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(环境科学与工程专业论文)复杂地形污染物长期平均浓度计算方法研究.pdf.pdf 免费下载
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目录 abs t r act a m o n g a i r q u a l i t y m o d e l s , g a u s s i a n m o d e l i s t h e m o s t w i d e l y a p p l i e d i n a t m o s p h e r i c im p a c t a s s e s s me n t f o r c o n s t r u c t i o n p r o j e c t s o r c i ty e n v i r o n m e n t a l p l a n n i n g . h o w e v e r , g a u s s i a n m o d e l i s r e q u i r e d f o r t h e c o n d it i o n s o f p l a i n t e r r a i n , c o n s t a n t w i n d , a n d c o n s t a n t e m i t t i n g p o i n t s o u r c e s . wh e n a p p l i e d t o t h e c o m p l e x t e r r a i n , g a u s s i a n m o d e l w i l l l e a d t o s i g n i fi c a n t e r ro r s t o t h e r e s p e c t i v e e n v i r o n m e n t a l i m p a c t a s s e s s m e n t . i n t h e r e s p e c t o f t h e g a u s s i a n m o d e l s m o d i f i e d f o r t h e i r a p p li c a t i o n s t o c o m p l e x t e rr a i n , i n c l u d i n g t h o s e b y u s e p a , n o a a a n d t h a t r e c o m m e n d e d i n t e c h n i c a l g u i d e l i n e s f o r e n v i ron me n t a l i mp a c t a s s e s s m e n t o # s e p a , i t i s f o u n d t h a t m o s t o f t h e m a r e a p p l i c a b l e f o r s h o r t - t e r m c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n s i m u l a t i o n . t h e a p p l i c a t i o n s o f t h e s e m o d e l s f o r l o n g - t e r m a v e r a g e s i m u l a t i o n c a n h a r d l y b e f o u n d b e c a u s e t h e r e q u i r e d w i n d fi e l d i s d i f fi c u l t t o o b t a i n w i t h t h e c o m m o n r e s e a r c h c o n d i t i o n s i n p ro j e c t s e i a s . t h e p r e s e n t s t u d y a tt e m p t s t o d e v e l o p a s i m p j e a n d p r a c t i c a l m e t h o d s f o r p o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o n s i m u l a t i o n i n c o m p l e x t e r r a in , w h i c h i s c o m p o s e d w i t h a n i m p r o v e d d i a g n o s t i c w i n d fi e ld m o d e l a n d a n e w g a u s s i a n t r a j e c t o ry - p l u m e m o d e l . h y p o t h e t i c c a s e s a r e p r o v i d e d f o r s i m u l a t i o n t o e x p l o r e t h e f e a s i b i l it y o f t h e mo d e l s a n d m e t h o d o f t h e p r e s e n t s t u d y . t h i s p a p e r c o n s i s t s o f f o u r p a r t s . p a r t o n e i n t r o d u c e s t h e p u r p o s e , s i g n i fi c a n c e , r a t i o n a l e a n d t h e f o c u s o f t h i s t h e s i s . p a r t t w o g i v e s a g e n e r a l i n t r o d u c t i o n t o t h e rel e v a n t r e s e a r c h o n d i f f u s i o n mo d e l s u s e d i t i s r e a l i z e d t h a t w h e n p e o p l e t ry t o u s e f o r c o m p l e x t e r r a i n . b as e d o n t h e a n a ly s i s , r u n t h e s e mo d e l s a r e d i f f i c u l t t o o b t a i n . m e t h o d o f t h e t h i s re s e a r c h , p r o v i d e s w h i c h h e lp s p e o p l e s i m u l a te t h e t h r e e - t h e s e mo d e l s , t h e wi n d f i e l d d a t a n e e d e d t o p a r t t h r e e m a i n l y t a l k s a b o u t t h e t h e o ry a n d a n i m p ro v e d w i n d - fi e l d - i n t e r p o l a t e d - m e t h o d a v a i l a b l e , a n d d e v e l o p s a n e w 址e e - d i me n s i o n a l w i n d f i e l d w h e n g a u s s i a n t r a j e c t o ry - p l u m e m o d e l a l l d a t a a r e n o t t o s i mu l a t e t h e d i ff u s i o n o f p o l l u t a n t s . i n p a r t f o u r , t h e a b o v e m e t h o d s a r e c as e s t o t e s t t h e f e as i b i l i t y o f t h e m e t h o d . i n p a r t fi v e , t h e p rob l e ms w h i c h n e e d f u r t h e r s t u d y a r e r a i s e d a p p l i e d t o h y p o t h e t i c a l s u m m a ry i s m a d e a n d k e y wo r d s : c o m p l e x t e r r a i n , d i a g n o s t i c w i n d fi e l d g a u s s i a n t r a j e c t o ry - p l u m e m o d e l , l o n g - t e r m a v e r a g em o d e l , g a u s s i a n p lu m e m o d e l , 学位论文版权使用授权书 本人完全了 解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定, 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本:学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目 的的前 提下,学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名: 年月日 - 一一- 一一,. .川.- 一- - 一一一- - .,州一一- 一一- -响. . 畘- 一一一一叫 , 户- 一叫如.- 一一- . . .- 分- - 一-_ 经指导教师同意,本学位论文属于保密,在 本授权书。 年解密后适用 指导教师签名: 学位论文作者签名: 年月日 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原刨性声明的法律责任 由本人承担。 签名: 年月目 第 i 章 引言 第1 章 引言 1 . 1 研究目的 我国幅员辽阔,地形复杂多样,一些城市和工矿企业就位于山区或水域附 近,并且随着我国城市化进程的加快,人们对生活环境要求的提高,这些地区 的空气污染问 题就凸现了出来,因此复杂地形条件下的大气扩散规律,评估污 染物通过复杂地形的输送扩散对环境造成的影响程度就成为摆在我们面前的一 个迫切需要解决的问题。 在起伏和不均匀的地形条件下,低层大气受到下垫面特性的强烈影响,会 形成特殊的风场和温度场,加上地形的限制和阻塞, 污染物的输送和扩散规律 比 平原复杂得多, 但相应的 理论和实验研究却不如平原充分n 1 而且在平原地区, 不同地点的研究结果有较好的比较性,但山区的地形和气象条件有明显的个例 差异。目 前己 经提出一些应用在复杂地形的大气扩散模式和估算空气污染浓度 的近似公式,但有的只能在十分典型的地形条件下应用,有的尚处于初步研究 阶段,还可能要求详细的气象资料,特别是关于长期平均浓度的计算,至今没 有一个方便实用、又有相当科学性计算方法。 我国有大片土地属于复杂地形,即使在江浙一带的平原地区,也时常有小 山或丘陵。在复杂地形下进行大气环境影响是建设项目 或城市环境规划经常遇 到的问题。然而由于缺乏方便实用的复杂地形扩散模式,在建设项目 环境影响 评价过程中,常发生对复杂地形视而不见,只适当加大扩散参数,套用平坦地 形的模式进行评价。因此,对复杂地形上污染物输送扩散模拟方法进行研究不 仅有着重要的学术价值,也可以很快产生实际应用价值。 国内外对于复杂地形上污染物扩散模式的研究己逐步广泛开展,国内外已 进行过多次山区扩散实验。 然而, 现有山区扩散模式和山区扩散实验的结果都 第 i 章 引言 第1 章 引言 1 . 1 研究目的 我国幅员辽阔,地形复杂多样,一些城市和工矿企业就位于山区或水域附 近,并且随着我国城市化进程的加快,人们对生活环境要求的提高,这些地区 的空气污染问 题就凸现了出来,因此复杂地形条件下的大气扩散规律,评估污 染物通过复杂地形的输送扩散对环境造成的影响程度就成为摆在我们面前的一 个迫切需要解决的问题。 在起伏和不均匀的地形条件下,低层大气受到下垫面特性的强烈影响,会 形成特殊的风场和温度场,加上地形的限制和阻塞, 污染物的输送和扩散规律 比 平原复杂得多, 但相应的 理论和实验研究却不如平原充分n 1 而且在平原地区, 不同地点的研究结果有较好的比较性,但山区的地形和气象条件有明显的个例 差异。目 前己 经提出一些应用在复杂地形的大气扩散模式和估算空气污染浓度 的近似公式,但有的只能在十分典型的地形条件下应用,有的尚处于初步研究 阶段,还可能要求详细的气象资料,特别是关于长期平均浓度的计算,至今没 有一个方便实用、又有相当科学性计算方法。 我国有大片土地属于复杂地形,即使在江浙一带的平原地区,也时常有小 山或丘陵。在复杂地形下进行大气环境影响是建设项目 或城市环境规划经常遇 到的问题。然而由于缺乏方便实用的复杂地形扩散模式,在建设项目 环境影响 评价过程中,常发生对复杂地形视而不见,只适当加大扩散参数,套用平坦地 形的模式进行评价。因此,对复杂地形上污染物输送扩散模拟方法进行研究不 仅有着重要的学术价值,也可以很快产生实际应用价值。 国内外对于复杂地形上污染物扩散模式的研究己逐步广泛开展,国内外已 进行过多次山区扩散实验。 然而, 现有山区扩散模式和山区扩散实验的结果都 第 1 章 引言 有较大的 局限 性2 1 n 。 即 使是美国国 家环保局推荐的复杂地形计算模式, 或我国 制订的 大气环境影响评价技术导则中推荐的计算方法实际使用起来,也有 一定的困难。由于风场数据的缺乏,各种方法都不具备太强的实用性。 进而言之,由于不同地区地形的复杂情况各异,污染物扩散情况也不尽相 同,因此在做相关计算时,模式和参数的选择是非常值得研究和探讨的问题。 另外,在众多模式中目 前出现比较多的是瞬时浓度的计算,虽然长期平均浓度 可以在大量瞬时浓度计算结果的基础上进行平均,但这样做不仅要求大量计算 工作量,而且每次瞬时计算都需要大量详细的气象数据,限制了应用条件。而 直接针对长期平均浓度的计算方法, 特别是实用性强的方法,基本上没有研究。 本研究旨 在开发一种简单并且能够普遍适用的针对复杂地形的污染物扩散 模式,为环境影响评价工作提出一种方便实用的复杂地形污染物长期平均浓度 计算方法。本论文研究的方法的优点是,所需气象资料少,经济可行又能够较 好的说明问题。 本研究的重点是关于低山丘陵地区风场的计算,然后在计算出风场的基础 上计算低山丘陵地区的污染物扩散规律。希望能为今后生态城市规划提供尽可 能正确和科学的大气环境分析,为最终的决策提供依据,并且希望能为今后的 环境影响评价工作中关于复杂地形污染物长期平均浓度的计算提供一种普遍适 用的方法。 1 . 2 研究技术路线 第 1 章 引言 有较大的 局限 性2 1 n 。 即 使是美国国 家环保局推荐的复杂地形计算模式, 或我国 制订的 大气环境影响评价技术导则中推荐的计算方法实际使用起来,也有 一定的困难。由于风场数据的缺乏,各种方法都不具备太强的实用性。 进而言之,由于不同地区地形的复杂情况各异,污染物扩散情况也不尽相 同,因此在做相关计算时,模式和参数的选择是非常值得研究和探讨的问题。 另外,在众多模式中目 前出现比较多的是瞬时浓度的计算,虽然长期平均浓度 可以在大量瞬时浓度计算结果的基础上进行平均,但这样做不仅要求大量计算 工作量,而且每次瞬时计算都需要大量详细的气象数据,限制了应用条件。而 直接针对长期平均浓度的计算方法, 特别是实用性强的方法,基本上没有研究。 本研究旨 在开发一种简单并且能够普遍适用的针对复杂地形的污染物扩散 模式,为环境影响评价工作提出一种方便实用的复杂地形污染物长期平均浓度 计算方法。本论文研究的方法的优点是,所需气象资料少,经济可行又能够较 好的说明问题。 本研究的重点是关于低山丘陵地区风场的计算,然后在计算出风场的基础 上计算低山丘陵地区的污染物扩散规律。希望能为今后生态城市规划提供尽可 能正确和科学的大气环境分析,为最终的决策提供依据,并且希望能为今后的 环境影响评价工作中关于复杂地形污染物长期平均浓度的计算提供一种普遍适 用的方法。 1 . 2 研究技术路线 第 t 章 引言 收集国内外复杂地形污染物 扩散模式的相关资料 以1 6 个风向角和平均风速为基础,应 用诊断型风场模式,分别计算风场 针对各个风场,分别自 污染 源出发计算轨迹 研究开发高斯烟流模式 的应用方法 沿轨迹应用高斯烟流模式计 算扩散过程 学习ma t l a b软件 假设孤立小山包,模拟风场 和浓度场分布 1 . 3 工作重点 本论文的研究重点是研究复杂地形污染物长期平均浓度计算方法,其主要 目 的是为 环境影响评价技术导则提供一种简单又能说明问题的有关复杂地 形污染物扩散的方法,工作重点如下: . 应用改进了的诊断风场内插方法计算复杂地形上的风场; . 提出一种轨迹烟流模式,模拟污染物在复杂地形上的扩散过程; . 假设一个山体和一个连续排放点污染源, 应用某地观测的风玫瑰数据进行单 风向浓度计算和长期平均浓度计算。 第 t 章 引言 收集国内外复杂地形污染物 扩散模式的相关资料 以1 6 个风向角和平均风速为基础,应 用诊断型风场模式,分别计算风场 针对各个风场,分别自 污染 源出发计算轨迹 研究开发高斯烟流模式 的应用方法 沿轨迹应用高斯烟流模式计 算扩散过程 学习ma t l a b软件 假设孤立小山包,模拟风场 和浓度场分布 1 . 3 工作重点 本论文的研究重点是研究复杂地形污染物长期平均浓度计算方法,其主要 目 的是为 环境影响评价技术导则提供一种简单又能说明问题的有关复杂地 形污染物扩散的方法,工作重点如下: . 应用改进了的诊断风场内插方法计算复杂地形上的风场; . 提出一种轨迹烟流模式,模拟污染物在复杂地形上的扩散过程; . 假设一个山体和一个连续排放点污染源, 应用某地观测的风玫瑰数据进行单 风向浓度计算和长期平均浓度计算。 第2 章 复杂地形大气扩散模拟概述 第2 章 复杂地形大气扩散模拟概述 2 . 1 国内外复杂地形大气扩散模式简介 2 . 1 . 1 c t d m模 式 , c t d m模式以高斯扩散公式为基础, 运用了 流线分裂的概念,根据大气稳定 条件引入一个分裂高度,把过山烟羽分解成两部分,分裂高度以上的流体将越 过山顶即上升分量,而分裂高度以下的流体维持水平即环绕分量,并绕山移行。 应用位势流理论求解出过山气流的流线、流速分布和形变因子, 在上述工作的基 础上采用再初始化技术,将达到山体的烟羽断面分割成若干小块,最后利用高 斯扩散公式计算经过再初始化的烟羽在沿流线输送和扩散过程中在接受点上的 浓度. ( 1 ) 上升分量浓度计算公式 设 污 染 源坐 标为( q , y z , ) , 则离 源 距离 为s , 横坐 标为y . 的山 体 表 面 接 受点 ( s , y , ) 处的浓度为 耳日且 。 二 一卫一 8 , 1 7 2 ) r u s 1 s - ( z : 一 h , y 2 鼓 ,. h _ 一 t . i 一 e r, 一 台 , 二 l v 2 s , ,s s o ( z , + h j z 2 凡 月21 一 e r f + z , s i t , s , a h 时,h f h ,4, 此时烟流中 ( 4 ) 心线直接落于地面计算点,即地面浓度等于烟流中心线浓度。 对长期 ( 如月、季、年)平均浓度,采用下式计算 2 q f u o x a ( h一 h t ) 2 2 v , ( 2 . 6 ) (z)! - q 式中b 是风的扇形角 ( 弧度表示) ;f 是某扇形风向的相对频率。 ( 5 )采用与平原地区使用的相同方法处理熏烟扩散和封闭型扩散。 2 . 1 3 e p a 模式13 1 美国国家环保局 ( e p a ) 提出两个引进地形修正的模式, 可用来计算起伏地 形空气污染物浓度,即c r s t e r( 单源) 模式和v a l l e y( 山谷) 模式。 单源模式是一种定常高斯烟流模式, 用来处理高架点源烟流扩散。 采用高斯 扩散公式和 p - g扩散参数体系。用于起伏地形条件下,能处理源与计算点间地 形高度的 变化。模式对地形作调整处理,假设计算点以地面 ( 烟囱 底)为基准, 即意味着地形高度不变而烟流中心线随地面起伏,计算点的高度则浮动于气层 中。 山 谷模式主要用来计算地形高于烟流中心线时, 不利气象条件下的日 平均浓 度。模式计算地面浓度的基本公式为 q ( x , y , 0 ; h, d ) = 2 . 0 3 x 1 0 6 x n v i a一 p i 匕 . j 、. i - -) a ( 2 . 7 ) 、卫trlj 2 、.户 该模式对地形的修正, 假设中性和不稳定情况下,烟流中心线始终和地面平行 第2 章复杂地形大气扩散模拟概述 ( 即烟流中心线高度为一常数) ,即烟流此时会绕山而过;稳定情况下,假设地 形的影响是通过浓度随高度的线性递减来模拟的,即烟流会撞到山上,认为它 会向上折并向侧面偏斜。 2 . 1 . 4 艾 根 模式【, 山区大气污染物浓度的估算建立在对山区流场和湍流场研究的基础上,艾 根认为,绕障碍物流动的位势流理论可以作为规则气流的近似模拟,以了解地 形对流场的影响。艾根研究了绕无限长半圆柱的位势流动和绕过半球的流动问 题,模拟烟流越过山脊和绕过孤立小山包的情形,得出了一些有价值的定性结 果。首先,烟流在垂直方向的路径是决定山区地面最大浓度的重要因子。假设 烟流路径始终与起伏的地形平行;或者假设烟流中心线保持固定的海拔高度, 并可与高耸的地形相交,都是不正确的。实际的情况介于两者之间。第二,烟 流在绕过起伏地形时,其断面的尺度和形状都会发生改变,需在浓度计算中加 以订正.根据上述分析, 斯公式作了进一步修正, 。 = 一止2 q 2 1c v y a , u d y 几 并考虑到山区的扩散比平原快,艾根对山区扩散的高 得到下述地面浓度公式: e x j - 1 i w = 丫 一 l 2 t 6 , s d , ) ( 2 . 8 ) 式 中 , d d : 是 因 山 区 湍 流 增 强 而 引 进 的 。 , 、 6 二 的 修 正 系 数 , 在 平 坦 地 形上, d , d = 1 ; 47 是 平坦地形上 有效 源高 处流函 数的 铅直梯 度, 在平原 地区- = 1 ; t7 = ( z 一 h , ) i h , , z 是烟流在起伏地形上的 局地高度,h , 是地形高度。 为了能实际应用上述模式, 必须以大量的山区流场观测和扩散试验为基础, 给出上述修正系数的具体数值。艾根根据理论研究和观测资料的分析提出了一 个简单实用的、计算烟流绕过山脊时的地面轴线浓度公式: q 汀 u仁 了 汀e x p 一 2 ( 2 . 9 ) 干.lesesj 2 剖 21、 “ 口r 式中 t为地形系数,是考虑因地形引起的烟流与地面高度差的变化及烟流断面 第2 章复杂地形大气扩散模拟概述 ( 即烟流中心线高度为一常数) ,即烟流此时会绕山而过;稳定情况下,假设地 形的影响是通过浓度随高度的线性递减来模拟的,即烟流会撞到山上,认为它 会向上折并向侧面偏斜。 2 . 1 . 4 艾 根 模式【, 山区大气污染物浓度的估算建立在对山区流场和湍流场研究的基础上,艾 根认为,绕障碍物流动的位势流理论可以作为规则气流的近似模拟,以了解地 形对流场的影响。艾根研究了绕无限长半圆柱的位势流动和绕过半球的流动问 题,模拟烟流越过山脊和绕过孤立小山包的情形,得出了一些有价值的定性结 果。首先,烟流在垂直方向的路径是决定山区地面最大浓度的重要因子。假设 烟流路径始终与起伏的地形平行;或者假设烟流中心线保持固定的海拔高度, 并可与高耸的地形相交,都是不正确的。实际的情况介于两者之间。第二,烟 流在绕过起伏地形时,其断面的尺度和形状都会发生改变,需在浓度计算中加 以订正.根据上述分析, 斯公式作了进一步修正, 。 = 一止2 q 2 1c v y a , u d y 几 并考虑到山区的扩散比平原快,艾根对山区扩散的高 得到下述地面浓度公式: e x j - 1 i w = 丫 一 l 2 t 6 , s d , ) ( 2 . 8 ) 式 中 , d d : 是 因 山 区 湍 流 增 强 而 引 进 的 。 , 、 6 二 的 修 正 系 数 , 在 平 坦 地 形上, d , d = 1 ; 47 是 平坦地形上 有效 源高 处流函 数的 铅直梯 度, 在平原 地区- = 1 ; t7 = ( z 一 h , ) i h , , z 是烟流在起伏地形上的 局地高度,h , 是地形高度。 为了能实际应用上述模式, 必须以大量的山区流场观测和扩散试验为基础, 给出上述修正系数的具体数值。艾根根据理论研究和观测资料的分析提出了一 个简单实用的、计算烟流绕过山脊时的地面轴线浓度公式: q 汀 u仁 了 汀e x p 一 2 ( 2 . 9 ) 干.lesesj 2 剖 21、 “ 口r 式中 t为地形系数,是考虑因地形引起的烟流与地面高度差的变化及烟流断面 第2 章 复杂地形大气扩散模拟概述 改变的综合因子。地形系数t 分下列几种情况考虑: ( 1 ) 若烟流与起伏地形平行,则t = 1 ; ( 2 ) 若烟流保持固定的海拔高度,则 当h q h , 时, t = 0 当h e h , 时, t = 1 - h ,/ h ( 3 ) 若烟流处于上述两种情况之间,则 当h , h , 时, t = k 当h , h , 时, t = 1 - h ,/ h , + k h / h e 美国的e r t的点源扩散 ( p s d m )模式是艾根模式的特例,取k = 1 / 2 。在 地形高度 h 低于有效源高h . 的地方,假定烟流和地面的高度差为 ( h b - 1 / 2 h t ) ; 在地形高度高于有效源高的地方,则假定两者的高度差等于有效源高的一半。 2 . 1 . 5 国内 所做的研究 1 . 阎 宇 平 等 人 5 采 用目 前 应 用尚 少 的 复 杂 地 形 上 的 三 维 边 界 层 模 式 作 为 大 气 扩 散模式所需的三维边界层要素场; 用复杂地形上的三维平流扩散模式和高斯扩 散模式分别模拟低架源 ( 包括面源) 和高 架源所造成的 地面s 0 , 浓度. 然后将两 者的 模拟浓度在相应网格上叠加。 平流扩散模式采用地形追随坐标系( 2* 坐标) 中的三维平流扩散方程, 而高斯 扩散模式,由于通用的高斯模式仅适用于均匀风场,不适用于复杂地形区域的 非均匀风场.所以需加以改进。 若 j 一 a . , y . ) 表 示 污 染 源 的 位 置 , 厂 = (x f y f ) 表 示 网 格 点( i , j ) 的 坐标向 量, 责 任意点 浓度c 都可以 看作 这两 个向 量的 函 折. p a r 一 户 川匕 介 。 一少 “ n - - m a nr l v x幻 a p j - t f - j a , v j 一 ! !叫 刚田浓 r即c= c 婿 , f) . 在非 均云风场中沿下风距离x 和水平风距离y 可由下式得出: 二 一 ri pr r y 一 i(p 一 f ) - m / y l 一 f) 2 1 /2 ( 2 . 1 0 ) 第2 章 复杂地形大气扩散模拟概述 改变的综合因子。地形系数t 分下列几种情况考虑: ( 1 ) 若烟流与起伏地形平行,则t = 1 ; ( 2 ) 若烟流保持固定的海拔高度,则 当h q h , 时, t = 0 当h e h , 时, t = 1 - h ,/ h ( 3 ) 若烟流处于上述两种情况之间,则 当h , h , 时, t = k 当h , h , 时, t = 1 - h ,/ h , + k h / h e 美国的e r t的点源扩散 ( p s d m )模式是艾根模式的特例,取k = 1 / 2 。在 地形高度 h 低于有效源高h . 的地方,假定烟流和地面的高度差为 ( h b - 1 / 2 h t ) ; 在地形高度高于有效源高的地方,则假定两者的高度差等于有效源高的一半。 2 . 1 . 5 国内 所做的研究 1 . 阎 宇 平 等 人 5 采 用目 前 应 用尚 少 的 复 杂 地 形 上 的 三 维 边 界 层 模 式 作 为 大 气 扩 散模式所需的三维边界层要素场; 用复杂地形上的三维平流扩散模式和高斯扩 散模式分别模拟低架源 ( 包括面源) 和高 架源所造成的 地面s 0 , 浓度. 然后将两 者的 模拟浓度在相应网格上叠加。 平流扩散模式采用地形追随坐标系( 2* 坐标) 中的三维平流扩散方程, 而高斯 扩散模式,由于通用的高斯模式仅适用于均匀风场,不适用于复杂地形区域的 非均匀风场.所以需加以改进。 若 j 一 a . , y . ) 表 示 污 染 源 的 位 置 , 厂 = (x f y f ) 表 示 网 格 点( i , j ) 的 坐标向 量, 责 任意点 浓度c 都可以 看作 这两 个向 量的 函 折. p a r 一 户 川匕 介 。 一少 “ n - - m a nr l v x幻 a p j - t f - j a , v j 一 ! !叫 刚田浓 r即c= c 婿 , f) . 在非 均云风场中沿下风距离x 和水平风距离y 可由下式得出: 二 一 ri pr r y 一 i(p 一 f ) - m / y l 一 f) 2 1 /2 ( 2 . 1 0 ) 第z 章 复杂地形大气扩散模拟概述 式 中 y 为 污 染 源 到 计 算 格 点 的 平 均 风 向 量 。 验证结果表明,该混合模式可以较好地模拟山区复杂地形上的大气污染物 浓度,因而可用于复杂地形区域大气质量控制和管理的有关工作。 2 . 8 1 姜平等人利用数值积分方法求解复杂地形上三维大气热力 一动力学方程组 以 及扩散方程,模拟复杂地形上的流场和污染物浓度场情况,原理如下: 空气及其中包含的气载物质的运动, 可用包含6 个变量即三维速度u , v , w , 空气压力p 空气位温b 和污染物浓度c 的6 个方程: 两个水平运动方程, 能量方 程,静力方程,不可压缩流体连续方程和扩散方程来描述,由于非线性项的存 在,使用数值积分的方法进行数值模拟求解。 经与现场污染物和污染气象测试结果比较分析, 模式计算结果与监测结果基 本相符。将该模式应用于扩建工程环境空气影响评价,使评价结果更趋合理、 准确。 该模式能够反映复杂地形上不同大气稳定度下的污染物输送、 扩散规律, 因此可作为解决复杂地形上空气污染物扩散的实用方法。 2 . 2 环境影响评价技术导则中有关复杂地形的计算方法 2 . 2 . 1 环境影响评价技术导则推荐的烟轴高度修正方法【, ” 环境影响评价技术导则 推荐的烟羽经过孤立山 体或其他障碍物时, 烟轴 高度的修正方法,在中性或不稳定层结下,与p s d m 的修正方法相同,在稳定层 结下,则考虑了能越山而过的烟羽的临界高度。 ( 1 ) 中性或不稳定天气条件。 在中性或不稳定天气条件下, 当排气筒下风向 某处的 凸 出 地 形 或 其 他障 碍 物的 高 度h , 低于 排 气筒 的 有效高 度h , 时, 假定 该 处 的 烟 轴 与 当 地 地 面 的 高 度 差 等 于 队一 翻 ; 而 当 h , h 。 时 , 则 假 定 该 处 烟 轴 与 l一 2 )一 一 - -、 一 , 一 一 1 - 1 。 二 地 面 的 高 度 差 等 于 兰。 2 第z 章 复杂地形大气扩散模拟概述 式 中 y 为 污 染 源 到 计 算 格 点 的 平 均 风 向 量 。 验证结果表明,该混合模式可以较好地模拟山区复杂地形上的大气污染物 浓度,因而可用于复杂地形区域大气质量控制和管理的有关工作。 2 . 8 1 姜平等人利用数值积分方法求解复杂地形上三维大气热力 一动力学方程组 以 及扩散方程,模拟复杂地形上的流场和污染物浓度场情况,原理如下: 空气及其中包含的气载物质的运动, 可用包含6 个变量即三维速度u , v , w , 空气压力p 空气位温b 和污染物浓度c 的6 个方程: 两个水平运动方程, 能量方 程,静力方程,不可压缩流体连续方程和扩散方程来描述,由于非线性项的存 在,使用数值积分的方法进行数值模拟求解。 经与现场污染物和污染气象测试结果比较分析, 模式计算结果与监测结果基 本相符。将该模式应用于扩建工程环境空气影响评价,使评价结果更趋合理、 准确。 该模式能够反映复杂地形上不同大气稳定度下的污染物输送、 扩散规律, 因此可作为解决复杂地形上空气污染物扩散的实用方法。 2 . 2 环境影响评价技术导则中有关复杂地形的计算方法 2 . 2 . 1 环境影响评价技术导则推荐的烟轴高度修正方法【, ” 环境影响评价技术导则 推荐的烟羽经过孤立山 体或其他障碍物时, 烟轴 高度的修正方法,在中性或不稳定层结下,与p s d m 的修正方法相同,在稳定层 结下,则考虑了能越山而过的烟羽的临界高度。 ( 1 ) 中性或不稳定天气条件。 在中性或不稳定天气条件下, 当排气筒下风向 某处的 凸 出 地 形 或 其 他障 碍 物的 高 度h , 低于 排 气筒 的 有效高 度h , 时, 假定 该 处 的 烟 轴 与 当 地 地 面 的 高 度 差 等 于 队一 翻 ; 而 当 h , h 。 时 , 则 假 定 该 处 烟 轴 与 l一 2 )一 一 - -、 一 , 一 一 1 - 1 。 二 地 面 的 高 度 差 等 于 兰。 2 第z 章 复杂地形大气扩散模拟概述 式 中 y 为 污 染 源 到 计 算 格 点 的 平 均 风 向 量 。 验证结果表明,该混合模式可以较好地模拟山区复杂地形上的大气污染物 浓度,因而可用于复杂地形区域大气质量控制和管理的有关工作。 2 . 8 1 姜平等人利用数值积分方法求解复杂地形上三维大气热力 一动力学方程组 以 及扩散方程,模拟复杂地形上的流场和污染物浓度场情况,原理如下: 空气及其中包含的气载物质的运动, 可用包含6 个变量即三维速度u , v , w , 空气压力p 空气位温b 和污染物浓度c 的6 个方程: 两个水平运动方程, 能量方 程,静力方程,不可压缩流体连续方程和扩散方程来描述,由于非线性项的存 在,使用数值积分的方法进行数值模拟求解。 经与现场污染物和污染气象测试结果比较分析, 模式计算结果与监测结果基 本相符。将该模式应用于扩建工程环境空气影响评价,使评价结果更趋合理、 准确。 该模式能够反映复杂地形上不同大气稳定度下的污染物输送、 扩散规律, 因此可作为解决复杂地形上空气污染物扩散的实用方法。 2 . 2 环境影响评价技术导则中有关复杂地形的计算方法 2 . 2 . 1 环境影响评价技术导则推荐的烟轴高度修正方法【, ” 环境影响评价技术导则 推荐的烟羽经过孤立山 体或其他障碍物时, 烟轴 高度的修正方法,在中性或不稳定层结下,与p s d m 的修正方法相同,在稳定层 结下,则考虑了能越山而过的烟羽的临界高度。 ( 1 ) 中性或不稳定天气条件。 在中性或不稳定天气条件下, 当排气筒下风向 某处的 凸 出 地 形 或 其 他障 碍 物的 高 度h , 低于 排 气筒 的 有效高 度h , 时, 假定 该 处 的 烟 轴 与 当 地 地 面 的 高 度 差 等 于 队一 翻 ; 而 当 h , h 。 时 , 则 假 定 该 处 烟 轴 与 l一 2 )一 一 - -、 一 , 一 一 1 - 1 。 二 地 面 的 高 度 差 等 于 兰。 2 第2 章 复杂地形大气扩散模拟概述 ( 2 )稳定 天 气条件。 在 稳定 天气 条 件 下, 烟羽以 临 界 高 度h 。 为 界 分 成 两部 分,在临界高度以上的烟羽才有足够的动能爬越山体,而临界高度以下的部分 只能被迫 绕孤 立山 体而过, 此临 界高 度h 。 可由 下式 定义: ,- , ( h _ 一 : ) d b. 91 .一- - a z 司亡沙 a之 ( 2 . 1 0 ) 式中,h . 为孤立山体或障碍物的高 度 ( m ) : u为平均风速,( m / s ) ; b为 位温 ( k ) ;竺 上为位温梯度 d z ( k / m ) ; g 为重力加速度 ( m / s 2 ) 若 在 烟 流 经 过 的 范 围 内 , 。 一 常 数 , d b = 常 数 , 这 种 假 设 是 近 似 成 立 的 , 则 a之 积分后可得 h 。 二 h ,. - u d b 9.二 一 口2 ( 2 . 1 1 ) 2 . 2 . 2 大气环境影晌评价导则中存在的问题 115 1 我国 大气环境影响评价导则中有关复杂地形污染物扩散浓度的计算 推荐的方法需要在现场建立临时气象站和若干气象观测点,以便观测地面气象 要素和低空风、温的时空变化规律。并且为了获得较为全面、理想的数据导则 要求观测周期为一年。其中一、二级评价项目 至少应有冬、夏两个季节代表月 份,每月观测次数,除北京时间0 2 , 0 7 , 1 4 , 1 9 时4 次外,应在黎明前后、上 午和傍晚增加观测2 -8 次,以 便了 解辐射逆温层的 状况和混合层的生消规律。 显而易见,对于一些中、小型的项目 环评或者区域环评,动用大量的人力、物 力去采集这些气象数据不太现实。而在复杂地形区域附近, 气象站点数量非常 少,因此想获得计算所需的数据较困难。而且建立的是地面气象站,实际上不 可能
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