大气污染源扩散模拟的实现及应用-v

污染源扩散模拟的实现及应用

突发性环境污染事故是一种威胁人类安全和健康、破坏生态环境、危害性大的污染事故。近年来，随着经济的发展，越来越多的突发环境事故爆发，造成严重的环境污染，不仅给国家人民财产造成了损失，同时还严重的危害了周边人民的健康。因此，加强突发性环境污染事故应急监测，研究其处理技术，对污染物的扩散进行预报是环境监测和环境保护领域中一项非常重要的工作。

1 大气扩散模型研究的意义

突发性环境污染事故主要是由于高压容器、储罐、输送管道节门的破裂等诸多原因引起的，它可导致有毒有害气体外泄。其特点是没有固定的排放方式和排放途径，突然发生、来势凶猛，在短时间内排放大量有毒有害的污染物，有毒气体外泄后，随大气弥散，中心位置浓度最高，向外逐步扩散稀释，下风向形成相应的时空浓度分布。

对于重大突发事故分析，目前国内外普遍采用仿真技术，通过建立数学模型进行分析，而且已建立了很多适用于不同条件的数学模型。当前应用较为广泛的应急大气扩散模型有：SLAB，DEGADIS，ALOHA，ARCHIE，DEMRA和LPDM,其中比较著名的有RADM、ADOM、STEMD等模型、美国Sigma公司于八十年代中期建立的HPDM模型以及英国剑桥研究院开发的ADMS模型。这些模型通过对早期的CRSTER的法规式模式做了一些改进和发展，从而产生新一代扩散模型。

这些算法以扩散统计理论为出发点，假设污染物的浓度分布在一定程度上服从高斯分布。模式系统可用于多种排放源（包括点源、面源和体源）的排放，也适用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面污染物排放模拟、区域环境容量计算与总量控制等多种功能。

这些扩散模型的特点是基于专有平台实现，自成系统。并且在这些系统中大多考虑了扩散模型源排放、平流输送、湍流扩散、干沉积、湿沉积、气象化学等众多因素，系统功能庞大。但同时它们基于专有平台，自成系统，所以很难同环保局具体的业务系统进行整合。考虑到天津某区环保监控与应急指挥系统的实际情况和具体需求，我们基于高斯扩散模型，并根据实际情况加以改造，最终在GIS系统中进行了展现。

2基于高斯的实用性大气扩散模型的算法实现

高斯扩散模型是高斯应用湍流统计理论，在大量实验数据资料分析以及正态分布假设的基础上，得到的污染物在大气中扩散的数学模型。经过多年的研究试验，国内外建立了多种高斯扩散模型，包括高斯点源扩散模式、点源封闭式扩散模型、高斯面源(虚拟点源)扩散模式以及多种特殊气象条件和复杂地形条件下的高斯扩散模式。高斯扩散模型是目前运用得最普遍的大气扩散的数学模型。例如UK一ADMS模型的Urban部分中就直接采用的模型是一个三维高斯模型，以高斯分布公式为主计算污染物浓度，在非稳定条件下的垂直扩散使用了倾斜式的高斯模型烟羽扩散。

3、基于Supermap的扩散模型图形化显示

SuperMap GIS是国内具有完全自主知识产权的大型地理信息系统软件平台。包括组件式GIS开发平台、服务式GIS开发平台等应用开发平台，同时具备相关的空间数据生产、加工和管理工具。其中B/S开发的组件SuperMap IS .NET采用面向Internet的分布式计算技术，支持跨区域、跨网络的复杂大型网络应用系统集成，提供可伸缩、多种层次的WebGIS 解决方案，全面满足网络GIS应用系统建设的需要。

扩散的浓度值是受风速、源强等诸多因素影响的，对此，我们从可测量和可量化的角度入手，确定了扩散模型的输入参数，在系统应用中，我们输入相应扩散模型参数，由系统完成扩散模型的模拟，估计污染扩散趋势，并保存相应得扩散模型图片。基于Supermap实现的扩散模型运行效果如图第一模拟所示。

模拟参数变化对比表

120 7 55 45 120 5 35 45

120 3 35 90

90 5 12 30

注：以上表中的四个参数依次是风向角度、风级指定、扩散标量、扩散持续时间。

由对比表分析可得：

1)风向角度参数变化时，影响扩散模拟区域的输出方向

2)风级指数参数变化时，影响扩散区域面积图形的完整性，高斯模型为正态分布模型，根据其理论算法输出的扩散分布图形是以角度方向为对称轴的对称图形，风级指数变化影响图形的闭合程度和图形面积大小

3)扩散标量参数变化时，影响三个浓度区域在扩散区域内的面积分布，

①参数大时：其他参数不变化、整体扩散面积不变的情况下，高浓度区域扩散面积大

②参数小时：其他参数不变化、整体扩散面积不变的情况下，高浓度区域扩散面积小

③结果和参数变化成正比

4)扩散持续时间参数变化时，影响扩散区域面积图形的对称变化，高斯模型为正态分布模型，根据其理论算法输出的扩散分布图形是以角度方向为对称轴的对称图形，扩散持续时间参数变化，使图形闭合的对称轴延长，增加了扩散图形的面积，从而影响扩散模拟的范围。

以上分析的结论同我们对实际扩散情况的直观认识也是一致的。

5、实际应用

结合应急指挥系统的技术要求以及国内对环保监控的新的需求，综合利用计算机、通信网络、地理信息系统、智能专家系统等有关的最新技术手段，建立以GIS为基础的环境事故应急指挥系统，完成近年来政府部门应急信息化系统建设，实现监控系统与应急系统的结合，达到“平战结合”目的；全面提高了环保局在环境保护方面的科学综合决策能力。