大气污染物扩散高斯模型模拟

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 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。

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:

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：

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所示

图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

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)。

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。

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所