大气污染不仅会对人类身体健康造成重大的威胁, 还对城市等基础设施造成巨大的经济损失, 从而制约社会经济正常的发展^[1]。由于大气污染现象的独特性和不确定性, 在研究此类问题中增添了不少的困难, 其数据获取和数据分析往往采用原始的统计分析报告进行描述, 这类问题的数据资源共享和更新已远远不能适应日益发展的城市环境管理工作需求^[2]。因此, 将这些传统学科的分析结论与GIS空间分析手段结合起来, 建立基于GIS技术的大气环境污染扩散模拟与评价系统必将能为环境管理部门和相关机构治理大气污染提供一个良好的解决方案。

大气污染扩散模拟与评价系统利用ArcEngine组件, 运用C# 2005开发工具模拟评价城市大气环境的污染扩散情况。研究区选取山西省太原市, 系统将研究区的空间与属性数据库存储于SQL Server 2000服务器中, 采用ArcSDE数据引擎进行访问, 实现数据的并发访问与管理。该系统能为城市大气污染源评价、大气质量评价、大气质量模拟、空气质量分析预测以及空气污染损失分析进行科学高效管理, 为环境管理的信息化和现代化提供可靠的技术支持。

首先收集研究区原有的地形、地貌、大气特征、污染源、气象及风向等数据资料, 并按数据库规则将这些数据进行相应的综合、整理、筛选、归纳及转换, 建立以ArcGIS数据结构为标准的多源空间数据库和相关属性数据库^[3]。多源数据库的建立为大气污染扩散模拟及大气质量评价分析提供数据支持。

系统开发设计的总体思想是采用.NET平台和ArcEngine组件开发, 通过ArcSDE和专用开发数据接口, 来管理和转换空间数据及属性数据, 并为其提供动态的数据交换功能^[4]。系统从结构功能上由3大功能模块构成, 即大气环境数据库系统、大气污染GIS操作平台和大气污染GIS应用平台。其中大气环境数据库系统是系统构建的基础, 主要由数据获取、数据组织存储和数据管理等部分组成; 大气污染GIS操作平台主要提供GIS基本功能及其基础操作环境, 主要由空间数据查询、空间数据编辑、空间数据发布、空间分析、等值线分析以及数据管理等部分组成; 大气污染GIS应用平台主要提供基于GIS的大气污染模拟应用和评价分析功能, 该部分是系统构建的核心。系统的总体结构设计如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 系统总体结构Fig.1 Whole structure of the information system

系统数据库的设计主要遵循当前业务需求和中、远期目标相结合的原则, 并充分考虑到大气环境保护工作保护机构职能的可调整性和可扩展性, 同时还要注意到系统数据专用性和通用性的相结合^[5]。因而, 系统数据库采用的面向对象的设计技术, 以保证系统的灵活性, 并使系统的各个模块可以方便地组合搭配, 各职能部门可以灵活地配置功能。系统数据库的建立分为空间数据库和属性数据库, 其中空间数据库主要包括基础地理信息(如道路网、学校、医院、街区、行政区划、河流等)和专题图数据(如污染源、监测点、排污口以及功能分区数据等), 属性数据库主要包括污染源信息、排污口信息、监测站信息、污染物信息、污染源实时监测数据、监测站实时监测数据、污染源排放情况日数据、污染源排放警报数据、监测站监测警报数据、污染事故详细数据、空气质量分析数据、用户信息表等。

系统数据库的建立从结构功能上分为模型模块、数据模块和用户接口模块3大类。这样划分主要考虑到模型和用户接口之间并没有直接的联系, 数据模块便为模型和用户接口提供数据链接。在系统数据库存储结构上, 将收集整理到的所有空间数据与属性数据全部存储在SQL Server 2000数据仓库中, SQL Server数据仓库中数据主要包括通过ArcSDE管理的空间数据和系统底层的属性数据(包括污染源数据、环境质量数据、气象数据3部分)。系统数据库的具体构建流程如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 数据库构建流程Fig.2 The flow of establishing the database

系统按功能划分主要分为GIS基本功能、污染源分析、大气质量评价、大气质量模拟、空气质量分析等。其中, GIS的基本功能主要具备电子地图的基本功能, 其他功能模块是本系统的专有特色功能模块。具体如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 系统主要功能结构Fig.3 Frame of the information system in the designed development

(1) 污染源分析模块。该模块主要包括污染源管理、污染源识别和污染源浓度分析3部分。污染源管理主要登记与管理污染源(企业)基本信息以及污染源内排污口信息; 污染源识别将采集和存储各污染源排污口排污情况, 并与预设的报警上下限进行实时比较, 一旦浓度值超出预设标准, 将立即产生报警信息, 污染源也将高亮显示; 污染源浓度分析主要通过一定的推算方法来判断出污染源信息, 并绘制出污染因子贡献率图来分析判断污染浓度分布情况。

(2) 大气质量评价模块。该模块主要包括环境质量统计分析和区域浓度分析两部分。其中环境质量统计分析按其类型又可分为点状污染源、线状污染源和面状污染源3种类型。区域浓度分析是采用插值分析方法从而得到一定时期内某种污染物在各地区的浓度分布情况。由于质量评价涉及到的内容很多, 在该系统主要采用基于网格的对各类污染源进行宏观和微观的浓度评价与分析。

(3) 大气质量模拟模块。该模块主要是通过数值方法对研究区内空气质量进行数值模拟, 并采用GIS空间分析方法显示出来的一个过程。同时该功能还适用于重大危险污染源泄露时, 对周围居民点、植被、建筑物的影响情况分析。该模块还能通过ArcEngine的时态分析功能, 对污染源扩散进行动态模拟分析, 并能得出每个时刻段污染源动态模拟扩散影响范围, 为其相关部门进行应急决策支持提供服务。

(4) 空气质量分析模块。该模块包括大气污染指数评价法、神经网络评价法和污染损失分析3种分析方法。其中, 大气污染指数评价法又分为两种模式, 第一种模式是利用大气污染监测结果和大气环境质量标准来综合评价现实的大气环境质量对人类社会发展需要的满足程度; 第二种模式是通过大气质量评价子系统得到的基于网格的评价结果, 进行矢量叠加分析, 创建包含多个评价因子的新图层后, 再调用空气质量评价模型进行评价, 最后以专题图等形式得出评价分析结果。

神经网络评价法是将BP网络模型引入到大气污染评价预报中, 并根据大气污染物含量与气象要素的关系建立大气污染物含量的神经网络预报模型^{[6, 7]}。系统采用将图元区域的各项因素指标值, 写入中间数据库, 供人工神经网络分析模型直接调用, 将分析预测结果通过GIS生成专题图, 真正实现GIS数据与评价分析模型的无缝连接。污染损失分析法是在建立空气污染损失模型基础上, 对人体健康损失、农作物损失、森林损失、建筑物材料损失和生态系统损失进行分析判断, 从而得出相应的分析结果。该方法的实现能对环境影响情况做出较为综合客观的评估。

大气污染扩散模拟与评价系统选取太原市系统研究区, 利用ArcEngine组件和C# 2005集成开发技术, 将数学模型与GIS空间分析手段集成, 应用到大气环境污染治理、模拟与评价中。系统不仅实现了GIS支持下的大气污染扩散模拟结果的可视化表达, 并在此基础上完成了城区空气质量的评价, 为城市区域大气环境管理与质量评价提供有效的辅助手段。系统在收集整理城区大气环境基础信息的基础上, 根据数据特点及用户要求建立了空间数据库、属性数据库与模型数据库, 实现了对大气污染源的管理、查询和分析等功能, 并基于网格对各类污染源进行了宏观和微观的浓度预测与分析, 为大气污染扩散的模拟及防治提供了操作分析平台。系统的实现充分体现出GIS空间分析手段与专业模拟综合集成应用的强大功能, 为其他相关污染扩散模拟与评价提供了可靠的解决途径。