化工业突发大气污染模拟与GIS集成

化工业突发大气污染模拟与GIS集成

倪皓晨

天津市测绘院天津300381

摘要：本文以化工业大气污染特点为切入点，从污染扩撒模型、模型表达技术、模型集成耦合三个方面，论述了突发大气污染模拟与GIS集成的必要性与现实性。

关键词：大气污染、污染模拟、结果表达、集成耦合

1.化工业突发大气污染特点

化工业尤其是重化工业作为国民经济发展的支柱产业之一，在全国分布广泛，并集中分布在人口稠密、经济发达的东部地区；即使这些化工企业正常运行都会对环境造成一定污染，而当有突发事故发生时污染尤甚。由于化工企业具有“高温高压、易燃易爆、有毒有害、连续作业、链长面广”的特点，其引发的突发性环境污染事故不同于一般的污染：（1）没有固定的排放方式与排放途径；（2）可在瞬时或较短时间内泄放出大量污染物质；（3）大气污染物具有扩散快、范围广、危害高等特点。

传统的化工业事故应急处理一般采用目视估测与仪器检测的方式估计污染源强度与污染物扩散情况，并根据实际情况选用相应的应急处理预案进行事故处理[2]。运用上述方法无法对突发事故进行实时、动态预报与应急处理，无法满足现今公众对环境安全的迫切需求。但随着大气环境数值模拟技术、空间信息表达技术与空间信息集成技术的迅速发展，使得我们现在有能力运用现代信息技术，实现化工业大气污染事故应急响应的实时化、动态化与系统化。

2.气体扩散模型与表达技术

为了更好地应对化工企业大气污染，必须对大气污染源及污染物扩散的原理，进行系统详细分析。目前国内外对这方面的研究很有多，学术界的许多学者对大气污染及其相关理论倾注极大的学术热情，其研究主要集中在污染物泄漏过程模拟、污染源强度估计、污染物应急扩散模拟及相关的环境危险影响等多个领域[3]。在大气污染物应急响应扩散模拟领域，众多科研单位推出了各具特色的模拟模型，其中应用较为广泛为：由美国能源部LawrenceLivermore国家实验室开发的SLAB混合模型、由美国海岸警备队和气体研究所开发的DEGADIS重气大气扩散模型[4]。上述各类模型虽然在一定程度上实现了大气污染物应急响应模拟，但仍存以下不足：（1）虽然许多模型的模拟精度已经达到可实际应用的标准，但模型的应用条件过于严格；（2）模型模拟结果的空间尺度较为固定，无法应用同一模型生成多空间尺度的高精度模拟数据。而对于化工业大气环境污染突发事件而言，通常涉及污染源估计、污染物扩散、环境危险界定等多个方面，需要由多个模拟整合而成。

只通过对大气环境场进行数值模拟，往往不便于直观展示扩散污染的影响情况与范围，一般运用一定的技术手段对地理空间内的物理、化学特性进行空间描述与表达。目前国内外对此方面的研究也有很多，主要集中在数据前期处理与空间表达方式两个方面。数据前期梳理是指对模拟出的网格散点数据进行数据赋权与空间内插[5]；而空间表达方式则是即对原始气象数据进行加工、渲染，最终以二维、三维图像的形式表达出来[6]。虽然众多国内外研究人员对大气相关数值场的表达领域进行了卓有成效的研究，但仍存在几点不足：（1）由于大气系统过程是一个在三维空间分布下的时空动态过程，其运行过程具有很高的复杂性。同时影响系统运行的内在因素有着相互制约、相互干扰的特性，这使得大气系统过程更具有突发性、随机性和不确定性，无法用单一表达方式进行大气系统的整体展现。（2）大气数值模拟场的数据由于空间尺度巨大、时空维度多、展示数据计算量庞大，在单一系统内不便于进行实时、动态展示。（3）目前对大气数值模拟场可视化主要集中空间表达这一领域，而在其他空间信息与大气数值模拟场的联合表达方面还有过多涉及。

3.大气污染模拟与GIS集成

大气数值模拟模型与其可视化技术的发展，为化工业事故模拟与应急响应提供了理论依据。但如果要把上述理论应用到实际的生产生活中，只靠理论的堆砌是远远不够的，必须运用现代空间信息技术对理论系列进行整合、转化，使其满足实际应需要。由遥感、地理信息系统、全球定位系统、数字摄影测量等构成的现代空间信息技术为获取、处理、分析和表达地形等各类空间信息提供了便利的手段[7]。而针对化工业突发事故污染的特点，许多学者都在研究如何使各类大气数值模拟模型及其可视化表达算法与信息系统耦合集成，以实现模型模拟计算与展示实时化、动态化、仿真化[8]。已有应用实例开创了大气专业模拟模型与空间信息技术耦合的良好开端，但还没有充分发挥遥感、GIS等的技术优势和应用潜力，特别是利用遥感科学进行空间数据获取的能力、利用GIS技术进行空间数据综合分析的能力。

近年来以GIS、RS、GPS为代表的空间信息技术发展迅速，在各个领域中的应用也越来越频繁，取得的成果也越来越突出。GIS作为一门集地理学、计算机科学、软件工程等多个领域为一体的交叉学科，其涉及的应用范畴十分广。计算机技术的长足进步，催生出一系列新型GIS模式，如WebGIS、组件GIS、三维GIS和移动GIS[9]。其中WebGIS以其优越的跨平台性与可扩展性，成为了工程界的研究应用热点。WebGIS是Internet技术应用于GIS领域的产物，使GIS的功能通过WWW得以扩展，可让用户从任意一个网络节点，浏览WebGIS中的所有空间信息，以及开展各种空间检索及综合分析应用[10]。因此，运用WebGIS技术实现化工业大气污染数值模拟模型与可视化的集成耦合，可以有效展开应用推广，迅速形成软件系统产业化，具有较高的现实意义。

4.小结

综上所述，综合利用遥感、GIS、GPS、数字摄影测量等现代空间信息技术，结合大气数值模拟模型，运用WebGIS进行集成耦合调度，最终实现大气环境事故的模拟，可以在一定程度上实现突发性大气污染事件的环境警情预报，为保障城市环境安全提供应急决策支持

参考文献

[1]於方,过孝民,张衍燊,等.2004年中国大气污染造成的健康经济损失评估[J].环境与健康杂志,2007(12).

[2]葛春林.浅谈化工污染事故的主要特点[J].山东环境,1997(04).

[3]潘旭海,蒋军成.事故泄漏源模型研究与分析[J].南京工业大学学报,2002,24(1):105-110.

[4]BlewittDN,YohnJF,ErmakDL.AnevaluationofSLABandDEGADISheavygasdispersionmodelsusingtheHFspilltestdata:ProceedingsoftheAIChEInternationalConferenceonVaporCloudModeling,1987[C].

[5]张碧辉,刘树华,马雁军.MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响[J].地球物理学报,2012(07).

[6]沈震宇,范茵,陶俐君,等.可视化技术在气象数据场分析中的运用[J].系统仿真学报,2006(S1).

[7]李德仁,郭丙轩,王密,等.基于GPS与GIS集成的车辆导航系统设计与实现[J].武汉测绘科技大学学报,2000(03).

[8]孙庆珍.GIS与环境模型集成及应用研究[D].,2006.

[9]龚健雅.当代地理信息系统进展综述[J].测绘与空间地理信息,2004(01).

[10]宋关福,钟耳顺,王尔琪.WebGIS—基于Internet的地理信息系统[J].中国图象图形学报,1998(03).