大氣污染物擴(kuò)散的高斯模型模擬

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

2、對有害氣體的輸移、擴(kuò)散和稀釋作用的物理或數(shù)學(xué)模型是進(jìn)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(kuò)散模型高斯擴(kuò)散模型高斯模型又分為高斯煙團(tuán)模型和高斯煙羽模型。大氣污染物泄漏分為瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏，瞬時(shí)泄漏是指污染物泄放的時(shí)間相對于污染物擴(kuò)散的時(shí)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(shí)間較長的情形。瞬時(shí)泄漏采用高斯煙團(tuán)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(kuò)散過程中，風(fēng)速均勻穩(wěn)定。在高斯煙團(tuán)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(diǎn)，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(shí)刻的濃度值；為污染物單位時(shí)間排放量()Cxy

4、ztQ(mgs)、、分別x、y、z軸上的擴(kuò)散系數(shù)，需根據(jù)大氣穩(wěn)定度選擇參數(shù)計(jì)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(kuò)散時(shí)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(gè)點(diǎn)在

5、一個(gè)時(shí)刻的污染濃度，這個(gè)計(jì)算量是很大的。因此所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)一般都是采用先進(jìn)行圖層網(wǎng)格化，由高斯模型計(jì)算出有限個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的上的污染物濃度，在進(jìn)行空間內(nèi)插得到面上每一個(gè)點(diǎn)的污染物濃度，并由此得到污染物濃度的等值線。整個(gè)過程的示意圖如圖9.2.1所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)來估計(jì)未知點(diǎn)的數(shù)值，一般包括最鄰近點(diǎn)法(泰森多邊形法)、移動(dòng)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(xiàng)

6、式插值法，反距離權(quán)重法，含障礙的擴(kuò)散插值法，含障礙的核插值法，局部多項(xiàng)式插值法，徑向基函數(shù)插值法和移動(dòng)窗口克里金法。3)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由于ArcGIS等軟件無法直接實(shí)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(shí)現(xiàn)氣體濃度值在GIS平臺(tái)上動(dòng)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(shí)現(xiàn)二三維模擬大氣污染物高斯擴(kuò)散的方案。ArcGISEngine是用于構(gòu)

7、建定制應(yīng)用的一個(gè)完整的嵌入式GIS組件庫。本案例模擬共包括五個(gè)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(gè)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(gè)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(diǎn)、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(jìn)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(shí)現(xiàn)。c.事故參數(shù)設(shè)置模塊，包括事發(fā)地點(diǎn)查詢和定位、事發(fā)時(shí)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(tuán)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(kuò)散過程，主要功能有動(dòng)態(tài)模擬擴(kuò)散過程模擬、整個(gè)擴(kuò)散過程的軌跡回放、某個(gè)時(shí)刻或者某個(gè)時(shí)間段氣體的擴(kuò)散范圍并分析該時(shí)刻或者時(shí)間段受影響單位的統(tǒng)計(jì)信息。e.三維分析模塊，利用ArcGIS3DAnalyst擴(kuò)展模塊提供的三維數(shù)據(jù)查看環(huán)境實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)建筑物的查詢。加載三維大氣擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(shí)例模擬實(shí)例模擬假設(shè)一輛裝載液氯的