（计算机应用技术专业论文）基于webgis的突发事故大气污染模拟的研究实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着经济的发展，越来越多的突发环境事故暴发，造成严重的环境 污染，不仅给国家人民财产造成了损失，同时还严重地危害了周边人民的健康。 本文分析了突发事故下的大气污染扩散，通过结合具体的地理条件和大气扩散模 型达到预测污染物扩散情况的目的，进而协助分析处理事故。本文研究了影响大 气污染物扩散的因素，污染物扩散的原理和污染扩散模型，并由此来完成污染扩 散的模拟。模拟系统通过与g i s 的结合，得到污染扩散信息与地图信息相结合 的图示效果。用户可以根据突发事故时的污染源信息，相应的气象条件等，得到 突发事故后的污染扩散效果，作为事故分析和相关环保工作的辅助。为此，本文 的研究内容主要针对大气污染扩散模型的研究和污染物扩散的模拟，同时研究了 该应用与w 曲g i s 的结合。以下是主要的研究工作介绍： 第一部分，从项目需求的角度，说明本研究的出发点。主要分析了本研究的 内容和现状，并提出了本研究的研究思路： 第二部分，主要研究大气污染扩散模型。这部分研究了突发事故时影响大气 污染扩散的因素，包括气象因素和地形因素两方面。说明了污染扩散模型选用依 据的条件，污染源本身的特征和地形条件。并根据实际需求，选用了高斯模型分 析计算污染物的浓度分布； 第三部分，主要研究污染扩散的模拟。即根据第二部分的研究结果，直观地 显示污染物浓度的分布情况，表达污染物扩散的结果。这部分使用了计算机图形 学的方法，将污染物的浓度信息用等值线的形式表达，宏观地体现了污染物的浓 度分布： 第四部分，介绍了嘉兴市环保局g i s 系统设计。这部分介绍了突发事故的 大气污染模拟系统运行实现的平台，其中介绍了嘉兴市环保局g i s 系统的项目 背景，整个系统的设计开发以及其中的子模块应急事故处理子系统。 第五部分，说明突发事放的大气污染模拟系统的设计和实现； 最后，是论文中研究的总结，以及对未来发展的展望。 关键词：w 曲g i s 污染扩散模型高斯模型等值线 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ， a sar c s u l to ft h e d e v e l o p m e n to fe n 0 y m o r c 锄dm o r c e n v i m 砌c n t a la c c i d e t sh a p p c ，c 卸s i g 孕e a tp 0 u t i a n dl o s s ，t h r c a t c n i n gt h e h e a l t ho fp e o p l ea r o u n d b ya n a l y z i n gt h ea i rp o l l u t i o nd i s p e r s i o no fa c d d c n t ，w e m 啪g c dt os i i 肌l a t et l l ee x p a n s i o no fa i fp o u u t i o no nt l l eb 勰i so ft h ep r c d i c t i v e m o d e ia n dt l l ee x t e i i o rc o n d i t i o nt i l a ta 丘e c t t h ep r o c 髂s i i lt h i sw a y ，w eg e ta r e f e r e n c et od e a lw i t i lt h ea c c i d e n l t h cm a r c hi s 触d 叩t h ef a c t o r sh a v i n g e 丘c c t s0 nd i s p e 塔i o no ft h cp o l l u t a n 匕a sw e u 硒t h et l i e o r yo fa i rp o l l u t i o n 仃a 舾p c l n a dm o d e l su s e dt oe s t i i n a t et h ec o n c e n t m t i o n so ft h ep o l l u t a n t ，b yw h i c ht h e s i m u l a t i i sd l tw i t l l t h e s y s t e mi n t e 伊a t e db o t hp o l l u t i 衄d i s p c 器i o na i l d g c o g m p h i c a li i l f o m a t i o nt o m p l e t et l l ev i 鲫a l i z a t i 曲o fm 猫s i v e 锄。衄t so fr c s u l t g e n e r a t e db ys i i n u l a t i u s i n gt h cd a t ao ft l l es o u r c ea n dm e t e o r o l o 百c a lp a 舳c t e r s ， u s e r sa r ea b l et o0 b t a i nt i l ec o n c c n 仃a t i 衄o fp 0 1 1 u t 趾t 蠲t h ea 鼯i s t 柚tf o ra c c i d e n t a n a i y z i l l g 肌de v i 啪m e mp r o t c c t i o n t 0a t t a i nt h i sp u r p o s e ，t h i s papc疆誊茹1s) x 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着经济的发展，越来越多的突发环境事故暴发，造成严重的环境 污染，不仅给国家人民财产造成了损失，同时还严重的危害了周边人民的健康。 例如2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，吉林省吉化公司双苯厂发生爆炸，百吨苯污染物排入 松花江，严重的污染了当地的水源，导致哈尔滨自来水停水一周。又如2 0 0 3 年 1 2 月2 3 同，开县高桥镇川东北气矿罗家1 6 号矿井突然发生井喷，大量剧毒硫 化氢气体喷涌而出，导致2 4 3 人因硫化氢中毒死亡、2 1 4 2 人因硫化氢中毒住院 治疗、6 5 0 0 0 人被紧急疏散安置、直接经济损失已达6 4 3 2 3 l 万元的严重后果。 世界上闻名的重大污染事件有比利时的马斯河谷事件，美国的多诺拉事件。 墨西哥的帕沙利卡事件，英国的伦敦事件等。如曾经非常轰动的马斯河谷事件中， 在逆温层和大雾的作用下，马斯河谷工业区内1 3 个工厂排放的大量烟雾弥漫在 河谷上空无法扩散，有害气体在大气层中越积越厚，其积存量接近危害健康的极 限。第三天开始，在二氧化硫( ) 和其他几种有害气体以及粉尘污染的综合 作用下，河谷工业区有上千人发生呼吸道疾病，症状表现为胸疼、咳嗽、流泪、 咽痛、声嘶、恶心、呕吐、呼吸困难等。一个星期内就有6 0 多人死亡，是同期 正常死亡人数的十多倍。其中以心脏病、肺病患者死亡率最高。许多家畜也未能 幸免于难，纷纷死去。 研究表明，气体污染物达到一定浓度时会严重的影响空气质量。受污染的大 气进入人体，可导致呼吸、心血管、神经等系统疾病和其他疾病。大气污染主要 来自煤和石油的燃烧、冶金、火力发电、石油化工和焦化等工业生产过程排入大 气的有害物质。一般通过呼吸道进入人体，也有少数经消化道或皮肤进入人体， 对居民主要产生慢性中毒。城市大气污染是慢性支气管炎、肺气肿和支气管哮喘 等疾病的直接原因或诱因。 突发性环境污染事故与一般的环境污染不同，具有突发性，来势凶猛，大量 的污染物在短时问内排放，对环境造成严重污染和破坏，严重的威胁了周边的生 命财产安全。这就需要环保部门需要做好突发性污染事故的预防，并提高对突发 浙江大学硕士学位论文 性污染事故处理的应变能力。 基于上述的需求，可充分利用计算机计算速度快及仿真能力强的优势，发生 突发事故时通过输入事故源的成分，浓度及总量以及当时的气象参数( 地形因素 在地图中考虑) ，通过系统的数据处理模拟出在未来一段时间内事故源周边地区 的污染浓度变化，协助分析事故。 1 2 研究现状 突发事故的大气污染模拟的研究由污染扩散模型和污染扩散模拟两部分构 成。对于突发事故的气体污染物的扩散模型目前以大气污染扩散模型为主。下面 一节将从大气污染扩散模型的研究开始。 1 2 1 大气污染扩散模型的研究 大气污染扩散模型分析污染物排放后在大气中扩散的规律。大气污染扩散模 型通过得知污染源和大气的相关情况来分析污染物的稀释扩散过程。大气污染扩 散模型根据特定的理论建立，如统计理论、梯度理论、相似理论，质量守恒等， 产生了各种污染扩散模型。而这些模型根据不同的条件有各自的优势和不足，众 多的学者专家们也在不断的改进已有的模型或提出新的污染扩散模型。 研究污染物质扩散的大气扩散模型种类繁多，主要有高斯模型、箱式模型、 窄带烟雨模型、组分传输模型和轨迹模型。 基于统计理论发展而来的高斯烟羽模型，最早由t u r n e r ( 1 9 7 0 ) 给出。t u r n e r 绘制了烟羽随距离和大气稳定度变化的扩散情况。在研究短时段大气污染物扩散 和污染物浓度分布时，高斯烟羽模式是高架点源释入大气中气体污染物下风向浓 度计算使用最广泛的方法，此模式假定烟羽中污染物浓度分布在水平方向和垂直 方向都遵循高斯分布。至今高斯烟羽模型仍是应用极为广泛的一种扩散模式，有 相当数目的污染扩散模型是它为基础的。该模型根据污染源类型的不同，即点源、 线源、面源，体源，有不同的表达形式。如i s c a e r m o d 大气扩散模型，其子模 块i s c s t 3 能处理多重来源，包括点、立体、线、面和露天矿等各类源，其扩散 模型的核心是高斯烟羽模型，在高斯烟羽模型的基础上，i s c s t 3 扩散模型进行 了拓展，不仅能够模拟污染物和有毒物质及危险废气物的排放，还分析考虑了点 2 浙江大学硕士学位论文 源排放时由于附近建筑造成的空气动力学气流下洗的影响，以及模拟大微粒的沉 积。a d m s 大气扩散模型的模型是一个三维高斯模型，以高斯分布公式为主计算 污染浓度，但在非稳定条件下的垂直扩散使用了倾斜式的高斯模型。扩散烟羽的 计算使用了当地边界层的参数。另外，随着城市机动车的数量的递增，交通污染 也引起了更多的关注。欧美国家自从2 0 世纪6 0 年代末对机动车辆排放污染物扩 散模拟进行了多方面的研究。经常使用的模型如h i g h w a y 模型、g m 模型和c a l i n e 模型都基于高斯模式“1 。 箱式模型假设污染物在一个三维的箱体空间内均匀混合分布。这种模型一般 被用于城市的光化学反应污染。1 。窄带烟羽扩散模型假定主要的影响污染物分布 的贡献者位于上风区，污染物的浓度计算依据的是在垂直方向上的变化。组分传 输模型适用于湍流很小相对于污染物的排放可以忽略的情况。轨迹模型是基于一 个沿着下风向运动的圆柱，并根据该圆柱考虑柱体内的污染物浓度分布。3 。另外， 为了达到更好的模拟效果，出现了一些带有反馈机制的模型，还有结合了人工智 能的神经网络的观点来提高模拟的准确度“。 1 2 2 大气污染扩散模拟的研究 在环境管理工作中，环境统计数据、污染报告等抽象数据是常见的数据形式。 这些数据，表达了污染信息和环境信息，但是利用这些抽象的信息进行环境管理 和规划很不方便。因此，两种信息结合起来的环境模拟就这样兴起了。 环境模拟将多种环境过程和现象的信息转变成可以计算的形式，用一定的概 念、数据来描述，并将计算结果以某种形式显示输出。大气污染扩散模拟就是用 于空气质量分析的一种环境模拟。基于环境模拟，空气质量分析也从以前的统计 分析污染趋势发展到今天利用计算机技术，结合g i s 技术，表现污染物在时间和 空间上的变化。 当今国际上已有不少g i s 的商品化平台软件，常见的有g e o s t a r 、c i t y s t a r 、 m a p g i s 等，最著名的是美国e s r i 公司( 美国环境系统研究所) 开发的a r c g i s 系列地理信息平台软件”1 。 g i s 是一种以地理空间数据库为基础采用地理模型分析方法适时提供多种 空间动态的地理信息为相关研究和决策服务的计算机技术系统。由于g i s 在空 3 浙江大学硬士学位论文 间显示和数据管理方面的强大功能，g i s 在环境污染扩散方面的应用已经越来越 受重视，采用g i s 技术对污染扩散过程进行仿真模拟的效果在很大程度上取决 于扩散模型的建立g i s 软件的功能以及两者的有效结合。 有关突发事故的相关大气污染扩散模拟系统较少，主要以空气质量分析软件 为主。如a d m s 大气扩散模型软件是由英国剑桥环境研究公司开发的，分为 “a d m s 一评价”、“a d m s 一工业”、“a d m s 一城市”几个系统。软件可以与一个地 理信息系统联合使用，在所使用的不同类型的地图数据上，生成如等值平面图的 输出和作报告用的硬拷贝图形等。 本系统的污染物扩散模拟的关键在于污染扩散模型和g i s 技术的结合。一 般来，g i s 技术的核心是数据库和电子地图的空间显示。因此这种结合主要也是 围绕数据库和图形显示来进行的。 1 3 研究思路 目前已有评估大气污染状况的相关系统，在污染扩散模型和污染扩散模拟方 面也进行了相关的研究。例如：a d m s 一城市模型用点源，线源，面源，体源和网 格源模型来模拟污染源。经设计，可以考虑到的扩散问题包括最简单的( 例如， 一个孤立的点源或单个道路源) 到最复杂的城市问题( 例如，一个大型城市区域的 多个工业污染源，民用和道路交通污染排放) 。a d m s 一城市可以作为一个独立的系 统使用，也可以与一个地理信息系统联合使用。a d m s 一城市与m a p i n f o 以及e s r i 的a r c v i e w 可以完全有机的连接。可以将a 叫s 一城市与这两个地理信息系统中的 任何一种一起使用。 因为这样可以使用数字地图数据，c a d 制图真实直观地表 现污染问题。在所使用的不同类型的地图数据上，生成如等值平面图的输出。 本文也采用相似的方法，从研究污染源出发，通过对污染源的分析，根据影 响污染物扩散的相关因素，选择污染扩散模型，实现污染物扩散的计算。最后通 过与w e b g i s 系统的结合，达到了污染扩散的模拟。图1 1 显示了该过程： 一污 i 海f 一污染街浓 模拟污染源 坠l 污染扩散模型l ! 竺生 图1 1 模拟系统的实现思路 4 浙江大学硕士学位论文 研究中，将分析有关污染源的建模，并研究影响扩散的大气条件和地理条件。 通过上述的工作，得到模型计算中的相应约束和参数。之后，对污染源附近的空 间点进行污染物浓度的计算，计算的依据即是前面确定下来的约束和参数。到此， 污染物扩散模型的实现已经完成了。为了将污染物扩散模型运算后得到的空间信 息和属性信息表达出来，需要与一个地理信息系统联合，也就是要实现污染扩散 的模拟。本研究采用m a p x 仃e m e 来实现这样的需求，达到污染扩散信息的实时 显示。 1 4 本论文的结构安排 本文可分为五个部分：第一部分是绪论；第二部分是大气污染扩散模型的研 究；第三部分是大气污染扩散模拟研究；第四部分是嘉兴市环保局g i s 系统的 设计；第五部分是突发事故大气污染扩散模拟系统的实现。 第一部分：绪论 本部分为第一章，介绍了研究背景及研究目的，并由此提出研究内容。后面 阐述了研究内容的现状及研究思路。 第二部分：大气污染扩散模型 本部分为第二章，包括了影响污染物扩散因素的研究，分析了气象条件和地 理条件的影响，说明了针对项目实际情形。提出了针对应用需要的大气扩散模型 一高斯模型，分析了各种条件下高斯模型的不同形式的应用，研究了有关条件参 数的计算选用问题。 第三部分：大气污染扩散模拟 这部分为第三章，其中陈述了有关扩散模型的表达问题，即如何将扩散模型 涉及的地理信息和属性信息直观的表达出来。其中的关键问题是根据扩散模型得 到污染物的浓度信息，来绘制表达污染物浓度分布的图形，同时也讨论了与地理 信息系统的结合。污染物扩散模拟中污染物浓度分布的绘制研究了等值线的绘制 问题，包含网格构造和等值线的绘制。 第四部分：嘉兴市环保局g i s 系统的设计与实现 这部分为第四章，本章说明了大气污染扩散模拟系统得以实现所依赖的平台 嘉兴市环保局g i s 系统，着重介绍了应急事故处理子系统。 浙江大学硕士学位论文 第五部分：大气污染模拟系统的设计和实现 这部分为第五章。第五章介绍了基于w 曲g i s 的大气污染模拟系统的设计与 实现，包括大气污染扩散的浓度计算和污染物浓度分布显示两部分。 最后一章是总结与展望。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章大气污染扩散模型 2 1 影响大气污染扩散因素 影响大气污染扩散的因素主要是气象因素和地形因数两个方面。其中最为重 要的是气象因素。 2 1 1 气象因素 影响污染物在大气中扩散的气象因素分为两个方面即大气的热力过程和动 力过程。 ( 1 ) 大气的热力过程 在大气的热力过程中，对污染扩散有影响的因素主要有近地层的温度变化、 逆温和大气稳定度。 地球表面和大气的能量都来自于太阳，因为太阳辐射的波长较短，低层大气 中主要的吸收辐射的二氧化碳和水蒸气无法吸收短波辐射，因而对于低层大气的 温度升降而言，没有主导性的贡献。因地球表面的温度较低，对外的辐射波波长 较长，能被低层大气中的水蒸气和二氧化碳吸收，因此地球表面直接影响着低层 大气的热量变化。近地层的大气温度会随地面温度和与地面的距离而变化。这种 性质对逆温、山谷风、海陆风的影响有着重要的作用，也因此对大气污染有了直 接的影响。 大气的温度随高度增加而增加时，被称为气温逆转，简称逆温。大气中的比 周围温度高的气团，会在空气中上升。由于逆温层内气温随高度的增加而增加， 上升的热气团就会受到阻碍，因此逆温层又被称为阻挡层。由于逆温层会阻挡上 升气团，排放出来的污染空气不能穿过阻挡层向上扩散，于是在阻挡层下扩散， 形成高浓度污染。而历史上严重的污染事件有很多是发生在这种条件下，如曾经 非常轰动的马斯河谷事件，就是在逆温和大雾下发生的。 大气稳定度直接影响着污染物在大气中的扩散能力，大气越不稳定，污染物 的扩散速率越快。污染物的扩散与大气稳定度有着重要的联系，在不同的大气稳 定度下会有不同形状的烟流。 7 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 大气的动力过程 大气的动力过程主要指风和湍流两方面。风对污染物浓度分布的第一个作用 是对污染物的输送作用，因此污染物总是在下风向造成污染；另外风可以对污染 区域的污染物起到冲淡稀释的作用，因此污染物的浓度与风的速度成反比。风速 越高，污染区的浓度降低的越多。湍流运动是大气的不规则的蜗旋形运动，在边 界大气层中，湍流运动普遍地存在着。湍流运动亦是热力和动力结合的产物，在 空气流经过障碍物时，经常会引起风向和风速的变化，引起机械湍流。地面受热 不均匀时，容易出现热力湍流。大气中的湍流可以进入污染气团内，促进污染物 的扩散和稀释”1 。 2 1 2 地形因素 地形因素对污染物扩散的影响，主要是地形通过对气流和气温的改变来影响 污染物扩散。例如对于山区，由于山体的上部和下部的温度差别，在白天时会有 从山体下部吹向顶部的谷风，在夜间又有从山顶吹向山谷的下坡风。由于谷风和 下坡风的交替，污染物会来回堆积，形成污染物的高浓度区域。在四周都有高大 的阻挡物的谷地，冷空气沉积在下部，上方则包围着热空气，容易形成逆温层， 使得底部的污染物无法逃逸出去，形成下方的污染物高浓度污染。另外在沿海或 其他水域边，由于陆地和水的比热容的差别，会造成陆地和水域的温度差，进而 影响低层的气团运动，形成风向交替变化的海陆风，从而影响污染物的扩散。另 外，城市的高大建筑物，城市和郊区的差异，都是会影响污染物扩散的因素。1 。 2 2 污染扩散模型 2 2 1 污染物扩散模型的选取 在实际应用中，我们关心的是污染物在地面的浓度。根据污染物排放源的不 同，以及污染源所处的地理环境，适合的扩散模型也会有所不同。因为有相对复 杂的污染源，污染源的建模也得到了广泛的研究。 污染源根据排放的规模和形态可以分为点源、线源、面源。一个简单的固定 排放口经常被作为点源来处理。在预测流动源或线状污染源时，通常将污染源作 浙江大学硕士学位论文 为线源来处理，就是作为多个点源在一条曲线上的累加的效果。面源则处理源强 较小，排放口较低，数量多分布均匀的污染源，同样，面源可以作为多个点源在 一定平面区域的累加。 其中点源是最便于分析处理的污染源类型，它也是其他类型污染源研究分析 的基础。如高架气体排放口，突发事故的气体泄露带来的污染物的扩散就可以使 用点源的污染扩散模型计算。被广泛研究的线源扩散，主要源于公路附近的机动 车辆造成的污染。由于在不同时问机动车辆的数量、类型的不同、在公路上的排 列方式的不同、车辆在行驶过程中的减速加速都会影响到污染物的排放，另外由 于车辆排放污染物还会造成附近的温度抬高，迸而影响扩散，因此目前有关公路 附近的污染物扩散得到了广泛的研究，并得出了针对这样的污染源的扩散模型 ”。对于众多分布均匀的小排放口，采用单位面积的平均源强的处理办法，如果 其中某一类面源在某一网格中分布非常不均匀，即相对集中而且排放量大时，为 了提高计算精度，需要特殊处理，给出相对集中的面源的面积和该面积的中心坐 标值。 通常一个大气环境评价的模拟软件，需要同时能够模拟城市区域来自工业， 民用和道路交通的污染源产生的污染物在大气中的扩散，也就会同时用点源，线 源，面源和其他模型来模拟污染源。 另外，影响污染物扩散模型选取的因素是地理条件。在山区，或是有水域在 污染物附近或是城市中的高楼大厦会很大程度的影响到污染物的浓度的分布。因 为地理环境的影响，相关学者专家研究了针对各种不同环境的扩散模型，如针对 具有高大建筑物的城市的扩散模型和针对道路的污染扩散模型“”“”1 。 根据以上的研究，分析本系统的具体情况，嘉兴市地处浙江东北部，长江三 角洲杭嘉湖平原，主要针对的是突发事故的单个高架排放源的污染，因此本研究 着眼于平坦开阔地形的点污染物源扩散。根据以上条件，选用高斯模型作为污染 物扩散模拟的依据。 2 2 2 高斯模型 高斯模型是一个在很多扩散模型中使用污染扩散模型，并且在污染扩散的模 拟方面有着不可替代的地位。例如u k a d m s 模型的u r b a n 部分中就直接采用的模 9 浙江大学硕士学位论文 型是一个三维高斯模型，以高斯分布公式为主计算污染物浓度，在非稳定条件下 的垂直扩散使用了倾斜式的高斯模型烟羽扩散。 高斯模型的基本形式是在如下的假设条件下推导出来的，假定污染物在扩散 的过程中没有沉降、化合、分解及地面的吸收发生；污染源连续均匀的排放；扩 散空间的风速、大气稳定度都是均匀、稳定的：在水平和垂直方向上都服从正态 分布。以上假设推导出的大气扩散模式的基本形式如公式2 1 ： 。毒州一讣卜曙h 一曙】 ( 2 1 ) 其中c 0 ) ，z 日) 有效烟囱高度为h 的污染源在下风向空间任意一 点oyz ) 处的污染物浓度，m g ，舻：q 源强，即污染源排放污染物的速 度，m g s ：盯，吒用浓度分布标准差表示的水平和垂直方向上的扩散参数， 他们随下风向距离排放源的距离x 而变化，小；“烟囱口处的平均风速，根 据烟囱的几何高度见和地面l o 米高处风速计算，m s ；日有效烟囱高度， 所，它是烟囱的几何高度和烟气抬升高度的和。 根据影响污染物扩散的因素，高斯模型有不同的表达形式。其中主要考虑的 影响条件为风、逆温和污染源自身的状况。根据风速的大小将考虑高斯模型在有 风和静风条件下的不同情况：因为逆温层对污染物起到阻挡和反射的作用，需要 根据逆温层的高度，分类解决；而污染源的排放历时直接影响了污染物在下风区 的累积，因此也是高斯模型的模式选用的一个因素。 2 2 3 高斯模型下的污染物浓度计算 风速较大时( 大于1 5 l s ) ，选择高斯烟流模式，大气扩散模式的基本形 式( 公式2 1 ) 。这种模式在导出过程中，考虑到风速较大，在x 方向上风对污 染物的输送作用占主导地位，并忽略在x 方向的扩散作用。风速非常小时，x 方 向的扩散不能被忽略，这时便要使用高斯模型的另外一种形式，即移动烟团模式 ( 公式2 2 ) 。 c oy z h ) = 1 0 浙江大学硕士学位论文 f 未刊一曙卜讣 _ 学h 一警肛 ( 2 2 ) 其中t 烟团的运行时间，即烟团释放的时刻和计算浓度值时的差值； q ，q ，呸分别为x ，y ，z 方向上的烟团扩散参数，它们与烟团的运行时 间有关。 如果大气低层处于不稳定状态，某一高度以上有逆温层存在，这时上部逆温 层就像一个“盖子”使污染物的垂直扩散受到限制，扩散只能在地面和逆温层间进 行，称之为“封闭型扩散”。此类模型的推导是把逆温层底面看成和地面一样能起 全反射的“镜面”，使得烟云多次反射。如图2 1 所示 图2 1 地面和逆温层对污染物的多次反射 污染源浓度可看成实源和无穷多个虚源的共同作用的累加，如公式2 3 。 c 仁yzh ) 一 南唧c 匆薹阱鼍产 】【p _ 唑产 ( 2 3 ) 其中n 指污染物在逆温层和大地之间反射的次数，一般n 取3 到5 就可以满 足要求了。 当逆温层的高度与污染源的排放高度相当，即污染源直接将污染物排入逆温 层中，此时污染物在垂直方向上的扩散缓慢，在源高度上形成一条狭长的高浓度 污染区，地面浓度为o ，这种扩散也被称为“漫烟型”扩散。 下面是根据排放时间，风速大小和逆温层高度影响分类的各情形下的污染扩 浙江大学硕士学位论文 2 受逆温层影响的大气污染物浓度估算 c oyz 日) - 两e 印焉唧c 茜， ：塞 e x p 【一兰半】+ c x p 一三二二! ；：芋 ( 2 9 ) 此外，当高架源释放的烟流排放到稳定的逆温层中时，铅直扩散很缓慢，在 一定时间内，地面的污染物浓度为o ，当根据逆温层的变化消失，扩散将会向地 面发展，造成地面上的高浓度污染，即漫烟型扩散。此时满足条件 d ( h 。+ o 5 嚣。 2 2 4 高斯模型的条件参数的计算 ( 1 ) 大气稳定度的计算 大气稳定度等级划分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定、稳定 共六级，对应于a 、b 、c 、d 、e 、f 表示。 t u r n e r 提出了一套根据太阳高度角和云高、云量来确定太阳辐射等级，再 根据太阳辐射等级和地面风速确定稳定度级别的方法。这方法被称为p t 法。 为了便于计算我们采用国内修正后的p t 法，它的使用方法如下，首先，有云量 和太阳商度角查出辐射等级，然后由辐射等级与地面风速查出稳定度级别。太阳 高度角的计算方法如公式2 1 0 ： 土a i c s j n 【s i n 妒s i n 6 + c o s 垆c o s 6 c o s ( 1 5 f + a 一3 0 0 ) j ( 2 1 0 ) 式中妒当地的地理纬度，度；6 太阳倾角，度；可以根据当时月份 和日期查表，如附录表a 3 ；a 当地的地理经度，度；f 观测时间，h 。在 得到太阳高度角后，再结合云量，根据附录表a 1 可以得到太阳辐射等级，再结 浙江大学硕士学位论文 第三章大气污染扩散模拟 本章的主要问题是如何根据第二章已经提出的模型来计算模拟污染物的扩 散。实现的步骤分为以下两个方面： ( 1 ) 计算距离污染源一定距离范围内的大气污染物的浓度值，得到一系列 计算点的地理位置信息和浓度值信息； ( 2 ) 根据第一步的运算结果，将污染物的扩散状况表达在地图上，即用等 值线来表现污染物的浓度分布。其实现过程为，首先构造网格，在此基础上，完 成等值点的确定和跟踪，最后平滑曲线，完成等值线的绘制。此外，本系统中的 等值线的绘制是在w e b g i s 平台上实现的。 下面的各节将从这两方面展开： 3 1 大气污染物浓度计算 大气污染扩散的浓度计算分为两部分，首先是地理位置的确定；然后是给定 的空间点的浓度计算。 一个空间点的位置的确定，涉及到了坐标系统。坐标系指的是描述空间位置 的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地 测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球 的几何参数和物理参数，和其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时 所采用的单位长度的定义。 本系统的地理信息由g p s 获取，w g s 一8 4 坐标系是目前g p s 所采用的坐标系 统。w g s 一8 4 坐标系使用协议地面参考坐标系( c t r s ) 。这个坐标系根据国际地 球自传服务技术注解概要中的标准来定义。w g s 一8 4 坐标系是右手地固直角坐标 系，坐标原点是地球质心，z 轴指向国际地球参考系i e r s 极的方向( i r p ) 。x 轴指向过地球参考系i e r s 首子午面切垂直于z 轴的方向，y 轴与其它两轴构成 右手地心地同e c e f ( e a r t h c e n t e r e de a r t h f i x e d ) 直角坐标系。 在该坐标系下，已知两个空间点的经纬度，它们之间距离的计算方法如下， 根据各点的经纬度，计算其对应得石，y ，z 的值，对纬度为b ，经度为l 的空 间点，由公式3 1 ，公式3 2 和公式3 3 计算，两点都经过上述计算后，盖，y ， 浙江大学硕士学位论文 z 的值，直接采用距离公式计算距离。 x 一c o s 曰s 工 y _ c o s b s i n 工 z = ( 1 一e 2 ) s i n 丑 其中， 肌而素萧( 1 + 气2 ) s i n b c = 6 3 9 9 5 9 3 6 2 5 8 e 2 _ 0 0 0 6 6 9 4 3 7 9 9 0 1 3 e 1 2 一o 0 0 6 7 3 9 4 9 6 7 4 2 2 7 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 第二部分的污染物浓度的计算已经在第二章中作了相关的说明。根据上面的 地理信息的相关计算方法，获得浓度计算需要的空间信息，再由用户输入的污染 源信息，气象条件选择相应的高斯扩散模型，进行计算，便可以得到计算区域的 浓度值。 3 2 等值线的绘制 3 2 1 绘制等值线的相关研究 离散数据是对区域性连续分布物理量的抽样表达。这些离散分布点的信息表 达总体的物理量的分布效果是远远不够的，而以此直接构造勾勒曲线表达也很难 达到要求。以往绘制等值线是通过手工内插的方法进行邻域差分完成的，但这样 操作不仅效率低下，同时也受到了人为因素的影响。计算机在这方面的应用，为 离散数据的表达带来了新的发展，如今离散数据的处理和表达得到了广泛的研 究，出现了大量的等值线的生成的算法，以及优化等值线生成的方法”。”“。 就已经开发的相关软件来看，能够自动追踪并勾绘等值线的软件繁多。比 如g i s 领域的旗舰产品a r c i n f 0 、r s 领域的领衔产品e r d a d s 、地下水有限元数 值模拟软件g m s 等。g 0 1 d e ns o f t w a r e 公司的软件则以“重量级”离散数据处理 而著称，它属于科学类绘图软件，可处理离散数据，可生成各类基面图的数据点 浙江大学硕士学位论文 三角形网格是指将平面上的n 个互不相交的直线段连接起来，构成一个三角 形网格。三角网格法的主要特点为，网格节点与测点完全一致，不存在测值的转 化和网格节点计算带来的误差：三角网格上等值线的搜索格外简单易行；网格数 最少，算法效率最高。 从以上的分析可以看出，上述三种类型网格化方法相比，因为三角形网格法 网格数目少，准确性高，故选择三角形网格法建立插值网格。 3 2 3 三角形网格化 三角形网格的构造就是把平面域内的个散乱的点用直线段连接起来，形 成既不重叠又无间隙的紧邻的三角形集的过程。平面上的个点连成三角形网 格有很多方式，根据不同的准则可以得到不同的三角化网格。为了使三角化的结 果达到优化，提出了很多不同的依据。而判断三角网格化优化程度，一般是指三 角化后的三角网格中的那种细长、尖锐的三角形较少，整个三角网格分布均匀为 优。 由于d e l a u n a y 三角化算法的简单、快速而成为普遍使用的三角化方法。俄 国数学家d e l a u n a y 从理论上证明了这种三角剖分方法的合理性。对该方法的具 体实现，国内外均进行了大量研究“”。 d e l a u n a y 方法是能够满足d e l a u n a y 定理得三角形网格化方法，该方法实现 的网格化能够保证三角形的优化。d e l a u n a y 定理具有了v o r o n o i 图的特性，下面 部分将从v b r o n o i 图说起。 v b r o n o i 图( v o m n o id i a g r a m ) 又称梯森多边形或泰森多边形( t h i e s s e n p o l y g o n s ) 是计算几何中被广泛研究的问题，其定义如下： 设# ( i = l ，2 n ) 为二维欧氏空间平面上的n 个点，将由 v ( 号) = ! pj d i ( p ，霉删只) ( i = 1 ，2 n ) 给出的对平面的分割，称为以卑为 j 母点的v o r 0 o i d i a g r a m ，通常简称为v o r o n o i 图，称v ( 只) 为母点足的只( i = l ， 2 ，n ) 多 x 浙江大学硕士学位论文 个点，根据这些点的位置将平面分割成n 部分得到一种由各个母点的多边形构成 的对平面的分割图。它具有以下几何特性： ( 1 ) 在一个v b 瑚o i 多边形内的点与此多边形内的母点距离比到其他任一母 点的距离都近： ( 2 ) 只有与v o r o n o i 多边形内的母点距离较近的母点之间才能形成该多边形 的边： ( 3 ) 多边形的边为距其最近的两个母点问的垂直平分线。 如图3 1 所示，对于平面区域的上的点集，右图中的直线段对区域的分割使 任意一点所在的多边形区域中的点与多边形中的母点的距离最近。 图3 1v o r o n o j 多边形 d e l a u n a y 定理：v o 啪o j 图的直线对偶是平面点集v 的一个三角网格化。一 个更为直观的表述是：用o o i 0 9 0 ) ) 时间能找到具有如下性质的一个三角网格， 即每一个三角网格的外接圆为空( 即外接圆中不包含其它v 中的点) ，且对于任何 三角网格化这是最优的。 定理中最重要的一个原则就是d d 锄n a y 三角网格中的每一个三角形的外接 圆中不能包含第四个结定点集中的点。这个原则事实上是d c l a u n a y 算法最关键 的算法基础。 根据离散点的分布，可以将三角化分为凸多边域的三角化和单连通域的三角 化。 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 凸多边形三角化 d e l a i l l l a v 的方法的基本思想如下：先构造一个外接圆不包含第四点的初始三 角形，然后将该三角形的三条边分别作为基边，以基边所对应的角度最大为准则， 在该边的邻域寻找第三个点，构成新的三角形，如此循环进行，至所有的点都成 为三角形集的顶点。其过程的主要步骤如下： ( 1 ) 将平面散乱点按x 、y 坐标从小到大分类排序，这样有利于三角化过 程，可以消除重合点、提高搜索的效率。 ( 2 ) 从点集中任取一点赋值给号作为出示边界的起点，并在号( 墨，x ) 的邻 近区域寻找离卑最近的点弓，即在 五叩墨+ j ) 鼍，誓+ j ) 矩形区域内搜索 ( j = 1 ，2 ) 。 ( 3 ) 将曰p j 赋给边界环表构成初始边界环。 ( 4 ) 从边界环表中弹出一有向边界只p j 作为基边。 ( 5 ) 在基边号只正侧的邻边区域搜索构成三角形的第三点丑的候选点，即 在 m i n ( 墨吖jx m ) ，m a x ( 置。，盖j + 1 ) 、 m i n ( 誓。_ + 。) ，m a x ( 。，匕。) 区域搜 索( e = 1 ，2 ，) 。 ( 6 ) 从搜索到最候选点中选择使厶卑最大者为最。 ( 7 ) 检查最点是否为边界环上的点，若最为边界环上的点，转步骤( 8 ) ， 否则转步骤( 9 ) 。 ( 8 ) 检查只是否与基边号弓相邻，若不相邻则置当前基边的下一条边界为 新的基边，转步骤( 5 ) ，若相邻则转步骤( 9 ) 。 ( 9 ) 记录三角形霉弓最，并修改边界环表。如果最为基边号只的右邻，则 边界边号弓用只最置换；如果置为基边号弓的左邻，则边界边卑弓用最0 置换； 如果最不为边界环上的点，则边界边霉用曰只置换，同时在其后插入一新的 边界e 只。 浙江大学硕士学位论文 ( 1 0 ) 判断点集中的点是否已经全部被三角化，若是，则三角化已经完成； 否则转入( 5 ) 执行。 经过上述步骤，便可以得到平面区域上的三角形集合，该三角形集合的顶 点即代表了各个监测值点。这些三角形是等值点确定和跟踪的基础。 ( 2 ) 单连通域三角化 上面的算法针对的是凸多边形域的三角化，如果要三角化的区域为凹多边形 或区域中有洞，即单连通区域时，使用上面的方法便会出现三角形横跨洞或伸展 到区域之外的情况，引起错误。对于平面区域内的一条封闭曲线，皆可不经过区 域以外的点而连续收缩于的某一点，则称以平面区域为单连通区域。 对于单连通域的三角化网格，不能完全满足d e l a u n a y 定理。单连通域的基 于d e l a u n a y 算法的离散点集的三角化只能是近似的d e l a u n a y 三角化。要执行单 连通区域的三角化必须给出的信息，除离散点集信息外，还需要给出点集的区域 边界来限制三角化网格，网格必须落在边界内。单连通域的三角网格化，一般有 两种解决方法。其一，可以将单连通区域分割为多个多边形区域，然后分别对多 边性进行三角网格化，最后将三角化后的结果组合起来。另外一种是根据单连通 域选择边界边和边界环，然后根据这样的限定条件进行三角化。 3 2 4 等值点的确定和跟踪 ( 1 ) 等值点的确定 对于某一个值v a l u e ，三角化网格后的三角形的a 职最的一边号弓上存在有 v a l u e 的等值点的条件如公式3 8 。 ( z ( e ) 一v a l u c ) ( z ( 只) v a l u e ) o ( 3 8 ) 如果( z ( 最) - v a l u e ) = o ；需要对z ( 号) 的值稍微变化一个很小的量，从而使等 值线从三角形通过。当网格三角形满足不等式3 8 时，等值线通过三角形，且可 以分为三种情况，如图3 2 所示。 浙江大学硕士学位论文 图3 2 等值线跟踪 此时如上面所述只要对只，最计算不等式3 8 ，对只，只计算不等式按照同 样的方法判断处理，就可以确定走出三角形时等值线经过的边了。 对所有的网格三角形重复上述的操作，便得到了值为d u e 的所有等值点。 ( 2 ) 等值点的追踪 具有某个值的等值点可能会构造出多条等值线，也就是在制图区域内不闭 合；也可能位于同一条闭合的等值线上。无论是哪一类等值线的绘制，首先都要 找出等值点。闭合曲线的等值点一定位于制图区的内部，而非闭合曲线的起始点 和终止点一定位于边界上。 找到起始点后，需要按照等值线上的等值点的出现顺序追踪出等值线的全部 等值点。上述的等值点的确定只是按照三角化后的网格三角形的顺序排列的等值 点，不符合绘制等值线的需求。所以为了得出一条等值线的等值点的顺序序列， 需要按照起始点根据一定的算法进行追踪。 因为一条等值线必然经过一个网格三角形的两条边或不经过该网格三角形 ( 经过顶点时对顶点的数值做微量的修正使等值线经过三角形) ，网格三角形间 的边相互共享，即一个等值点是一个三角形的入口点，同时又是另外一个相邻三 角形的出口点。根据这个特性，就可以达到跟踪等值线，将等值点按序排列的目 的。 等值线的追踪可以分为以下几个步骤： ( 1 ) 搜索线头，通过遍历网格三角形的各边，寻找一个尚未用过的、且它的 棱边为边界边的三角形。然后，比较该三角形的两个特征棱边，若均为边界边， 以任意一边为起始边，另一遍为后继边；否则，以棱边是边界边的边作为起始边， 浙江大学硕士学位论文 另外一个做后继边。标记该网格三角形。 ( 2 ) 寻找等值线的下一个入口，寻找与起始边共棱边的网格三角形，且此三 角形还未被追踪过，记录下该网格三角形上的等值点，并标记该三角形。“。 重复步骤( 2 ) ，若找不到与当前棱边共棱边的网格三角形，则说明等值线在 制图区域是非封闭的；若当前寻找的三角形的数目与网格三角形的数目相等则 这是条封闭的等值线。 3 2 5 等值线的光滑 光滑曲线的主要的方法有b e z i e r 曲线和b 样条曲线等。 b e z i e r 曲线的定义如下：给定空间n + 1 个点的位鼍矢量p i ( i = o ，l ，2 ， n ) ，则b e z i e r 参数曲线上各点坐标的插值公式如公式3 9 。 p o ) 只b ，( f ) ， f 【o ，1 】 ( 3 9 ) 其中，p i 构成该b e z i e r 曲线的特征多边形，皿o ) 是n 次b e r n s t e i n 基函 数，如公式3 1 0 ，b e z i e r 曲线实例如图3 3 所示。 层脚卅，”咿鼎，( 1 _ 旷，o - 0 ，n ) ( 3 1 0 ) 图3 3 三次b e z i e r 曲线 b e z i e r 曲线的起点、终点与相应的特征多边形的起点、终点重合，b e z i e r 蓝线的起点和终点处的切线方向和特征多边形的第一条边及最后一条边的走向 一致，另外b e z i e r 曲线还具有对称性、凸包性、几何不变性等。 以b e r n s t e i n 基函数构造的b e z i e r 曲线或曲面有许多优越性，但有两点不 足：其一是b