基于GIS的危险化学品扩散模拟-武汉大学

基于GIS的危险化学品扩散模拟

实验目的

有毒或易燃易爆危险物质, 一旦发生泄漏事故,将对周围环境和人员造成巨大危害。大量的易挥发、易燃性物质迅速释放到大气中, 会形成气云并逐渐扩散。对于易燃易爆物质假如气云在尚未稀释到低于燃烧下限前被引燃, 就可能发生气云爆炸或闪火, 并引起大范围的破坏对于有毒物质, 在扩散范围内蒸气云团的浓度稀释至安全浓度前能引起中毒。本实验旨在.net平台下，利用ArcGIS Engine编写基于高斯模型的瞬时污染气体扩散的软件。通过本实验，让学生了解利用GIS进行动力学建模的基本方法和流程，并掌握GIS风险制图动态渲染相关技术

3.3.2实验条件（设备、数据等）

编程环境：Visual Studio 2005或更高版本，装有Arcgis Engine。 数据准备：一张武汉大学校园地图。

3.3.3实验原理

1）大气扩散模式概述

大气扩散模式是对大气污染物散布过程的模拟。按污染源的几何特征可分为点源、线源、面源扩散模式；按污染源排放特性分有正常工况模式和非正常排放模式；按假设条件不同分有烟流扩散模式和烟团扩散模式；按模式适用范围不同分有短距离扩散模式和中长距离输送模式等。具体操作时应根据当地地形、气候等环境要素以及污染源亲何况正确选取并适当修正。

主要的大气扩散模式有：

（1）高架点源扩散模式（静风模式、有效源高等）

（2）面源扩散模式（虚点源模式、窄烟云模式：在多面源情形下计算效果较好） （3）线源扩散模式（点源求和法、风向与线源平行时 扩散模式）

2）高斯大气扩散模式

高斯大气扩散模式属于高架点源的烟羽大气扩散模式，它是计算释入大气中的气载污染物下风向浓度的应用最广的方法。高斯扩散模式所描述的扩散过程主要有以下几种：下垫面平坦、开阔、性质均匀，平均流场平直、稳定，不考虑风场的切变；扩散过程中，污染物本身是被动、保守的，即污染物和空气无相对运动，且扩散过程中污染物无损失、无转化，污染物在地面被反射；扩散在同一温度层集中发生，平均风速 > 1. 0 m/ s；适用范围一般 <

10～20 km。在均匀、定常的湍流大气中污染物浓度满足正态分布，但实际大气一般不满足均匀、定常条件，因此高斯模式应用于下垫面均匀平坦、气流稳定的小尺度扩散问题更为有效。

高斯模式的有关假定：

坐标系 原点为高架点源排放点在地面的投影点，x轴正方向为平均风向，y为横风向，在水平面上垂直于x轴，z轴垂直于水平面xoy，向上为正向。

四点假设：

a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 b．全部高度风速均匀稳定 c．源强是连续均匀稳定的

d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）

3）高斯计算公式

对于在恒定气象条件（指风向、风俗、大气稳定度不随时间而变）下的高架点源的连续排放，在考虑了烟羽在地面的全反射后，下风向任一点的污染物浓度c(x,y,z,H)可由下式计算：

C(x,y,z)：下风向某点(x,y,z)处的空气中污染物的浓度（mg/m3）； x：下风向距离（m）； y：横截风向距离（m）； z：距地面的高度（m）；

q：气载污染物源强，即释放率（mg/s）； u：排气筒出口处的平均风速（m/s）； H：排气筒距地面的几何高度（m）； δx, δy, δz：扩散系数 4）高斯扩散方程的求解

大气稳定度的确定根据五类地面风速、三类日间的日射和两类夜间云量把扩散天气分为6类，即强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定。分别用英文字母A、B、C、

D、E和F表示。

在国标“制订地方大气污染排放标准的技术原则和方法”（GB3840-83）与“环境影响评价技术原则”(HJ/T2.1-93)中，建议采用下属修订的帕斯奎尔稳定度分类方法。首先由云量与太阳高度角按表1查出太阳辐射等级数，再由太阳辐射等级数与地面风速按表2查找稳定度等级。

表1 太阳辐射等级数

表2 大气稳定度等级

高架源回归系数（Py、qy、Pz、qz）确定

国际原子能机构（IAEA）根据相关实验数据，推荐了一组适用于大粗糙度（Z0≈1m）和高架源的弥散系数公式，如表3，据此求得相应地扩散参数。

表3 与排放高度有关的扩散参数

3.3.3实现方案（方法及步骤）

其中1回归系数由上述三个表可得；2采样点位置，根据风向与污染源位置计算出可能受影响范围，然后设置采样间隔进行采样；3污染源浓度默认为500,；4高斯模型即瞬时泄露高斯计算公式。

3.3.4 实验结果分析

根据云量与太阳高度角确定太阳辐射等级数，输入风向、风速、释放高度、计算高度。这些参数是进行模拟的必要参数。

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