基于GIS 的秸秆焚烧污染监测与防治系统的设计与开发*

张啟霞，宋樊玲，林依宁，杨清彤，李闻文

（南京信息工程大学 地理科学学院，江苏 南京210044）

1 概述

我国秸秆资源非常丰富，然而利用现状却令人堪忧。仅有约三分之一的秸秆被合理利用，剩余的秸秆被直接焚烧，这不仅造成了资源的浪费，还对部分区域的空气质量产生巨大影响，给人们生活带来不便[1]。

考虑到气体扩散过程受气象条件、地形、下垫面状况的影响，及污染本身的复杂性，到目前为止，基于现有的理论，还不能找到一个适用于各种条件的大气扩散模式来描述所有这些复杂条件下的大气扩散问题。高斯扩散模型[2]一般用于模拟大气中有害气体的传输、扩散和稀释，即气体扩散浓度遵循正态分布，该模型的物理意义比较直观，具有很好的可植性、计算效率和空间分辨率，较为适用于大气条件均匀和地面平坦开阔的地区，因而高斯扩散模型是目前最受欢迎的模式之一[3]。

近年来，高斯烟羽模型[4]广泛应用于各个领域，以此来描述或模拟气体扩散，从而有效对环境大气污染扩散进行模拟。李丹等[5]针对易燃气体在铁路运输过程中的泄漏事故，基于高斯烟羽模型，并结合Matlab 模拟分析出了大气稳定度对于气体在扩散半径、扩散高度以及浓度方面的影响；陈坤等[6]以高斯扩散模型为基础，结合当地实际环境，开展了含硫天然气在不同地形下连续泄漏的模型分析。此外，还有许多利用GIS 对烟团和油气扩散可视化分析的研究。肖龙等[7]研究燃气泄漏及扩散现象，结合GIS 技术进行模拟和空间分析，使决策者直观地观察到受影响区域内的情况，并提供统计数据作为决策依据。林益平等[8]研究了模型结果的可视化表达，运用时态GIS与模型集成技术，实现了危化品泄漏扩散过程的可视化，用于危化品泄漏事故大气环境的风险预测技术。

本文针对区域秸秆焚烧扩散现象进行研究，将高斯烟羽模型与GIS 技术结合，设计出了秸秆焚烧污染监测与防治系统，实现了对秸秆焚烧污染气体扩散范围的模拟与可视化分析。该系统可得出火点周围的污染气体扩散浓度的变化趋势以及扩散方向，根据浓度数据推算不同范围内受污染程度。该系统与可持续发展战略理论相符，对于秸秆资源利用有积极的帮助，同时可以为当地监管部门提出合理的建议，便于进行环境保护与污染治理。

2 建立扩散模型

扩散模型的建立需要利用高斯点源扩散模型，以原点作为排放点，先用帕斯奎尔稳定度分类法确定大气稳定度，得出扩散系数（竖向和侧向），再根据其在下风向的任意一点的地理位置（用x，y，z 表示）、风速、风向等来计算污染物浓度。

2.1 高斯烟羽扩散公式

高斯烟羽模型属于高斯扩散模型的一种，适用于连续源的平均烟流，因此采用该模型来模拟秸秆焚烧污染气体的扩散，为简化模型建立的复杂程度，在已有的实验和理论基础上，提出以下几点假设：

（1）污染物气体浓度分布在y 轴和z 轴上满足正态分布。

（2）风速是匀速且平稳的。

（3）单位时间内污染物排放量均匀且连续。

（4）不考虑地面全反射污染物的吸收、吸附作用。

（5）污染气体满足理想气体状态方程。

（6）不仅需要忽略污染气体扩散过程中云团内部的温度变化，也需忽略热传递，热对流还有热辐射。

（7）在水平方向上大气扩散系数呈各向同性。

（8）气体不会在扩散过程中发生沉降、分解或者其他任何化学反应。

通过上述假设，可以运用高斯烟羽扩散模型来计算在稳定风速风向的情况下任意点的污染物浓度。其公式为：

式中：C：任意点的污染物浓度，单位为mg/m2或g/m2；Q：源强，单位时间内污染物排放量，单位为mg/s 或g/s；σy：侧向扩散系数，污染物在y 方向分布的标准偏差，是距离x 的函数；σz：竖向扩散系数，污染物在z 方向分布的标准偏差，是距离x 的函数；u¯：排放口处的平均风速，单位为m/s；H：烟囱的有效高度，简称有效源高，单位为m；x：污染源排放点至下风向上任一点的距离，单位为m；y：烟气的中心轴在直角水平方向上到任意点的距离，单位为m；z：从地表到任一点的高度，单位为m。

由于本课题研究秸秆焚烧问题，所以设式中烟囱的有效高度为0，令H=0，得式（2）。

2.2 影响因子

2.2.1 扩散系数及大气稳定度

根据《GB/T 13201-91》，侧向和竖向的扩散参数可由式（3）计算得：

其中，γ1，α1，γ2和α2分别表示大气稳定度下风距离的有关系数（已知固定参数）。根据焚烧火点所在的天气状况采用帕斯奎尔稳定度[9]分类方法确定大气稳定度，其中大气稳定度分为A，A-B，B，B-C，C，C-D，D 这7 个等级，见表1。

2.2.2 源强（即单位时间内污染物排放量）

根据1999-2016 年度的《黑龙江省统计年鉴》，获得水稻产量数据。在估算秸秆产量时，我们利用草谷比（亦称为秸秆系数）法进行秸秆产量测算。根据公式（4）即可计算水稻的秸秆产量：

W 为秸秆产量，P 为农作物年产量，S 为草谷比，即秸秆产量与该农作物产量的比值。王晓玉[10]通过数学模拟取值法确定与田间实测数据相吻合的秸秆系数，我们沿用其水稻草谷比（0.92）来估算秸秆产量。

在秸秆露天焚烧过程中，使用排放因子法计算污染物排放量，如式（5）：

式中：Qn为研究区域某农作物秸秆露天焚烧的污染物n 的排放量；G 为某种秸秆露天焚烧比例；F 为农作物秸秆露天焚烧效率；E 为秸秆露天焚烧的污染物排放因子。

（1）秸秆露天燃烧比例

由于目前还没有露天燃烧比例的统计资料，Hao[11]等在其论文中假设全国的秸秆露天燃烧量为秸秆总产量的17%，在这里我们沿用该数值。

（2）秸秆燃烧效率

在Streets 等[12]的论文中，考虑到各农作物燃烧效率各不相同，从68%到92%不等，若取其平均值为79%。因此，本研究采用该平均值为秸秆燃烧效率。

（3）秸秆露天燃烧排放因子

综合各学者的实测数据[13～22]，确定了秸秆露天燃烧的排放因子，见表2。

表1 大气稳定度级别划分表

3 系统实现

3.1 系统的开发技术路线

由于ArcGIS 等软件无法直接实现大气污染物的高斯扩散模拟，需要借助ArcGIS Engine 的二次开发实现气体浓度值在GIS 平台上动态展示。系统采用C#.NET平台，使用关系型数据库（Access）管理数据，基于ArcGIS Engine 开发相应的功能。

表2 秸秆露天燃烧排放因子

3.2 系统界面

基于C#.Net 和ArcGIS Engine 10.2 组件进行系统开发，系统界面包括地图的基本操作控件、数据输入框，计算火点浓度和并显示扩散范围。系统界面如图2：

图1 系统技术路线

3.3 系统功能实现

系统以一个栅格像元为单位，利用高斯扩散模型计算出火点周围的污染物浓度。系统主要提供地图基本操作功能、参数设置功能、信息获取功能、扩散模拟分析功能。

（1）地图基本操作模块：利用ArcGIS Engine 中的开发组件，添加基本的地图操作控件，实现对地图的移动，对矢量图形的选择，地图比例的放大缩小，长度的量算等功能。

（2）参数设置功能模块：包括平均风速、风向、太阳强度、空间点高度、秸秆量，具体的数值由数据库中的数据提供或者由用户输入。

（3）信息获取模块：系统使用者点击地图任意位置，获取到该点的位置坐标；点击“计算火点浓度”按钮，弹框中显示该点污染气体浓度。

（4）叠置分析功能：将扩散范围图层与黑龙江省道路图层、火点图层、行政边界图层等进行叠置，分析得到该日秸秆焚烧污染物扩散对周边居民、道路等的影响程度，实现可视化表达。

4 结果与分析

由于秸秆焚烧污染气体的扩散情况受风速，太阳强度，秸秆量因素影响，本文仅研究在太阳强度、秸秆焚烧量一定的情况下的不同风速的对照情况。

假设秸秆焚烧持续2 小时，气体空间抬升高度5m，风向东南，太阳强度为中，焚烧的秸秆量为2 吨。将这些参数输入系统中，模拟不同风速对秸秆焚烧扩散范围的影响。图4、图5、图6、图7 分别表示风速为1.5m/s、3m/s、4.5m/s、6m/s 时的系统模拟结果。太阳强度、秸秆焚烧量一定的情况下的不同风速的对照情况如图8 所示。

结果表明，随着风速由小到大，污染气体的污染半径逐渐减小，但在下风向上影响距离越来越远。可知风速越大，越有利于气体在下风向方向的扩散；反之，风速越小，越有利于气体在垂直下风向方向的扩散。且随着下风向距离的增大，污染气体浓度值不断减小。

5 结论

本文针对秸秆焚烧严重污染环境、影响生产生活秩序的情况，基于高斯烟羽扩散模型，建立污染监测与防治系统，利用栅格数据结构的特点，对火点扩散进行精细化模拟，使每个像元都具有具体的数值且呈现出明显的变化趋势。同时，精细化模拟可以改变分辨率以改变精细化程度，得出的结果数据与其他模拟效果相比更加精准，有利于进行下一步空间分析。

本系统能够有效地支持环境污染防治工作，实现对秸秆焚烧火点产生的污染物气体进行模拟扩散，给出合理的建议为风险预测技术提供基础，为决策部门提供决策依据，以便及时采取相应合理措施，提高解决问题的效率，为当地居民提供良好的生活环境保障。

图2 系统界面

图3 叠置分析图

图4

图5

图6

图7

图8