基于GIS 的秸稈焚燒污染監(jiān)測與防治系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)*

張啟霞，宋樊玲，林依寧，楊清彤，李聞文

（南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210044）

1 概述

我國秸稈資源非常豐富，然而利用現(xiàn)狀卻令人堪憂。僅有約三分之一的秸稈被合理利用，剩余的秸稈被直接焚燒，這不僅造成了資源的浪費(fèi)，還對部分區(qū)域的空氣質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響，給人們生活帶來不便[1]。

考慮到氣體擴(kuò)散過程受氣象條件、地形、下墊面狀況的影響，及污染本身的復(fù)雜性，到目前為止，基于現(xiàn)有的理論，還不能找到一個(gè)適用于各種條件的大氣擴(kuò)散模式來描述所有這些復(fù)雜條件下的大氣擴(kuò)散問題。高斯擴(kuò)散模型[2]一般用于模擬大氣中有害氣體的傳輸、擴(kuò)散和稀釋，即氣體擴(kuò)散濃度遵循正態(tài)分布，該模型的物理意義比較直觀，具有很好的可植性、計(jì)算效率和空間分辨率，較為適用于大氣條件均勻和地面平坦開闊的地區(qū)，因而高斯擴(kuò)散模型是目前最受歡迎的模式之一[3]。

近年來，高斯煙羽模型[4]廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，以此來描述或模擬氣體擴(kuò)散，從而有效對環(huán)境大氣污染擴(kuò)散進(jìn)行模擬。李丹等[5]針對易燃?xì)怏w在鐵路運(yùn)輸過程中的泄漏事故，基于高斯煙羽模型，并結(jié)合Matlab 模擬分析出了大氣穩(wěn)定度對于氣體在擴(kuò)散半徑、擴(kuò)散高度以及濃度方面的影響；陳坤等[6]以高斯擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際環(huán)境，開展了含硫天然氣在不同地形下連續(xù)泄漏的模型分析。此外，還有許多利用GIS 對煙團(tuán)和油氣擴(kuò)散可視化分析的研究。肖龍等[7]研究燃?xì)庑孤┘皵U(kuò)散現(xiàn)象，結(jié)合GIS 技術(shù)進(jìn)行模擬和空間分析，使決策者直觀地觀察到受影響區(qū)域內(nèi)的情況，并提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為決策依據(jù)。林益平等[8]研究了模型結(jié)果的可視化表達(dá)，運(yùn)用時(shí)態(tài)GIS與模型集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了?；沸孤U(kuò)散過程的可視化，用于?；沸孤┦鹿蚀髿猸h(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測技術(shù)。

本文針對區(qū)域秸稈焚燒擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行研究，將高斯煙羽模型與GIS 技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)出了秸稈焚燒污染監(jiān)測與防治系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對秸稈焚燒污染氣體擴(kuò)散范圍的模擬與可視化分析。該系統(tǒng)可得出火點(diǎn)周圍的污染氣體擴(kuò)散濃度的變化趨勢以及擴(kuò)散方向，根據(jù)濃度數(shù)據(jù)推算不同范圍內(nèi)受污染程度。該系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略理論相符，對于秸稈資源利用有積極的幫助，同時(shí)可以為當(dāng)?shù)乇O(jiān)管部門提出合理的建議，便于進(jìn)行環(huán)境保護(hù)與污染治理。

2 建立擴(kuò)散模型

擴(kuò)散模型的建立需要利用高斯點(diǎn)源擴(kuò)散模型，以原點(diǎn)作為排放點(diǎn)，先用帕斯奎爾穩(wěn)定度分類法確定大氣穩(wěn)定度，得出擴(kuò)散系數(shù)（豎向和側(cè)向），再根據(jù)其在下風(fēng)向的任意一點(diǎn)的地理位置（用x，y，z 表示）、風(fēng)速、風(fēng)向等來計(jì)算污染物濃度。

2.1 高斯煙羽擴(kuò)散公式

高斯煙羽模型屬于高斯擴(kuò)散模型的一種，適用于連續(xù)源的平均煙流，因此采用該模型來模擬秸稈焚燒污染氣體的擴(kuò)散，為簡化模型建立的復(fù)雜程度，在已有的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上，提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）污染物氣體濃度分布在y 軸和z 軸上滿足正態(tài)分布。

（2）風(fēng)速是勻速且平穩(wěn)的。

（3）單位時(shí)間內(nèi)污染物排放量均勻且連續(xù)。

（4）不考慮地面全反射污染物的吸收、吸附作用。

（5）污染氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程。

（6）不僅需要忽略污染氣體擴(kuò)散過程中云團(tuán)內(nèi)部的溫度變化，也需忽略熱傳遞，熱對流還有熱輻射。

（7）在水平方向上大氣擴(kuò)散系數(shù)呈各向同性。

（8）氣體不會(huì)在擴(kuò)散過程中發(fā)生沉降、分解或者其他任何化學(xué)反應(yīng)。

通過上述假設(shè)，可以運(yùn)用高斯煙羽擴(kuò)散模型來計(jì)算在穩(wěn)定風(fēng)速風(fēng)向的情況下任意點(diǎn)的污染物濃度。其公式為：

式中：C：任意點(diǎn)的污染物濃度，單位為mg/m2或g/m2；Q：源強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)污染物排放量，單位為mg/s 或g/s；σy：側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)，污染物在y 方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離x 的函數(shù)；σz：豎向擴(kuò)散系數(shù)，污染物在z 方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離x 的函數(shù)；uˉ：排放口處的平均風(fēng)速，單位為m/s；H：煙囪的有效高度，簡稱有效源高，單位為m；x：污染源排放點(diǎn)至下風(fēng)向上任一點(diǎn)的距離，單位為m；y：煙氣的中心軸在直角水平方向上到任意點(diǎn)的距離，單位為m；z：從地表到任一點(diǎn)的高度，單位為m。

由于本課題研究秸稈焚燒問題，所以設(shè)式中煙囪的有效高度為0，令H=0，得式（2）。

2.2 影響因子

2.2.1 擴(kuò)散系數(shù)及大氣穩(wěn)定度

根據(jù)《GB/T 13201-91》，側(cè)向和豎向的擴(kuò)散參數(shù)可由式（3）計(jì)算得：

其中，γ1，α1，γ2和α2分別表示大氣穩(wěn)定度下風(fēng)距離的有關(guān)系數(shù)（已知固定參數(shù)）。根據(jù)焚燒火點(diǎn)所在的天氣狀況采用帕斯奎爾穩(wěn)定度[9]分類方法確定大氣穩(wěn)定度，其中大氣穩(wěn)定度分為A，A-B，B，B-C，C，C-D，D 這7 個(gè)等級，見表1。

2.2.2 源強(qiáng)（即單位時(shí)間內(nèi)污染物排放量）

根據(jù)1999-2016 年度的《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》，獲得水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)。在估算秸稈產(chǎn)量時(shí)，我們利用草谷比（亦稱為秸稈系數(shù)）法進(jìn)行秸稈產(chǎn)量測算。根據(jù)公式（4）即可計(jì)算水稻的秸稈產(chǎn)量：

W 為秸稈產(chǎn)量，P 為農(nóng)作物年產(chǎn)量，S 為草谷比，即秸稈產(chǎn)量與該農(nóng)作物產(chǎn)量的比值。王曉玉[10]通過數(shù)學(xué)模擬取值法確定與田間實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合的秸稈系數(shù)，我們沿用其水稻草谷比（0.92）來估算秸稈產(chǎn)量。

在秸稈露天焚燒過程中，使用排放因子法計(jì)算污染物排放量，如式（5）：

式中：Qn為研究區(qū)域某農(nóng)作物秸稈露天焚燒的污染物n 的排放量；G 為某種秸稈露天焚燒比例；F 為農(nóng)作物秸稈露天焚燒效率；E 為秸稈露天焚燒的污染物排放因子。

（1）秸稈露天燃燒比例

由于目前還沒有露天燃燒比例的統(tǒng)計(jì)資料，Hao[11]等在其論文中假設(shè)全國的秸稈露天燃燒量為秸稈總產(chǎn)量的17%，在這里我們沿用該數(shù)值。

（2）秸稈燃燒效率

在Streets 等[12]的論文中，考慮到各農(nóng)作物燃燒效率各不相同，從68%到92%不等，若取其平均值為79%。因此，本研究采用該平均值為秸稈燃燒效率。

（3）秸稈露天燃燒排放因子

綜合各學(xué)者的實(shí)測數(shù)據(jù)[13～22]，確定了秸稈露天燃燒的排放因子，見表2。

表1 大氣穩(wěn)定度級別劃分表

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)路線

由于ArcGIS 等軟件無法直接實(shí)現(xiàn)大氣污染物的高斯擴(kuò)散模擬，需要借助ArcGIS Engine 的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)氣體濃度值在GIS 平臺上動(dòng)態(tài)展示。系統(tǒng)采用C#.NET平臺，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（Access）管理數(shù)據(jù)，基于ArcGIS Engine 開發(fā)相應(yīng)的功能。

表2 秸稈露天燃燒排放因子

3.2 系統(tǒng)界面

基于C#.Net 和ArcGIS Engine 10.2 組件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)界面包括地圖的基本操作控件、數(shù)據(jù)輸入框，計(jì)算火點(diǎn)濃度和并顯示擴(kuò)散范圍。系統(tǒng)界面如圖2：

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以一個(gè)柵格像元為單位，利用高斯擴(kuò)散模型計(jì)算出火點(diǎn)周圍的污染物濃度。系統(tǒng)主要提供地圖基本操作功能、參數(shù)設(shè)置功能、信息獲取功能、擴(kuò)散模擬分析功能。

（1）地圖基本操作模塊：利用ArcGIS Engine 中的開發(fā)組件，添加基本的地圖操作控件，實(shí)現(xiàn)對地圖的移動(dòng)，對矢量圖形的選擇，地圖比例的放大縮小，長度的量算等功能。

（2）參數(shù)設(shè)置功能模塊：包括平均風(fēng)速、風(fēng)向、太陽強(qiáng)度、空間點(diǎn)高度、秸稈量，具體的數(shù)值由數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提供或者由用戶輸入。

（3）信息獲取模塊：系統(tǒng)使用者點(diǎn)擊地圖任意位置，獲取到該點(diǎn)的位置坐標(biāo)；點(diǎn)擊“計(jì)算火點(diǎn)濃度”按鈕，彈框中顯示該點(diǎn)污染氣體濃度。

（4）疊置分析功能：將擴(kuò)散范圍圖層與黑龍江省道路圖層、火點(diǎn)圖層、行政邊界圖層等進(jìn)行疊置，分析得到該日秸稈焚燒污染物擴(kuò)散對周邊居民、道路等的影響程度，實(shí)現(xiàn)可視化表達(dá)。

4 結(jié)果與分析

由于秸稈焚燒污染氣體的擴(kuò)散情況受風(fēng)速，太陽強(qiáng)度，秸稈量因素影響，本文僅研究在太陽強(qiáng)度、秸稈焚燒量一定的情況下的不同風(fēng)速的對照情況。

假設(shè)秸稈焚燒持續(xù)2 小時(shí)，氣體空間抬升高度5m，風(fēng)向東南，太陽強(qiáng)度為中，焚燒的秸稈量為2 噸。將這些參數(shù)輸入系統(tǒng)中，模擬不同風(fēng)速對秸稈焚燒擴(kuò)散范圍的影響。圖4、圖5、圖6、圖7 分別表示風(fēng)速為1.5m/s、3m/s、4.5m/s、6m/s 時(shí)的系統(tǒng)模擬結(jié)果。太陽強(qiáng)度、秸稈焚燒量一定的情況下的不同風(fēng)速的對照情況如圖8 所示。

結(jié)果表明，隨著風(fēng)速由小到大，污染氣體的污染半徑逐漸減小，但在下風(fēng)向上影響距離越來越遠(yuǎn)?？芍L(fēng)速越大，越有利于氣體在下風(fēng)向方向的擴(kuò)散；反之，風(fēng)速越小，越有利于氣體在垂直下風(fēng)向方向的擴(kuò)散。且隨著下風(fēng)向距離的增大，污染氣體濃度值不斷減小。

5 結(jié)論

本文針對秸稈焚燒嚴(yán)重污染環(huán)境、影響生產(chǎn)生活秩序的情況，基于高斯煙羽擴(kuò)散模型，建立污染監(jiān)測與防治系統(tǒng)，利用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對火點(diǎn)擴(kuò)散進(jìn)行精細(xì)化模擬，使每個(gè)像元都具有具體的數(shù)值且呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。同時(shí)，精細(xì)化模擬可以改變分辨率以改變精細(xì)化程度，得出的結(jié)果數(shù)據(jù)與其他模擬效果相比更加精準(zhǔn)，有利于進(jìn)行下一步空間分析。

本系統(tǒng)能夠有效地支持環(huán)境污染防治工作，實(shí)現(xiàn)對秸稈焚燒火點(diǎn)產(chǎn)生的污染物氣體進(jìn)行模擬擴(kuò)散，給出合理的建議為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測技術(shù)提供基礎(chǔ)，為決策部門提供決策依據(jù)，以便及時(shí)采取相應(yīng)合理措施，提高解決問題的效率，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┝己玫纳瞽h(huán)境保障。

圖2 系統(tǒng)界面

圖3 疊置分析圖

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8