張 科，張照杰，李 娜

浙江正元地理信息有限責(zé)任公司，浙江 德清 313200

0 引 言

近年來，生態(tài)環(huán)境污染事件頻發(fā)，尤其是化學(xué)品泄露、火災(zāi)和爆炸等污染事件，常常會有大量污染氣體排放到空中。有毒有害氣體的擴(kuò)散，會對周邊的環(huán)境造成較大的影響，需要及時掌握污染氣體擴(kuò)散的影響范圍，選擇合理的應(yīng)急監(jiān)測方案進(jìn)行應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和周邊敏感源的分布情況，及時疏散群眾，盡可能減少氣體污染的影響和損害[1]。

當(dāng)前，對于工業(yè)污染源大氣污染物的擴(kuò)散模式，國內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究成果，主要是以高斯公式、拉格朗日方法、歐拉方法為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，對于污染物周邊的監(jiān)測數(shù)據(jù)、周邊精細(xì)化氣象數(shù)據(jù)均有需求，能夠滿足不同區(qū)域尺度的數(shù)值模擬，應(yīng)用范圍較廣泛。研究主要集中在氣象污染預(yù)報等方面，應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境應(yīng)急指揮調(diào)度的研究還較少。生態(tài)環(huán)境應(yīng)急指揮調(diào)度中監(jiān)測點(diǎn)的選擇大多依賴專家團(tuán)隊的經(jīng)驗判斷，生態(tài)環(huán)境應(yīng)急應(yīng)用場景中，不能快速掌握實況，輔助決策，亟需通過數(shù)字化的手段，提升應(yīng)急指揮決策的科學(xué)性和決策效率。

本文研究的主要目的是通過多源數(shù)據(jù)融合的手段，利用數(shù)字孿生的理念，實現(xiàn)數(shù)字化輔助決策。通過收集和梳理詳盡的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)和地表覆蓋數(shù)據(jù)，融合環(huán)境自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)及精細(xì)化氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維空間的、動態(tài)的數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境，模擬空氣污染擴(kuò)散及變化場景，掌握空氣中污染物分布及變化情況。同時，建立氣體擴(kuò)散簡易模型，結(jié)合平流輸送、擴(kuò)散、干濕沉降、氣相等因子，在水平方向和豎直方向上計算污染氣體擴(kuò)散范圍及濃度變化情況，以此來確定生態(tài)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測點(diǎn)位的布置策略。當(dāng)生態(tài)環(huán)境事故發(fā)生時，根據(jù)周邊敏感源的分布情況，智能化選擇應(yīng)急監(jiān)測方案，是生態(tài)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測平臺亟需要解決的問題[2]。本文利用模型分析結(jié)果，根據(jù)時間的演變，預(yù)先將事故點(diǎn)污染物擴(kuò)散進(jìn)行分析，區(qū)分出各時間階段的可能影響區(qū)域及最大污染物濃度，按照污染物濃度影響嚴(yán)重程度，提取周邊敏感源信息，根據(jù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測要求，科學(xué)選擇環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測方案，合理設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)位，并應(yīng)用到應(yīng)急指揮調(diào)度過程中去，保障環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置的合理性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用價值。

1 總體設(shè)計思路

數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，主要是基于精細(xì)化基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，以山、水、林、田、湖三維自然地理實體搭建城市底座，采用全域高精度DEM 數(shù)字高程模型反映地形起伏變化，利用基礎(chǔ)建筑模型，搭建真實的氣體擴(kuò)散場景。梳理化工園區(qū)、企業(yè)、運(yùn)輸車船等存在污染應(yīng)急事件的污染源點(diǎn)位、區(qū)域矢量、污染物種類、潛在污染事件、污染物危害及適用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等作為重點(diǎn)分析研究對象，將居民生活區(qū)、學(xué)校、商場、醫(yī)院等敏感區(qū)劃分成矢量數(shù)據(jù)，作為重點(diǎn)分析對象。結(jié)合物聯(lián)感知掌握生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀，作為數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境的動態(tài)感知層，利用氣象智能化網(wǎng)格模型、污染擴(kuò)散模型等模擬生態(tài)環(huán)境的變化趨勢，模擬分析數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境的未來變化[3-4]。

發(fā)生環(huán)境污染應(yīng)急事件時，通過系統(tǒng)分析事件發(fā)生位置的可能污染物和可能造成的危害，查找周邊現(xiàn)有監(jiān)測點(diǎn)位和監(jiān)控攝像頭等數(shù)據(jù)，分析周邊的地形，主要是人員聚集區(qū)、周邊水系和各類敏感點(diǎn)。系統(tǒng)快速生成第一次應(yīng)急處置方案、現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)位建議，主要是事故點(diǎn)周邊近距離范圍監(jiān)測。

首次監(jiān)測情況獲取反饋后，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)、人員上報污染源點(diǎn)位位置、污染物名稱、污染物數(shù)量等核實信息，通過系統(tǒng)建設(shè)好的污染物擴(kuò)散模型，結(jié)合事故點(diǎn)地理狀況以及氣象條件，對污染擴(kuò)散進(jìn)行分析。分析隨著時間、污染影響區(qū)域的變化，區(qū)分影響污染嚴(yán)重程度的等級，根據(jù)事故類型和污染擴(kuò)散情況，進(jìn)一步生成和調(diào)整重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)位、監(jiān)測項目、監(jiān)測技術(shù)方案等，輔助應(yīng)急決策方案制定。

2 空氣污染擴(kuò)散研究

空氣污染擴(kuò)散研究，主要分析模擬污染物擴(kuò)散的可能區(qū)域和濃度的變化趨勢，是確定應(yīng)急監(jiān)測點(diǎn)的主要依據(jù)之一。監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)根據(jù)監(jiān)測要求和原則，需要對特定濃度區(qū)域和危害嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，外圍監(jiān)測主要作用是確認(rèn)危害區(qū)域范圍（圖1）。

圖1 空氣污染擴(kuò)散范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of air pollution diffusion range

2.1 空氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)

空氣數(shù)據(jù)采集利用已有的自動監(jiān)測站結(jié)合移動監(jiān)測設(shè)備獲取，空氣自動監(jiān)測站獲取空氣污染情況數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標(biāo)包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3，氣象要素包括溫度、濕度、風(fēng)速、降水等，預(yù)測數(shù)據(jù)采用智能網(wǎng)格預(yù)測，短臨預(yù)報結(jié)合雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)具體監(jiān)測站點(diǎn)的特點(diǎn)及監(jiān)測需求，部分站點(diǎn)也會將VOC、NH3、H2S 等監(jiān)測儀器納入標(biāo)準(zhǔn)空氣站中。超級監(jiān)測站的主要功能在于通過多維度、多組分污染物精細(xì)化監(jiān)測，分析區(qū)域大氣污染特征、成因及來源。小型、微型空氣站是目前網(wǎng)格化監(jiān)測的主要監(jiān)測手段，利用傳感器原理，對各主要污染物（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3、TVOC、NH3、H2S 等）進(jìn)行實時快速監(jiān)測。

2.2 大氣污染物擴(kuò)散模式研究

1）湍流擴(kuò)散。湍流是大氣的無規(guī)則運(yùn)動，擴(kuò)散速度快，主要取決于風(fēng)速的脈動和風(fēng)向的擺動，形成的主要原因是溫度在垂直方向上的不穩(wěn)定和不均勻，以及垂直方向上風(fēng)速分布不均勻和地面粗糙度不同[5-10]。

2）高斯擴(kuò)散。高斯模式假定坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)，y為橫風(fēng)向，z 為垂直向。假定，連續(xù)點(diǎn)源污染物濃度在y、z 風(fēng)向上分布符合正態(tài)分布，全部空間高度上風(fēng)速是均勻穩(wěn)定的，污染源強(qiáng)度是連續(xù)均勻穩(wěn)定的，擴(kuò)散過程中污染物物質(zhì)的質(zhì)量是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化情況）[7]。

3）無界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散。由正態(tài)分布的假定可以得出，下風(fēng)向任一點(diǎn)（x，y，z)的污染物濃度分布函數(shù)為：

2.3 簡化計算方式

多種模式計算各有優(yōu)劣，均需要假設(shè)部分理想條件，在實際應(yīng)用過程中，受限于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取，應(yīng)急場景的不確定性和已有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及氣象精細(xì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)，需要結(jié)合實際情況，采用相應(yīng)的簡化計算模型和多次糾正的方式開展應(yīng)用，針對爆炸等特殊情況，還需要用到。本文將監(jiān)測站數(shù)據(jù)與三維數(shù)字孿生場景結(jié)合，模擬質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，反映污染物濃度變化，集成各時段的風(fēng)速、風(fēng)向，分析污染傳輸路徑按照質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡來判斷污染物顆粒的擴(kuò)散[8-9]。

首先假定質(zhì)點(diǎn)的軌跡是隨著風(fēng)場而運(yùn)動的，第一猜測值點(diǎn)位描述為，上一時刻點(diǎn)位坐標(biāo)加上上一時刻點(diǎn)位的風(fēng)速與時長乘積，即：P'(t+Δt)=P(t)+V(P，t)Δt，軌跡是質(zhì)點(diǎn)在空間和時間上的積分。質(zhì)點(diǎn)所在位置的矢量速度在時間和空間上都是線性插值得出，計算方式為當(dāng)前時刻點(diǎn)與下一時刻點(diǎn)的矢量速度平均值，即：

下一時刻質(zhì)點(diǎn)的位置是由上一時刻的平均速度和第一猜值所在點(diǎn)的速度平均后與時間步長的乘積而得到的。

3 環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測方法研究

應(yīng)急監(jiān)測點(diǎn)位選擇。在上述數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境建設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)污染物類型、濃度、擴(kuò)散模型分析影響區(qū)域等，按照生態(tài)環(huán)境部及相關(guān)研究確定的選點(diǎn)原則和標(biāo)準(zhǔn)，參考應(yīng)急管理部門以及安全生產(chǎn)相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，并在一定程度上進(jìn)行程序可實現(xiàn)性修改后，實現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境應(yīng)急指揮調(diào)度中的監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)方案，給出輔助決策的建議。

應(yīng)急監(jiān)測應(yīng)當(dāng)在盡可能短的時間內(nèi)，以有足夠代表性的監(jiān)測信息，為突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急決策提供可靠依據(jù)。應(yīng)急監(jiān)測分為污染態(tài)勢初步研判和跟蹤監(jiān)測兩個階段。在污染態(tài)勢初步研判階段，應(yīng)急監(jiān)測的目標(biāo)是盡快確定污染物種類、監(jiān)測項目及污染范圍；在跟蹤監(jiān)測階段，應(yīng)急監(jiān)測的目標(biāo)是快速獲取污染物濃度及變化趨勢信息[10]。

1）監(jiān)測點(diǎn)位選擇。大氣監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)應(yīng)考慮交通狀況、人員安全等，確保采樣的可行性和方便性，并根據(jù)污染態(tài)勢動態(tài)調(diào)整。同時，監(jiān)測點(diǎn)位應(yīng)合理編號，并采用插牌固定等方式進(jìn)行明顯標(biāo)記，防止樣品混淆。

根據(jù)不同污染物成分選擇不同污染物的監(jiān)測手段、監(jiān)測設(shè)備（移動監(jiān)測設(shè)備和實驗室取樣）、監(jiān)測點(diǎn)位選?。ㄎ恢镁嚯x、供電分析、敏感區(qū)和交通條件）和點(diǎn)位信息（坐標(biāo)和鏈接導(dǎo)航）。

2）污染擴(kuò)散分析。事故發(fā)生后，以事故發(fā)生地為中心，根據(jù)地理特點(diǎn)、當(dāng)時盛行風(fēng)向以及其他自然條件，在事故發(fā)生地下風(fēng)向（污染物漂移云團(tuán)經(jīng)過的路徑）影響區(qū)域等位置，按一定間隔的圓形布點(diǎn)采樣，并根據(jù)污染物的特點(diǎn)在不同高度采樣，同時在事故點(diǎn)的上風(fēng)向適當(dāng)位置布設(shè)對照點(diǎn)。在距事故發(fā)生地最近的不同風(fēng)向的敏感區(qū)域應(yīng)布點(diǎn)采樣，采樣過程中應(yīng)注意風(fēng)向的變化，及時調(diào)整采樣點(diǎn)的位置[6]。

3）監(jiān)測項目確定。優(yōu)先選擇突發(fā)環(huán)境事件特征污染物作為監(jiān)測項目。特征污染物一般是事件中排放量較大或超標(biāo)倍數(shù)較高，對生態(tài)環(huán)境有較大影響，可以表征事態(tài)發(fā)展的污染物。根據(jù)事件類型、污染源特征、生產(chǎn)工藝等，并結(jié)合事件發(fā)生地周邊環(huán)境本底值情況和應(yīng)急監(jiān)測初篩結(jié)果確定特征污染物。

4）監(jiān)測方法確定。根據(jù)突發(fā)環(huán)境事件的類型、污染物種類和環(huán)境影響情況，綜合考慮應(yīng)急監(jiān)測能力、現(xiàn)場監(jiān)測條件以及監(jiān)測方法優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)不同應(yīng)急階段的監(jiān)測需求，選擇合適的監(jiān)測方法。在滿足環(huán)境應(yīng)急處置需要的前提下，有多種應(yīng)急監(jiān)測方法可選時，應(yīng)優(yōu)先選擇國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)認(rèn)可的監(jiān)測方法，為突發(fā)環(huán)境事件的事后定性定級、司法鑒定以及環(huán)境損害評估等提供數(shù)據(jù)支撐，如有必要可留樣送實驗室分析。對于跨省突發(fā)環(huán)境事件，受影響地區(qū)應(yīng)共同商定應(yīng)急監(jiān)測方法，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)互通互認(rèn)。

5）監(jiān)測頻次確定。監(jiān)測頻次主要根據(jù)處置情況和污染物濃度變化態(tài)勢確定。力求以最合理的監(jiān)測頻次，做到既具備代表性、能滿足處置要求，又切實可行。應(yīng)急初期，控制點(diǎn)位原則上每1 ～2 h 開展一次監(jiān)測，各控制點(diǎn)位采樣時間應(yīng)保持一致。后期可視情況動態(tài)調(diào)整。其中，用于發(fā)布信息的點(diǎn)位原則上每天監(jiān)測次數(shù)不少于1 次。

6）采樣監(jiān)測及信息反饋。應(yīng)急監(jiān)測采樣時，采樣人員應(yīng)拍照并記錄采樣斷面經(jīng)緯度位置、采樣時間和周邊情況等，數(shù)據(jù)采集后及時推送到指揮調(diào)度系統(tǒng)。

4 應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本文選取某區(qū)域化工園區(qū)火災(zāi)為例，利用系統(tǒng)給出的選點(diǎn)建議，進(jìn)行點(diǎn)位的實際布設(shè)和污染物濃度監(jiān)測，通過污染物濃度監(jiān)測結(jié)果，驗證選點(diǎn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可參考價值。

4.1 計算結(jié)果及監(jiān)測數(shù)據(jù)對照

污染擴(kuò)散計算及應(yīng)急監(jiān)測方案選擇見表1。

表1 應(yīng)急監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)表Tab.1 Comparison of different emergency monitoring points

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總情況

針對特征污染物監(jiān)測，2020 年11 月9 日至10 日事故周邊監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖2 所示，11 月11 日至20 日監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖2 11 月9—10 日周邊特征污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.2 Monitoring data of surrounding characteristic pollutants from November 9 to 10

圖3 11 月11—20 日特征污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.3 Monitoring data of characteristic pollutants from November 11 to 20

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)可以了解，除了最遠(yuǎn)的兩個點(diǎn)位監(jiān)測數(shù)據(jù)不明顯，其余位置均采集到濃度高峰數(shù)據(jù)，可以初步判定監(jiān)測點(diǎn)位及污染物選擇準(zhǔn)確。但由于事故點(diǎn)周邊監(jiān)測點(diǎn)位檢測時間，距離事故發(fā)生時間約2 h，數(shù)據(jù)部分缺失，應(yīng)在事故發(fā)生的第一時間，對周邊環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測，得到最高濃度數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

本文通過數(shù)字孿生生態(tài)環(huán)境下如何細(xì)化污染源、污染物及其危害，簡單分析污染物擴(kuò)散運(yùn)算，依據(jù)數(shù)字化分析結(jié)果，介紹如何選擇相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)位，再將這些點(diǎn)位的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的對比，不斷查找監(jiān)測方案的不足，實現(xiàn)推薦監(jiān)測方案精準(zhǔn)化。但是，由于環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測案例的數(shù)量有限，數(shù)據(jù)的獲取量還不足，監(jiān)測方案自動生成大多參考經(jīng)驗及預(yù)案，還有很大改進(jìn)空間。