呂 楠，趙敬源，張 鵬

(1.長安大學 建筑學院， 陜西 西安 710061； 2.西安市城市規(guī)劃設計研究院， 陜西 西安 710082)

大氣污染是當今世界各國普遍關(guān)注的環(huán)境安全問題，隨著城市經(jīng)濟的高速發(fā)展，大氣污染物排放率越來越高，環(huán)境風險源類型和數(shù)量不斷增加[1]，以臭氧、細顆粒物(PM2.5)、酸雨為特征的區(qū)域性大氣復合污染問題日益突出，探究大氣污染及對其進行控制、減緩的相關(guān)研究已經(jīng)成為當前環(huán)境科學領(lǐng)域最受關(guān)注的焦點.研究大氣污染物在空氣中的分布特點、擴散遷移規(guī)律，可為污染的控制和治理、環(huán)境空氣質(zhì)量的評價提供科學依據(jù).國內(nèi)外從二十世紀三十年代起開始了對大氣擴散模型的研究，大氣擴散模型已經(jīng)成為研究大氣擴散過程、濃度變化情況的重要工具[2].大氣擴散模型又名“大氣湍流擴散模型”，常采用物理模擬和數(shù)學模擬進行模擬和數(shù)值分析，已建立起來的模型包括擴散K模型、泰勒統(tǒng)計模型和高斯擴散模型等.

已有研究發(fā)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)(簡稱GIS)可以實現(xiàn)大氣污染物的演變機理分析和動態(tài)模擬過程.地理信息系統(tǒng)可以對空間數(shù)據(jù)按空間位置進行管理并研究各種空間實體間的相互關(guān)系，在地理信息系統(tǒng)平臺上開發(fā)事故預警與應用系統(tǒng)，可以迅速獲取所需信息，以地圖和圖形的方式表達出來[3].這類系統(tǒng)能夠很好地彌補傳統(tǒng)大氣擴散模型輸入?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)濟損失[4].因此，通過GIS技術(shù)揭示城市大氣污染物的擴散規(guī)律，將為進一步揭示城市空間布局與大氣污染物擴散的內(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]對大氣點源擴散模型的 GIS可視化方法進行研究，并給出了典型條件下的可視化結(jié)果圖.陳祖剛等[6]實現(xiàn)了高斯煙團模型與 GIS的結(jié)合，能夠動態(tài)的模擬污染物在空間的擴散過程.

然而，隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的GIS在實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進行平臺的頂層搭建.MapObjects在數(shù)據(jù)收集、制圖及數(shù)據(jù)分析等方面具有更強的優(yōu)勢.本文在MapObjects平臺基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)建城市大氣污染物擴散的理論模型，嘗試有效模擬大氣污染擴散效應，為大氣污染治理提供科學的理論和數(shù)據(jù)幫助.

1 基于GIS的大氣污染物擴散設計與實現(xiàn)

1.1 大氣擴散模型

城市大氣污染物擴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].污染物的擴散不是一個簡單的彌散過程，在擴散過程中會發(fā)生一系列的物理變化[8].圖1為大氣擴散模式的一般組成，將污染物排放狀況、自然氣象條件和下墊面條件作為數(shù)學模型和輸入?yún)?shù)進行大氣擴散模擬.城市大氣污染擴散模式包括點源煙羽擴散模式、線源污染擴散模式、面源污染擴散模式等多種方式[9].城市污染物一般是由化工廠排放出，煙氣的抬升高度對污染物的擴散極其重要，抬升高度越高，污染物擴散越有利[10].抬升高度ΔH計算式如式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為排污末端風速;Qv為有效排污率.

大氣擴散模型是空氣質(zhì)量模型中最重要、最基本的一種分析大氣擴散的數(shù)學模式，主要描述污染物在大氣中的輸送、擴散和稀釋作用.大氣擴散模型結(jié)合風速、風向、溫度和混合高度來模擬大氣環(huán)境并估測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(風速等) 的變化以及時間的變化等可確定一個污染源對一個區(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、濕沉積和化學反應通過某種形式的過程參數(shù)來描述，利用模型計算公式獲取大氣污染隨著時間變化的擴散效應[12].

表1 不同區(qū)域環(huán)境下的參數(shù)選擇

圖1 大氣擴散示意圖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)量評價模型[13].GIS在大氣中的應用范疇廣闊，包括數(shù)據(jù)處理、模型的二次開發(fā)、運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)采集完成后要先對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格離散化，然后分析污染源擴散范圍，并代入數(shù)據(jù)，對預測點濃度進一步進行分析計算.

1.3 基于GIS的大氣污染物擴散系統(tǒng)設計

基于GIS技術(shù)設計的開發(fā)平臺包括系統(tǒng)開發(fā)和運行的硬件、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的大氣擴散模擬計算流程，通過用戶自定義參數(shù)，然后建立高斯點源坐標并進行坐標轉(zhuǎn)換，用扇形篩選坐標計算點，對離散點的濃度值進行計算，采用普通克里金進行插值計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)計算出每層等值線濃度值.表2為橫向、垂直大氣擴散冪函數(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)庫存儲的指數(shù)表yests和zests，分別給出了不同字段名稱對應的數(shù)據(jù)類型和長度.

圖2 基于GIS的大氣擴散模擬計算過程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否大氣擴散回歸指數(shù)b雙線型7否大氣擴散回歸指數(shù)Max線型3否最大下風向距離Min線型3否低風的最小距離

1.4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

整個系統(tǒng)功能的搭建是基于ArcGIS的二次開發(fā)進行的，利用制圖與功能組件MapObjects進行平臺的頂層搭建.圖3為MapObjects組件由數(shù)據(jù)訪問對象組、地圖顯示對象組、幾何圖形對象組、投影對象組和實用對象組五部分組成，支持對圖層的管理和操作，具有一種地圖控件及其若干ActiveX類型的Auto對象，可用于存取地圖數(shù)據(jù)庫[14].構(gòu)建的大氣擴散模型系統(tǒng)包括四個模塊，包括地圖瀏覽、地圖查詢、地圖編輯和大氣擴散，前三者均屬為大氣擴散模擬模塊作基礎(chǔ)查詢、瀏覽、定位和數(shù)據(jù)存儲服務.大氣擴散模塊的參數(shù)定義是最核心部分，通過不同參數(shù)的輸入最終進行擴散模擬，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，通過分析城市主導風向，考慮工業(yè)對城市大氣污染的影響方向，進行規(guī)劃用地布局，缺乏合理的科學依據(jù).本研究通過GIS技術(shù)模擬大氣污染擴散，充分發(fā)揮GIS在計算分析，空間模擬和可視化輸出等方面的能力，將計算結(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，西安市大氣細顆粒物的主要污染物來源包括:燃煤、機動車尾氣、建筑揚塵及自然地質(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).煙團污染在靜風狀態(tài)下其擴展模式可視為點源煙羽擴散模式，在靜風狀態(tài)下，確定點源擴散的中心點后設置氣象參數(shù)，在圖層要素中確定相關(guān)源強參數(shù)，再從柵格計算點分布圖層讀取高程值并計算污染物濃度值，并最終作為柵格屬性存儲.通常，選取靜風時點源污染擴散形成的區(qū)域進行計算.通過模擬發(fā)現(xiàn)，靜風條件下，污染物的擴散范圍與點源污染抬升高度和煙囪垂直高度有關(guān)，污染面半徑為點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為大氣污染物擴散半徑；H為煙囪垂直高度；h點源污染抬升高度.

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 定點位置污染物濃度值的計算

在環(huán)境監(jiān)測過程中，定點位置污染物濃度的計算和模擬應用非常廣泛.本研究采用統(tǒng)計學方法篩選出附近的污染點源，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，計算定點位置的污染物濃度值，最后利用ArcGIS Engine組建技術(shù)將污染擴散分布情況在GIS可視化功能的支撐下真實模擬出來,見圖6.該模擬方法使結(jié)果表達更接直觀，便于后期針對城市大氣污染的治理與預防提出管控要求.

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X、Y坐標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)，導出DXF格式平滑等值線，設置繪圖參數(shù)和標注參數(shù)，最后利用MapObjects調(diào)用DXF文件，圖形化顯示等濃度線.大氣污染擴散濃度曲線的計算流程主要包括：在圖形上選擇起始點和終點，根據(jù)風力和風向條件篩選有效污染源計算點，設置下墊面特征參數(shù)，選擇污染物類型，確定單位間距，然后利用各個參數(shù)計算濃度值，累加計算結(jié)果濃度值，利用每個有效計算點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

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

(1)大氣污染物的擴散具有明顯的時空變化特征，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、強度變化以及時空上的動態(tài)演化路徑.

(2)大氣污染源在靜風狀態(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)域與篩選的分析點層疊加，進而得到圓形所覆蓋的目標均為有效的計算點.

后期可進一步加強與實際案例的結(jié)合，深入完善模型的理論價值和實用價值.