湍流扩散系数为定值条件下,平流-扩散微分方程的解为标准正态分布。所以通常将烟羽模型用来描述大气突发性污染事故中污染物质量浓度的分布,其表达式为:

C(x,y,z,t)=e

σ2-(y-vt)2/2y

(2π)3/2σxσyσz

σ2-(x-ut)2/2x

σ2-(z-h-wt)2/2zσ2-(z+2H+h-wt)2/2z

](1)

式中:t———时间,s;Q———污染释放率,mg/s;u,v,

σy、σz—w———风速矢量值;σx、——水平和垂直方向

扩散系数;h———事故点高度,m;H———混合层高,m。

烟羽模型以事故点为坐标原点,风向为x轴,得出空间一点(x,y,z)的污染物质量浓度值C。当v=w=0,且z=0时,方程为:

收稿日期:2008-03-14;修订日期:2008-07-20基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(2007GS3614)作者简介:张斌才(1982—),男,甘肃兰州人,硕士研究生,从事GIS系统设计与开发研究。

第20卷　第5期张斌才等.大气污染扩散的高斯烟羽模型及其GIS集成研究2008年10月

C(x,y,0,t)=e

σ2-y2/2y

(2π)σxσyσz

)

3/2

σ2-(x-ut)2/2x

σ2-h2/2z

σ2-4H2/2z

(2)

由(2)式得出的污染物质量浓度变化模型是为以单个事故点为中心的独立坐标系,通过以下坐标变换方法,给出在GIS平面投影坐标系下统一的

[6]

多源释放模型。设I为污染源,其在x0y坐标系

)为0x轴与风向轴下的坐标为(η,ξ),α(α≤90°

IX的夹角,而其风向坐标系为XIY,现将XIY坐标

按一般坐变换方法有:

X=xcosβ+ysinβY=-xsinβ+ycosβ

因只对Y轴作变换,得到,Y=(x-η)sinα+(y-ξ)cosα

以风速因子u、v代替sinα与cosαCee

(x,

进行的一种无偏最优估计,可最大限度地利用空间

取样所提供的各种信息,不仅考虑了采样点数据和待估样点与邻近已知样点的空间位置,还考虑了邻近样点数据以及各邻近样点彼此之间的位置关系,同时利用了已有观测值空间分布的结构特征,因此

[8-9]

具有较高的精确度,并且能给出估计误差。克里金插值法主要包括普通克里格方法、泛克里格法、协同克里格法、对数正态克里格法、指示克里格法、折取克里格法等。

2.2.2　反距离加权插值法(InverseDistanceWeighted,IDW),即;反之,离。该方法以插值点与样本点,离插值点越近的样本点赋予的权重越大。设插值函数F(x,y)为各实测数据点的加权平均,即点(xk,yk)值对于F(x,y)的影响与(xk,yk)至(x,y)的距离成反比。令dk=

(x-xk)

+(y-yk),插值函数F(x,y)为:

t()σxσyσz

3/2

22σ2-[(x-x0)u-(y-y0)v-(u2+v2)(t-t0)]2/2x(u+v)22σ2-[(x-x0)v+(y-y0)u]2/2y(u+v)

σ2-4H2/2z

σ2-h2/2z

+e)(3)

F(x,y)=

式中:x0、y0为事故点GIS坐标系位置;t0为事

故发生时间;其余同上。2　技术方法2.1　图层网格化

k=1n

[d(x,y)]

[dk(x,y)]

=∑fk?Wk(x,y)

k=1

(4)

式中权函数:

Wk(x,y)j=k

图层网格格式分为结构化网格、非结构化网

格。结构化网格是指网格中每个结点都有数量相同的相邻点,而非结构化网格则不同。由于结构化网格易于实现,便于进行插值处理,故多用于实际应用,如M.Richards等在分析大气污染时就采用了结构化网格设置。考虑到气体污染物质量浓度的空间变化频繁,采用固定的结构化网格,以事故发生中心地为整个区域的几何中心,采用等间距条件将图层的二维空间离散化,自动生成反映大气污染物质量浓度分布的等间距网格。2.2　空间插值

2.2.1　克里金插值法(Kriging)

[7]

∏[dj(x,y)]

k=1j=k

∑∏[dj(x,y)]

3　系统实现3.1　系统平台

克里金插值法是常用的一种空间插值方法。它利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点,对未采样点的区域化变量的值进行线性无偏最优估计。它在分析已测样点的形状、大小、空间位置,已测样点与待估样点的相互空间位置关系,以及变异函数提供的结构信息基础上,对待估样点

硬件配置:Pentium4处理器,256MB内存,40G硬盘,该软件占用硬盘空间33M(包括数据);采用绘图仪等为基本输出工具即可。

软件配置:操作系统采用Windows95/98/NT/2003,开发平台为VB6.0和SupermapObjects5.2开发组件。3.2　模型参数

烟羽模型主要参数设置以大气稳定度分类为依据,对扩散系统在水平及垂直方向进行确定,研究中采用《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》中推荐的水平及垂直方向扩散系数大气稳定度分类见表1。

[10-11]

。

第20卷　第5期张斌才等.大气污染扩散的高斯烟羽模型及其GIS集成研究2008年10月

表1　Pasquill大气稳定度分类[10]

高度10m风速

v/(m?s-1)

白天(太阳辐射)强

AA-BBCC

夜晚(云量)多云

EEDDD

中

A-BBB-CC-DD

弱

BCCDD

无云

FFEDD

<22-33-55-6>6

成系统预测在事故发生后5min氯化物的质量浓

度分布。

(1)参数输入

输入参数分为4类:事故点坐标,由图形工具点击加入或人工输入;高度及时间,高度分为污染源高度及混合层高度;大气稳定度分类,采用Pas2quill表分类并确定合适的Briggs公式;风速因子,按空气流速及方向确定的x,y方向的矢量值。参数输入界面见图2

。

3.3　系统功能及实现3.3.1　模型实现流程

实现模型的主要步骤见图1。

(1)确定模型参数,包括空间位置参数及与模型相关的大气条件参数。

(2)GIS图层网格化,采用结构化的网格将图层数据离散化,建立矩形结构的网格节点。

(3)空间插值分析,ID,。在保证足够点数量时,。

(4)栅格图层可视化及其分析应用

。

图2　参数输入界面

(2)模拟结果

基于高斯烟羽模型GIS集成系统模拟的事故

发生后5min氯化物质量浓度分布的模拟效果见图3,图中将扩散质量浓度分为5个等级,中心到最小级的距离约为800m

。

图1　技术流程

3.3.2　大气污染扩散状态地图

采用二次开发方式,实现了高斯烟羽模型GIS

集成系统的基本输入、输出、编辑、操作等功能。主要功能:

(1)地图操作工具,包括地图打开、显示、漫游、放大、缩小等;

(2)图层编辑及操作,包括图层渲染,专题地图生成,图层添加、删除、移除,地图要素编辑等;

(3)查询功能,包括属性与位置相互查询,面积、距离查询;

(4)制图模板生成,实现将地图要素以推荐的格式自动生成为地图并输出。3.4　应用实例

某市一化工厂发生氯化物泄露事故。设氯化物泄露流量为0.45kg/s,高度为5m,风速为4.8m/s,风向为西南风,大气稳定度按Pasquill表1为C级,时间是白天。应用高斯烟羽模型GIS集

4　结论

图3　系统主界面

为了探索GIS与一般模型集成的方法,高斯烟羽模型与GIS集成无疑是一个较为典型的例子,一方面它在实际工作中的应用较为显著,不但可以快速模拟有毒泄漏物的扩散过程,显示空间上受其影响的范围,而且有利于及时、准确地掌握决策信息,最大限度地减少损失。另一方面,由于大气本身变化较为频繁,尤其在近地面受到温度、地形等影响,需要对模型参数及适用性不断修正,才能进行准确的过程模拟,提供可靠的决策服务。

(下转第55页)

第20卷　第5期徐建等.应用斑马鱼和凡纳对虾诊断污染场地污水的生物毒性2008年10月

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本栏目责任编辑　李文峻　薛光璞

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污染物扩散模型-大气污染物扩散的高斯模型模拟

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