城市规划中的工业大气污染模拟——以南京市为例
陈筠婷ab 徐建刚a 童江华a 吴杨a
a.南京大学 地理与海洋科学学院,江苏 南京 210093；
b.广西大学 土木建筑工程学院建筑与城市规划系,广西 南宁 530004
摘要：本文利用ArcGIS 平台，通过模拟南京化工区大气点源污染扩散浓度空间分布状态，为城市用地布局规划提供所需要的城市大气环境质量空间信息，推动城市规划技术方法更新。通过从城市用地规划技术要求出发选取适当扩散模型，以ArcGIS 为平台建立大气污染扩散数据库，用插值法计算浓度空间数值，进行16个风向和多点源浓度值叠加，依据国家环境管理数据标准提出有效污染影响范围概念，将计算的空间数据结果与城市用地进行初步空间拟合，评价南京市工业大气污染对城市用地规划的影响。最后针对该模型的不足提出可改进的细节及延伸研究方向。
关键词：城市规划技术 大气污染扩散 工业区 GIS 城市环境保护
Simulation of Waste Gas Pollution Diffusion for Urban Planning
――Take Nanjing as an Example
Chen Junting *ab Xu Jiangang a Tong Jianghua a Wu Yanga
a b
School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing,China 210093; School of Engineering and Architecture Sciences, Guangxi University, Nanning, China 530004
Abstract: The target of this paper is to promote the technological innovation of urban planning according
to the newly Urban and Rural Planning Act. This paper combines digital map information, collects industrial point source spatial data of Nanjing, selects appropriate model from the technical requirements of urban land planning, establish database of air pollution diffusion based on ArcGIS platform, calculates spatial concentration of air pollution diffusion with interpolation, and carry out superposition between 16 wind directions and value in multi-sources air pollution, puts forward the conception of effective pollution range according to national environment management system standard, and performs a preliminary spatial fitting between computing result of spatial data and urban land, evaluates the effects of waste gas pollution in Nanjing on urban land planning. Finally the research direction that can be prolonged is pointed out.
Keywords: technique of urban planning simulation of air pollution diffusion GIS urban environment protection
前言
在科学发展观理念指导下，2006年颁布的新城乡规划法鼓励推进新技术、新方法的运用，推进城市规划决策的科学性和管理的效率性。在城市规划领域，许多规划技术方法仍然沿用传统的经验性模糊判断，导致规划成果缺乏说服力，需要可靠的方法技术论证增加规划决策的科学性。传统城市总体规划中考虑工业大气污染对城市的影响，仅通过常年主导风向等大致判断污染物的影响方向，用地布局是否合理缺乏科学依据。GIS在上世纪末就被认为是推动城市规划发展的重要辅助手段，其发展却举步艰难。陈秉钊[1]认为GIS 的普及从科研到市场，从普及到提高有着许多障碍；王德[2]认为GIS 技
术除对城市规划管理产生巨大推动之外并没有与规划的核心领域有机结合取得令人信服的成果，但它提供了与规划的空间框架相吻合的平台，传统城市模型与其结合正成为目前城市规划研究的热点；徐建刚[3]等就GIS 技术在城市规划中的应用进行的大量实践，为城市规划决策提供科学可靠的依据。本文利用ArcGIS 平台，通过模拟化工区大气点源污染扩散浓度空间分布状态，为城市用地布局规划提供所需要的城市大气环境质量空间信息，推动城市规划技术方法更新。
1 相关研究进展
通常大气模型的空间显示和空间分析功能都比较薄弱，而这正是GIS 的优势所在。近年来随着遥感和GIS 的发展成熟，利用此技术进行城市大气环境模拟的研究也渐多。欧美发达国家相继建立了各自的应用模型系统，如丹麦的OML 模型，芬兰的UDM- FMI 和CAR- FMI 系统, 欧盟的TRACT 系统等
[4,5,6]
。我国胡文海等[7]探讨了城市大气环境模拟空间信息系统的建立途径。李树文等[8]建立近地面大气
污染模拟模型，把整个混合层作为大气扩散研究对象的问题,运用有限差分方法建立了近地面大气污染带的平面二维数值模型。孙娟、束炯等[9]建立高架连续点源大气污染扩散信息系统，有效地解决了模型参数输入、模拟结果可视化等问题，实现了模式与GIS 功能的集合。在城市规划领域，汪光焘,王晓云等[10]建立城市规划大气环境影响多尺度数值模拟系统，对整个城市大气环境质量与城市布局关系进行评价。此模拟分析被应用到奥林匹克花园和佛山城镇规划，就不同规划方案进行环境影响评估
[11]
。
尽管如此，由于缺乏大气污染扩散模型提供数量和空间定位的依据，新城区接受污染工业企业外
迁时城市规划中，作为工业污染源对局部地区的污染情况仍然没有得到定量定位的考虑，导致先期工业布局和后期城市扩展形成用地冲突。
2 研究区概况
南京位于北纬31º13´—32º36，东经118º19´—119º24，属亚热带季风气候区。市域总面积6597平方公里，是由低山、岗地、河谷平原、滨湖平原和沿江河地等地形单元构成的地貌综合体，年均温15.4℃，年相对湿度77％，年均降雨量1094.98mm。南京作为中国近代工业的摇篮拥有了雄厚的工业发展基础，电子、汽车、石化、钢铁、电力五大产业占工业产值60％以上，其中石化产业是我国第二大石油化工基地。在《南京市工业产业布局规划》中，产业进行布局调整，构筑 了“两轴三圈多组团”工业布局体系。江北南京化学工业园区、长江南岸精细化工产品生产基地、南钢、梅山、长芦、玉带、六合红山工业区周边的新市区、新城区成为工业废气污染的重要承接区域。
南京的空气质量一直不尽如人意。五大产业中石化、钢铁和电力的是主要工业废气是烟尘、CO2、SO2污染源，排放负荷较重。城市中可吸入颗粒污染较重，严重时可达到Ⅲ级，质量指数达149；冬季SO2污染偏重，主城区内NOx 污染较重。在城市规划中，必须考虑工业废气扩散对周边局部用地影响。
图1 南京市工业产业布局规划
3 模型选取原理
各种大气扩散模式形式多样，它们描写的对象、条件和研究途径不同，建立的模型也不同，城市规划所要求的工业大气污染扩散模型描述有其特殊的技术需求。
3.1 模型条件假设
在选取模型之前，需要确定描述的污染源条件、下垫面条件、时空尺度以及气象条件等。城市规划中三类工业用地的规划布局，对大气污染物扩散描述有如下特点：
⑴只考虑污染物的综合危害程度，可不对污染物类型进行区分，要求能反映污染物浓度扩散距离和污染等级，以便确定污染区用地类型安排。
⑵考虑时间尺度较长，以年为单位，因此工业污染源取常年稳定源，据此，本文选取的样点主要针对排放稳定的工业污染源，一般在大、中城市中烟囱高度H≥50的持续高架点源，排放量大、稳定集中、排放源高、污染范围大，可列为考察对象。
⑶模型扩散参数源于研究区域气象条件，取全年平均值，包括风频、风向、大气辐射和云量等。确定大气扩散的参数的方法有两种，一是用常年气象平均数，二是用典型天气日法。
⑷着重考虑污染物在地面上(z＝0)的空间分布，注意处理空间精度和污染范围的关系。模式计算浓度的空间分辨率是一项重要和敏感的指标，模拟范围内可能会有数量级的差别，因此要注意分析工业污染物对周边地区的有效污染范围。
3.2 模型的选取
所选用的模型要求能够描述多风向长期平均浓度的叠加地面浓度，因此采用长期平均浓度公式
[12]
，该公式每一个计算点上的浓度等于所有源在该点长期平均浓度之和。在几天、几月或一年的长时
段内，各种风向均可能出现，可以用风向频率计算水平浓度公式，横向扩散参数σy 可不考虑。用简单的扇形公式计算水平浓度，在任意角宽度为2π／n 的扇形区内，连续点源的地面公式是：
生态文明视角下的城乡规划——2008中国城市规划年会论文集
12
12
⎛H e ⎞nfQ ⎛2⎞⎟=⎜⎟−exp ⎜2⎟⎜⎝π⎠2πux σz ⎝2σz ⎠ （3）
式中：f——在所平均的时段内该扇形区风频数。
u， σz ———应取平均时段内平均风速和铅直扩散参数的平均值(例如，取D 类稳定度的σz )。
2
4 模型数据与参数
4.1 研究区数据
4.1.1污染源数据
南京市工业区废气经处理后排放必须达到中国国家标准二级(GB16297-1996)，城镇区空气质量也按二类区执行二级标准，理论上由这两组数据可反推地面有效污染的空间范围。主要污染物排放浓度及城区空气质量浓度限值见表1：
表1 主要污染物排放浓度及城区空气质量浓度标准值[13,14]
污染物名称
二氧化硫 SO 2
排放标准 最高允许排放浓度
(二级) 环境质量控制标准
浓度限值 一级 二级 三级
年平均值
日 均值
年平均值
日 均值
年平均值
日 均值
0.01×10-3
mg/m3
氮氧化物
NO x
颗粒物* (TSP+PM10)
氟化物
苯并[a]芘 B [a]P μg/m3(参考)
1200 1700 150 100 0.5×10-3
0.02 0.05 0.05 0.15 0.04 0.05 0.1 0.25 0.1 0.3 0.15 0.25
0.06 0.15 0.05 0.1 0.1 0.15 7
*:排放标准为颗粒物TSP+PM10，空气质量标准选取南京市特征污染物PM 10。
以南京市各工业产业园区为研究区域，利用Google Map进行排放点定位，选取工业区稳定排放的高架点源，将一个工业区内分布密集的点源简化为一个集中排放的点源，排放强度是各高架点源叠加的总和。 4.1.2气象数据
表2 南京市风向、风速、风频表[16]
风向 平均风速(m/s)
风向频率(%)
N
NN
NE
EN
E
ES
SE 3.4
SS 2.9
S 2.9
SS 3.2
SW 3.2
WS 3.5
W
W
N
NN
C
3.7 3.5 3.53.5 3.6 3.83.8 4.3 4.2 4.2
4 5 10 9 12 9 8 3 4 4 4 3 4 3 4 3 12
南京市基本风压高度为10米0.4kN/m2，地面上层10米高处，最大平均风速25.2m/s。经确定南京市常年评价辐射等级为1，大气稳定度等级D，由于是对城市工业区进行评测，因此将大气稳定度提级为C。
气象数据包括地面气象资料和高空气象资料。利用一年以上的资料可以统计地面大气稳定度、风速和风向的联合频率；大气稳定度的云量数据通过实验观测获得；南京市官方气象部门公布数据可获得历年风向、风速、风频数据，见表2。
4.2 模型参数
高斯模式应用效果倚赖于公式中的参数，包括扩散参数σy 、σz 和咽气抬升高度△H。 4.2.1扩散参数
有风条件下(u10≥1.5m/s)，扩散参数σ可分解为铅直扩散参数和横向扩散参数，由此建立与下风向距离x(m)坐标的关系。依据环境导则由大气稳定度查表定级，确定的扩散参数见表3：
表3 南京市大气扩散参数表
气象条件 大气 稳定度
提级
下风距离 x （m ）
扩散参数
σy =γ1x a
1
σz =γ2x a
2
D C 0-1000 =0.177154x 0.919325 =0.106803x 0.917595
>1000 =0.232123x 0.885157 =0.106803x 0.917595
4.2.2烟气抬升高度参数
He 有效源高是大气模型公式中的一个重要因子，He=H+△H，△H为烟气抬升高度。影响大气污染物落地浓度重要因素是烟气抬升，而影响抬升的因子有3个：抬升公式的选择，气象因素，烟气参数。由于本文所取的污染源为概念化的点源，不能按照导则规定的抬升高度计算公式，在此采用南京大学提出了适用于烟囱几何高度H≤100m的烟源抬升的高度公式：
−11
ΔH =1. 55Q h H 3u
3 （4）
2
5 模式计算结果与分析
5.1 计算结果与图形输出
用插值法计算污染排放浓度，将各点源污染扩散浓度进行叠加分析污染物的影响范围。整个计算过程分为三步：编写模型程序，进行浓度插值计算，浓度空间梯度图式表达。
图
图2 单个点源扩散影响等级范围
模式中的公式采用Visual Basic编程，公式中x 轴为主导风向方向，因此需要进行极坐标转换。将编译程序模块嵌入ArcGIS 软件后，代入三维空间坐标进行运算，由于浓度的空间分辨率十分敏感，相距百米模拟距离可能会有数量级的差别，因此插值距离取50m，计算16个方位的污染物扩散浓度分
布。然后进行多点源浓度空间叠置计算，任意点的平均浓度在单点源的基础上，通过浓度叠加得到，可以得到最终的多点源污染浓度扩散分布。
5.2 污染扩散等级评价
通过以上计算，可衡量工业区周边地块的空气污染等级，评价中用某一污染物二级标准排放浓度代替Q 的含义，污染物扩散到地面某一点时的浓度，若在空气质量二级标准年均值以下，则可认为此点未在该污染物的有效污染范围之内；若该点的污染物扩散浓度超过年均值，则该点落在污染有效范围内，且该点上不同污染物有效程度可以叠加。见图3。
图3 南京市工业区污染扩散迭加分级
按照空间分辨率的需要，将南京市工业大气污染有效范围分为4个影响等级区，此分级与环境空气质量功能区分类不能等同。由Ⅰ至Ⅳ各级区域依次对周边地块污染影响增大，对不同的污染区域采用的不同的规划防范措施。对南京市各开发区评价的结果见表4。
表4 各开发区污染影响等级区
等级 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级
污染程度 无污染区 环境良好区 轻微污染区
规划对策 严格保护区内生态环境 对区内局部生态地段保护, 调节城市生态空间格局
注意疏导城市空间，避免形成城市小环境污染聚集
Ⅳ级
污染危害区
避免布置密集居民生活区
南京市对应地段 外围城区
江宁滨江经济开发区、江宁经济开发区、出口加工区、海峡两岸科技园
高新技术产业开发区、雨花经济开发区、浦口经济开发区、六合经济开发区、栖霞经济开发区
化学工业园区、白下高新技术产业园区、经济技术开发区
6 结语
大气污染沿主导风向扩散是城市规划布局应该考虑的基本因素，本文结合数字地图信息，收集南京市工业组团点s 源空间数据，利用GIS 平台建立大气污染扩散数据库模型，并进行空间演示。研究特点如下：
①从城市用地布局规划技术条件出发，对高斯模型及其变形公式进行选择，体现了城市规划注重工业污染长期性规律和空间分布分辨率的技术要求；
②依据国家环境质量排放标准、空气环境质量控制标准数据以及南京市对城市空气环境管理标准，推导工业空气污染有效影响范围，避免了具体城市规划中跨部门收集数据的困难；
③计算中大气污染扩散方向由主导风向扩展为16个风向，将大气污染扩散浓度影响有效范围与城市用地进行空间初步拟合，为城市发展方向、用地布局、生态空间规划、重大基础设施布局、城市防灾减灾等提供较准确的空间大气环境空间数据支持，也为城市规划与现代3S 技术结合做了有益的探讨。
本模拟尚有许多可深入研究细节，如求算大气扩散轴线方向的地面最大浓度位置，可以更准确定位有效污染的范围；若能够结合城市居民点空间数据信息，并与大气污染有效影响范围进行空间相关分析，可以使城市空间用地布局精确合理，避免城市土地浪费或保护城市用地生态安全；此外由于资料的限制，本文未对城市空间污染的本底值加以考虑。因此今后需进一步收集城市空气环境和城市气象资料，加强模型的实时校核与修正，提高模型计算结果的精度；针对我国城市规划技术更新特点进行深入调查和科学试验，调整和优化模型。
参考文献
1 陈秉钊.城市规划新技术推广中的观念和策略[J].规划师,2001(2):5-7 2 王德.城市规划新技术的发展动态[J].国外城市规划,2003(5):5-6
3 廖邦固,徐建刚等.1947-2000年上海中心城区居住空间结构演变[J].地理学报,2008(2):
4 A Karppinen et al.A modeling system for predicting urbanair pollution: model description and applications in theHelsinki metropolitan area[J]. Atmospheric Environment, 2000(34): 3723-3733 5 Hirknen. Regulatory dispersion modeling of traffic- originatedpollution[J].Helsinki: Finnish Meteorological Institute.Contributions,2002(38): 14-16
6 Petersen R L. A wind tunnel evaluation of methods for estimatingsurface roughness length at industrial facilities[J].Atmospheric Environment,1997(31):45-57
7 胡文海,刘毓,史忠科,等.面向对象的大气环境模拟空间信息系统[J].系统工程与电子技术, 2001(7):72-75 8李树文,史建武,周继红.近地面大气污染模拟模型的建立与应用研究[J].环境科学与技术,2007 (2):29-32 9 胡斌,王海邻,郑继东.焦作城市大气SO2污染源解析及空间分析[J].辽宁工程技术大学学报,2005(3):447-449 10 孙娟,束炯,邱报,等.工业点源大气污染扩散空间信息系统.环境污染与防治[J],2005(7)：51-52
11 汪光焘,王晓云,苗世光,等.城市规划大气环境影响多尺度评估技术体系的研究与应用[J],中国科学D 辑地球科学,2005(35):145-155
[12] 汪光焘,王晓云,苗世光,等.现代城市规划理论和方法的一次实践——佛山城镇规划的大气环境影响模拟分析[J].城市规划学刊,2005(6).18-22
[13] 李爱贞.大气环境影响评价导论[M].北京: 海洋出版社, 1997 [14] GB16297-1996大气污染物综合排放标准[s] [15] GB3095-1996 环境空气质量标准[s] [16] http://www.climate.js.cn/ 作者简介
陈筠婷，女，博士研究生，广西大学建筑与城市规划系，讲师
稿件标题：城市规划中的工业大气污染模拟——以南京市为例 作者姓名：陈筠婷 性 别：女 最高学历：博士研究生
工作单位：广西大学建筑与城市规划系
通讯地址：广西南宁市大学东路100号土木建筑学院 邮政编码：530004 职 称：讲师
电子信箱：[email protected]
城市规划中的工业大气污染模拟——以南京市为例
陈筠婷ab 徐建刚a 童江华a 吴杨a
a.南京大学 地理与海洋科学学院,江苏 南京 210093；
b.广西大学 土木建筑工程学院建筑与城市规划系,广西 南宁 530004
摘要：本文利用ArcGIS 平台，通过模拟南京化工区大气点源污染扩散浓度空间分布状态，为城市用地布局规划提供所需要的城市大气环境质量空间信息，推动城市规划技术方法更新。通过从城市用地规划技术要求出发选取适当扩散模型，以ArcGIS 为平台建立大气污染扩散数据库，用插值法计算浓度空间数值，进行16个风向和多点源浓度值叠加，依据国家环境管理数据标准提出有效污染影响范围概念，将计算的空间数据结果与城市用地进行初步空间拟合，评价南京市工业大气污染对城市用地规划的影响。最后针对该模型的不足提出可改进的细节及延伸研究方向。
关键词：城市规划技术 大气污染扩散 工业区 GIS 城市环境保护
Simulation of Waste Gas Pollution Diffusion for Urban Planning
――Take Nanjing as an Example
Chen Junting *ab Xu Jiangang a Tong Jianghua a Wu Yanga
a b
School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing,China 210093; School of Engineering and Architecture Sciences, Guangxi University, Nanning, China 530004
Abstract: The target of this paper is to promote the technological innovation of urban planning according
to the newly Urban and Rural Planning Act. This paper combines digital map information, collects industrial point source spatial data of Nanjing, selects appropriate model from the technical requirements of urban land planning, establish database of air pollution diffusion based on ArcGIS platform, calculates spatial concentration of air pollution diffusion with interpolation, and carry out superposition between 16 wind directions and value in multi-sources air pollution, puts forward the conception of effective pollution range according to national environment management system standard, and performs a preliminary spatial fitting between computing result of spatial data and urban land, evaluates the effects of waste gas pollution in Nanjing on urban land planning. Finally the research direction that can be prolonged is pointed out.
Keywords: technique of urban planning simulation of air pollution diffusion GIS urban environment protection
前言
在科学发展观理念指导下，2006年颁布的新城乡规划法鼓励推进新技术、新方法的运用，推进城市规划决策的科学性和管理的效率性。在城市规划领域，许多规划技术方法仍然沿用传统的经验性模糊判断，导致规划成果缺乏说服力，需要可靠的方法技术论证增加规划决策的科学性。传统城市总体规划中考虑工业大气污染对城市的影响，仅通过常年主导风向等大致判断污染物的影响方向，用地布局是否合理缺乏科学依据。GIS在上世纪末就被认为是推动城市规划发展的重要辅助手段，其发展却举步艰难。陈秉钊[1]认为GIS 的普及从科研到市场，从普及到提高有着许多障碍；王德[2]认为GIS 技
术除对城市规划管理产生巨大推动之外并没有与规划的核心领域有机结合取得令人信服的成果，但它提供了与规划的空间框架相吻合的平台，传统城市模型与其结合正成为目前城市规划研究的热点；徐建刚[3]等就GIS 技术在城市规划中的应用进行的大量实践，为城市规划决策提供科学可靠的依据。本文利用ArcGIS 平台，通过模拟化工区大气点源污染扩散浓度空间分布状态，为城市用地布局规划提供所需要的城市大气环境质量空间信息，推动城市规划技术方法更新。
1 相关研究进展
通常大气模型的空间显示和空间分析功能都比较薄弱，而这正是GIS 的优势所在。近年来随着遥感和GIS 的发展成熟，利用此技术进行城市大气环境模拟的研究也渐多。欧美发达国家相继建立了各自的应用模型系统，如丹麦的OML 模型，芬兰的UDM- FMI 和CAR- FMI 系统, 欧盟的TRACT 系统等
[4,5,6]
。我国胡文海等[7]探讨了城市大气环境模拟空间信息系统的建立途径。李树文等[8]建立近地面大气
污染模拟模型，把整个混合层作为大气扩散研究对象的问题,运用有限差分方法建立了近地面大气污染带的平面二维数值模型。孙娟、束炯等[9]建立高架连续点源大气污染扩散信息系统，有效地解决了模型参数输入、模拟结果可视化等问题，实现了模式与GIS 功能的集合。在城市规划领域，汪光焘,王晓云等[10]建立城市规划大气环境影响多尺度数值模拟系统，对整个城市大气环境质量与城市布局关系进行评价。此模拟分析被应用到奥林匹克花园和佛山城镇规划，就不同规划方案进行环境影响评估
[11]
。
尽管如此，由于缺乏大气污染扩散模型提供数量和空间定位的依据，新城区接受污染工业企业外
迁时城市规划中，作为工业污染源对局部地区的污染情况仍然没有得到定量定位的考虑，导致先期工业布局和后期城市扩展形成用地冲突。
2 研究区概况
南京位于北纬31º13´—32º36，东经118º19´—119º24，属亚热带季风气候区。市域总面积6597平方公里，是由低山、岗地、河谷平原、滨湖平原和沿江河地等地形单元构成的地貌综合体，年均温15.4℃，年相对湿度77％，年均降雨量1094.98mm。南京作为中国近代工业的摇篮拥有了雄厚的工业发展基础，电子、汽车、石化、钢铁、电力五大产业占工业产值60％以上，其中石化产业是我国第二大石油化工基地。在《南京市工业产业布局规划》中，产业进行布局调整，构筑 了“两轴三圈多组团”工业布局体系。江北南京化学工业园区、长江南岸精细化工产品生产基地、南钢、梅山、长芦、玉带、六合红山工业区周边的新市区、新城区成为工业废气污染的重要承接区域。
南京的空气质量一直不尽如人意。五大产业中石化、钢铁和电力的是主要工业废气是烟尘、CO2、SO2污染源，排放负荷较重。城市中可吸入颗粒污染较重，严重时可达到Ⅲ级，质量指数达149；冬季SO2污染偏重，主城区内NOx 污染较重。在城市规划中，必须考虑工业废气扩散对周边局部用地影响。
图1 南京市工业产业布局规划
3 模型选取原理
各种大气扩散模式形式多样，它们描写的对象、条件和研究途径不同，建立的模型也不同，城市规划所要求的工业大气污染扩散模型描述有其特殊的技术需求。
3.1 模型条件假设
在选取模型之前，需要确定描述的污染源条件、下垫面条件、时空尺度以及气象条件等。城市规划中三类工业用地的规划布局，对大气污染物扩散描述有如下特点：
⑴只考虑污染物的综合危害程度，可不对污染物类型进行区分，要求能反映污染物浓度扩散距离和污染等级，以便确定污染区用地类型安排。
⑵考虑时间尺度较长，以年为单位，因此工业污染源取常年稳定源，据此，本文选取的样点主要针对排放稳定的工业污染源，一般在大、中城市中烟囱高度H≥50的持续高架点源，排放量大、稳定集中、排放源高、污染范围大，可列为考察对象。
⑶模型扩散参数源于研究区域气象条件，取全年平均值，包括风频、风向、大气辐射和云量等。确定大气扩散的参数的方法有两种，一是用常年气象平均数，二是用典型天气日法。
⑷着重考虑污染物在地面上(z＝0)的空间分布，注意处理空间精度和污染范围的关系。模式计算浓度的空间分辨率是一项重要和敏感的指标，模拟范围内可能会有数量级的差别，因此要注意分析工业污染物对周边地区的有效污染范围。
3.2 模型的选取
所选用的模型要求能够描述多风向长期平均浓度的叠加地面浓度，因此采用长期平均浓度公式
[12]
，该公式每一个计算点上的浓度等于所有源在该点长期平均浓度之和。在几天、几月或一年的长时
段内，各种风向均可能出现，可以用风向频率计算水平浓度公式，横向扩散参数σy 可不考虑。用简单的扇形公式计算水平浓度，在任意角宽度为2π／n 的扇形区内，连续点源的地面公式是：
生态文明视角下的城乡规划——2008中国城市规划年会论文集
12
12
⎛H e ⎞nfQ ⎛2⎞⎟=⎜⎟−exp ⎜2⎟⎜⎝π⎠2πux σz ⎝2σz ⎠ （3）
式中：f——在所平均的时段内该扇形区风频数。
u， σz ———应取平均时段内平均风速和铅直扩散参数的平均值(例如，取D 类稳定度的σz )。
2
4 模型数据与参数
4.1 研究区数据
4.1.1污染源数据
南京市工业区废气经处理后排放必须达到中国国家标准二级(GB16297-1996)，城镇区空气质量也按二类区执行二级标准，理论上由这两组数据可反推地面有效污染的空间范围。主要污染物排放浓度及城区空气质量浓度限值见表1：
表1 主要污染物排放浓度及城区空气质量浓度标准值[13,14]
污染物名称
二氧化硫 SO 2
排放标准 最高允许排放浓度
(二级) 环境质量控制标准
浓度限值 一级 二级 三级
年平均值
日 均值
年平均值
日 均值
年平均值
日 均值
0.01×10-3
mg/m3
氮氧化物
NO x
颗粒物* (TSP+PM10)
氟化物
苯并[a]芘 B [a]P μg/m3(参考)
1200 1700 150 100 0.5×10-3
0.02 0.05 0.05 0.15 0.04 0.05 0.1 0.25 0.1 0.3 0.15 0.25
0.06 0.15 0.05 0.1 0.1 0.15 7
*:排放标准为颗粒物TSP+PM10，空气质量标准选取南京市特征污染物PM 10。
以南京市各工业产业园区为研究区域，利用Google Map进行排放点定位，选取工业区稳定排放的高架点源，将一个工业区内分布密集的点源简化为一个集中排放的点源，排放强度是各高架点源叠加的总和。 4.1.2气象数据
表2 南京市风向、风速、风频表[16]
风向 平均风速(m/s)
风向频率(%)
N
NN
NE
EN
E
ES
SE 3.4
SS 2.9
S 2.9
SS 3.2
SW 3.2
WS 3.5
W
W
N
NN
C
3.7 3.5 3.53.5 3.6 3.83.8 4.3 4.2 4.2
4 5 10 9 12 9 8 3 4 4 4 3 4 3 4 3 12
南京市基本风压高度为10米0.4kN/m2，地面上层10米高处，最大平均风速25.2m/s。经确定南京市常年评价辐射等级为1，大气稳定度等级D，由于是对城市工业区进行评测，因此将大气稳定度提级为C。
气象数据包括地面气象资料和高空气象资料。利用一年以上的资料可以统计地面大气稳定度、风速和风向的联合频率；大气稳定度的云量数据通过实验观测获得；南京市官方气象部门公布数据可获得历年风向、风速、风频数据，见表2。
4.2 模型参数
高斯模式应用效果倚赖于公式中的参数，包括扩散参数σy 、σz 和咽气抬升高度△H。 4.2.1扩散参数
有风条件下(u10≥1.5m/s)，扩散参数σ可分解为铅直扩散参数和横向扩散参数，由此建立与下风向距离x(m)坐标的关系。依据环境导则由大气稳定度查表定级，确定的扩散参数见表3：
表3 南京市大气扩散参数表
气象条件 大气 稳定度
提级
下风距离 x （m ）
扩散参数
σy =γ1x a
1
σz =γ2x a
2
D C 0-1000 =0.177154x 0.919325 =0.106803x 0.917595
>1000 =0.232123x 0.885157 =0.106803x 0.917595
4.2.2烟气抬升高度参数
He 有效源高是大气模型公式中的一个重要因子，He=H+△H，△H为烟气抬升高度。影响大气污染物落地浓度重要因素是烟气抬升，而影响抬升的因子有3个：抬升公式的选择，气象因素，烟气参数。由于本文所取的污染源为概念化的点源，不能按照导则规定的抬升高度计算公式，在此采用南京大学提出了适用于烟囱几何高度H≤100m的烟源抬升的高度公式：
−11
ΔH =1. 55Q h H 3u
3 （4）
2
5 模式计算结果与分析
5.1 计算结果与图形输出
用插值法计算污染排放浓度，将各点源污染扩散浓度进行叠加分析污染物的影响范围。整个计算过程分为三步：编写模型程序，进行浓度插值计算，浓度空间梯度图式表达。
图
图2 单个点源扩散影响等级范围
模式中的公式采用Visual Basic编程，公式中x 轴为主导风向方向，因此需要进行极坐标转换。将编译程序模块嵌入ArcGIS 软件后，代入三维空间坐标进行运算，由于浓度的空间分辨率十分敏感，相距百米模拟距离可能会有数量级的差别，因此插值距离取50m，计算16个方位的污染物扩散浓度分
布。然后进行多点源浓度空间叠置计算，任意点的平均浓度在单点源的基础上，通过浓度叠加得到，可以得到最终的多点源污染浓度扩散分布。
5.2 污染扩散等级评价
通过以上计算，可衡量工业区周边地块的空气污染等级，评价中用某一污染物二级标准排放浓度代替Q 的含义，污染物扩散到地面某一点时的浓度，若在空气质量二级标准年均值以下，则可认为此点未在该污染物的有效污染范围之内；若该点的污染物扩散浓度超过年均值，则该点落在污染有效范围内，且该点上不同污染物有效程度可以叠加。见图3。
图3 南京市工业区污染扩散迭加分级
按照空间分辨率的需要，将南京市工业大气污染有效范围分为4个影响等级区，此分级与环境空气质量功能区分类不能等同。由Ⅰ至Ⅳ各级区域依次对周边地块污染影响增大，对不同的污染区域采用的不同的规划防范措施。对南京市各开发区评价的结果见表4。
表4 各开发区污染影响等级区
等级 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级
污染程度 无污染区 环境良好区 轻微污染区
规划对策 严格保护区内生态环境 对区内局部生态地段保护, 调节城市生态空间格局
注意疏导城市空间，避免形成城市小环境污染聚集
Ⅳ级
污染危害区
避免布置密集居民生活区
南京市对应地段 外围城区
江宁滨江经济开发区、江宁经济开发区、出口加工区、海峡两岸科技园
高新技术产业开发区、雨花经济开发区、浦口经济开发区、六合经济开发区、栖霞经济开发区
化学工业园区、白下高新技术产业园区、经济技术开发区
6 结语
大气污染沿主导风向扩散是城市规划布局应该考虑的基本因素，本文结合数字地图信息，收集南京市工业组团点s 源空间数据，利用GIS 平台建立大气污染扩散数据库模型，并进行空间演示。研究特点如下：
①从城市用地布局规划技术条件出发，对高斯模型及其变形公式进行选择，体现了城市规划注重工业污染长期性规律和空间分布分辨率的技术要求；
②依据国家环境质量排放标准、空气环境质量控制标准数据以及南京市对城市空气环境管理标准，推导工业空气污染有效影响范围，避免了具体城市规划中跨部门收集数据的困难；
③计算中大气污染扩散方向由主导风向扩展为16个风向，将大气污染扩散浓度影响有效范围与城市用地进行空间初步拟合，为城市发展方向、用地布局、生态空间规划、重大基础设施布局、城市防灾减灾等提供较准确的空间大气环境空间数据支持，也为城市规划与现代3S 技术结合做了有益的探讨。
本模拟尚有许多可深入研究细节，如求算大气扩散轴线方向的地面最大浓度位置，可以更准确定位有效污染的范围；若能够结合城市居民点空间数据信息，并与大气污染有效影响范围进行空间相关分析，可以使城市空间用地布局精确合理，避免城市土地浪费或保护城市用地生态安全；此外由于资料的限制，本文未对城市空间污染的本底值加以考虑。因此今后需进一步收集城市空气环境和城市气象资料，加强模型的实时校核与修正，提高模型计算结果的精度；针对我国城市规划技术更新特点进行深入调查和科学试验，调整和优化模型。
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陈筠婷，女，博士研究生，广西大学建筑与城市规划系，讲师
稿件标题：城市规划中的工业大气污染模拟——以南京市为例 作者姓名：陈筠婷 性 别：女 最高学历：博士研究生
工作单位：广西大学建筑与城市规划系
通讯地址：广西南宁市大学东路100号土木建筑学院 邮政编码：530004 职 称：讲师
电子信箱：[email protected]