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城市大氣污染地理信息系統(tǒng)模塊的研究

文檔作者：黃愷敏1 楊昆 1,2 文檔來(lái)源： 1.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院 2.云南師范大學(xué)信息學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月06日
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應(yīng)用研究數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
82
1 緒論
1.1 研究意義
現(xiàn)在,越來(lái)越嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題已經(jīng)成為了當(dāng)前影響社會(huì)發(fā)
展進(jìn)步的一大難題。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提
高，生活與工作過(guò)程中對(duì)能源的需求也越來(lái)越大。1980年中國(guó)能源
消費(fèi)總量為5 8 5 8 7萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，到2 01 0年，中國(guó)能源消費(fèi)總量為
307987萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。1980年以來(lái)，中國(guó)原煤消耗量已增加了兩倍以
上，2002年原煤消耗量已達(dá)14.8億噸。2011年中國(guó)原煤產(chǎn)量為35.2
億噸，同比增加2.8億噸，增量為歷史最高水平。煤炭在一次能源生
產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的比重接近80%，石油則在20%左右變化。而煤炭和石油產(chǎn)
品為主的能源消耗是大氣顆粒物的主要來(lái)源。大氣顆粒物中PM10
（細(xì)顆物）和PM2.5（超細(xì)顆粒物）是對(duì)人體最為有害的兩種物質(zhì)。
城市不斷發(fā)展，燃料消耗也越來(lái)越多。近幾年來(lái)，我國(guó)各大中城
市的機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量大幅度增長(zhǎng)。機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量增長(zhǎng)也意味著而且城市內(nèi)
的燃料、危險(xiǎn)品運(yùn)輸和存儲(chǔ)也會(huì)因?yàn)榉N種原因發(fā)生事故。對(duì)這些突
發(fā)事故設(shè)立預(yù)警和預(yù)案處理系統(tǒng)能減少損失。
所以，對(duì)大氣污染狀況分析、對(duì)大氣污染的影響的控制和預(yù)警
已經(jīng)是環(huán)境保護(hù)中的一個(gè)緊迫任務(wù)。對(duì)已有的固定點(diǎn)源大氣污染狀
況和突發(fā)事件引起的大氣污染預(yù)警而建立專門(mén)的系統(tǒng)，能為整個(gè)城
市發(fā)展和規(guī)劃帶來(lái)很大的好處。
1.2 GIS 在大氣環(huán)境研究中的應(yīng)用
地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)是融合地理學(xué)、圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)
等多項(xiàng)技術(shù)的新興交叉學(xué)科，是對(duì)空間信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理與
輸出的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著近些年來(lái)GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，利用GIS技
術(shù)進(jìn)行大氣環(huán)境研究的越來(lái)越多。GIS技術(shù)為大氣環(huán)境研究提供了
強(qiáng)有力的技術(shù)保障，大氣環(huán)境研究提供了理論支持，兩者結(jié)合則為
科研人員提供了全方位的信息研究處理平臺(tái)。
2 大氣環(huán)境質(zhì)量模型
2.1 大氣環(huán)境質(zhì)量模型的特點(diǎn)
大氣環(huán)境質(zhì)量模型是了解區(qū)域環(huán)境質(zhì)量、分析污染物擴(kuò)散的有
力工具。不同的大氣環(huán)境質(zhì)量模型適用于不同尺度和不同類型污染
源的各種大氣擴(kuò)散模式，能夠在時(shí)間和空間尺度上準(zhǔn)確描述各種污
染物的遷移、輸送、轉(zhuǎn)化等變化特征。
大氣環(huán)境質(zhì)量模型發(fā)展到現(xiàn)在，盡管它們具有不同的表達(dá)方
式，但是它們都具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：空間性、動(dòng)態(tài)性、多元性、復(fù)雜
性、綜合性。
2.2 幾種常見(jiàn)的大氣擴(kuò)散模式
國(guó)內(nèi)外有多種描述大氣污染擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。點(diǎn)源擴(kuò)散模
式常用的有高斯模式、薩頓模式以及赫－帕斯奎爾模式等；線源擴(kuò)
散模式常用的有點(diǎn)源求和法、線源直線化模式等；面源擴(kuò)散模式常
用的有箱模式、虛擬點(diǎn)源模式（或稱等效點(diǎn)源模式、倒退點(diǎn)源模式）
和吉福德－漢納模式（或稱G－H模式）[2]。
一般研究認(rèn)為，高斯模型是相對(duì)其他模型反應(yīng)大氣污染擴(kuò)散的
過(guò)程是最簡(jiǎn)單的，利用高斯模型計(jì)算出的濃度場(chǎng)與實(shí)際的的濃度場(chǎng)
較為吻合。部分線源模型和面源模型也是由高斯模型發(fā)展而來(lái)的。
大氣環(huán)境質(zhì)量基本模型基本方程如式（2-1）：
（2-1）
式中：x軸為平均風(fēng)向，z軸鉛直向上，uz=0、uy=0，Et,x、Et,y、Et,z
為湍流擴(kuò)散系數(shù)常數(shù)。在研究污染物對(duì)大氣污染的整個(gè)研究過(guò)程
內(nèi)，可忽略污染物的自身衰減，即K=0?？蓪⒐胶?jiǎn)化，可得式（2-
2）：
（2-2）
當(dāng)對(duì)上述模型使用不同的初始條件和邊界條件來(lái)解的時(shí)，就能
表示不同情況的污染源在各種氣象條件下所造成的大氣污染情況。
2.2.1 高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式
城市大氣污染最常見(jiàn)的污染源是工廠煙囪。一般將每一個(gè)排放
的煙囪視為一個(gè)污染點(diǎn)源。而由于煙囪自身的高度使得計(jì)算煙囪所
導(dǎo)致的大氣污染于和在地面上污染源的不一樣。一般將高度高于
15m的污染源視為高架點(diǎn)源，低于15m的污染源為非高架源。非高架
點(diǎn)源的大氣污染擴(kuò)散模式就為基本模型，而高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式則在
基本模型上有所修正。
高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式由于在推導(dǎo)過(guò)程中設(shè)定的假定條件，使
得它在使用時(shí)有很多情況不適用。并且當(dāng)出現(xiàn)靜風(fēng)、微風(fēng)或大氣中
有逆溫發(fā)生時(shí)，仍用這個(gè)模式計(jì)算會(huì)與實(shí)際情況出現(xiàn)比較大的偏
差。
2.2.2 線源擴(kuò)散模式
線源擴(kuò)散模型一般用于計(jì)算道路上的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染。線源擴(kuò)
散的計(jì)算曾采用點(diǎn)源求和法計(jì)算公路下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度，但計(jì)算
過(guò)程復(fù)雜。于是提出了線源直線化模式來(lái)解決上述方法的不足。目
前較為常用的線源直線化模式有垂直風(fēng)模式、平行風(fēng)模式和內(nèi)插模
式三組模式。
2.2.3 面源擴(kuò)散模式
城市中的低矮煙囪和大量分散的爐灶攤點(diǎn)產(chǎn)生的污染物數(shù)量
多，排放高度低，污染源強(qiáng)度不大，但是卻會(huì)對(duì)城市大氣質(zhì)量產(chǎn)生比
較嚴(yán)重的影響。但實(shí)際操作時(shí)卻無(wú)法用點(diǎn)源和線源模式處理。所以
城市大氣污染地理信息系統(tǒng)模塊的研究
黃愷敏1 楊昆*1,2
(1.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院,西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心 云南昆明 650500;
2.云南師范大學(xué)信息學(xué)院 云南昆明 650500)
摘要：當(dāng)前城市大氣污染的問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到了我國(guó)城市居民的生產(chǎn)與生活。為了能夠有效對(duì)城市大氣環(huán)境質(zhì)量管理評(píng)價(jià)，利用GIS技
術(shù)和大氣環(huán)境模型建立城市大氣環(huán)境質(zhì)量管理平臺(tái)為政府決策和研究人員提供管理工具。
關(guān)鍵詞：G I S大氣質(zhì)量模型
中圖分類號(hào)：P2 08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416(2013)01-0082-02
作者簡(jiǎn)介：黃愷敏（1 9 8 7 - ），男，江蘇啟東人，碩士研究生，研究方向：城市地理信息系統(tǒng)。
* 通訊作者：楊昆，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事地理信息系統(tǒng)方面的研究。
應(yīng)用研究數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
83
我國(guó)絕大部分城市都采用簡(jiǎn)單箱模式、G－H模式及虛擬點(diǎn)源模式
來(lái)評(píng)估城市大氣環(huán)境質(zhì)量。
2.3 GIS 與大氣環(huán)境模型的結(jié)合方式
GIS和大氣環(huán)境模型的結(jié)合在不同階段和技術(shù)條件下，按照結(jié)
合方式和數(shù)據(jù)交換形式分類，可分為三種：
松散結(jié)合：GIS和大氣環(huán)境模型都為獨(dú)立的系統(tǒng)并且有不同的
用戶界面，GIS能夠?yàn)榇髿猸h(huán)境模型提供數(shù)據(jù)并輸入，大氣環(huán)境模型
計(jì)算后的輸出結(jié)果能夠利用GIS處理或顯示。
緊密結(jié)合：GIS和大氣環(huán)境模型為獨(dú)立的系統(tǒng)，但是有共用用
戶界面來(lái)管理2個(gè)系統(tǒng)的公共數(shù)據(jù)和兩者之間的數(shù)據(jù)交換。
完全集成：GIS和大氣環(huán)境模型有共用的用戶界面并實(shí)現(xiàn)兩者
的數(shù)據(jù)共享。完全集成需要從底層開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分的緊密融合。
由于各種條件的限制，當(dāng)前GIS和大氣環(huán)境模型完全集成的系
統(tǒng)非常少，主要的集成模式還是前兩者，主要發(fā)展方向是緊密結(jié)合
方式。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)的建模
為了實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)污染源時(shí)候，計(jì)算某時(shí)刻某一坐標(biāo)位置的污染物
濃度，需要將高斯模型轉(zhuǎn)化成可以計(jì)算的解析式（3-1）。
前提條件：大氣流場(chǎng)均勻穩(wěn)定，忽略縱向彌散作用。
（3-1）
高斯模型解析式
式中：
C：濃度，mg/m3；
He：污染源高度，m；
Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間排放量，mg/s；
σy：橫向擴(kuò)散參數(shù)，mz；
σz：鉛直擴(kuò)散參數(shù)，m；
ux：平均風(fēng)速，m/s。
3.2 GIS 與大氣質(zhì)量模型集成步驟
GIS與大氣環(huán)境質(zhì)量模型集成可由以下五個(gè)步驟完成（圖1）。
圖1 GIS 與大氣質(zhì)量模型集成的框架步驟
(1)問(wèn)題定義：根據(jù)研究目的，確定污染物研究區(qū)域范圍大小和
時(shí)間跨度，選擇合適的大氣污染擴(kuò)散模型。
(2)數(shù)據(jù)輸入：輸入污染源信息，氣象資料，地形資料。
(3)大氣環(huán)境模型：輸入氣象環(huán)境數(shù)據(jù)和污染源數(shù)據(jù)，輸出污染
物濃度信息。
(4)數(shù)據(jù)分析操作：對(duì)各種輸入數(shù)據(jù)和模型計(jì)算計(jì)算出的結(jié)果
進(jìn)行分析處理。
(5)數(shù)據(jù)顯示輸出：最終處理結(jié)果的顯示和輸出。
3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
城市大氣環(huán)境污染模塊是作為完整的地理信息系統(tǒng)的一個(gè)部
分而產(chǎn)生的。系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能包括污染數(shù)據(jù)輸入，大氣污染模
擬，污染區(qū)域可視化等幾部分。由于是作為系統(tǒng)的一個(gè)模塊，數(shù)據(jù)交
換由設(shè)定好的接口實(shí)現(xiàn)。
3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
城市大氣環(huán)境污染模塊主要需求是提供城市環(huán)境下的污染情
況模擬。并將模擬結(jié)果輸出提供給其他系統(tǒng)模塊處理生成預(yù)警信息
或模擬污染情況設(shè)定預(yù)案用。需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：
污染數(shù)據(jù)輸入：由多種方式輸入污染源的情況數(shù)據(jù)，包括污染
源的空間信息。污染物類型，擴(kuò)散參數(shù)。同時(shí)也需要設(shè)定模擬的環(huán)境
條件，包括大氣溫度，風(fēng)向等等。
大氣污染模擬：按照大氣擴(kuò)散模型，依照輸入的污染源信息和
環(huán)境信息來(lái)計(jì)算模擬污染物的擴(kuò)散的情況。
污染區(qū)域可視化：當(dāng)污染物擴(kuò)散情況計(jì)算完成之后。在地圖顯
示單元分級(jí)顯示污染物的擴(kuò)散分布等級(jí)，按照污染嚴(yán)重程度的不同
上不同的顏色。并在最后生成shape文件。這部分最后會(huì)共享給地理
信息系統(tǒng)的各部分模塊來(lái)處理。
3.4 系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)
采用.Net開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于ArcGis Engine開(kāi)發(fā)組件，完成了城
市大氣污染模擬模塊的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)模塊基本達(dá)到了要求。能夠?yàn)槌?
市大氣污染預(yù)警和預(yù)案提供有效的支持。系統(tǒng)主界面如圖2所示。
圖2 城市大氣污染模擬界面
4 結(jié)語(yǔ)
城市大氣污染模擬模塊能夠在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)上增加大氣
污染模擬功能，提供大氣污染的模擬數(shù)據(jù)給預(yù)警和預(yù)案工作。實(shí)現(xiàn)
大氣環(huán)境管理調(diào)控的現(xiàn)代化，為政府決策，居民出行，企業(yè)選址等提
供信息化平臺(tái)。而且由于組件化的關(guān)系，能夠方便靈活的與不同的
專業(yè)地理信息系統(tǒng)整合，提供處理服務(wù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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