呂 楠，趙敬源，張 鵬

(1.長安大學(xué) 建筑學(xué)院， 陜西 西安 710061； 2.西安市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710082)

大氣污染是當(dāng)今世界各國普遍關(guān)注的環(huán)境安全問題，隨著城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大氣污染物排放率越來越高，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源類型和數(shù)量不斷增加[1]，以臭氧、細(xì)顆粒物(PM2.5)、酸雨為特征的區(qū)域性大氣復(fù)合污染問題日益突出，探究大氣污染及對(duì)其進(jìn)行控制、減緩的相關(guān)研究已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域最受關(guān)注的焦點(diǎn).研究大氣污染物在空氣中的分布特點(diǎn)、擴(kuò)散遷移規(guī)律，可為污染的控制和治理、環(huán)境空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù).國內(nèi)外從二十世紀(jì)三十年代起開始了對(duì)大氣擴(kuò)散模型的研究，大氣擴(kuò)散模型已經(jīng)成為研究大氣擴(kuò)散過程、濃度變化情況的重要工具[2].大氣擴(kuò)散模型又名“大氣湍流擴(kuò)散模型”，常采用物理模擬和數(shù)學(xué)模擬進(jìn)行模擬和數(shù)值分析，已建立起來的模型包括擴(kuò)散K模型、泰勒統(tǒng)計(jì)模型和高斯擴(kuò)散模型等.

已有研究發(fā)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GIS)可以實(shí)現(xiàn)大氣污染物的演變機(jī)理分析和動(dòng)態(tài)模擬過程.地理信息系統(tǒng)可以對(duì)空間數(shù)據(jù)按空間位置進(jìn)行管理并研究各種空間實(shí)體間的相互關(guān)系，在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)上開發(fā)事故預(yù)警與應(yīng)用系統(tǒng)，可以迅速獲取所需信息，以地圖和圖形的方式表達(dá)出來[3].這類系統(tǒng)能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)大氣擴(kuò)散模型輸入?yún)?shù)多，結(jié)果表現(xiàn)力不夠的缺陷，可以有效、最大程度地減少大氣污染造成的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失[4].因此，通過GIS技術(shù)揭示城市大氣污染物的擴(kuò)散規(guī)律，將為進(jìn)一步揭示城市空間布局與大氣污染物擴(kuò)散的內(nèi)在關(guān)系，改善大氣污染，緩解城市霧霾天氣起到積極作用.

國內(nèi)方面，孫慶珍等[5]對(duì)大氣點(diǎn)源擴(kuò)散模型的 GIS可視化方法進(jìn)行研究，并給出了典型條件下的可視化結(jié)果圖.陳祖剛等[6]實(shí)現(xiàn)了高斯煙團(tuán)模型與 GIS的結(jié)合，能夠動(dòng)態(tài)的模擬污染物在空間的擴(kuò)散過程.

然而，隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的GIS在實(shí)際模擬分析中存在一定的局限性.本文在已有研究基礎(chǔ)上，基于ArcGIS的二次開發(fā)，利用制圖與功能組件MapObjects進(jìn)行平臺(tái)的頂層搭建.MapObjects在數(shù)據(jù)收集、制圖及數(shù)據(jù)分析等方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì).本文在MapObjects平臺(tái)基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)建城市大氣污染物擴(kuò)散的理論模型，嘗試有效模擬大氣污染擴(kuò)散效應(yīng)，為大氣污染治理提供科學(xué)的理論和數(shù)據(jù)幫助.

1 基于GIS的大氣污染物擴(kuò)散設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 大氣擴(kuò)散模型

城市大氣污染物擴(kuò)散是指大氣中的污染物逐漸彌散，濃度稀釋的過程，主要影響因素包括大氣湍流、下墊面、大氣污染因子、分層形大氣結(jié)構(gòu)、氣象因素和大氣穩(wěn)定度等[7].污染物的擴(kuò)散不是一個(gè)簡(jiǎn)單的彌散過程，在擴(kuò)散過程中會(huì)發(fā)生一系列的物理變化[8].圖1為大氣擴(kuò)散模式的一般組成，將污染物排放狀況、自然氣象條件和下墊面條件作為數(shù)學(xué)模型和輸入?yún)?shù)進(jìn)行大氣擴(kuò)散模擬.城市大氣污染擴(kuò)散模式包括點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模式、線源污染擴(kuò)散模式、面源污染擴(kuò)散模式等多種方式[9].城市污染物一般是由化工廠排放出，煙氣的抬升高度對(duì)污染物的擴(kuò)散極其重要，抬升高度越高，污染物擴(kuò)散越有利[10].抬升高度ΔH計(jì)算式如式1和式2所示.

(1)

Qh=0.35PαQν(ΔT/Ts)

(2)

式中：n0為氣熱程度，n1為熱釋放率，n2為排放高度，具體數(shù)值參考如表1所示；Qh為大氣污染物放熱速率；H為大氣排放煙囪的垂直高度；Qv為有效排污率;ΔT為排污口與室外的溫差;Ts為排污口溫度;U為排污末端風(fēng)速;Qv為有效排污率.

大氣擴(kuò)散模型是空氣質(zhì)量模型中最重要、最基本的一種分析大氣擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模式，主要描述污染物在大氣中的輸送、擴(kuò)散和稀釋作用.大氣擴(kuò)散模型結(jié)合風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和混合高度來模擬大氣環(huán)境并估測(cè)污染物在傳播過程中的濃度[11].根據(jù)離污染源的距離，氣象條件(風(fēng)速等) 的變化以及時(shí)間的變化等可確定一個(gè)污染源對(duì)一個(gè)區(qū)域的影響，如圖1所示.把污染物在大氣環(huán)境中的煙氣抬升，干、濕沉積和化學(xué)反應(yīng)通過某種形式的過程參數(shù)來描述，利用模型計(jì)算公式獲取大氣污染隨著時(shí)間變化的擴(kuò)散效應(yīng)[12].

表1 不同區(qū)域環(huán)境下的參數(shù)選擇

圖1 大氣擴(kuò)散示意圖Fig.1 Schematic diagram of atmospheric diffusion

1.2 GIS與大氣質(zhì)量模型的集成

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，利用GIS可以實(shí)現(xiàn)與大氣質(zhì)量模型的集成，借助GIS數(shù)據(jù)采集和分析功能，可有效地用于大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型[13].GIS在大氣中的應(yīng)用范疇廣闊，包括數(shù)據(jù)處理、模型的二次開發(fā)、運(yùn)算成果的可視化及輸出等.模型所需數(shù)據(jù)源包括污染源排放數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)、氣象條件參數(shù)和道路車流線性污染等，數(shù)據(jù)采集完成后要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格離散化，然后分析污染源擴(kuò)散范圍，并代入數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)測(cè)點(diǎn)濃度進(jìn)一步進(jìn)行分析計(jì)算.

1.3 基于GIS的大氣污染物擴(kuò)散系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于GIS技術(shù)設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)包括系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行的硬件、軟件環(huán)境，框架層次包括用戶層、功能層、中間層和數(shù)據(jù)層等.圖2為基于GIS的大氣擴(kuò)散模擬計(jì)算流程，通過用戶自定義參數(shù)，然后建立高斯點(diǎn)源坐標(biāo)并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，用扇形篩選坐標(biāo)計(jì)算點(diǎn)，對(duì)離散點(diǎn)的濃度值進(jìn)行計(jì)算，采用普通克里金進(jìn)行插值計(jì)算并用橢圓方法生成近似等值線.等值線的確定方法是根據(jù)點(diǎn)集中的最大和最小濃度以及所需要得到的等值線層數(shù)計(jì)算出每層等值線濃度值.表2為橫向、垂直大氣擴(kuò)散冪函數(shù)指數(shù)表結(jié)構(gòu)，表中顯示的是環(huán)境專業(yè)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的指數(shù)表yests和zests，分別給出了不同字段名稱對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型和長度.

圖2 基于GIS的大氣擴(kuò)散模擬計(jì)算過程Fig.2 GIS-based atmospheric diffusion simulation calculation process

名稱數(shù)據(jù)類型長度是否允許空值備注PS字符型3否大氣穩(wěn)定a雙線型7否大氣擴(kuò)散回歸指數(shù)b雙線型7否大氣擴(kuò)散回歸指數(shù)Max線型3否最大下風(fēng)向距離Min線型3否低風(fēng)的最小距離

1.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)功能的搭建是基于ArcGIS的二次開發(fā)進(jìn)行的，利用制圖與功能組件MapObjects進(jìn)行平臺(tái)的頂層搭建.圖3為MapObjects組件由數(shù)據(jù)訪問對(duì)象組、地圖顯示對(duì)象組、幾何圖形對(duì)象組、投影對(duì)象組和實(shí)用對(duì)象組五部分組成，支持對(duì)圖層的管理和操作，具有一種地圖控件及其若干ActiveX類型的Auto對(duì)象，可用于存取地圖數(shù)據(jù)庫[14].構(gòu)建的大氣擴(kuò)散模型系統(tǒng)包括四個(gè)模塊，包括地圖瀏覽、地圖查詢、地圖編輯和大氣擴(kuò)散，前三者均屬為大氣擴(kuò)散模擬模塊作基礎(chǔ)查詢、瀏覽、定位和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù).大氣擴(kuò)散模塊的參數(shù)定義是最核心部分，通過不同參數(shù)的輸入最終進(jìn)行擴(kuò)散模擬，如圖4所示.

圖3 MapObjects組件構(gòu)成Fig.3 Composition of MapObjects

圖4 系統(tǒng)功能展示Fig.4 System function library division

2 基于GIS的西安市大氣污染擴(kuò)散模擬

2.1 模擬系統(tǒng)的功能

傳統(tǒng)城市規(guī)劃，一般僅依靠經(jīng)驗(yàn)，通過分析城市主導(dǎo)風(fēng)向，考慮工業(yè)對(duì)城市大氣污染的影響方向，進(jìn)行規(guī)劃用地布局，缺乏合理的科學(xué)依據(jù).本研究通過GIS技術(shù)模擬大氣污染擴(kuò)散，充分發(fā)揮GIS在計(jì)算分析，空間模擬和可視化輸出等方面的能力，將計(jì)算結(jié)果與城市規(guī)劃相結(jié)合，為城市用地布局提供理論依據(jù).

以西安市為例，西安市大氣細(xì)顆粒物的主要污染物來源包括:燃煤、機(jī)動(dòng)車尾氣、建筑揚(yáng)塵及自然地質(zhì)塵、生物質(zhì)燃燒、二次污染物、工業(yè)排放等[15].工業(yè)排放主要來源于電力和造紙行業(yè).圖5為西安市中心城區(qū)范圍內(nèi)的主要工業(yè)污染源，主要分布在城市西南側(cè).煙團(tuán)污染在靜風(fēng)狀態(tài)下其擴(kuò)展模式可視為點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模式，在靜風(fēng)狀態(tài)下，確定點(diǎn)源擴(kuò)散的中心點(diǎn)后設(shè)置氣象參數(shù)，在圖層要素中確定相關(guān)源強(qiáng)參數(shù)，再從柵格計(jì)算點(diǎn)分布圖層讀取高程值并計(jì)算污染物濃度值，并最終作為柵格屬性存儲(chǔ).通常，選取靜風(fēng)時(shí)點(diǎn)源污染擴(kuò)散形成的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算.通過模擬發(fā)現(xiàn)，靜風(fēng)條件下，污染物的擴(kuò)散范圍與點(diǎn)源污染抬升高度和煙囪垂直高度有關(guān)，污染面半徑為點(diǎn)源污染抬升高度和煙囪垂直高度之和的n倍，即

R=n(H+h)

其中:R為大氣污染物擴(kuò)散半徑；H為煙囪垂直高度；h點(diǎn)源污染抬升高度.

圖5 西安市中心城區(qū)主要工業(yè)污染分布圖Fig.5 Distribution of major industrial pollution in central urban area of Xi′an city

2.2 定點(diǎn)位置污染物濃度值的計(jì)算

在環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，定點(diǎn)位置污染物濃度的計(jì)算和模擬應(yīng)用非常廣泛.本研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法篩選出附近的污染點(diǎn)源，根據(jù)污染電源的大氣環(huán)境污染濃度值，結(jié)合GIS手段，利用內(nèi)插法估算生成連續(xù)區(qū)域內(nèi)的污染濃度分布柵格格網(wǎng)，然后將連續(xù)地理空間離散化，繪制濃度等值線并從中獲取到污染濃度初步信息，計(jì)算定點(diǎn)位置的污染物濃度值，最后利用ArcGIS Engine組建技術(shù)將污染擴(kuò)散分布情況在GIS可視化功能的支撐下真實(shí)模擬出來,見圖6.該模擬方法使結(jié)果表達(dá)更接直觀，便于后期針對(duì)城市大氣污染的治理與預(yù)防提出管控要求.

圖6 污染物濃度模擬過程Fig.6 Pollutant concentration simulation process

圖7為濃度等值線繪制流程，利用編制的模擬系統(tǒng)，調(diào)用StreamWriter生成三參數(shù)文本文件，循環(huán)遍歷柵格格網(wǎng)，將柵格中心點(diǎn)X、Y坐標(biāo)及濃度值存入文本文件，然后調(diào)用Surfer的GridData將文本文件轉(zhuǎn)化為Grid數(shù)據(jù)，導(dǎo)出DXF格式平滑等值線，設(shè)置繪圖參數(shù)和標(biāo)注參數(shù)，最后利用MapObjects調(diào)用DXF文件，圖形化顯示等濃度線.大氣污染擴(kuò)散濃度曲線的計(jì)算流程主要包括：在圖形上選擇起始點(diǎn)和終點(diǎn)，根據(jù)風(fēng)力和風(fēng)向條件篩選有效污染源計(jì)算點(diǎn)，設(shè)置下墊面特征參數(shù)，選擇污染物類型，確定單位間距，然后利用各個(gè)參數(shù)計(jì)算濃度值，累加計(jì)算結(jié)果濃度值，利用每個(gè)有效計(jì)算點(diǎn)保存的濃度值繪制濃度曲線.

圖7 濃度等高線繪制過程Fig.7 Drawing process of concentration contour

3 結(jié)論

本研究對(duì)大氣污染擴(kuò)散理論和模式進(jìn)行了梳理，基于GIS技術(shù)提出了構(gòu)建城市大氣污染物擴(kuò)散的理論模型，設(shè)計(jì)了一套整體的大氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)的體系框架，嘗試科學(xué)、客觀地模擬出不同大氣污染的擴(kuò)散模式，對(duì)大氣污染擴(kuò)散的相關(guān)研究和實(shí)際大氣污染治理工作能夠提供一定的理論和技術(shù)支撐，同時(shí)研究得出以下結(jié)論：

(1)大氣污染物的擴(kuò)散具有明顯的時(shí)空變化特征，這些特征與環(huán)境要素的相互作用決定了污染性質(zhì)的演變、強(qiáng)度變化以及時(shí)空上的動(dòng)態(tài)演化路徑.

(2)大氣污染源在靜風(fēng)狀態(tài)下以煙氣抬升高度和煙囪垂直高度之和的n倍繪制圓形區(qū)域，然后將該區(qū)域與篩選的分析點(diǎn)層疊加，進(jìn)而得到圓形所覆蓋的目標(biāo)均為有效的計(jì)算點(diǎn).

后期可進(jìn)一步加強(qiáng)與實(shí)際案例的結(jié)合，深入完善模型的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值.