CN114002381A - 一种大气污染溯源扩散分析方法及装置 - Google Patents

一种大气污染溯源扩散分析方法及装置 Download PDF

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CN114002381A CN202111215261.1A CN202111215261A CN114002381A CN 114002381 A CN114002381 A CN 114002381A CN 202111215261 A CN202111215261 A CN 202111215261A CN 114002381 A CN114002381 A CN 114002381A
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袁子龙
郭乐乐
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Abstract

本申请提供了一种大气污染溯源扩散分析方法及装置，涉及大气污染溯源技术领域。该方法包括：根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源，污染源包括全排放污染源和部分排放污染源；计算污染源排放的污染物在污染源预设高度处的排放源强；基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据排放源强，通过CALPUFF模型得到环境敏感点总落地浓度；根据环境敏感点总落地浓度，通过高斯扩散模型，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率。本申请能够提高大气污染物排放监测的空间精度。

Description

一种大气污染溯源扩散分析方法及装置
技术领域
本申请涉及大气污染溯源技术领域，尤其是涉及一种大气污染溯源扩散分析方法及装置。
背景技术
目前，一些大气污染扩散分析方法，基于工业园区中部署的环境监测设备上传的检测数据，能够实现以污染排放企业为溯源对象，实现工业园区范围内及周边环境敏感点的实时动态溯源，该方法主要适用于水平扩散的动态溯源，在实际应用中，大多数污染排放企业排放的污染气体存在竖直方向的扩散，因此现有大气污染扩散分析方法无法较精准地对排放企业进行动态监测，不易管控工业园区中排放企业排放污染物的浓度。
发明内容
为了提高大气污染物排放监测的空间精度，本申请提供一种大气污染溯源扩散分析方法及装置。
在本申请的第一方面，提供了一种大气污染溯源扩散分析方法，包括：
根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源，所述污染源包括全排放污染源和部分排放污染源；
计算所述污染源排放的污染物在所述污染源预设高度处的排放源强；
基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据所述排放源强，通过CALPUFF模型得到环境敏感点总落地浓度；
根据所述环境敏感点总落地浓度，通过高斯扩散模型，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率。
通过采用上述方案，根据主导风向筛选出对环境敏感点造成污染的污染源，污染源可以是工业园区或排放企业，通过计算出工业园区中排放企业在预设高度处的排放源强，再将计算出的排放源强以及其他数据带入CALPUFF模型，即可获得排放企业排放的污染物从不同高度处落到环境敏感点的落地浓度，从而实现了对污染物竖直方向扩散的检测，提高了对大气污染物排放监测的空间精度，通过高斯扩散模型，还能计算出每个排放企业或工业园区对环境敏感点污染浓度的影响值。
优选的，所述根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源包括：
以所述环境敏感点的主导风向的上风向为中轴线，分别向左偏移第一预设角度、向右偏移第二预设角度确定污染源范围；
采集所述污染源范围内排放企业的边界信息，并根据所述边界信息确定所述污染源范围内排放企业为所述全排放污染源或所述部分排放污染源。
优选的，所述根据所述边界信息确定所述污染源范围内排放企业为所述全排放污染源或所述部分排放污染源包括：
根据所述边界信息确定所述污染源范围内排放企业的边界落在所述污染源范围内的数量；
若所述污染源范围内排放企业的边界落在所述污染源范围内的数量超过边界总数量的一半，则将所述排放企业作为所述全排放污染源；
若所述污染源范围内排放企业的边界落在所述污染源范围内的数量不超过边界总数量的一半且大于0，则将所述排放企业作为所述部分排放污染源。
优选的，所述计算所述污染源排放的污染物在所述污染源预设高度处的排放源强包括：
若所述污染源排放污染物的方式为无组织排放，则采用如下公式计算所述排放源强：
Figure BDA0003310370670000031
q＝Q/t
其中，q为排放源强，Q为监测浓度为Ch的时间段内的排放量，t为时间，H为排放源的有效高度，S0为企业面积，Ch为敏感点污染物的监测浓度，h为垂直层的高度；
若所述污染源排放污染物的方式为有组织排放，则直接获取排放口检测设备的检测数据作为排放源强。
优选的，所述基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据所述排放源强，通过CALPUFF模型得到环境敏感点浓度包括：
将所述污染源的局地气象数据、所述污染源所处城市探空气象数据、所述城市地形数据以及所述排放源强输入CALPUFF模型，计算网格点的污染因子的浓度值；
进行插值运算得到预设网格精度的所述环境敏感点浓度。
优选的，所述根据所述环境敏感点浓度，通过高斯扩散模型，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率包括：
通过高斯扩散模型，计算每个所述污染源排放的污染物到环境敏感点的落地浓度；
确定每个所述污染源排放的污染物的落地浓度对环境敏感点监测浓度的占比，所述占比为所述排放贡献率。
在本申请的第二方面，提供了一种大气污染溯源扩散分析装置，包括：
污染确定模块，用于根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源，所述污染源包括全排放污染源和部分排放污染源；
源强计算模块，用于计算所述污染源排放的污染物在所述污染源预设高度处的排放源强；
浓度确定模块，用于基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据所述排放源强，通过CALPUFF模型得到环境敏感点浓度；
贡献分析模块，用于根据所述环境敏感点浓度，通过高斯扩散模型，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率。
优选的，所述污染确定模块具体用于：
以所述环境敏感点的主导风向的上风向为中轴线，分别向左偏移第一预设角度、向右偏移第二预设角度确定污染源范围；
采集所述污染源范围内排放企业的边界信息，并根据所述边界信息确定所述污染源范围内排放企业为所述全排放污染源或所述部分排放污染源。
优选的，所述污染确定模块具体用于：
根据所述边界信息确定所述污染源范围内排放企业的边界落在所述污染源范围内的数量；
若所述污染源范围内排放企业的边界落在所述污染源范围内的数量超过边界总数量的一半，则将所述排放企业作为所述全排放污染源；
若所述污染源范围内排放企业的边界落在所述污染源范围内的数量不超过边界总数量的一半且大于0，则将所述排放企业作为所述部分排放污染源。
优选的，所述源强计算模块具体用于：
若所述污染源排放污染物的方式为无组织排放，则采用如下公式计算所述排放源强：
Figure BDA0003310370670000051
q＝Q/t
其中，q为排放源强，Q为监测浓度为Ch的时间段内的排放量，t为时间，H为排放源的有效高度，S0为企业面积，Ch为敏感点污染物的监测浓度，h为垂直层的高度；
若所述污染源排放污染物的方式为有组织排放，则直接获取排放口检测设备的检测数据作为排放源强。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本申请的实例的关键或重要特征，亦非用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本申请各实例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1是本申请实例中大气污染溯源扩散分析方法的流程图；
图2是本申请实例中污染源范围的示意图；
图3是本申请实例中步骤S120的流程图；
图4是本申请实例中全排放污染源和部分排放污染源的示意图；
图5是本申请实例中大气污染溯源扩散分析装置的方框图。
附图标记说明：1、污染确定模块；11、污染源范围确定单元；12、边界信息采集单元；13、污染源分类单元；2、源强计算模块；3、浓度确定模块；4、贡献分析模块。
具体实施方式
为使本申请实例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实例中的附图，对本申请实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参照图1，大气污染溯源扩散分析方法包括以下步骤：
步骤S100：根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源。
步骤S200：计算污染源排放的污染物在污染源预设高度处的排放源强。
步骤S300：基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据排放源强，通过CALPUFF模型得到环境敏感点总落地浓度。
步骤S400：根据环境敏感点总落地浓度，通过高斯扩散模型，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率。
在本申请实例中，以筛选出的工业园区或排放企业作为污染源，通过计算出污染源在预设高度处的排放源强，再将计算出的排放源强以及获取的其他数据带入CALPUFF模型，能够计算出各排放企业排放的污染物从不同高度处落到环境敏感点的落地浓度，通过这种方法计算出的落地浓度不仅考虑到水平方向污染物的扩散，同时考虑到了污染物在竖直方向上的扩散，从而提高了对大气污染物排放监测的空间精度，通过高斯扩散模型，还能够计算出每个污染源对环境敏感点污染物浓度的影响值。
下面对上述各步骤的具体实现方式进行介绍。
在本申请实例步骤S100中，环境敏感点是把环境敏感区域看成环境敏感点，是一个区域的泛指。例如，依法设立的各级各类自然、文化保护地，以及对建设项目的某类污染因子或者生态影响因子特别敏感的区域。
主导风向是指风频最大的风向角的范围，风向角范围一般在连续45度左右，对于以16方位角表示的风向，主导风向一般是指连续2～3个风向角的范围。本申请实例中，环境敏感点的主导风向是环境敏感点处风频最大的风向角范围，由风频最大的风向角范围可知环境敏感点的上风向。污染源是指对环境敏感点处造成污染的工业园区或工业园区中的排放企业。
在本申请实例中，根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源，可以通过环境敏感点处的主导风向的上风向来划定范围，落入划定的范围内的工业园区或工业园区中的排放企业，作为污染源。
需要说明的是，污染源包括全排放污染源和部分排放污染源。其中，全排放污染源是指该污染源全部区域排放的污染物都对选定的环境敏感点造成了污染；部分排放污染源是指该污染源部分区域排放的污染物对选定的环境敏感点造成了污染。
在一些实例中，步骤S100包括以下步骤：
步骤S110(不在图中示出)：以环境敏感点的主导风向的上风向为中轴线，分别向左偏移第一预设角度、向右偏移第二预设角度确定污染源范围。
示例地，参照图2，选择一个环境敏感点，从气象局网中调取该环境敏感点的主导风向信息，将主导风向信息以图像形式显示在已有的GIS地形图中，根据显示的主导风向确定该环境敏感点的上风向区域。以主导风向的上风向为中轴线，设定第一预设角度和第二预设角度为90°，所选取夹角180°的范围为污染源范围。
步骤S120(不在图中示出)：采集污染源范围内污染源的边界信息，并根据边界信息确定污染源范围内污染源为全排放污染源或部分排放污染源。
需要说明的是，污染源的边界信息包括：工业园区边界的经纬度以及工业园区中各排放企业边界的经纬度，经纬度可以从地形数据库中调取获得。
在一些实例中，参照图3，步骤S120包括以下步骤：
步骤S121：根据边界信息确定污染源范围内污染源的边界信息落在污染源范围内的数量。
步骤S122：若污染源范围内污染源的边界信息落在污染源范围内的数量超过各污染源边界信息总数量的一半，则将污染源作为全排放污染源。
步骤S123：若污染源范围内污染源的边界信息落在污染源范围内的数量不超过各污染源边界信息总数量的一半且大于0，则将污染源作为部分排放污染源。
示例地，参照图4，确定污染源范围后，根据污染源范围筛选出工业园区A中的排放企业A1以及工业园区B中的排放企业B1为选定环境敏感点的疑似污染源，从地形数据库中调取出工业园区A、排放企业A1、工业园区B以及排放企业B1的边界经纬度。其中，排放企业A1总边界经纬度数量为20个，落入污染源范围内的边界经纬度数量为15个；排放企业B1总边界经纬度数量为30个，落入污染源范围内的边界经纬度数量为12个。则判断排放企业A1为全排放污染源，排放企业B1为部分排放污染源。
在本申请实例步骤S200中，排放源强是指污染源排放污染物的强度，及污染源在单位时间内的排放量。
在一些实例中，污染物在污染源预设高度处的排放源强可以采用如下方法：
若污染源排放污染物的方式为无组织排放，则采用如下公式计算排放源强：
Figure BDA0003310370670000081
q＝Q/t
其中，q为排放源强，Q为监测浓度为Ch的时间段内的排放量，t为监测浓度达到Ch所用的时间，H为排放源的有效高度，S0为企业面积，Ch为环境敏感点污染物的监测浓度，h为垂直层的高度。
需要说明的是，无组织排放是指非密闭式工艺过程中的无组织、间歇式的排放。排放源的有效高度H具体为：排放源排放的大气污染物能够达到的高度，即污染物浓度无限趋近于0时的高度，通常情况下为15米。垂直层的高度h具体为：环境敏感点监测污染浓度的垂直高度。环境敏感点污染物的监测浓度Ch可以通过监测专用仪器来直接获取。
若污染源排放污染物的方式为有组织排放，则直接获取排放口检测设备的检测数据作为排放源强。
需要说明的是，有组织排放是指通过特定的排放口来进行的排放。每个排放口都安装有空气质量与污染源废气监测专用仪器来对污染物的排放源强进行检测。
在本申请实例步骤S300中，污染源的局地气象数据和污染源所处城市探空气象数据可以从气象数据网中直接调取，城市地形数据可以从地形数据库中调取获得。落地浓度是指在一定源强和气象条件下高架点源在其下风向的地面造成的浓度。
在一些实例中，步骤S300包括以下步骤：
步骤S310(不在图中示出)：将污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据、城市地形数据以及排放源强输入CALPUFF模型，计算网格点的污染因子的浓度值。
需要说明的是，CALPUFF模型采用烟团函数分割方法，垂直坐标采用地形追随坐标，水平结构为等间距的网格。在本实例中是以污染工业园区为中心，在计算出的污染源范围内划分出的网格点。
步骤S320(不在图中示出)：进行插值运算得到预设网格精度的环境敏感点总落地浓度。
在步骤S400中，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率，具体包括污染源范围内的各排放企业对环境敏感点的排放贡献率、污染源范围内的各工业园区对环境敏感点的排放贡献率。
在一些实例中，步骤S400包括以下步骤：
步骤S410(不在图中示出)：通过高斯扩散模型，计算每个污染源排放的污染物到环境敏感点的落地浓度。
需要说明的是，这里污染源是指排放企业，即计算落在污染源范围内的排放企业排放的污染物到环境敏感点的落地浓度。通过高斯扩散模型可以将污染源范围内的所有排放企业等效成单个的污染排放点源，再来计算排放企业排放的污染物到环境敏感点的落地浓度。
步骤S420(不在图中示出)：确定每个污染源排放的污染物的落地浓度对环境敏感点监测浓度的占比，计算出的占比即为排放贡献率。
具体地，先计算各排放企业到环境敏感点的落地浓度相对于通过CALPUFF模型计算出的环境敏感点总落地浓度的占比，计算出的比值即为各排放企业对环境敏感点的排放贡献率。再将工业园区中所有排放企业到环境敏感点的落地浓度求和，即为该工业园区到环境敏感点的落地浓度，并计算各工业园区到环境敏感点的落地浓度相对于环境敏感点总落地浓度的占比，计算出的比值即为工业园区对环境敏感点的排放贡献率。
另一方面，本申请实例提供一种大气污染溯源扩散分析装置。
参照图5，该装置包括用于根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源的污染确定模块1、用于计算污染源排放的污染物在污染源预设高度处的排放源强的源强计算模块2、用于获得环境敏感点总落地浓度的浓度确定模块3以及用于确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率的贡献分析模块4。
需要说明的是，污染源包括全排放污染源和部分排放污染源，污染源还具体为对环境敏感点处造成污染的工业园区或工业园区中的排放企业。环境敏感点浓度是基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据排放源强，通过CALPUFF模型计算来获得。
在实际应用中，污染确定模块1确定对环境敏感点造成污染的污染源。污染源确定后，通过源强计算模块2计算出污染源排放的污染物在污染源预设高度处的排放源强，源强计算模块2将计算出的排放源强输出至浓度确定模块3。浓度确定模块3根据获得的排放源强能够计算出污染物从不同高度处扩散到环境敏感点的总落地浓度，浓度确定模块3将计算出的环境敏感点的总落地浓度输出至贡献分析模块4，贡献分析模块4根据获取的环境敏感点的总落地浓度计算出各污染源对环境敏感点的排放贡献率，从而来分析各污染源对环境敏感点污染物浓度的影响。
在一些实例中，污染确定模块1具体包括污染源范围确定单元11、边界信息采集单元12以及污染源分类单元13。
其中，污染源范围确定单元11用于以环境敏感点的主导风向的上风向为中轴线，分别向左偏移第一预设角度、向右偏移第二预设角度确定污染源范围。
需要说明的是，污染源范围确定单元11与气象数据网关联，选定环境敏感点后，从气象数据网中直接调取该环境敏感点的风向信息，调取的风向信息以图像的形式显示在已有的GIS地形图中，即可看出主导风向，根据显示的主导风向确定环境敏感点上风向的区域。
边界信息采集单元12用于采集污染源范围内污染源排放企业的边界信息。
需要说明的是，污染源的边界信息包括：工业园区边界的经纬度以及工业园区中各排放企业边界的经纬度。将边界信息采集单元12与地形数据库关联，经纬度可以从地形数据库中调取获得。
污染源分类单元13用于确定污染源范围内污染源排放企业为全排放污染源或部分排放污染源。
在一些实例中，污染源分类单元13具体用于根据边界信息确定污染源范围内排放企业的边界落在污染源范围内的数量；若污染源范围内排放企业的边界落在污染源范围内的数量超过边界总数量的一半，则将排放企业作为全排放污染源；若污染源范围内排放企业的边界落在污染源范围内的数量不超过边界总数量的一半且大于0，则将排放企业作为部分排放污染源。
在一些实例中，源强计算模块2具体用于：
若污染源排放污染物的方式为无组织排放，则采用如下公式计算排放源强：
Figure BDA0003310370670000121
q＝Q/t
其中，q为排放源强，Q为监测浓度为Ch的时间段内的排放量，t为监测浓度达到Ch所用的时间，H为排放源的有效高度，S0为企业面积，Ch为环境敏感点污染物的监测浓度，h为垂直层的高度。
若污染源排放污染物的方式为有组织排放，则直接获取排放口检测设备的检测数据作为排放源强。
以上均为本申请的较佳实例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大气污染溯源扩散分析方法，其特征在于，包括：
根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源，所述污染源包括全排放污染源和部分排放污染源；
计算所述污染源排放的污染物在所述污染源预设高度处的排放源强；
基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据所述排放源强，通过CALPUFF模型得到环境敏感点总落地浓度；
根据所述环境敏感点总落地浓度，通过高斯扩散模型，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源包括：
以所述环境敏感点的主导风向的上风向为中轴线，分别向左偏移第一预设角度、向右偏移第二预设角度确定污染源范围；
采集所述污染源范围内污染源的边界信息，并根据所述边界信息确定所述污染源范围内污染源为所述全排放污染源或所述部分排放污染源。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述边界信息确定所述污染源范围内污染源为所述全排放污染源或所述部分排放污染源包括：
根据所述边界信息确定所述污染源范围内污染源的边界信息落在所述污染源范围内的数量；
若所述污染源范围内污染源的边界信息落在所述污染源范围内的数量超过各所述污染源边界信息总数量的一半，则将所述污染源作为所述全排放污染源；
若所述污染源范围内污染源的边界信息落在所述污染源范围内的数量不超过各所述污染源边界信息总数量的一半且大于0，则将所述污染源作为所述部分排放污染源。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述污染源排放的污染物在所述污染源预设高度处的排放源强包括：
若所述污染源排放污染物的方式为无组织排放，则采用如下公式计算所述排放源强：
Figure FDA0003310370660000021
q＝Q/t
其中，q为排放源强，Q为监测浓度为Ch的时间段内的排放量，t为监测浓度达到Ch所用的时间，H为排放源的有效高度，S0为企业面积，Ch为环境敏感点污染物的监测浓度，h为垂直层的高度；
若所述污染源排放污染物的方式为有组织排放，则直接获取排放口检测设备的检测数据作为排放源强。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据所述排放源强，通过CALPUFF模型得到环境敏感点总落地浓度包括：
将所述污染源的局地气象数据、所述污染源所处城市探空气象数据、所述城市地形数据以及所述排放源强输入CALPUFF模型，计算网格点的污染因子的浓度值；
进行插值运算得到预设网格精度的所述环境敏感点总落地浓度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述环境敏感点总落地浓度，通过高斯扩散模型，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率包括：
通过高斯扩散模型，计算每个所述污染源排放的污染物到环境敏感点的落地浓度；
确定每个所述污染源排放的污染物的落地浓度对环境敏感点监测浓度的占比，所述占比为所述排放贡献率。
7.一种大气污染溯源扩散分析装置，其特征在于，包括：
污染确定模块，用于根据环境敏感点和环境敏感点处主导风向的上风向确定污染源，所述污染源包括全排放污染源和部分排放污染源；
源强计算模块，用于计算所述污染源排放的污染物在所述污染源预设高度处的排放源强；
浓度确定模块，用于基于污染源的局地气象数据、污染源所处城市探空气象数据和城市地形数据，根据所述排放源强，通过CALPUFF模型得到环境敏感点总落地浓度；
贡献分析模块，用于根据所述环境敏感点总落地浓度，通过高斯扩散模型，确定污染源排放的污染物对环境敏感点的排放贡献率。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述污染确定模块具体用于：
以所述环境敏感点的主导风向的上风向为中轴线，分别向左偏移第一预设角度、向右偏移第二预设角度确定污染源范围；
采集所述污染源范围内污染源的边界信息，并根据所述边界信息确定所述污染源范围内污染源为所述全排放污染源或所述部分排放污染源。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述污染确定模块具体用于：
根据所述边界信息确定所述污染源范围内污染源的边界信息落在所述污染源范围内的数量；
若所述污染源范围内污染源的边界信息落在所述污染源范围内的数量超过各所述污染源边界信息总数量的一半，则将所述污染源作为所述全排放污染源；
若所述污染源范围内污染源的边界信息落在所述污染源范围内的数量不超过各所述污染源边界信息总数量的一半且大于0，则将所述污染源作为所述部分排放污染源。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述源强计算模块具体用于：
若所述污染源排放污染物的方式为无组织排放，则采用如下公式计算所述排放源强：
Figure FDA0003310370660000041
q＝Q/t
其中，q为排放源强，Q为监测浓度为Ch的时间段内的排放量，t为监测浓度达到Ch所用的时间，H为排放源的有效高度，S0为企业面积，Ch为环境敏感点污染物的监测浓度，h为垂直层的高度；
若所述污染源排放污染物的方式为有组织排放，则直接获取排放口检测设备的检测数据作为排放源强。
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