張 科，張照杰，李 娜

浙江正元地理信息有限責任公司，浙江 德清 313200

0 引 言

近年來，生態(tài)環(huán)境污染事件頻發(fā)，尤其是化學品泄露、火災和爆炸等污染事件，常常會有大量污染氣體排放到空中。有毒有害氣體的擴散，會對周邊的環(huán)境造成較大的影響，需要及時掌握污染氣體擴散的影響范圍，選擇合理的應急監(jiān)測方案進行應急環(huán)境監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和周邊敏感源的分布情況，及時疏散群眾，盡可能減少氣體污染的影響和損害[1]。

當前，對于工業(yè)污染源大氣污染物的擴散模式，國內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究成果，主要是以高斯公式、拉格朗日方法、歐拉方法為基礎進行計算，對于污染物周邊的監(jiān)測數(shù)據(jù)、周邊精細化氣象數(shù)據(jù)均有需求，能夠滿足不同區(qū)域尺度的數(shù)值模擬，應用范圍較廣泛。研究主要集中在氣象污染預報等方面，應用于生態(tài)環(huán)境應急指揮調(diào)度的研究還較少。生態(tài)環(huán)境應急指揮調(diào)度中監(jiān)測點的選擇大多依賴專家團隊的經(jīng)驗判斷，生態(tài)環(huán)境應急應用場景中，不能快速掌握實況，輔助決策，亟需通過數(shù)字化的手段，提升應急指揮決策的科學性和決策效率。

本文研究的主要目的是通過多源數(shù)據(jù)融合的手段，利用數(shù)字孿生的理念，實現(xiàn)數(shù)字化輔助決策。通過收集和梳理詳盡的基礎地形數(shù)據(jù)和地表覆蓋數(shù)據(jù)，融合環(huán)境自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)及精細化氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維空間的、動態(tài)的數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境，模擬空氣污染擴散及變化場景，掌握空氣中污染物分布及變化情況。同時，建立氣體擴散簡易模型，結(jié)合平流輸送、擴散、干濕沉降、氣相等因子，在水平方向和豎直方向上計算污染氣體擴散范圍及濃度變化情況，以此來確定生態(tài)環(huán)境應急監(jiān)測點位的布置策略。當生態(tài)環(huán)境事故發(fā)生時，根據(jù)周邊敏感源的分布情況，智能化選擇應急監(jiān)測方案，是生態(tài)環(huán)境應急監(jiān)測平臺亟需要解決的問題[2]。本文利用模型分析結(jié)果，根據(jù)時間的演變，預先將事故點污染物擴散進行分析，區(qū)分出各時間階段的可能影響區(qū)域及最大污染物濃度，按照污染物濃度影響嚴重程度，提取周邊敏感源信息，根據(jù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測要求，科學選擇環(huán)境應急監(jiān)測方案，合理設置監(jiān)測點位，并應用到應急指揮調(diào)度過程中去，保障環(huán)境監(jiān)測點位設置的合理性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用價值。

1 總體設計思路

數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境的建設，主要是基于精細化基礎地理信息數(shù)據(jù)，以山、水、林、田、湖三維自然地理實體搭建城市底座，采用全域高精度DEM 數(shù)字高程模型反映地形起伏變化，利用基礎建筑模型，搭建真實的氣體擴散場景。梳理化工園區(qū)、企業(yè)、運輸車船等存在污染應急事件的污染源點位、區(qū)域矢量、污染物種類、潛在污染事件、污染物危害及適用相關(guān)標準等作為重點分析研究對象，將居民生活區(qū)、學校、商場、醫(yī)院等敏感區(qū)劃分成矢量數(shù)據(jù)，作為重點分析對象。結(jié)合物聯(lián)感知掌握生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀，作為數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境的動態(tài)感知層，利用氣象智能化網(wǎng)格模型、污染擴散模型等模擬生態(tài)環(huán)境的變化趨勢，模擬分析數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境的未來變化[3-4]。

發(fā)生環(huán)境污染應急事件時，通過系統(tǒng)分析事件發(fā)生位置的可能污染物和可能造成的危害，查找周邊現(xiàn)有監(jiān)測點位和監(jiān)控攝像頭等數(shù)據(jù)，分析周邊的地形，主要是人員聚集區(qū)、周邊水系和各類敏感點。系統(tǒng)快速生成第一次應急處置方案、現(xiàn)場監(jiān)測點位建議，主要是事故點周邊近距離范圍監(jiān)測。

首次監(jiān)測情況獲取反饋后，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)、人員上報污染源點位位置、污染物名稱、污染物數(shù)量等核實信息，通過系統(tǒng)建設好的污染物擴散模型，結(jié)合事故點地理狀況以及氣象條件，對污染擴散進行分析。分析隨著時間、污染影響區(qū)域的變化，區(qū)分影響污染嚴重程度的等級，根據(jù)事故類型和污染擴散情況，進一步生成和調(diào)整重點監(jiān)測點位、監(jiān)測項目、監(jiān)測技術(shù)方案等，輔助應急決策方案制定。

2 空氣污染擴散研究

空氣污染擴散研究，主要分析模擬污染物擴散的可能區(qū)域和濃度的變化趨勢，是確定應急監(jiān)測點的主要依據(jù)之一。監(jiān)測點的布設根據(jù)監(jiān)測要求和原則，需要對特定濃度區(qū)域和危害嚴重區(qū)域進行重點監(jiān)測，外圍監(jiān)測主要作用是確認危害區(qū)域范圍（圖1）。

圖1 空氣污染擴散范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of air pollution diffusion range

2.1 空氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)

空氣數(shù)據(jù)采集利用已有的自動監(jiān)測站結(jié)合移動監(jiān)測設備獲取，空氣自動監(jiān)測站獲取空氣污染情況數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3，氣象要素包括溫度、濕度、風速、降水等，預測數(shù)據(jù)采用智能網(wǎng)格預測，短臨預報結(jié)合雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)具體監(jiān)測站點的特點及監(jiān)測需求，部分站點也會將VOC、NH3、H2S 等監(jiān)測儀器納入標準空氣站中。超級監(jiān)測站的主要功能在于通過多維度、多組分污染物精細化監(jiān)測，分析區(qū)域大氣污染特征、成因及來源。小型、微型空氣站是目前網(wǎng)格化監(jiān)測的主要監(jiān)測手段，利用傳感器原理，對各主要污染物（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3、TVOC、NH3、H2S 等）進行實時快速監(jiān)測。

2.2 大氣污染物擴散模式研究

1）湍流擴散。湍流是大氣的無規(guī)則運動，擴散速度快，主要取決于風速的脈動和風向的擺動，形成的主要原因是溫度在垂直方向上的不穩(wěn)定和不均勻，以及垂直方向上風速分布不均勻和地面粗糙度不同[5-10]。

2）高斯擴散。高斯模式假定坐標系為右手坐標，y為橫風向，z 為垂直向。假定，連續(xù)點源污染物濃度在y、z 風向上分布符合正態(tài)分布，全部空間高度上風速是均勻穩(wěn)定的，污染源強度是連續(xù)均勻穩(wěn)定的，擴散過程中污染物物質(zhì)的質(zhì)量是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化情況）[7]。

3）無界空間連續(xù)點源擴散。由正態(tài)分布的假定可以得出，下風向任一點（x，y，z)的污染物濃度分布函數(shù)為：

2.3 簡化計算方式

多種模式計算各有優(yōu)劣，均需要假設部分理想條件，在實際應用過程中，受限于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取，應急場景的不確定性和已有基礎地理信息數(shù)據(jù)及氣象精細網(wǎng)格數(shù)據(jù)，需要結(jié)合實際情況，采用相應的簡化計算模型和多次糾正的方式開展應用，針對爆炸等特殊情況，還需要用到。本文將監(jiān)測站數(shù)據(jù)與三維數(shù)字孿生場景結(jié)合，模擬質(zhì)點運動，反映污染物濃度變化，集成各時段的風速、風向，分析污染傳輸路徑按照質(zhì)點運動的軌跡來判斷污染物顆粒的擴散[8-9]。

首先假定質(zhì)點的軌跡是隨著風場而運動的，第一猜測值點位描述為，上一時刻點位坐標加上上一時刻點位的風速與時長乘積，即：P'(t+Δt)=P(t)+V(P，t)Δt，軌跡是質(zhì)點在空間和時間上的積分。質(zhì)點所在位置的矢量速度在時間和空間上都是線性插值得出，計算方式為當前時刻點與下一時刻點的矢量速度平均值，即：

下一時刻質(zhì)點的位置是由上一時刻的平均速度和第一猜值所在點的速度平均后與時間步長的乘積而得到的。

3 環(huán)境應急監(jiān)測方法研究

應急監(jiān)測點位選擇。在上述數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境建設的基礎上，根據(jù)污染物類型、濃度、擴散模型分析影響區(qū)域等，按照生態(tài)環(huán)境部及相關(guān)研究確定的選點原則和標準，參考應急管理部門以及安全生產(chǎn)相關(guān)應急預案，并在一定程度上進行程序可實現(xiàn)性修改后，實現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境應急指揮調(diào)度中的監(jiān)測點位布設方案，給出輔助決策的建議。

應急監(jiān)測應當在盡可能短的時間內(nèi)，以有足夠代表性的監(jiān)測信息，為突發(fā)環(huán)境事件應急決策提供可靠依據(jù)。應急監(jiān)測分為污染態(tài)勢初步研判和跟蹤監(jiān)測兩個階段。在污染態(tài)勢初步研判階段，應急監(jiān)測的目標是盡快確定污染物種類、監(jiān)測項目及污染范圍；在跟蹤監(jiān)測階段，應急監(jiān)測的目標是快速獲取污染物濃度及變化趨勢信息[10]。

1）監(jiān)測點位選擇。大氣監(jiān)測點位的布設應考慮交通狀況、人員安全等，確保采樣的可行性和方便性，并根據(jù)污染態(tài)勢動態(tài)調(diào)整。同時，監(jiān)測點位應合理編號，并采用插牌固定等方式進行明顯標記，防止樣品混淆。

根據(jù)不同污染物成分選擇不同污染物的監(jiān)測手段、監(jiān)測設備（移動監(jiān)測設備和實驗室取樣）、監(jiān)測點位選取（位置距離、供電分析、敏感區(qū)和交通條件）和點位信息（坐標和鏈接導航）。

2）污染擴散分析。事故發(fā)生后，以事故發(fā)生地為中心，根據(jù)地理特點、當時盛行風向以及其他自然條件，在事故發(fā)生地下風向（污染物漂移云團經(jīng)過的路徑）影響區(qū)域等位置，按一定間隔的圓形布點采樣，并根據(jù)污染物的特點在不同高度采樣，同時在事故點的上風向適當位置布設對照點。在距事故發(fā)生地最近的不同風向的敏感區(qū)域應布點采樣，采樣過程中應注意風向的變化，及時調(diào)整采樣點的位置[6]。

3）監(jiān)測項目確定。優(yōu)先選擇突發(fā)環(huán)境事件特征污染物作為監(jiān)測項目。特征污染物一般是事件中排放量較大或超標倍數(shù)較高，對生態(tài)環(huán)境有較大影響，可以表征事態(tài)發(fā)展的污染物。根據(jù)事件類型、污染源特征、生產(chǎn)工藝等，并結(jié)合事件發(fā)生地周邊環(huán)境本底值情況和應急監(jiān)測初篩結(jié)果確定特征污染物。

4）監(jiān)測方法確定。根據(jù)突發(fā)環(huán)境事件的類型、污染物種類和環(huán)境影響情況，綜合考慮應急監(jiān)測能力、現(xiàn)場監(jiān)測條件以及監(jiān)測方法優(yōu)缺點，根據(jù)不同應急階段的監(jiān)測需求，選擇合適的監(jiān)測方法。在滿足環(huán)境應急處置需要的前提下，有多種應急監(jiān)測方法可選時，應優(yōu)先選擇國家標準、行業(yè)標準及行業(yè)認可的監(jiān)測方法，為突發(fā)環(huán)境事件的事后定性定級、司法鑒定以及環(huán)境損害評估等提供數(shù)據(jù)支撐，如有必要可留樣送實驗室分析。對于跨省突發(fā)環(huán)境事件，受影響地區(qū)應共同商定應急監(jiān)測方法，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)互通互認。

5）監(jiān)測頻次確定。監(jiān)測頻次主要根據(jù)處置情況和污染物濃度變化態(tài)勢確定。力求以最合理的監(jiān)測頻次，做到既具備代表性、能滿足處置要求，又切實可行。應急初期，控制點位原則上每1 ～2 h 開展一次監(jiān)測，各控制點位采樣時間應保持一致。后期可視情況動態(tài)調(diào)整。其中，用于發(fā)布信息的點位原則上每天監(jiān)測次數(shù)不少于1 次。

6）采樣監(jiān)測及信息反饋。應急監(jiān)測采樣時，采樣人員應拍照并記錄采樣斷面經(jīng)緯度位置、采樣時間和周邊情況等，數(shù)據(jù)采集后及時推送到指揮調(diào)度系統(tǒng)。

4 應急監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本文選取某區(qū)域化工園區(qū)火災為例，利用系統(tǒng)給出的選點建議，進行點位的實際布設和污染物濃度監(jiān)測，通過污染物濃度監(jiān)測結(jié)果，驗證選點結(jié)果的準確性和可參考價值。

4.1 計算結(jié)果及監(jiān)測數(shù)據(jù)對照

污染擴散計算及應急監(jiān)測方案選擇見表1。

表1 應急監(jiān)測點位數(shù)據(jù)表Tab.1 Comparison of different emergency monitoring points

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總情況

針對特征污染物監(jiān)測，2020 年11 月9 日至10 日事故周邊監(jiān)測點數(shù)據(jù)如圖2 所示，11 月11 日至20 日監(jiān)測點位數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖2 11 月9—10 日周邊特征污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.2 Monitoring data of surrounding characteristic pollutants from November 9 to 10

圖3 11 月11—20 日特征污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.3 Monitoring data of characteristic pollutants from November 11 to 20

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)可以了解，除了最遠的兩個點位監(jiān)測數(shù)據(jù)不明顯，其余位置均采集到濃度高峰數(shù)據(jù)，可以初步判定監(jiān)測點位及污染物選擇準確。但由于事故點周邊監(jiān)測點位檢測時間，距離事故發(fā)生時間約2 h，數(shù)據(jù)部分缺失，應在事故發(fā)生的第一時間，對周邊環(huán)境進行相應的監(jiān)測，得到最高濃度數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

本文通過數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境下如何細化污染源、污染物及其危害，簡單分析污染物擴散運算，依據(jù)數(shù)字化分析結(jié)果，介紹如何選擇相應監(jiān)測點位，再將這些點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相應的對比，不斷查找監(jiān)測方案的不足，實現(xiàn)推薦監(jiān)測方案精準化。但是，由于環(huán)境應急監(jiān)測案例的數(shù)量有限，數(shù)據(jù)的獲取量還不足，監(jiān)測方案自動生成大多參考經(jīng)驗及預案，還有很大改進空間。