基于GIS的农业气象环境污染扩散浓度特征研究_刘延莉.pdf

书书书第 48 卷第 2 期2023 年 2 月环境科学与管理ENVIONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol.48 No.2Feb 2023收稿日期:2023 02 13作者简介:刘延莉(1984 )，女，硕士，工程师，研究方向:农业气象及应用气象。文章编号:1674 6139(2023)02 0081 05基于 GIS 的农业气象环境污染扩散浓度特征研究刘延莉(西安市灞桥区气象局，陕西 西安 710000)摘要:基于 GIS 分析某城市农业气象环境污染扩散浓度特征。选取该城市中的 12 个环境污染监测站，获取站点监测数据作为研究中的污染监测数据。通过分析污染监测数据获取研究中的点源污染数据。通过 SPSS软件对几种污染物实施相关性分析，构建该城市的农业气象环境大气污染扩散模型。以 GIS 平台为平台，以气体扩散模型为基础，紧密集成该城市污染物气体扩散模型与 GIS，分析该城市污染物的扩散浓度特征。当日该城市农业气象环境中 NO2污染、SO2污染比较严重，颗粒物污染比较严重，大直径颗粒物的污染较重。关键词:GIS;农业气象;环境污染扩散;地面反射系数;浓度特征中图分类号:X26文献标志码:AAnalysis of Concentration Characteristics of AgriculturalMeteorological Environmental Pollution Diffusion Based on GISLiu Yanli(Meteorological Bureau in Baqiao District in Xi an，Xi an 710000，China)Abstract:Based on GIS analysis of urban agrometeorological environmental pollution diffusion concentration characteristics，twelve environmental pollution monitoring stations in the city were selected to obtain the monitoring data of the stations as the pollu-tion monitoring data in the study The point source pollution data in the study was obtained by analyzing pollution monitoring dataThe correlation analysis of several pollutants was carried out by SPSS software，and the atmospheric pollution diffusion model of agri-cultural meteorological environment in the city was constructed With GIS as the platform and gas diffusion model as the basis，thispaper closely integrates the gas diffusion model and GIS of pollutants in the city to analyze the characteristics of pollutant diffusionconcentration in the city NO2pollution，SO2pollution，particulate pollution and large diameter particulate pollution were seriousin the agricultural meteorological environment of the city on that dayKey words:GIS;agricultural meteorology;environmental pollution diffusion;ground reflection coefficient;concentration char-acteristics前言目前中国已经着手控制环境污染问题，在不懈地努力下，农业气象环境污染的恶化情况已经得到控制，实现了质量的改善1。但农业气象环境污染的现状仍不容乐观，污染问题依然非常严重2。在这种情况下，对农业气象环境污染扩散问题进行研究，是改善和保护农业气象环境的一个重要环节，是研究和认识农业气象环境的一种科学方法，是对于农业气象环境质量的一种定量描述，也是农业管理工作的基础3。农业气象指的是研究农业与气象条件之间相互关系及其规律的科学，通过对其进行扩散浓度特征分析，能够及时获得农业气象环境质量状况数据，并对农业气象环境质量的实际变化规律进行研究。基于该背48第 48 卷第 2 期2023 年 2 月刘延莉基于 GIS 的农业气象环境污染扩散浓度特征研究Vol.48 No.2Feb 2023景对农业气象环境污染扩散浓度特征进行分析。该问题的研究已经发展的较为成熟，学者们在研究过程中考虑了多种大气污染因素，在研究中应用了数值解法、高斯型模式体系、无量纲表达式、普适函数等，提出了多种环境污染扩散模型。现综合以往取得的研究成果，基于 GIS 对农业气象环境污染扩散浓度特征进行分析。其中 GIS 技术的应用能够实现农业气象环境污染扩散浓度空间数据的处理与分析等，为模型提供 GIS 空间操作规范，反应污染物的空间分布特性。1研究区域与研究方法1 1研究数据获取在某城市开展农业气象环境污染扩散浓度特征分析。该城市位于某平原的中南部地区，是一个农业与工业都非常发达的城市4。选取该城市中的12 个环境污染监测站，获取站点监测数据作为研究中的污染监测数据。由于该城市的环境污染源主要是工业污染源与生活污染源，因此主要获取站点的NO2、SO2、TSP、颗粒物 PM10、细颗粒物 PM2 5监测数据，监测时间共持续七天5。12 个监测站点的详细情况见表 1。表 112 个监测站点的详细情况监测站点序号经度()纬度()类型1110.3645 21一般监测站2110.3246 32一般监测站3110.4547 68一般监测站4108654771一般监测站5108524641一般监测站6107684569一般监测站71042047.01一般监测站8104.0148 52一般监测站91043245.01一般监测站10106854742一般监测站11105744485一般监测站12105584832一般监测站研究中的气象监测数据来自于 Weather Under-ground 网站与天气后报网站，需要的气象因子数据包括压强、风速以及温度数据。研究中的遥感影像数据来自于空间数据云网站，其卫星空间分辨率可达三十米6。研究中的点源污染数据通过对污染监测数据进行分析而获取，具体包含七种点源:汽车修理厂类、鞋厂类、家具厂房类、开发建房类、道路工程类、市政工程类、餐饮类。1 2构建农业气象环境大气污染扩散模型根据该城市的污染监测数据、气象监测数据，通过 SPSS 软件对几种污染物实施相关性分析，构建该城市的农业气象环境大气污染扩散模型，其中 NO2、SO2、TSP 的污染扩散模式根据气体扩散模式进行计算，也就是构建三种污染物的气体扩散模型7。构建三种污染物气体扩散模型的具体步骤如下:(1)在污染物点源排放处构建三个坐标系，第一个坐标系的原点是实源所在地面上的投影点。该坐标系中，任意一点的坐标是(x，y，z);第二个坐标系是以像源为原点的坐标系;第三个坐标系是以实源为原点的坐标系;(2)对于任意一点(x，y，z)，实源对该点浓度的贡献具体如下:在第三个坐标系中，(x，y，z)的垂直坐标是(z h)。不考虑地面对污染物的吸收，该点处实源扩散过来的气体浓度为:1=A(x，y，z，h)=B2cyzexp y222y+(z h)222()y(1)式(1)中 x 指的是下风向距离;c 代表排气筒出口的平均风速;y 表示横截风向距离;z 代表距地面的高度;h是指有效排放高度;A(x，y，z，h)指的是x、y、z、h 的高斯模型;z是指垂直方向上的扩散参数;B 是指气载污染物源强，也就是释放率;y表示水平方向上的扩散参数8。58第 48 卷第 2 期2023 年 2 月刘延莉基于 GIS 的农业气象环境污染扩散浓度特征研究Vol.48 No.2Feb 2023(3)对于任意一点(x，y，z)，像源对该点浓度的贡献具体如下:在第二个坐标系中，(x，y，z)的垂直坐标是(z+h)。不考虑地面对污染物的吸收，该点处像源扩散过来的气体浓度为:2=A(x，y，z，h)=B2cyzexp y222y+(z+h)222()y(2)(4)当(x，y，z)处于下风向时，(x，y，z)的实际浓度是像源与实源的和，具体如式(3):=1+2=A(x，y，z，h)=B2cyzexp y22y()2exp(z h)222()y+exp(z+h)222()y(3)就此完成三种污染物气体扩散模型的构建。接着构建颗粒物的气体扩散模型，其污染扩散模式按照倾斜烟羽模式进行计算。构建的颗粒物气体扩散模型具体如式(4)所示:A(x，y，0，h)=(1+d)B2yzexp y222()yexp1h f1x()c222z(4)式(4)中 d 指的是颗粒污染物的地面反射系数;f1是指颗粒物实际沉降速度。在实际生活与生产中，地面吸收气体是不明显的，但留住和吸收粉尘的能力却很强，因此需要根据该城市的实际情况确定颗粒污染物的地面反射系数。完成该城市污染物气体扩散模型的构建后，对该城市的污染扩散浓度特征进行分析。1 3研究方法设计以 GIS 平台为平台，以气体扩散模型为基础，紧密集成该城市污染物气体扩散模型与 GIS，对该城市各种污染物的扩散浓度特征进行分析。在紧密集成中，首先对该城市地图实施网格化划分。将该城市的地图作为基础对网格图层进行创建。将一个格网的大小定为 100 m 100 m，以格网为基础单位生成图层。利用 ArcGIS Engine 软件中的地图控制命令与指令控制命令生成格网重心位置的实际坐标值，在属性数据库中存储坐标数据。接着计算各种污染物的浓度。在研究中采用一个 45夹角、以五倍烟囱地面最大浓度距离为半径的扇形作为被污染的区域范围。其中污染点源即为该扇形的中心点，同时下风向轴线与扇形中心线是重合的。受风向的影响，在紧密集成中需要使用两个坐标系，一个是风轴坐标系 VO2B，一个是地面坐标系KO1L。其中风轴坐标系的原点是点源地面投影点，下风向与 X 轴重合，地面坐标系的原点是研究区域中西南方向上的任意一点。两个坐标轴的坐标转换公式具体如(5):B=(BL BO2)cos(VL VO2)sinV=(VL VO2)cos(BL BO2)sin(5)式(5)中 BL指的是在风轴坐标系的横轴上与地面坐标系的横轴上格网点的距离;BO2是指格网点在风轴坐标系上的横轴值;指的是 VO2B 与 KO1L横轴的夹角;VL是指在风轴坐标系的纵轴上与地面坐标系的横轴上格网点的距离;VO2指的是格网点在风轴坐标系上的纵轴值。接着需要计算格网点的浓度值，具体计算步骤如下:(1)设置该城市当天风的大小与方向、环境大气温度与大气稳定度;(2)通过设置的扇形对烟囱下风向气体污染范围的格网点进行选择;(3)对烟囱分布涂层中气体污染源的对应属性数据进行调用;(4)对格网点在 VO2B 中的横纵坐标值进行计算;(5)对大气扩散参数 y、z进行计算;(6)对烟气的有效高度进行计算;(7)对格网点的浓度值进行计算;(8)循环直到完成最后一个格网点的计算。68第 48 卷第 2 期2023 年 2 月刘延莉基于 GIS 的农业气象环境污染扩散浓度特征研究Vol.48