基于GIS 的秸稈焚燒污染監測與防治系統的設計與開發*

張啟霞，宋樊玲，林依寧，楊清彤，李聞文

（南京信息工程大學 地理科學學院，江蘇 南京210044）

1 概述

我國秸稈資源非常豐富，然而利用現狀卻令人堪憂。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，還對部分區域的空氣質量產生巨大影響，給人們生活帶來不便[1]。

考慮到氣體擴散過程受氣象條件、地形、下墊面狀況的影響，及污染本身的復雜性，到目前為止，基于現有的理論，還不能找到一個適用于各種條件的大氣擴散模式來描述所有這些復雜條件下的大氣擴散問題。高斯擴散模型[2]一般用于模擬大氣中有害氣體的傳輸、擴散和稀釋，即氣體擴散濃度遵循正態分布，該模型的物理意義比較直觀，具有很好的可植性、計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，因而高斯擴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]廣泛應用于各個領域，以此來描述或模擬氣體擴散，從而有效對環境大氣污染擴散進行模擬。李丹等[5]針對易燃氣體在鐵路運輸過程中的泄漏事故，基于高斯煙羽模型，并結合Matlab 模擬分析出了大氣穩定度對于氣體在擴散半徑、擴散高度以及濃度方面的影響；陳坤等[6]以高斯擴散模型為基礎，結合當地實際環境，開展了含硫天然氣在不同地形下連續泄漏的模型分析。此外，還有許多利用GIS 對煙團和油氣擴散可視化分析的研究。肖龍等[7]研究燃氣泄漏及擴散現象，結合GIS 技術進行模擬和空間分析，使決策者直觀地觀察到受影響區域內的情況，并提供統計數據作為決策依據。林益平等[8]研究了模型結果的可視化表達，運用時態GIS與模型集成技術，實現了危化品泄漏擴散過程的可視化，用于危化品泄漏事故大氣環境的風險預測技術。

本文針對區域秸稈焚燒擴散現象進行研究，將高斯煙羽模型與GIS 技術結合，設計出了秸稈焚燒污染監測與防治系統，實現了對秸稈焚燒污染氣體擴散范圍的模擬與可視化分析。該系統可得出火點周圍的污染氣體擴散濃度的變化趨勢以及擴散方向，根據濃度數據推算不同范圍內受污染程度。該系統與可持續發展戰略理論相符，對于秸稈資源利用有積極的幫助，同時可以為當地監管部門提出合理的建議，便于進行環境保護與污染治理。

2 建立擴散模型

擴散模型的建立需要利用高斯點源擴散模型，以原點作為排放點，先用帕斯奎爾穩定度分類法確定大氣穩定度，得出擴散系數（豎向和側向），再根據其在下風向的任意一點的地理位置（用x，y，z 表示）、風速、風向等來計算污染物濃度。

2.1 高斯煙羽擴散公式

高斯煙羽模型屬于高斯擴散模型的一種，適用于連續源的平均煙流，因此采用該模型來模擬秸稈焚燒污染氣體的擴散，為簡化模型建立的復雜程度，在已有的實驗和理論基礎上，提出以下幾點假設：

（1）污染物氣體濃度分布在y 軸和z 軸上滿足正態分布。

（2）風速是勻速且平穩的。

（3）單位時間內污染物排放量均勻且連續。

（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方程。

（6）不僅需要忽略污染氣體擴散過程中云團內部的溫度變化，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散系數呈各向同性。

（8）氣體不會在擴散過程中發生沉降、分解或者其他任何化學反應。

通過上述假設，可以運用高斯煙羽擴散模型來計算在穩定風速風向的情況下任意點的污染物濃度。其公式為：

式中：C：任意點的污染物濃度，單位為mg/m2或g/m2；Q：源強，單位時間內污染物排放量，單位為mg/s 或g/s；σy：側向擴散系數，污染物在y 方向分布的標準偏差，是距離x 的函數；σz：豎向擴散系數，污染物在z 方向分布的標準偏差，是距離x 的函數；uˉ：排放口處的平均風速，單位為m/s；H：煙囪的有效高度，簡稱有效源高，單位為m；x：污染源排放點至下風向上任一點的距離，單位為m；y：煙氣的中心軸在直角水平方向上到任意點的距離，單位為m；z：從地表到任一點的高度，單位為m。

由于本課題研究秸稈焚燒問題，所以設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 擴散系數及大氣穩定度

根據《GB/T 13201-91》，側向和豎向的擴散參數可由式（3）計算得：

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

2.2.2 源強（即單位時間內污染物排放量）

根據1999-2016 年度的《黑龍江省統計年鑒》，獲得水稻產量數據。在估算秸稈產量時，我們利用草谷比（亦稱為秸稈系數）法進行秸稈產量測算。根據公式（4）即可計算水稻的秸稈產量：

W 為秸稈產量，P 為農作物年產量，S 為草谷比，即秸稈產量與該農作物產量的比值。王曉玉[10]通過數學模擬取值法確定與田間實測數據相吻合的秸稈系數，我們沿用其水稻草谷比（0.92）來估算秸稈產量。

在秸稈露天焚燒過程中，使用排放因子法計算污染物排放量，如式（5）：

式中：Qn為研究區域某農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計資料，Hao[11]等在其論文中假設全國的秸稈露天燃燒量為秸稈總產量的17%，在這里我們沿用該數值。

（2）秸稈燃燒效率

在Streets 等[12]的論文中，考慮到各農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

綜合各學者的實測數據[13～22]，確定了秸稈露天燃燒的排放因子，見表2。

表1 大氣穩定度級別劃分表

3 系統實現

3.1 系統的開發技術路線

由于ArcGIS 等軟件無法直接實現大氣污染物的高斯擴散模擬，需要借助ArcGIS Engine 的二次開發實現氣體濃度值在GIS 平臺上動態展示。系統采用C#.NET平臺，使用關系型數據庫（Access）管理數據，基于ArcGIS Engine 開發相應的功能。

表2 秸稈露天燃燒排放因子

3.2 系統界面

基于C#.Net 和ArcGIS Engine 10.2 組件進行系統開發，系統界面包括地圖的基本操作控件、數據輸入框，計算火點濃度和并顯示擴散范圍。系統界面如圖2：

圖1 系統技術路線

3.3 系統功能實現

系統以一個柵格像元為單位，利用高斯擴散模型計算出火點周圍的污染物濃度。系統主要提供地圖基本操作功能、參數設置功能、信息獲取功能、擴散模擬分析功能。

（1）地圖基本操作模塊：利用ArcGIS Engine 中的開發組件，添加基本的地圖操作控件，實現對地圖的移動，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）參數設置功能模塊：包括平均風速、風向、太陽強度、空間點高度、秸稈量，具體的數值由數據庫中的數據提供或者由用戶輸入。

（3）信息獲取模塊：系統使用者點擊地圖任意位置，獲取到該點的位置坐標；點擊“計算火點濃度”按鈕，彈框中顯示該點污染氣體濃度。

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

4 結果與分析

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

假設秸稈焚燒持續2 小時，氣體空間抬升高度5m，風向東南，太陽強度為中，焚燒的秸稈量為2 噸。將這些參數輸入系統中，模擬不同風速對秸稈焚燒擴散范圍的影響。圖4、圖5、圖6、圖7 分別表示風速為1.5m/s、3m/s、4.5m/s、6m/s 時的系統模擬結果。太陽強度、秸稈焚燒量一定的情況下的不同風速的對照情況如圖8 所示。

結果表明，隨著風速由小到大，污染氣體的污染半徑逐漸減小，但在下風向上影響距離越來越遠。可知風速越大，越有利于氣體在下風向方向的擴散；反之，風速越小，越有利于氣體在垂直下風向方向的擴散。且隨著下風向距離的增大，污染氣體濃度值不斷減小。

5 結論

本文針對秸稈焚燒嚴重污染環境、影響生產生活秩序的情況，基于高斯煙羽擴散模型，建立污染監測與防治系統，利用柵格數據結構的特點，對火點擴散進行精細化模擬，使每個像元都具有具體的數值且呈現出明顯的變化趨勢。同時，精細化模擬可以改變分辨率以改變精細化程度，得出的結果數據與其他模擬效果相比更加精準，有利于進行下一步空間分析。

本系統能夠有效地支持環境污染防治工作，實現對秸稈焚燒火點產生的污染物氣體進行模擬擴散，給出合理的建議為風險預測技術提供基礎，為決策部門提供決策依據，以便及時采取相應合理措施，提高解決問題的效率，為當地居民提供良好的生活環境保障。

圖2 系統界面

圖3 疊置分析圖

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8