CN108648127A - 一种城市空气污染热点区域锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种城市空气污染热点区域锁定方法，属于空气污染监测领域。本发明方法包括：步骤1、对监测区域建立网格并编号；步骤2、基于高斯多点源空气污染物扩散模型对区域内的空气污染物进行扩散拟合，同时计算区域内各网格污染物浓度值；步骤3、选取空气污染物浓度最高的一个网格作为起点，锁定一处空气污染热点区域；步骤4、选取起点网格周围的网格集合中空气污染物浓度值最高的网格；步骤5，将步骤4选取的网格作为新的起点网格；步骤6、判断起点网格是否为边界网格，若是结束本方法，若不是继续执行步骤4。本发明能较准确地锁定空气污染热点区域，可以更加有效地掌握区域内的污染物扩散的动态过程。

Description

一种城市空气污染热点区域锁定方法

技术领域

本发明属于空气污染监测领域，为一种城市空气污染热点区域锁定方法。

背景技术

随着经济水平的不断发展和人们生活质量的提高，空气污染问题也逐渐突出。空气污染问题严重危害人们健康，影响社会持续良好发展。为解决这一问题，很多研究围绕着空气质量监测、空气污染预测等方面展开。

传统的重污染过程分析都是凭借专业人员经验的一种并非标准化的方式，不同的业务单位或科研单位对于重污染过程分析的方法都不尽相同，已有的技术手段侧重对某监测区域内发生重度污染的时间或强度预报。

由于现有的研究，缺乏对于利用空气污染监测得到的数据来锁定区域内的污染热点区域的技术研究，因此为更好的治理空气污染问题，需要一种城市空气污染热点区域锁定的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市空气污染热点区域锁定方法，以锁定城市内空气污染程度较高的区域，更加侧重中、大尺度区域内发生重度污染的空间特性。

本发明的一种城市空气污染热点区域锁定方法，在确定了监测的区域和空气污染物后，然后执行如下步骤：

步骤1，对监测区域进行网格化处理，并为各网格编号；

所述的步骤1中，将监测区域划分成等面积的网格，然后以左下角起点为原点区域，以向右为x轴正方向、以向上为y轴正方向，以x轴和y轴的坐标值来确定各个网格的编号。

步骤2，基于高斯多点源空气污染物扩散模型对区域内的空气污染物进行扩散拟合，计算区域内各个网格的污染物浓度值；

对监测区域内编号为(a,b)的网格，设(x,y,z)为该网格待研究污染的中心点，将每个污染点源在该点处的污染扩散值叠加，作为该网格的污染物浓度值C_a,b。

根据下面所示的高斯多点源空气污染物扩散模型来计算污染物浓度值C_a,b：

其中，N为污染源个数；为第k个污染点源扩散在(x,y,z)的污染值；H为污染源高度与烟羽排放上冲高度之和；对于具体网格，可根据实际研究情况来确定中心点(x,y,z)，研究每个污染点源在该处的污染扩散值，z根据实际情况来设置；

根据所述的高斯多点源空气污染物扩散模型来计算获得所有网格的污染值；

步骤3、选取监测区域中非边界区域内空气污染物浓度最高的一个网格作为起点；并将起点网格作为一处空气污染热点区域；

步骤4、将起点网格周围的网格的空气污染物浓度值作为一个集合，比较集合中各个网格空气污染物浓度值，选取该集合中空气污染物浓度最高的网格；

步骤5、将步骤4所选取的网格作为一处空气污染热点区域，并更新该网格为起点网格；

步骤6、判断新确定的起点网格是否是区域边界的网格，如果是输出所有的空气污染热点区域，结束本方法；如果不是，继续转步骤4执行。本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：

(1)本发明拟合出区域内各处的空气污染情况，更加有效地掌握区域内的污染物扩散的动态过程；

(2)本发明依靠大气污染扩散理论的支持，提高了对空气污染热点区域锁定的准确性；

(3)本发明有效锁定区域内空气污染热点区域。

附图说明

图1是本发明的城市空气污染热点区域锁定方法的整体流程示意图；

图2是本发明实施例中监测区域网络化处理的效果图；

图3是本发明实施例中区域起点位置所在网格的效果图；

图4是本发明实施例中比较起点位置所在网格周围的浓度值的效果图；

图5是本发明实施例中更新起点位置的效果图；

图6是本发明实施例中更新空气污染热点区域的效果图；

图7是利用本发明方法定位空气污染热点区域的一个效果图；

图8是本发明实际应用锁定空气污染热点区域的效果图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

针对于空气污染监测领域，本发明提出的一种城市空气污染热点区域锁定的方法，整体流程如图1所示，下面说明各实现过程。

首先要确定要研究的区域和要研究的空气污染物。根据城市空气监测点的布置区域，确定其能实时监测到的区域范围，并根据高斯扩散模型能够合理科学地拟合范围，确定要研究的区域。城市常见的空气污染物为二氧化氮(NO₂)、二氧化硫(SO₂)、一氧化碳(CO)、臭氧(O₃)、PM_2.5、PM₁₀等。

步骤1，对监测区域进行网络化处理，并为各网格编号。

根据监测区域的面积大小、区域功能、自然条件等特点划分成若干等面积的网格，以便进一步的分析研究。如图2所示，以左下角起点为原点区域，以向右为x轴正方向、以向上为y轴正方向，以x轴和y轴的坐标值来确定各个网格的坐标编号。如图2所示，将待监测区域划分网格后，设(a,b)表示网格的坐标，其中a,b均为整数，且1≤a≤m，1≤b≤n，这样将待监测区域可以用一个矩阵来表示，m×n为网格总数，m,n均为正整数。设用C_a,b表示网格(a,b)的污染物浓度值，如图2所示，下面需要根据步骤2来计算各网格的污染物浓度值。

步骤2，基于高斯多点源空气污染物扩散模型对区域内的空气污染物进行扩散拟合，计算区域内各个网格的污染物浓度值。

高斯烟羽模式，简称高斯模式，针对空气污染源，计算达到稳态后的污染物立体空间分布的常用模型。

空气污染高斯扩散模式是应用湍流统计理论得到的正态分布假设下的扩散模式。以污染物点源在地面的投影为坐标原点，以原点指向下风的方向为x轴，以点源下风向任一点(x,y,z)的污染物浓度ρ_C(x,y,z,H)为求解对象，则高斯污染扩散方程为:

其中：ρ_C为任一点(x,y,z)处的污染物浓度，单位是mg/m³；

H为污染源高度与烟羽排放上冲高度之和；

α为颗粒的地面反射系数；

q_m为污染源排放强度，即单位时间污染物排放量；

v为平均风速，单位是m/s；

σ_y和σ_z为在y方向和z方向的扩散系数，其与大气稳定度和水平距离x有关，并随x的增大而增加；

v_t为颗粒的重力沉降速度，单位是m/s，其计算公式为：

式中：d_p为颗粒直径；ρ_p为颗粒密度；μ为空气黏度；g为重力加速度。

当H＝0时，污染源被称为地面点源。当H≠0时，污染源被称为高架点源。通常情况下，H的值包括烟囱的高度加上排烟上冲高度。

另外，公式中当颗粒的粒径小于15μm时，则不考虑颗粒的地面反射和重力沉降速度，此时α＝0且v_t＝0。当颗粒的粒径大于15μm时，必须考虑重力的沉降作用。

当区域内有多个污染源时，基于高斯模式计算区域内各个网格的污染物浓度值。多点源空气污染扩散高斯模式基本原理：

基于高斯模式空气污染扩散在计算时主要考虑污染源和计算区域。在风场的作用下，污染区域通常考虑污染源下风方向一定范围的立体空间。在实际的计算当中，将研究区域多个空气污染源进行扩散拟合。污染计算是针对污染源对某个网格中心点的污染作用，确定该点的污染物浓度值。根据计算得到的每个网格中的污染物浓度值进行合并的结果就是最终网格内的污染物的浓度值。

对于某个网格(a,b)，设(x,y,z)为其待研究污染的中心点，则根据下面所示的高斯多点源空气污染物扩散模型来计算：

其中，N为污染源个数；C_a,b为该网格内多个点源产生的污染物浓度值的叠加值，由N个污染源单独扩散得到的叠加得到。为第k个污染点源扩散在网格中心(x,y,z)的污染值，根据上面高斯污染扩散方程来计算得到。

对于具体网格，可根据实际研究情况来确定中心点(x,y,z)，研究每个污染点源在该处的污染扩散值，z根据实际情况来设置。根据上面高斯多点源空气污染物扩散模型来计算获得所有m×n个网格的污染值。

步骤3，选取监测区域中非边界区域内空气污染物浓度最高的一处网格作为起点位置，在图2中C_a,b(1<a<m，1<b<n)所在的网格均属于非边界区域。

步骤4，选取起点位置所在网格作为一处空气污染热点区域。例如，如图3所示的区域内(2,2)确定的网格为起点位置，则该网格为一处空气污染热点区域。

步骤5，将该起点周围的网格的空气污染物浓度值作为一个集合，比较集合中各个网格空气污染物浓度值，选取该集合中空气污染物浓度最高的网格。

例如，如图4所示起点位置C_2,2所在的网格为空气污染热点区域，在周围的浓度值集合为[C_1,1,C_2,1,C_3,1,C_1,2,C_3,2,C_1,3,C_2,3,C_3,3]；选取该集合中空气污染物浓度最高值，即max[C_1,1,C_2,1,C_3,1,C_1,2,C_3,2,C_1,3,C_2,3,C_3,3]，确定该空气污染物浓度值所在的网格。

步骤6，在上述步骤中确定的集合中空气污染物浓度最高的网格作为一处空气污染热点区域，更新空气污染热点区域。

例如，如图5所示，在周围的浓度值集合[C_1,1,C_2,1,C_3,1,C_1,2,C_3,2,C_1,3,C_2,3,C_3,3]中空气污染物浓度最高值为C_3,3，则该空气污染浓度值C_3,3所在的网格为一处空气污染热点区域，进行更新空气污染热点区域。

步骤7，更新起点位置，将步骤6得到的该空气污染物浓度最高的网格作为起点位置。

例如，如图5所示，将C_3,3所在的网格作为起点位置。

步骤8，判断新确定的起点网格是否是区域边界的网格，如果该网格不是区域边界的网格，再转步骤5执行，将该起点网格位置周围的网格的浓度值作为一个新的集合，新集合中不包括已经进行比较的网格的浓度值，选取该集合中浓度最高的网格，进行空气污染热点区域更新。

例如，如图6所示，将该起点网格位置即C_3,3所在的网格，周围的网格的浓度值作为一个新的集合[C_4,2，C_4,3，C_2,4，C_3,4，C_4,4]，该集合中不包括已经进行比较的网格的浓度值，选取该集合中浓度最高的网格，进行空气污染热点区域更新。

若步骤8更新后的起点网格是区域边界的网格，输出最终的空气污染热点区域。例如，如图7所示，起点网格为区域边界网格C_5,5所在的网格时，停止空气污染热点区域更新，输出空气污染热点区域。图中标号①②③④⑤所在的网格区域即为输出的最终的空气污染热点区域。

本发明方法在实际应用中所呈现的计算效果如图8所示。利用多点源空气污染高斯扩散模式实现对区域内存在多处污染源的情况下，区域各处的污染物浓度拟合值，并能够通过对各个点的浓度值大小比较，锁定出“一条”污染热点区域“带”，从而确定了污染热点区域。通过本发明方法能较准确地锁定空气污染热点区域，可以更加有效地掌握区域内的污染物扩散的动态过程。

以上所述仅是本发明优选的实施方案，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种城市空气污染热点区域锁定方法，在确定了监测区域和空气污染物后，其特征在于，然后执行如下步骤：

步骤1，对监测区域进行网格化处理，并为各网格编号；

步骤2，基于高斯多点源空气污染物扩散模型对区域内的空气污染物进行扩散拟合，计算区域内各个网格的污染物浓度值；

对监测区域内编号为(a,b)的网格，设(x,y,z)为该网格待研究污染的中心点，将每个污染点源在该点处的污染扩散值叠加，作为该网格的污染物浓度值C_a,b；

根据下面所示的高斯多点源空气污染物扩散模型来计算污染物浓度值C_a,b：

其中，N为污染源个数；为第k个污染点源扩散在(x,y,z)的污染值；H为污染源高度与烟羽排放上冲高度之和；

根据所述的高斯多点源空气污染物扩散模型来计算获得所有网格的污染值；

步骤3，选取监测区域中非边界区域内空气污染物浓度最高的一个网格作为起点，并将起点网格作为一处空气污染热点区域；

步骤4，将起点网格周围的网格的空气污染物浓度值作为一个集合，比较集合中各个网格空气污染物浓度值，选取该集合中空气污染物浓度最高的网格；

步骤5，将步骤4所选取的网格作为一处空气污染热点区域，并更新该网格为起点网格；

步骤6，判断新确定的起点网格是否是区域边界的网格，如果是输出所有的空气污染热点区域，结束本方法；如果不是，继续转步骤4执行。

2.根据权利要求1所述的城市空气污染热点区域锁定方法，其特征在于，所述的步骤1中，将监测区域划分成等面积的网格，然后以左下角起点为原点区域，以向右为x轴正方向、以向上为y轴正方向，以x轴和y轴的坐标值来确定各个网格的编号。

3.根据权利要求1所述的城市空气污染热点区域锁定方法，其特征在于，所述的步骤2中，一个污染点源的高斯污染扩散为：设污染点源在地面的投影为坐标原点，原点指向下风的方向为x轴，则点源下风向任一点(x,y,z)的污染物浓度ρ_C(x,y,z,H)为：

其中：α为颗粒的地面反射系数；q_m为污染源排放强度；v为平均风速；σ_y和σ_z为在y方向和z方向的扩散系数；v_t为颗粒的重力沉降速度，计算公式为：

式中：d_p为颗粒直径；ρ_p为颗粒密度；μ为空气黏度；g为重力加速度。