大氣污染物擴散的高斯模型模擬

1、9.2.2大氣污染物擴散的高斯模型模擬：可視化模擬點源大氣污染的大氣污染物擴散的高斯模型模擬：可視化模擬點源大氣污染的擴散擴散9.2.2GaussianAtmosphericDispersionModel突發(fā)性大氣污染事故時有發(fā)生，對大氣污染擴散進行模擬和分析，有利于減小事故的危害，減輕人員傷亡和財產(chǎn)損失。高斯擴散模型是國際原子能機構(gòu)(IAEA)推薦使用于重氣云擴散模擬的數(shù)學(xué)模型該模型在非重氣云擴散的應(yīng)用日益廣泛。高斯擴散模型是描述大氣

2、對有害氣體的輸移、擴散和稀釋作用的物理或數(shù)學(xué)模型是進行災(zāi)害預(yù)測和救援指揮的有力手段之一。9.2.2.1高斯擴散模型高斯擴散模型高斯模型又分為高斯煙團模型和高斯煙羽模型。大氣污染物泄漏分為瞬時泄漏和連續(xù)泄漏，瞬時泄漏是指污染物泄放的時間相對于污染物擴散的時間較短如突發(fā)泄漏等的情形，連續(xù)泄漏則是指污染物泄放的時間較長的情形。瞬時泄漏采用高斯煙團模型模擬，而連續(xù)泄漏采用高斯模型煙羽模型模擬。高斯模型適用于非重氣云氣體，包括輕氣云和中性氣云氣體

3、。要求氣體在擴散過程中，風(fēng)速均勻穩(wěn)定。在高斯煙團模型中，選擇風(fēng)向建立坐標(biāo)系統(tǒng)，即取泄漏源為坐標(biāo)原點，x軸指向風(fēng)向，y軸表示在水平面內(nèi)與風(fēng)向垂直的方向，z軸則指向與水平面垂直的方向，具體公式見式(9.1):…………(9.1)22222222()()()222232()()(2)yxzzyxutzHzHxyzQCxyzteeee?????????????????????其中：為泄漏介質(zhì)在某位置某時刻的濃度值；為污染物單位時間排放量()Cxy

4、ztQ(mgs)、、分別x、y、z軸上的擴散系數(shù)，需根據(jù)大氣穩(wěn)定度選擇參數(shù)計算得到x?y?z?(m)；x、y、z表示x、y、z上的坐標(biāo)值(m)；u表示平均風(fēng)速(ms)；t表示擴散時間(s)；H表示泄漏源的高度(m)。同理，高斯煙羽模型的表達(dá)式如：………………………(9.2)222222()()222()()2yzzyzHzHyzQCxyzteeeu???????????????9.2.2.2技術(shù)方法技術(shù)方法若用高斯模型算出空間每一個點在

5、一個時刻的污染濃度，這個計算量是很大的。因此所設(shè)計的系統(tǒng)一般都是采用先進行圖層網(wǎng)格化，由高斯模型計算出有限個網(wǎng)格點的上的污染物濃度，在進行空間內(nèi)插得到面上每一個點的污染物濃度，并由此得到污染物濃度的等值線。整個過程的示意圖如圖9.2.1所示的數(shù)據(jù)點來估計未知點的數(shù)值，一般包括最鄰近點法(泰森多邊形法)、移動平均插值法(距離倒數(shù)插值法)、樣條函數(shù)插值法和空間自協(xié)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：全局多項

6、式插值法，反距離權(quán)重法，含障礙的擴散插值法，含障礙的核插值法，局部多項式插值法，徑向基函數(shù)插值法和移動窗口克里金法。3)系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)由于ArcGIS等軟件無法直接實現(xiàn)大氣污染物的高斯模擬，需要借助諸如MapX、ArcGISEngine的二次開發(fā)實現(xiàn)氣體濃度值在GIS平臺上動態(tài)展示的技術(shù)方法。這里以基于C#.和GIS組件ArcGISEngine的二次開發(fā)為例，介紹實現(xiàn)二三維模擬大氣污染物高斯擴散的方案。ArcGISEngine是用于構(gòu)

7、建定制應(yīng)用的一個完整的嵌入式GIS組件庫。本案例模擬共包括五個功能模塊：空間數(shù)據(jù)庫模塊、地圖基本操作模塊、事故參數(shù)設(shè)置模塊、事故模擬分析模塊和文檔保存輸出模塊。各個模塊的主要功能具體如下：a.空間數(shù)據(jù)庫模塊主要是指地圖中各個圖層中的空間數(shù)據(jù)庫，包含安全數(shù)據(jù)、加氣站、消火栓、避難場所等應(yīng)急設(shè)施信息以及道路、鐵路建筑物，居民點、橋梁、水系、湖泊等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用acle10g作為有關(guān)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與管理工具，在ArcGIS中通過AddDa

8、ta添加數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)，并按一定的圖層順序存放，形成.mxd格式文檔。b.地圖基本操作模塊中，可以對地圖進行打開圖形、保存圖形、漫游、放大、縮小、全屏顯示、地圖窗口刷新、屬性選擇、距離量算、面積量算等地理信息系統(tǒng)中的基本操作，在程序中是通過ArcGISEngine組件的IToolbarControl接口中AddItem來實現(xiàn)。c.事故參數(shù)設(shè)置模塊，包括事發(fā)地點查詢和定位、事發(fā)時間參數(shù)設(shè)置、泄漏參數(shù)設(shè)置、氣象參數(shù)設(shè)置等信息。d.事故模擬

9、分析模塊，是在高斯煙羽模型和高斯煙團模型的基礎(chǔ)上，利用ArcGISEngine組件在電子地圖上模擬毒氣連續(xù)泄漏或持續(xù)泄漏的擴散過程，主要功能有動態(tài)模擬擴散過程模擬、整個擴散過程的軌跡回放、某個時刻或者某個時間段氣體的擴散范圍并分析該時刻或者時間段受影響單位的統(tǒng)計信息。e.三維分析模塊，利用ArcGIS3DAnalyst擴展模塊提供的三維數(shù)據(jù)查看環(huán)境實現(xiàn)系統(tǒng)的三維可視化。在ArcScene中導(dǎo)入城市三維數(shù)據(jù)，通過3DViewTools工具

10、條實現(xiàn)對圖層的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作。調(diào)用IScenegraph的Locate()方法實現(xiàn)建筑物的查詢。加載三維大氣擴散表面圖層，顯示TIN要素中的三角面，設(shè)置要素圖層的顏色、透明度等屬性，顯示大氣擴散的三維區(qū)域。f.文檔保存輸出模塊，是指將事故基本信息、警戒區(qū)域的擴散圖形、受影響的重要單位、城鄉(xiāng)道路、居民建筑、水域橋梁、行政區(qū)域、消防監(jiān)控等信息保存輸出在Wd文檔，為應(yīng)急預(yù)案提供信息支持。9.2.2.3實例模擬實例模擬假設(shè)一輛裝載液氯的