1、高斯扩散模型改进总结,目录,0. 技术路线 大气扩散理论 高斯扩散模型及其改进 可视化模拟显示 污染扩散模拟验证 总结与展望,0. 技术路线,本文是将研究污染源作为出发点，通过对污染源特征的分析，根据影响大气污染物扩散的相关因素，选择高斯扩散模型作为研究对象，根据物理学中求合力的平行四边形法则，将具有夹角关系的风速和污染气体自身的扩散速度进行合成，得到本文中扩散模型求解时所需的扩散速度，通过这一模型改进，求解空间计算点的污染浓度值，最后，结合 GIS 技术，在 GIS 平台上完成污染物浓度等值线的绘制及显示，并与地图进行叠加，初步实现 GIS 支持下的污染扩散模拟结果的可视化表达，显示城市的大
2、气污染状况，从而协助相关的政府部门进行决策分析。,信息采集,地理，气象，污染源信息,确定模型,改进模型,离散点浓度值,浓度对比,符合精度？,否,可视化显示，结果分析,是,1. 大气扩散理论,大气成分及其结构1.大气污染物的分类:气溶胶状态污染物 气体状态污染物1.影响大气污染扩散因素气象因素 地形因素,气温，气压，气湿，风向，降水，蒸发，日张，太阳辐射，地面辐射，云量，云况，能见度，垂直风速梯度和垂直温度分布等,地面粗糙度 地形复杂度,2.高斯扩散模型及其改进,2.1 模型简介 计算公式： 在下风向任意点（X，y，Z）的污染物浓度公式如图：,2.高斯扩散模型及其改进,2.1 模型简介 坐标系：
3、 高斯模式的 坐标系如图 所示，其原 点为排放点 （无界点源 或地面源） 或高架源排 放点在地面 的投影点，x轴正向为平均风向，y轴在水平面上垂直x轴，正向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面xoy，向上为正向，即为右手坐标系。,2.高斯扩散模型及其改进,2.1 模型简介高斯扩散模型的基本形式是在一系列假设条件下推导而来的，地区的污染源周边的地势必须满足以下条件： (1) 地势平坦开阔，没有影响大气流动的高山，深谷等地形，空气的流动速度也相对平缓，稳定，并且风向不容易发生变化。 (2) 大气污染物与空气之间没有相对运动，并且在大气污染物扩散过程中，污染物的总质量不发生变化，符合质量守恒定律，此外，污
4、染物本身的化学成分不会与周围大气中的物质发生化学反应，大气污染物的扩散将在地表被反射出去。 (3) 污染物的扩散范围一般为 10 到 20 公里范围内。,2.高斯扩散模型及其改进,2.2 高斯扩散模型的选取通常情况下，模拟某区域的大气环境污染状况时，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，也就是同时用点源，线源、面源和其他模型来模拟污染源。一个简单的固定排放口经常被作为点源来处理；在模拟流动源或线状污染源时，通常将污染源作为线源来处理，线源可以看作是多个点源在一条曲线上的累加的结果；面源则处理源强较小，排放口较低，数量多，且分布均匀的污染源，同样，面
5、源可以看作是多个点源在一定平面区域内累加的结果。,2.高斯扩散模型及其改进,2. 高斯扩散模型的改进 在瞬时排放的大气污染扩散模型中，只考虑到风速对污染气体扩散的影响，没有考虑到污染气体自身的扩散速度。因此，本文基于瞬时性排放的大气污染扩散模型的缺点进行相应的改进。一般地，在有风的情况下，风向决定了污染的方位；风速决定了大气污染物的输送速率，本文根据物理学中求合力的平行四边形准则，将具有夹角关系的风速和污染气体自身的扩散速度进行合成，得到本文扩散模型求解时所需的扩散速度，通过这一扩散速度改进，求解污染区域中空间计算点的气体浓度值。,2.高斯扩散模型及其改进,2. 高斯扩散模型的改进在有风的情况
6、下，气体扩散速度是由风速和气体自身的扩散速度共同作用的结果，而在相对稳定的大气环境下，不同计算点处的风速又受到风向的作用，会出现顺风，无风，逆风等情况。假设污染源为O 点，计算点为 P 点，风速为u ，则其夹角关系为下图所示：图中： 是指计算点 P 与污染源O 之间的线段 与坐标系 x 轴的正向夹角，是指风与 坐标系 x 轴的正向夹角。可以根据和计算点P与风速u之间 的夹角并转化成【0，180】之间的值 计算公式为： 当，=当，=,-，-180 360-（-），-180,-，-180 360-（-），-180,2.高斯扩散模型及其改进,然后，再将转化成【-1，1】之间的数m，计算公式为：（90
7、-）/90上式中m指计算点处的风速系数，m=1表示完全顺风的情况，0m1表示局部顺风，m=0表示无风，-1m0表示局部逆风，m=-1表示完全逆风。此时，将风速u，计算点处的风速系数m和污染物自身的扩散速度v进行合成可得到此计算点的合成速度：=mu+v 当某计算点的合成速度0是，则表示由于逆风的作用，污染气体不会扩散到此计算点处：所以此时的=0，将=mu+v代入到瞬时排放的大气污染高斯扩散模型中，便可得到改进后的高斯扩散模型：,2. 高斯扩散模型的改进,2.高斯扩散模型及其改进,2. 高斯扩散模型的改进,2.高斯扩散模型及其改进,2. 实例验证模型改进的可靠性,2.高斯扩散模型及其改进,2. 实
8、例验证模型改进的可靠性,2.高斯扩散模型的参数设计,大气稳定度的计算,扩散参数的计算,烟囱的有效高度值计算,烟囱口烟气自身扩散速度的计算,2.1 大气稳定度的计算,主要采用帕斯奎尔分类法，将气候条件中的云、风速、日照等不同的因素相结合，把大气稳定度划分为六个等级，分别是：强不稳定，不稳定，弱不稳定，中性，较稳定，稳定，依次对应于 A ， B ，C ， D ， E ， F 表示。根据实际情况，针对不同的天气，太阳辐射等级，以及云高，云量等条件，可将大气稳定度进行如下划分，如表 3.2 所示：,2.2 扩散参数的计算,(1) 有风时的参数计算在大气扩散模式中，扩散参数的取值是非常重要的，它是大气稳
9、定度和下风向距离的函数。在国际上，y，s 由指数函数组成： y=1*xa1，s=2*xa2x指下风向计算点与污染源之间的距离，1，a1，2，a2的值由大气稳定度参数表获得(2) 小风和静风时的参数计算Turner 提出 的指数函数，T= Ta，a 在不同稳定度下的扩散参数也可对应大气稳定度查表获知。,2.3 烟囱有效高度值的计算,对于高架点源扩散模式而言，烟囱的有效高度是计算污染源扩散过程中的重要参数，烟气被排出后，受到热力和动力的作用后会继续上升，经过一段距离后逐渐稳定。在大气环境模式中，将烟气的抬升高度计算在内，所以，大气污染扩散模式中的烟囱高度是指有效高度，它等于烟囱的几何高度与烟气的抬
10、升高度之和。,指烟囱的有效高度， 指烟囱的几何高度，指烟气的抬升高度，它与烟气的出口温度，外界环境和烟气的排放速度有关,2.7.4 烟囱口烟气自身扩散速度 计算,3.可视化模拟显示,实现的步骤主要包括以下 两个方面： (1) 计算大气污染浓度值时，确定污染源的位置，其地理信息可以通过 GIS 中的图形编辑功能选定，选择区域内的空间计算点，根据输入的参数条件，利用改进后高斯扩散模型计算距离污染源一定范围内的大气污染物的浓度值，得到一系列的计算点的浓度值信息和地理信息。 (2) 根据第一步的计算结果，绘制浓度等值线。 实现步骤：首先，构造网格，将污染区域进行网格化；其次，进行等值点的确定和追踪；最
11、后，将曲线进行平滑处理，完成等值线的绘制，显示城市的污染状况。 。,3.可视化模拟显示,计算污染物浓度值时，需要采集的信息主要包括污染源的排放信息，气象信息和地理信息。污染源的排放信息主要包括污染物的源强，排放口的高度及采样时间；气象信息主要是风向，风速，大气稳定度等；再由用户输入的污染源信息及气象条件，采用改进后的高斯扩散模型进行模型求解，得到计算区域内的大气污染浓度值。,3.1 污染浓度值计算,3.2 等值线绘制,离散数据网格化,三角形网格化,等值点的计算,等值线追踪及光滑处理,3.可视化模拟显示,离散数据网格化，是根据区域内离散点的数量与位置进行网格化，将点转化成线的过程。网格化是将空间
12、区域分割成一定数目更小的区域，作为等值点确定和追踪的基础，按照离散数据网格化的方法，网格化后的形状可以分为：规则网格与不规则网格。,3.2.1 离散数据网格化,3.2.2 三角形网格化,构造三角形网格是指把平面区域内N 个散乱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。其中，Delaunay三角形网格化算法简单、快速，因此，便成为人们普遍使用的三角形网格算法。,迪洛尼三角形网格化算法满足迪洛尼定理。 迪洛尼定理具有泰森多边形的特点。,3.可视化模拟显示,计算浓度值之前，需要收集三角网格的结点信息和单元编号信息，可以用克里格插值法求解浓度值，它的逼近程度高，外推能力很强，适用
13、性广，也可由其它计算程序直接求出。另外，当网格尺度较大时，无法达到刻画等值线的要求时，或者当网格较密时， 其内插过程相对缓慢而且复杂，因此，可以用一种简单的方法得到网格结点值，即网格自动加密法，先利用离散点形成粗网格，并计算出粗格的结点值；然后对粗网格进行加密。,3.2.3 等值点的确定,3.2.4 等值线光滑处理,在生成等值线时，如果仅仅只是将等值点依次连接起来，那么生成的等值线图是由折线构成的，是不光滑的。当网格尺寸非常小时，分段折线近似曲线，但是当网格尺寸很大时，此时，这种方法得到的等值线极不光滑。而在实际生活中，通常要求是光滑曲线，因此，需要对这种折线图形进行光滑处理，一般使用 Bez
14、ier 曲线和 B样条曲线进行插值，对图形进行光滑处理。在实际研究中发现，通过曲线光滑函数得到样条曲线，有两种结果。第一，如果此曲线经过所有等值点，那么称它是这组等值点的插值样条曲线；第二：曲线不一定经过每一个等值点，则称它是这组控制点的逼近样条曲线，例如 Bezier 曲线法、线形迭代法。,4.污染扩散模拟验证,4.1计算污染物浓度值,4.污染扩散模拟验证,对污染源附近的区域进行网格化划分，就可以得到该区域内的污染物浓度值的数据集，它是绘制污染浓度等值线的基础。在地图上绘制等值线的步骤可分为三步： (1) 根据一系列等值点信息，创建几何体对象； (2) 根据几何体对象建立相对应的图元； (3
15、) 将(2)中建立的图元添加到临时的图层中。在几何体创建的过程中，可以选用不同的颜色对污染区域进行填充，颜色越深，表示污染区域污染越严重。,4.2 绘制等值线,4.污染扩散模拟验证,4.3 模拟结果及其分析在模拟过程中，假设污染物为S2 ，其源强为 150 kg / h，风速为 1.5 m/ s，排放口的有效高度为 20m ，排放时间为 8min ，有逆温层的影响且逆温层的高度小于 1000m时，污染物的扩散模拟如图 5.2。在图中，离污染源越接近，浓度值越高，即污染状况越严重,4.污染扩散模拟验证,4.3 模拟结果及其分析假设污染物为S2 ，其源强为150 kg / h，风速为1.5 m/
16、s，排放口的有效高度为20m ，排放时间为30min ，有逆温层的影响且逆温层的高度小于1000m 时，污染物的扩散模拟如图5.3.,4.污染扩散模拟验证,4.3 模拟结果及其分析结果分析：比较图5.2和5.3，可以发现，排放时间是影响污染物扩散的重要因素，与瞬时扩散相比，连续扩散的影响范围更大，并且对于瞬时排放，可以看出，污染物在下风向的横向扩散和纵向扩散较为平衡。,4.污染扩散模拟验证,4.3 模拟结果及其分析假设污染物为S2 ，其源强为150 kg / h，风速为1.5 m/ s，排放口的有效高度为20m ，排放时间为 30min ，没有逆温层的影响，此时污染物的扩散模拟如图 5.4。,
17、4.污染扩散模拟验证,4.3 模拟结果及其分析结果分析：比较图5.3和5.4，可以发现，有逆温层影响的时候，离污染源较近的中间区域变大，因为根据高斯扩散模型可知，逆温层对于污染物有反射的作用，这使得污染物在逆温层和地面之间反射，所以就增大了污染物的浓度值。,4.污染扩散模拟验证,4.3 模拟结果及其分析假设污染物为S2，其源强为150 kg / h，风速为1.9 m/ s，排放口的有效高度为20m ，排放时间为30min ，有逆温层的影响且逆温层的高度小于1000m 时，污染物的扩散模拟如图5.5.,4.污染扩散模拟验证,4.3 模拟结果及其分析结果分析：比较图5.3和5.5,在不同风速1.5 m/s和1.9 m/s的影响下，其污染的扩散模拟示意图也有所不同，在风速较大的情况下，污染物的等值区域在接近污染源更加细长，而在远离污染源的区域，浓度等值线的张角更大一些，这是因为风对污染物具有传输作用。,THANKS,
