城市大气污染地理信息系统模块研究.doc

城市大气污染地理信息系统模块研究 　　摘要：当前城市大气污染的问题已经严重影响到了我国城市居民的生产与生活。为了能够有效对城市大气环境质量管理评价，利用GIS技术和大气环境模型建立城市大气环境质量管理平台为政府决策和研究人员提供管理工具。 　　关键词：GIS大气质量模型 　　中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0082-02 　　1 绪论 　　1.1 研究意义 　　现在，越来越严重的大气污染问题已经成为了当前影响社会发展进步的一大难题。随着我国经济发展和人民生活水平的不断提高，生活与工作过程中对能源的需求也越来越大。1980年中国能源消费总量为58587万吨标准煤，到2010年，中国能源消费总量为307987万吨标准煤[1]。1980年以来，中国原煤消耗量已增加了两倍以上，2002年原煤消耗量已达14.8亿吨。2011年中国原煤产量为35.2亿吨，同比增加2.8亿吨，增量为历史最高水平。煤炭在一次能源生产结构中的比重接近80%，石油则在20%左右变化。而煤炭和石油产品为主的能源消耗是大气颗粒物的主要来源。大气颗粒物中PM10（细颗物）和PM2.5（超细颗粒物）是对人体最为有害的两种物质。 　　城市不断发展，燃料消耗也越来越多。近几年来，我国各大中城市的机动车数量大幅度增长。机动车数量增长也意味着而且城市内的燃料、危险品运输和存储也会因为种种原因发生事故。对这些突发事故设立预警和预案处理系统能减少损失。 　　所以，对大气污染状况分析、对大气污染的影响的控制和预警已经是环境保护中的一个紧迫任务。对已有的固定点源大气污染状况和突发事件引起的大气污染预警而建立专门的系统，能为整个城市发展和规划带来很大的好处。 　　1.2 GIS在大气环境研究中的应用 　　地理信息系统（GIS）技术是融合地理学、图形学、计算机科学等多项技术的新兴交叉学科，是对空间信息进行采集、存储、处理与输出的计算机系统。随着近些年来GIS技术的不断发展，利用GIS技术进行大气环境研究的越来越多。GIS技术为大气环境研究提供了强有力的技术保障，大气环境研究提供了理论支持，两者结合则为科研人员提供了全方位的信息研究处理平台。 　??2 大气环境质量模型 　　2.1 大气环境质量模型的特点 　　大气环境质量模型是了解区域环境质量、分析污染物扩散的有力工具。不同的大气环境质量模型适用于不同尺度和不同类型污染源的各种大气扩散模式，能够在时间和空间尺度上准确描述各种污染物的迁移、输送、转化等变化特征。 　　大气环境质量模型发展到现在，尽管它们具有不同的表达方式，但是它们都具有以下几个特点：空间性、动态性、多元性、复杂性、综合性。 　　2.2 几种常见的大气扩散模式 　　国内外有多种描述大气污染扩散过程的数学模型。点源扩散模式常用的有高斯模式、萨顿模式以及赫-帕斯奎尔模式等；线源扩散模式常用的有点源求和法、线源直线化模式等；面源扩散模式常用的有箱模式、虚拟点源模式（或称等效点源模式、倒退点源模式）和吉福德-汉纳模式（或称G-H模式）[2]。 　　一般研究认为，高斯模型是相对其他模型反应大气污染扩散的过程是最简单的，利用高斯模型计算出的浓度场与实际的的浓度场较为吻合。部分线源模型和面源模型也是由高斯模型发展而来的。 　　大气环境质量基本模型基本方程如式（2-1）： 　　（2-1） 　　式中：x轴为平均风向，z轴铅直向上，uz=0、uy=0，Et，x、Et，y、Et，z为湍流扩散系数常数。在研究污染物对大气污染的整个研究过程内，可忽略污染物的自身衰减，即K=0。可将公式简化，可得式（2-2）： 　　（2-2） 　　当对上述模型使用不同的初始条件和边界条件来解的时，就能表示不同情况的污染源在各种气象条件下所造成的大气污染情况。 　　2.2.1 高架连续点源扩散模式 　　城市大气污染最常见的污染源是工厂烟囱。一般将每一个排放的烟囱视为一个污染点源。而由于烟囱自身的高度使得计算烟囱所导致的大气污染于和在地面上污染源的不一样。一般将高度高于15m的污染源视为高架点源，低于15m的污染源为非高架源。非高架点源的大气污染扩散模式就为基本模型，而高架点源扩散模式则在基本模型上有所修正。 　　高架连续点源扩散模式由于在推导过程中设定的假定条件，使得它在使用时有很多情况不适用。并且当出现静风、微风或大气中有逆温发生时，仍用这个模式计算会与实际情况出现比较大的偏差。 　　2.2.2 线源扩散模式 　　线源扩散模型一般用于计算道路上的机动车尾气污染。线源扩散的计算曾采用点源求和法计算公路下风向任一点的浓度，但计算过程复杂。于是提出了线源直线化模式来解决上述方法的不足。目前较为常用的线源直线化模式有垂直风