大氣污染物擴散高斯模型模擬

9.2.2大氣污染物擴散的高斯模型模擬：可視化模擬點源大氣污染的

擴散

9.2.2 Gaussian Atmospheric Dispersion Model

突發性大氣污染事故時有發生，對大氣污染擴散進行模擬和分析，有利于減小事故的危

害，減輕人員傷亡和財產損失。高斯擴散模型是國際原子能機構(IAEA)推薦使用于重氣云擴

散模擬的數學模型,該模型在非重氣云擴散的應用日益廣泛。高斯擴散模型是描述大氣對有

害氣體的輸移、擴散和稀釋作用的物理或數學模型,是進行災害預測和救援指揮的有力手段

之一。

9.2.2.1高斯擴散模型

高斯模型又分為高斯煙團模型和高斯煙羽模型。大氣污染物泄漏分為瞬時泄漏和連續泄

漏，瞬時泄漏是指污染物泄放的時間相對于污染物擴散的時間較短如突發泄漏等的情形，連

續泄漏則是指污染物泄放的時間較長的情形。瞬時泄漏采用高斯煙團模型模擬，而連續泄漏

采用高斯模型煙羽模型模擬。高斯模型適用于非重氣云氣體，包括輕氣云和中性氣云氣體。

要求氣體在擴散過程中，風速均勻穩定。

在高斯煙團模型中，選擇風向建立坐標系統，即取泄漏源為坐標原點，x軸指向風向，

y軸表示在水平面內與風向垂直的方向，z軸則指向與水平面垂直的方向，具體公式見式(9.1):

C(x,y,z,t)??e?e?(e?e)

Q

3/2

(2)?

????

xyz

?

(x?ut)

2

2

2

?

x

?

y

2

2

2

?

y

??

(z?H)(z?H)

22

22

22

??

zz

…………(9.1)

其中：為泄漏介質在某位置某時刻的濃度值；為污染物單位時間排放量

C(x,y,z,t)Q

(mg/s); 、、分別x、y、z軸上的擴散系數，需根據大氣穩定度選擇參數計算得

?

x

?

y

?

z

到(m)；x、y、z表示x、y、z上的坐標值(m)；u表示平均風速(m/s)；t表示擴散時間(s)；H

表示泄漏源的高度(m)。

同理，高斯煙羽模型的表達式如：

C(x,y,z,t)??e?(e?e)

Q

2u

???

yz

?

y

2

2

2

?

y

??

(z?H)(z?H)

22

22

22

??

zz

………………………(9.2)

9.2.2.2 技術方法

若用高斯模型算出空間每一個點在一個時刻的污染濃度，這個計算量是很大的。因此所

設計的系統一般都是采用先進行圖層網格化，由高斯模型計算出有限個網格點的上的污染物

濃度，在進行空間內插得到面上每一個點的污染物濃度，并由此得到污染物濃度的等值線。

整個過程的示意圖如圖9.2.1所示

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開始

加載地圖

泄露參數設置

定位事故發生點

時間參數設置

文本

高斯模型參數設定

天氣參數設置

圖層網格化

利用高斯模型計算網

格點上的污染物濃度

GIS空間插值

生成污染濃度等值線

動態模擬損失評估

二三維結合分應急響應方案

析制定

事態處置，解決應急

狀態

結束

圖9.2.1 大氣污染擴散的高斯模擬的步驟

1) 圖層網格化

圖層網格格式分為結構化網格、非結構化網格。結構化網格是指網格中每個結點都有數

量相同的相鄰點，如正方形格網，而非結構化網格則不同。由于結構化網格易于實現，便于

進行插值處理，故多用于實際應用。考慮到氣體污染物質量濃度的空間變化頻繁，采用固定

的結構化網格，以事故發生中心地為整個區域的幾何中心，采用等間距條件將圖層的二維空

間離散化，計算每個網格點上面的污染物濃度，自動生成反映大氣污染物質量濃度分布的等

間距網格。

2) 空間插值

空間插值常用于將離散點的測量數據轉換為連續的數據曲面，以便與其他空間現象的分

布模式進行比較，它包括了空間內插和外推兩種算法。空間插值的理論假設是空間位置上越

靠近的點，越可能具有相似的特征值；而距離越遠的點，其特征值相似的可能性越小。

空間插值的方法可以分為整體插值和局部插值兩類。整體插值方法用研究區所有采樣點

的數據進行全區特征的擬合，局部插值方法僅僅用鄰近的數據點來估計未知的值。整體插值

方法一般包括邊界內插方法、趨勢面分析和變化函數插值。局部插值方法只使用臨近的數據

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點來估計未知點的數值，一般包括最鄰近點法(泰森多邊形法) 、移動平均插值法(距離倒數

插值法)、樣條函數插值法和空間自協方差最佳法(克里金插值法)。

在ArcGIS中，有如下插值方法可供使用：全局多項式插值法，反距離權重法，含障礙

的擴散插值法，含障礙的核插值法，局部多項式插值法，徑向基函數插值法和移動窗口克里

金法。

3) 系統實現

由于ArcGIS等軟件無法直接實現大氣污染物的高斯模擬，需要借助諸如MapX、ArcGIS

Engine的二次開發實現氣體濃度值在GIS平臺上動態展示的技術方法。這里以基于C#.NET

和GIS組件ArcGIS Engine的二次開發為例，介紹實現二三維模擬大氣污染物高斯擴散的方案。

ArcGIS Engine是用于構建定制應用的一個完整的嵌入式GIS組件庫。本案例模擬共包括

五個功能模塊：空間數據庫模塊、地圖基本操作模塊、事故參數設置模塊、事故模擬分析模

塊和文檔保存輸出模塊。各個模塊的主要功能具體如下：

a. 空間數據庫模塊主要是指地圖中各個圖層中的空間數據庫，包含安全數據、加氣站、

消火栓、避難場所等應急設施信息以及道路、鐵路建筑物，居民點、橋梁、水系、湖泊等基

礎數據。數據庫采用Oracle10g作為有關數據庫的開發與管理工具，在ArcGIS中通過Add Data

添加數據庫中相關數據，并按一定的圖層順序存放，形成.mxd格式文檔。

b. 地圖基本操作模塊中，可以對地圖進行打開圖形、保存圖形、漫游、放大、縮小、

全屏顯示、地圖窗口刷新、屬性選擇、距離量算、面積量算等地理信息系統中的基本操作，

在程序中是通過ArcGIS Engine組件的IToolbarControl接口中AddItem來實現。

c. 事故參數設置模塊，包括事發地點查詢和定位、事發時間參數設置、泄漏參數設置、

氣象參數設置等信息。

d. 事故模擬分析模塊，是在高斯煙羽模型和高斯煙團模型的基礎上，利用ArcGIS Engine

組件在電子地圖上模擬毒氣連續泄漏或持續泄漏的擴散過程，主要功能有動態模擬擴散過程

模擬、整個擴散過程的軌跡回放、某個時刻或者某個時間段氣體的擴散范圍并分析該時刻或

者時間段受影響單位的統計信息。

e. 三維分析模塊，利用ArcGIS 3D Analyst擴展模塊提供的三維數據查看環境實現系統的

三維可視化。在ArcScene中導入城市三維數據，通過3D View Tools工具條實現對圖層的放

大、縮小、旋轉等操作。調用IScene-graph的Locate()方法實現建筑物的查詢。加載三維大

氣擴散表面圖層，顯示TIN要素中的三角面，設置要素圖層的顏色、透明度等屬性，顯示大

氣擴散的三維區域。

f. 文檔保存輸出模塊，是指將事故基本信息、警戒區域的擴散圖形、受影響的重要單位、

城鄉道路、居民建筑、水域橋梁、行政區域、消防監控等信息保存輸出在Word文檔，為應

急預案提供信息支持。

9.2.2.3 實例模擬

假設一輛裝載液氯的槽罐車在城市郊區發生了車禍，造成了氯氣泄露事故。事故發生時

間為2012年07月01日12時，氣體泄漏方式為瞬時泄漏，泄漏氣體總量為5 000 kg，云量

為3成，晴天，3級西北風。

將上述信息輸入模擬系統，包括時間參數、泄露參數和天氣參數。設置參數完畢后進入

計算分析過程，將某時刻的計算結果導入基礎地理圖中進行污染影響范圍繪制。設定事故發

生一小時后，對事故影響的范圍進行模擬，得到一小時后影響范圍和危害程度示意圖如圖

9.2.2所示。

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圖9.2.2 一小時后事故影響范圍和危害程度

利用ArcGIS 3D Analyst擴展模塊提供的三維數據查看環境實現系統的三維可視化。如圖

9.2.3所示，在ArcScene中導入城市三維數據和實時的污染物擴散情況，可以很直觀形象地

查看污染物的影響范圍。

圖9.2.3 污染物擴散的三維模擬

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