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基于ARCGIS的突发性大气污染应急预警系统

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基于 ARCGIS 的突发性大气污染应急预警系统
——以上海市宝山区大场镇为例 陈见平 束炯 孙娟
华东师范大学学地理信息科学教育部重点实验室, 上海 200062
E-mail: Cheney.gis@gmail.com



要: 以上海宝山区大厂镇突发性污染泄漏预警系统这一基于高斯扩散的大气污染扩散 空间信息系统为例,将点源大气扩散模式-高斯模式与 ArcGIS 的有机结合,初 步探讨了突发性大气污染的预警研究。预警系统具有相当的灵活性,可以通过多 种插值方法有效地模拟了底图上任一点的突发性大气污染扩散状况。与此同时, 扩散模式与 GIS 软件的有机结合,实现了系统的可视化,简化了模式输入,而且 使得系统具有了空间分析功能,是一次不错的尝试。 关键词: 大气污染 突发性 预警 空间插值

1. 前言
近年来,关于空气污染和预报的研究已迅速成为各国学者研究的热点。在国内,空气质 量预报已经由24小时逐渐转向中长期预报 ; 而污染预警以及污染应急也因为它在环境污染 中的重要地位成了学者们研究的课题之一。 我们国家在这方面起步较晚, 但是通过近年来的 不断学习,大气污染预警在全国也逐渐展开。2007年底,乌鲁木齐市环保部门设立了大气污 染预警制度,在出现污染天数时,实施分级预警,控制污染物排放。 自1998年以来,上海的空气污染类型是煤烟型和石油型的复合型并重的空气污染 ,这 主要是燃烧排放和交通排放。宝山区作为上海的重工业区,其大气污染程度居上海之首。而 位于宝山南部的大场镇聚集了60多家化工企业,一旦发生污染泄露,后果不堪设想。如果能 开发出一个预警系统, 既能在平时预演化工企业大气污染泄露的态势, 又能在万一发生泄露 时对扩散途径以及规模进行模拟,这将具有重大意义。笔者正是基于此种情况下,设计了一 个基于ARCGIS的突发性大气污染应急预警系统。该系统集成了ARCGIS的GIS功能,在大场镇 地图底图上显示出随气象参数改变的污染扩散情况。
[2] [1]

2. 大场镇突发性污染泄漏预警系统
上海市宝山区大场镇共有化工企业60家, 化工企业含有有毒有害和易燃易爆物质, 在生 产、使用、贮运等过程中一旦发生突发性泄露事故,将会产生不可预计的危害。为了减小突 发性泄露对周边环境的危害,便于采取有效的应急措施,针对大场镇60家化工企业,采用大 场镇数字地图为底图,以ArcGIS为工作平台,建立大场镇化工企业突发性泄露污染大气扩散 应急预警系统。 系统包括有风时点源扩散模式、 小风及静风时的点源扩散模式在内的大气污 染扩散模式, 在60家化工企业源数据库及其相关的空间和属性数据库的基础上, 采用定性与

1

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定量分析相结合的方法,分析突发性泄露对周边环境的影响,为减小大气污染的危害、采取 应急措施提供依据,便于环境保护部门的宏观控制与管理。?

2.1

建立系统的目的及意义
本研究采用上海市数字地图为底图,基于ArcGIS的VBA接口,用Visual Basic语言二次

开发了大厂镇突发性污染泄漏应急预警系统。系统分析了工业源的类型、分布、布局等与城 市大气环境质量的关系,对城市空气污染的来源、贡献、影响以及可能的重点整治地区进行 了识别、 研究;建立动态数据库, 存储了环境监测(包括污染源和环境质量) 及其相关数据(如 气象条件、城市基础设施)。此外,借助ArcGIS的空间显示与分析功能,系统实现了对系统 数据库进行信息查询、空间统计、分析等处理,可以用来演习预测突发性污染泄露的大气扩 散状况, 为上海市工业源污染的控制与管理提供了理论依据与基础信息, 便于环保部门及时 进行污染预警和应急决策。

2.2

系统的总体设计
以上海市宝山区大场镇数字地图为底图,在Visual Basic6.0开发环境下进行大气扩散

模型的程序编制及界面设计, 整个系统的开发是基于ArcGIS完成的。 数据库中除了包含最基 本的行政区划与化工企业这两个图层外, 还包含大场镇的各级公路。 这样设计是为了发生污 染泄露时。 按照结构化设计方法对系统进行设计, 即将系统的逻辑结构变换成模块化的物理 结构,并在此基础上进行详细设计。系统总体框架涉及大气模式的建立、参数的确定、数据 库的设计等分项工作。 系统中的数据源参数较为复杂,包含地图底图数据,气象参数,污染源参数,模型控制 参数等。数据又可分为两种数据:空间数据以及环境数据。

图 1. 污染预警系统框架设计

2.3
2.3.1

系统建立的理论基础
有界、连续点源烟羽扩散模式

2

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采用传统的点源烟羽扩散模式 点源扩散模式在内的大气模式。 a)

[3-5]

,建立起包括有风时点源扩散模式、小风及静风时的

有风时(距地面 10 m 高,平均风速 U 10 ≥1.5m/ s) 点源扩散模式

对于较低的排放源, 用像源法, 以排气筒地面位置为原点, 污染源下风方地面任一点(x, y) ,小于24 h 取样时间的污染浓度C(x,y,0)可表示为: C(x,y,0) = Q×(πUσyσz) ×exp[-Y /(2σ y)-YH e/(2σ z)]
- 1 2 2 2 2

(1)

对于高架源,当超过一定的下风距离时,需对烟羽在混合层顶的反射进行修正。用像源 法修正后,以排气筒地面位置为原点,污染源下风方地面任一点(x,y),小于24 h 取样时 间的污染浓度C(x,y,0)可表示为: C(x,y,0) = Q×(πUσyσz) ×exp[-Y /(2σ y)] ×F
3 - 1 2 2

(2)

式中: C 为各污染源对计算点的浓度贡献(mg/m ) ;为单位时间排放量(mg/s);Y 为该点与 通过 排气筒的平均风向轴线在水平面上的垂直距离(m);U 为排气筒出口处的平均风速 (m/s);σy 为垂直于平均风向的横向扩散参数(m);σz 为铅直扩散参数(m)。 F 根据排气筒有效高度 He 以及σz 的值判断评价级别。 F =

n=? k



k

{exp [-(2nh-He) / (2×σ z)] + exp [-(2nh+He) / (2×σ z)]}

2

2

2

2

(3)

式中: k 为反射次数,对于一二级评价项目, k=4 已足够,对于三级评价项目可取 k = 0; h 为混合层厚度(m);He 为排气筒有效高度(m);其中 He =H+△H,H 为排气筒距地面的几何 高度(m);△H 为烟气抬升高度(m)。当资料有限时,根据经验取值,如表 1 所示。 b) 小风(1.5m/s > U10 ≥0.5 m/s) 和静风( U10< 0.5 m/s) 时的点源扩散模式

当风速较小( U10 < 1.5 m/s) 时,以排气筒地面位置为原点,平均风向为 x 轴,地面任一 点(x, y) 小于 24 h 取样时间的浓度 C(mg/m ) 可表示为: C =2 ×Q/((2π) ×γ
2 2 3/2 -1 02 3

×η )×G

2

(4)
S2 /2

式中, G =exp [ -U /(2×γ 01 ) ] ×(1 + Φ( S) =1/ 2π ×
2 2 2 2

2π S ·e

·Φ( S) )

(5) (6) (7) (8)


2

S

0

e ( ?t
2

2

/ 2)

dt

η =( x +y +γ 01/γ 02×H e) S = U ×x/ (γ01 ×η)
表1 烟囱几何高度 H/m 烟气抬升高度取值方法 烟气抬升高度 △H/m 15 8

H≥50 50≥H≥30

3

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H<30

5

Φ( S) 是正态分布函数,可根据S 由数学手册查得;横向和铅直向扩散参数的回归系数γ
01

,γ02 见《大气环境影响评价技术导则》附录B。 插值方法

2.3.2

由于模式输出的结果是点状分布, 而不是覆盖整个区域的面状分布, 所以就必须对数据 进行插值。在数据处理过程中,由于插值方法的不同,受污染影响区域也会有一定的差异。 所以插值方法的选择与使用在污染预报中尤为重要。 空间插值是假设事物在空间上存在相互依赖的分布特征, 然后根据他们的依赖关系用非 空白点对其周围的空白点进行补值。空间插值目前已广泛应用于环境、地质、土壤、水文、 农业以及经济等领域
[6,7]

。 常用的空间插值软件有Golden Software公司的Surfer软件和ESRI

公司的ArcGIS等。 GIS 为空间插值提供了很好的数据管理平台, 空间插值的出现也扩展和加 强了GIS 的空间分析功能, 增强了GIS 数据库的知识发现和GIS 在分析决策上的应用。 因此, 空间插值分析与GIS 结合发展是必然趋势。 大厂镇突发性污染泄漏预警系统可以采用反距离加权插值法(Inverse?Distance?Weight? Interpolation) GP多项式内插法 、 (Global?Polynomial?interpolation) 径向基函数法Radial Basis、 、 LP多项式内插法(Local?Polynomial?interpolation)和克里金插值(Kriging)以及协同克里金 (CoKriging)等方法完成了数据的空间统计插值。通过这些插值方式得到的结果在GIS平台 上可表现为可视化效果,易于决策层迅速的处理污染泄漏,快速应对,减少污染造成的损失 至最低。

2.4

系统的功能实现及特色
大厂镇突发性污染泄漏预警系统是基于ArcGIS软件,通过VBA接口的二次开发实现的,

二次开发的模块并不庞大, 但是却有效的将大气扩散模式与ArcGIS软件有机集成, 操作上实 一方面将大气扩散模式的结果通过可视化功能强大的ArcGIS软件有效 现了面向对象的思想。 地表现出来;另一方面,使得原本没有大气扩散分析功能的ArcGIS具有了分析的功能;二者 在功能上得到了有效的补充, 互为弥补, 这也是大厂镇突发性污染泄漏预警系统的一大特色。 将宝山的地图进行了数字化之后,系统首先清晰地呈现宝山区大场镇的行政村、居民区、化 工企业及各条道路的数字化全貌; 其次, 通过模式计算及一系列的分析处理将化工企业突发 性污染泄漏结果形象地展现出来;再次,分析受到影响的居民点和行政村;最后,参照模式 的分析结果可以为决策者制定有效的撤离路线提供有效的支持。

4

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图 2.? 模式输入的可视化界面

图3. 模式计算的两个风向的污染扩散效果图 (左右分别取西南(SW)、东南(SE)两个方向;蓝色点为化工企业,绿色点为居民小区; 深颜色覆盖区即为污染物扩散区域,颜色越深代表污染物的浓度越大。 )

大厂镇突发性污染泄漏预警系统的另一特色是设计的灵活性。 无论在地图上任一点发生 化工产品的污染泄漏,根据当时的气象条件,扩散参数等因子均可模拟出污染扩散的形态, 污染物覆盖区域及浓度分布。

3. 分析与结论
通过预警系统的开发以及对大场镇化工企业的污染模拟,可以得出以下结论: 1.模拟差值方法的不同对模拟结果有一定的影响;比如,使用反距离加权插值法,圆 滑参数通过修匀已被插值的格网来降低"牛眼"影响; 而使用克里金插值, 高点会是沿一个脊 连接,而不是被牛眼形等值线所孤立。 2.点源烟羽扩散模式模拟的是均匀大气流场,开阔平坦的地形上的大气扩散结果。它 对市区的人工不均匀界面模拟地还不够准确,需要进一步从理论上进行完善。 3.基于ArcGIS的二次开发将大气扩散模式与GIS软件集成,既实现了扩散模式与GIS软

5

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件的功能集成,也实现了面向对象的思想。通常的大气扩散模式输入是基于Fortran语言下 的命令行手工输入,预警系统的开发使得这一过程可视化,简化了操作。 本文是通过模式与软件的集成来实现对突发性污染的预警、预报,是一次新的尝试,还 有待进一步的改进。 比如, 多点源污染的污染叠加问题以及复杂人工下垫面扩散理论的问题, 这些都需要进一步改进污染扩散模型,使得模型的模拟功能逐步强大。 参考文献
[1] 倪进. 城市空气质量中长期预报的探讨[J]. 江苏环境科技, 2007,(20)2:64–66. [2] 陈国海. 上海环境空气污染类型的定位[J]. 上海环境科学,2003 ,22 (4) :230~233 [3] 牛文胜,孙振海. 大气扩散模式的简要回顾[J]. 气象科技,2000 ,28(2) :1~4 [4] 张宝宁,程水源,任毅斌,等. 城市工业区大气污染物浓度场确定方法的研究[J]. 化工环保,1997 ,17 (2) :114~119 [5] 王伟平,苏高利,杨海鹏. 城北高架点源对西湖风景区影响的研究[J]. 气象,2002 ,28 (1) :13~17 [6] 刘 艳 菊 , 郝 振 纯 . 相 关 空 间 插 值 方 法 及 MatrixVB 在 水 文 插 值 中 的 应 用 [J]. 水 利 科 技 与 经 济,2007 ,13(1) :46~48 [7] 郑光辉,黄克龙,张志宏等. 运用克里金空间插值技术进行土地级别划分[J] . 南京师大学报(自然科学 版),2007 ,30(1) :112 —116.

An air pollution dispersion system based on ArcGIS software to early warn the emergency pollution
Chen Jianping, Shu Jiong, Sun Juan.
Laboratory of Geographical Information Science of Chinese Education Ministry, East China Normal University, Shanghai, PRC (200062) Abstract A tentative study is conducted to early warn the emergency pollution in terms of developing an air pollution dispersion system, which combines elevated Gauss dispersion model with the software of ArcGIS. The system is very flexible because it can be used to simulate air pollution dispersion from any place on the base map. In addition, with the help of GIS software, the system simplifies the data input by realizing visualization and also has the function of spatial analysis. Keywords: air pollution; emergency; early warning; spatial interpolation

作者简介: 陈见平,1983 年 6 月生于山东诸城,现为上海华东师范大学学地理信息科学教育部 重点实验室硕士研究生,气象学专业,方向城市气候与大气环境 13816637826 邮编:200062 电话:

6


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