耦合GIS与CFD模型的城市街区环境毒气扩散模拟研究

有毒有害物质的意外泄漏大多形成低而平的毒气云团，沿地面拓展延伸，对居民生命财产安全和城市生态环境构成严重威胁。本研究以城市街区环境下毒气扩散过程的精细化建模、模拟为目标，综合考虑城市建筑物下垫面和风速、风向等气象环境参数对扩散过程的影响，基于GIS建立城市下垫面几何模型；研究具有下垫面边界约束的三维空间离散方法，自动生成计算网格，构造三维数据场，支持毒气扩散数值模拟；基于大涡模拟的相关理论和方法，研究建立一个适用于城市街区环境的CFD扩散模型；通过GIS和CFD模型的耦合，支持模拟过程中有关参数的自动提取和赋值，实现模拟结果（流场、浓度场）的动态可视化，为事故危害评估、应急指挥决策以及城市防灾规划等提供理论依据。

城市地区有毒有害气体的迁移扩散是个三维、动态的复杂环境过程，本课题围绕街区建筑群环境中毒气扩散过程的精细化建模、模拟开展理论和技术方法研究。着重分析了建筑物扰动和非稳态气象条件下近地面有毒有害气体的扩散机理和过程；耦合GIS和计算流体力学模型（CFD Model），提出一个街区尺度毒气扩散过程建模、模拟的技术框架模型；利用二维GIS数据、建筑物高程信息和Google SketchUP软件建立街区冠层三维模型，以之为壁面边界，基于Delaunay网格实现近地面空间场的离散剖分，为扩散过程模拟提供必要的空间模型支撑；基于RANS方法建立扩散数学模型，实现模拟结果（流场、浓度场）的动态可视化，结合试验区建筑物和人口分布数据，估算周边人员的毒气暴露水平。研究成果及方法可为环境事故危害评估、应急指挥决策等提供理论依据。