数字孪生生态环境下空气污染扩散应急监测方法研究

张 科，张照杰，李 娜

浙江正元地理信息有限责任公司，浙江 德清 313200

0 引 言

近年来，生态环境污染事件频发，尤其是化学品泄露、火灾和爆炸等污染事件，常常会有大量污染气体排放到空中。有毒有害气体的扩散，会对周边的环境造成较大的影响，需要及时掌握污染气体扩散的影响范围，选择合理的应急监测方案进行应急环境监测，根据监测数据和周边敏感源的分布情况，及时疏散群众，尽可能减少气体污染的影响和损害[1]。

当前，对于工业污染源大气污染物的扩散模式，国内外已经有大量的研究成果，主要是以高斯公式、拉格朗日方法、欧拉方法为基础进行计算，对于污染物周边的监测数据、周边精细化气象数据均有需求，能够满足不同区域尺度的数值模拟，应用范围较广泛。研究主要集中在气象污染预报等方面，应用于生态环境应急指挥调度的研究还较少。生态环境应急指挥调度中监测点的选择大多依赖专家团队的经验判断，生态环境应急应用场景中，不能快速掌握实况，辅助决策，亟需通过数字化的手段，提升应急指挥决策的科学性和决策效率。

本文研究的主要目的是通过多源数据融合的手段，利用数字孪生的理念，实现数字化辅助决策。通过收集和梳理详尽的基础地形数据和地表覆盖数据，融合环境自动监测站数据及精细化气象网格数据，创建三维空间的、动态的数字孪生生态环境，模拟空气污染扩散及变化场景，掌握空气中污染物分布及变化情况。同时，建立气体扩散简易模型，结合平流输送、扩散、干湿沉降、气相等因子，在水平方向和竖直方向上计算污染气体扩散范围及浓度变化情况，以此来确定生态环境应急监测点位的布置策略。当生态环境事故发生时，根据周边敏感源的分布情况，智能化选择应急监测方案，是生态环境应急监测平台亟需要解决的问题[2]。本文利用模型分析结果，根据时间的演变，预先将事故点污染物扩散进行分析，区分出各时间阶段的可能影响区域及最大污染物浓度，按照污染物浓度影响严重程度，提取周边敏感源信息，根据生态环境监测要求，科学选择环境应急监测方案，合理设置监测点位，并应用到应急指挥调度过程中去，保障环境监测点位设置的合理性和监测数据的利用价值。

1 总体设计思路

数字孪生生态环境的建设，主要是基于精细化基础地理信息数据，以山、水、林、田、湖三维自然地理实体搭建城市底座，采用全域高精度DEM 数字高程模型反映地形起伏变化，利用基础建筑模型，搭建真实的气体扩散场景。梳理化工园区、企业、运输车船等存在污染应急事件的污染源点位、区域矢量、污染物种类、潜在污染事件、污染物危害及适用相关标准等作为重点分析研究对象，将居民生活区、学校、商场、医院等敏感区划分成矢量数据，作为重点分析对象。结合物联感知掌握生态环境的现状，作为数字孪生生态环境的动态感知层，利用气象智能化网格模型、污染扩散模型等模拟生态环境的变化趋势，模拟分析数字孪生生态环境的未来变化[3-4]。

发生环境污染应急事件时，通过系统分析事件发生位置的可能污染物和可能造成的危害，查找周边现有监测点位和监控摄像头等数据，分析周边的地形，主要是人员聚集区、周边水系和各类敏感点。系统快速生成第一次应急处置方案、现场监测点位建议，主要是事故点周边近距离范围监测。

首次监测情况获取反馈后，系统根据现场监测反馈数据、人员上报污染源点位位置、污染物名称、污染物数量等核实信息，通过系统建设好的污染物扩散模型，结合事故点地理状况以及气象条件，对污染扩散进行分析。分析随着时间、污染影响区域的变化，区分影响污染严重程度的等级，根据事故类型和污染扩散情况，进一步生成和调整重点监测点位、监测项目、监测技术方案等，辅助应急决策方案制定。

2 空气污染扩散研究

空气污染扩散研究，主要分析模拟污染物扩散的可能区域和浓度的变化趋势，是确定应急监测点的主要依据之一。监测点的布设根据监测要求和原则，需要对特定浓度区域和危害严重区域进行重点监测，外围监测主要作用是确认危害区域范围（图1）。

图1 空气污染扩散范围示意图Fig.1 Schematic diagram of air pollution diffusion range

2.1 空气污染监测数据

空气数据采集利用已有的自动监测站结合移动监测设备获取，空气自动监测站获取空气污染情况数据，监测指标包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3，气象要素包括温度、湿度、风速、降水等，预测数据采用智能网格预测，短临预报结合雷达监测数据。同时，根据具体监测站点的特点及监测需求，部分站点也会将VOC、NH3、H2S 等监测仪器纳入标准空气站中。超级监测站的主要功能在于通过多维度、多组分污染物精细化监测，分析区域大气污染特征、成因及来源。小型、微型空气站是目前网格化监测的主要监测手段，利用传感器原理，对各主要污染物（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3、TVOC、NH3、H2S 等）进行实时快速监测。

2.2 大气污染物扩散模式研究

1）湍流扩散。湍流是大气的无规则运动，扩散速度快，主要取决于风速的脉动和风向的摆动，形成的主要原因是温度在垂直方向上的不稳定和不均匀，以及垂直方向上风速分布不均匀和地面粗糙度不同[5-10]。

2）高斯扩散。高斯模式假定坐标系为右手坐标，y为横风向，z 为垂直向。假定，连续点源污染物浓度在y、z 风向上分布符合正态分布，全部空间高度上风速是均匀稳定的，污染源强度是连续均匀稳定的，扩散过程中污染物物质的质量是守恒的（不考虑转化情况）[7]。

3）无界空间连续点源扩散。由正态分布的假定可以得出，下风向任一点（x，y，z)的污染物浓度分布函数为：

2.3 简化计算方式

多种模式计算各有优劣，均需要假设部分理想条件，在实际应用过程中，受限于现场数据的获取，应急场景的不确定性和已有基础地理信息数据及气象精细网格数据，需要结合实际情况，采用相应的简化计算模型和多次纠正的方式开展应用，针对爆炸等特殊情况，还需要用到。本文将监测站数据与三维数字孪生场景结合，模拟质点运动，反映污染物浓度变化，集成各时段的风速、风向，分析污染传输路径按照质点运动的轨迹来判断污染物颗粒的扩散[8-9]。

首先假定质点的轨迹是随着风场而运动的，第一猜测值点位描述为，上一时刻点位坐标加上上一时刻点位的风速与时长乘积，即：P'(t+Δt)=P(t)+V(P，t)Δt，轨迹是质点在空间和时间上的积分。质点所在位置的矢量速度在时间和空间上都是线性插值得出，计算方式为当前时刻点与下一时刻点的矢量速度平均值，即：

下一时刻质点的位置是由上一时刻的平均速度和第一猜值所在点的速度平均后与时间步长的乘积而得到的。

3 环境应急监测方法研究

应急监测点位选择。在上述数字孪生生态环境建设的基础上，根据污染物类型、浓度、扩散模型分析影响区域等，按照生态环境部及相关研究确定的选点原则和标准，参考应急管理部门以及安全生产相关应急预案，并在一定程度上进行程序可实现性修改后，实现的生态环境应急指挥调度中的监测点位布设方案，给出辅助决策的建议。

应急监测应当在尽可能短的时间内，以有足够代表性的监测信息，为突发环境事件应急决策提供可靠依据。应急监测分为污染态势初步研判和跟踪监测两个阶段。在污染态势初步研判阶段，应急监测的目标是尽快确定污染物种类、监测项目及污染范围；在跟踪监测阶段，应急监测的目标是快速获取污染物浓度及变化趋势信息[10]。

1）监测点位选择。大气监测点位的布设应考虑交通状况、人员安全等，确保采样的可行性和方便性，并根据污染态势动态调整。同时，监测点位应合理编号，并采用插牌固定等方式进行明显标记，防止样品混淆。

根据不同污染物成分选择不同污染物的监测手段、监测设备（移动监测设备和实验室取样）、监测点位选取（位置距离、供电分析、敏感区和交通条件）和点位信息（坐标和链接导航）。

2）污染扩散分析。事故发生后，以事故发生地为中心，根据地理特点、当时盛行风向以及其他自然条件，在事故发生地下风向（污染物漂移云团经过的路径）影响区域等位置，按一定间隔的圆形布点采样，并根据污染物的特点在不同高度采样，同时在事故点的上风向适当位置布设对照点。在距事故发生地最近的不同风向的敏感区域应布点采样，采样过程中应注意风向的变化，及时调整采样点的位置[6]。

3）监测项目确定。优先选择突发环境事件特征污染物作为监测项目。特征污染物一般是事件中排放量较大或超标倍数较高，对生态环境有较大影响，可以表征事态发展的污染物。根据事件类型、污染源特征、生产工艺等，并结合事件发生地周边环境本底值情况和应急监测初筛结果确定特征污染物。

4）监测方法确定。根据突发环境事件的类型、污染物种类和环境影响情况，综合考虑应急监测能力、现场监测条件以及监测方法优缺点，根据不同应急阶段的监测需求，选择合适的监测方法。在满足环境应急处置需要的前提下，有多种应急监测方法可选时，应优先选择国家标准、行业标准及行业认可的监测方法，为突发环境事件的事后定性定级、司法鉴定以及环境损害评估等提供数据支撑，如有必要可留样送实验室分析。对于跨省突发环境事件，受影响地区应共同商定应急监测方法，确保监测数据互通互认。

5）监测频次确定。监测频次主要根据处置情况和污染物浓度变化态势确定。力求以最合理的监测频次，做到既具备代表性、能满足处置要求，又切实可行。应急初期，控制点位原则上每1 ～2 h 开展一次监测，各控制点位采样时间应保持一致。后期可视情况动态调整。其中，用于发布信息的点位原则上每天监测次数不少于1 次。

6）采样监测及信息反馈。应急监测采样时，采样人员应拍照并记录采样断面经纬度位置、采样时间和周边情况等，数据采集后及时推送到指挥调度系统。

4 应急监测数据分析

本文选取某区域化工园区火灾为例，利用系统给出的选点建议，进行点位的实际布设和污染物浓度监测，通过污染物浓度监测结果，验证选点结果的准确性和可参考价值。

4.1 计算结果及监测数据对照

污染扩散计算及应急监测方案选择见表1。

表1 应急监测点位数据表Tab.1 Comparison of different emergency monitoring points

4.2 监测数据汇总情况

针对特征污染物监测，2020 年11 月9 日至10 日事故周边监测点数据如图2 所示，11 月11 日至20 日监测点位数据如图3 所示。

图2 11 月9—10 日周边特征污染物监测数据Fig.2 Monitoring data of surrounding characteristic pollutants from November 9 to 10

图3 11 月11—20 日特征污染物监测数据Fig.3 Monitoring data of characteristic pollutants from November 11 to 20

根据上述监测数据可以了解，除了最远的两个点位监测数据不明显，其余位置均采集到浓度高峰数据，可以初步判定监测点位及污染物选择准确。但由于事故点周边监测点位检测时间，距离事故发生时间约2 h，数据部分缺失，应在事故发生的第一时间，对周边环境进行相应的监测，得到最高浓度数据。

5 结 论

本文通过数字孪生生态环境下如何细化污染源、污染物及其危害，简单分析污染物扩散运算，依据数字化分析结果，介绍如何选择相应监测点位，再将这些点位的监测数据进行相应的对比，不断查找监测方案的不足，实现推荐监测方案精准化。但是，由于环境应急监测案例的数量有限，数据的获取量还不足，监测方案自动生成大多参考经验及预案，还有很大改进空间。