（环境科学专业论文）大气污染扩散长期模型的应用研究.pdf

a b s t r a c t q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s a n dg r o s sc o n t r o lw i l lb e a p p l i e d f o ra t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n ti n s t e a do fq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dc o n c e n t r a t i o nc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o nb e t w e e na t m o s p h e r i cp o l l u t a n te m i s s i o na n d a t m o s p h e r i cq u a l i t yw i l lb et h ef o c u so na t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t a t m o s p h e r i cq u a l i t ym o d e ，w h i c hd e s c r i b e st h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o nb e t w e e ns o u r c e a n de n v i r o n m e n tb ym o d e lo fm a t h e m a t i c s ，h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o o lh e l p i n gt h e e s t a b l i s h m e n to fa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tp l a n a s s e s s m e n t , a t m o s p h e r i cp o l l u t a n t e m i s s i o np e r m i ts y s t e ma n da t m o s p h e r i cp o l l u t a n tg r o s sc o n t r o lp l a n m e a s u r e s r e c e n t l y , r e s e a r c ho na t m o s p h e r i cq u a l i t ym o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y , a n d v a r i o u sm o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d b u tt h ee r r o r so f t h em o d e l sa l m o s tr e s u l tf r o m t h ei n p u to fm o d e l si np r a c t i c e ，e s p e c i a l l yf r o mt h ed a t ao fp o l l u t i o ns o u r c e ，w h i c hi s h a r dt oa c h i e v et h ep r e c i s i o no fm o d e l s a sar e s u l t ，t h ec o m p l e xm o d e l sd on o t p e r f o r mw e l l t h a nt h eg a n s s i a nm o d e l o b v i o u s l y g a u s s i a nm o d e lw i mt h e a s s u m p t i o no f t h en o r m a ld i s t r i b u t i o no f p l u m ec o n c e n t r a t i o ni sm o s t l ya p p l i e df o rt h e e v a l u a t i o no fl o c a la t m o s p h e r i cp o l l u t i o ni nt h ew o r l d t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fa t m o s p h e r i cp o l l u t a n ti nal o n gt i m ep l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei na t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a li m p a c tp l a n a s s e s s m e n t 1 1 1 el a y o u to f t o w n sa n df a c t o r i e ss h o u l db ed e c i d e db yt h ek n o w l e d g eo ft h el o c a la t m o s p h e r i c p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n s o ，i ti ss i g n i f i c a n tt oe s t a b l i s has c i e n t i f i c ，s i m p l e ，l o n g - t e r m a v e r a g ec o n c e n t r a t i o nm o d e lo f a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n l o n g - t e r md i f f u s i o nm o d e lo fa t m o s p h e r i cp o l l u t a n t ( i s c l t 3 ) c a l l e dr e g u l a t o r y m o d e li sak i n do fg a u s s i a nm o d e lr e c o m m e n d e db yu s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y t h ev e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo fi s c i 耶h a sb e e nr e c o g n i z e d a n di s c l t 3h a s b c c o m e dt h eu n i v e r s a lm o d e lf o ra i rq u a l i t ym o d e l l i n gi nm a n yc o u n t r i e si n c l u d i n g u s m o r e o v e r , t h em o d e ls o f t w a r ei sf r e ea n dc a nb ed o w n l o a d e df r o mi n t e m e = t i ft h e m o d e li sa p p l i e di nc h i n a , i ts u r e l yi m p r o v e st h ec o n t r o l l i n go v e rt h ea t m o s p h e r i c q u a l i t yo fc h i n a a c c o r d i n 9 1 ) qq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sw i l lb ea p p l i e df o ra t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n ti n s t e a do f c u r r e n tq u a l i t a t i v ea n a l y s i s c o n s i d e r i n gt h ed a m a g eo fa t m o s p h e r i cp o l l u t i o na n dt h ei m p o r t a n c eo f m a n a g e m e n tr e i n f o r c e m e n t t h ep a p e rr e a l i z e st h ef u n c t i o no fa t m o s p h e r i cp o l l u t a n t d i f f u s i o nm o d e l ，a n ds u m m a r i z e st h es t a t u so fr e s e a r c h e so na t m o s p h e r i cp o l l u t a n t d i f f u s i o nm o d e la th o m ea n da b o a r d t h ea u t h o rf i n d so u tt h a tt h ep r e c i s i o nr e q u i r e d b yt h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tt e c h n i c a la s s e s s m e n tg u i d ei sa c h i e v e db yi s c l t 3 m o d e l i s c l t 3m o d e li sa p p l i e di ns e v e r a li d e a le a , sa r r a n g e db yt h ea u t h o ra f t e r t e s t i f y i n g i t s g o o dp e r f o r m a n c eb yt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n f u r t h e r m o r e ，t h e a p p l i c a b i l i t yo f i s c l t 3t oa i rq u a l i t ys i m u l a t i o ni nc i t i e si sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：a t m o s p h e r ep o l l u t i o n , l o n g - t e r mm o d e l ，i s c l t 3 ，g a u s s i a nm o d e l ， e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 事硝 签字日期：即多年p 月如p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：翠描 签字日期：毒岬辟p 月汶矿日 导师签名：- k ；k 签字日期： o6 年2 月加e 1 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 环境污染作为一个重大的社会问题，是从产业革命开始的。产业革命的故乡 英国，从1 8 7 3 年以后连续发生一系列煤烟型大气污染事件，造成重大伤亡。 进入2 0 世纪，特别是二战以后，科学、工业、交通迅猛发展，人类对环境利用和 改造，无论在广度或深度上都与日俱增，并不断地取得胜利，人类的物质文化生 活水平得到提高。但与此同时，工业布局不当，城市化过程加快，使得环境污染 问题日渐突现。从3 0 年代到6 0 年代，一些工业发达国家，先后发生了八大公害 事件，人类的生存和发展所依赖的环境受到空前强大的压力。所幸的是，从5 0 年代起，工业国家相继开始大规模的环境污染治理，使污染发展势头得到了一定 的扼制。但这并不能全面控制环境恶化的趋势，相反，一些环境问题却愈演愈烈， 从根本上威胁到人类长远生存和发展。 在我国，也长期存在人口膨胀、土地资源不足、生态环境恶化的问题。特 别是近年来经济的高速增长，使得环境问题更加突出。城市污染严重，并向农村 扩张，环境污染造成了巨大的损失。随着人口持续增长，工业化进程不断加快， 环境问题将成为制约我国经济发展、影响我国社会安定和国际形象的重要因素。 大量事实表明人类消耗自然资源已达到空前的规模，废物的排放量已超过环 境自身的承载力。这种形式促使许多环境科学家积极奔走呼吁，也促使联合国开 始关注环境问题。如何正确认识环境质量恶化的原因，探明环境质量变化的规律， 掌握防止环境污染与破坏的对策，以不断地改善和提高环境质量，便成为环境科 学领域的基本内容和人们的共同需求。 根据世界各国著名环保专家不久前的推断，在当今世界环境1 0 大问题中， 大气污染问题名列第一1 2 1 。大气污染物对人及生物会造成不同程度的危害，如直 径l o g m 细微颗粒可到达支气管区；直径5 帅颗粒可到达胂泡区，易渗入血液， 最终导致心血管、哮喘等病；s 0 2 加重哮喘病：n 0 2 毒性较大，加重支气管炎、 哮喘病和肺气肿：c o 是影响全身毒物，降低血液的输氧能力，使脑和心脏组织 缺氧，导致心绞痛：酸雨影响人体健康、生态系统平衡和建筑设施寿命，使儿童 免疫力下降，老人咽部呼吸道发病率增加，农作物大幅度减产。严重的大气污染 还能导致人的死亡，并造成大量的经济损失 3 1 。历史上曾发生过数起急性危害事 天津大学硕士学位论文第一章绪论 件，例如，伦敦的烟雾事件，造成空气中s 0 2 含量高达3 5 m g m 3 ，总悬浮颗粒 物4 5 m g m 3 。一周雾期内伦敦地区比往年多死亡4 7 0 3 人；洛杉矾光化学烟雾事 件致使许多人喉头发炎、鼻、眼受刺激红肿，并有不同程度的头痛。中国社会社 会科学院公布的报告表明，1 9 9 5 年我国因污染造成的经济损失达1 8 7 5 亿元，占 当年g d p 的3 2 7 ，其中大气污染造成的损失占1 6 1 ，因总悬浮物导致人的 身体健康损失约1 7 1 亿元，酸雨造成的损失1 3 0 亿元1 4 1 。大气污染的防治已经成 为各国各地区进行环境保护，走可持续发展之路的关键环节。 环境管理工作在环境保护事业中占有重要地位。如何采用控制污染的新技术、 如何注意措施防范、如何改变“先污染。后治理”的传统观念和传统做法，成为 环境管理工作的重要内容。大气环境质量评价是大气环境管理的主要依据之一， 也是实现全面环境管理的重要手段。它一方面可以为各级政府及有关部f - j s u 定社 会发展规划、计划和确定重大开发、建设项目提供大气环境保护方面的科学依据， 也可为各级环保主管部门制定大气环境污染防止规划，制定各种环境保护法令、 法规和管理办法提供科学依据。通过大气环境质量评价，既可以定量地揭示人类 活动对大气环境质量造成的影响，又可以帮助我们找到协调社会经济发展和大气 环境保护的有效途径，达到经济、社会、环境的可持续发展1 5 1 。 随着城市大气环境管理逐步由定性管理向定量管理转化和由浓度控制向实 行总量控制方向发展，各种污染源空气污染物排放量与环境空气质量之间的定量 关系已成为大气环境管理中最为关心的问题之一【6 】。以数学方法描述源与环境之 间定量关系的空气质量模式，特别是空气质量扩散模式也已成为大气环境管理的 有力工具和重要手段，它为大气环境规划、大气环境预测评价、空气污染物排放 许可证制度和空气污染总量控制规划与措施的制定提供了坚实的科学基础。 随着大气扩散理论和边界层理论的研究不断深化，有关的科研成果层出不 穷，特别是计算机科学迅速发展，为大气污染物的输送扩散问题的解决提供了方 法。虽然大气污染问题多种多样，各不相同，但都必须解决一个基本的问题，那 就是要正确推断各种条件下污染物的输送扩散问题。当前，解决这一问题的主要 方法就是用大气扩散模型模拟污染物的输送扩散，即将各种污染源、气象条件和 下垫面条件下的空气污染过程模式化，研究模式中的各种参数以数学模型计算的 形式给出空气污染的时空变化规律，其实质就是用一定的物理模型和数学表达式 及相应的处理方法，在一定的初始条件和边界条件下，模拟分析并定量估算空气 中污染物的散布状况，预测大气环境质量。 长期以来，科技工作者研制出各种各样的大气扩散模型。目前国内外的空气 质量模型可分为：高斯型( g a u s s i a n ) 、数值型( n u m e r i c a l ) 、统计型( s t a t i s t i c a l ) 、 物理型( p h y s i c a l ) 其中高斯型模式至今仍是最主要的应用型模式。其基于湍 天津大学硕士学位论文第一章绪论 流平稳、均匀的假设，在保守估算大气污染物的浓度方面得到了最广泛的应用【刀； 数值模式能对大气污染物，特别是反应性的大气污染物在扩散中的化学转化过 程、陆面过程等进行较精细的模拟，但对输入参数的精度和数量有较高的要求， 因此大多属于研究型模式；统计模式主要基于数理统计的方法研究污染物浓度与 影响因素之间的相关关系。而不考虑大气扩散中的物理、化学过程；物理模式主 要利用风洞等流体力学设施来模拟污染物在局部地区复杂下垫面上的扩散，精度 较高，但存在经济技术方面的局限性【7 】。近年来空气质量模型的研究发展迅速， 出现了很多模式，但是在实际应用时，模式的误差主要来源于模式的输入参数， 尤其是污染源资料本身不可能十分准确、细致，直接影响模式精度，使对于模式 本身的改进归于徒劳，因此从这个角度上考虑，复杂的数值模式的应用并不明显 优于高斯模式l s j 。在研究局部地区空气污染时，目前国内外应用较为广泛的是根 据统计理论建立起来的假设烟羽浓度为正态分布的高斯模式。国家规定的制定 地方大气污染物排放标准的技术原则和方法( b g 3 8 4 0 8 5 ) 亦推荐该模式。 大气污染长期扩散模型( i s c l l 3 ) 是高斯模型的一种，是美国环境保护署强 制推荐的大气污染扩散模型，并称为法规模型 9 1 ；已成为英、美等许多国家空气 预测的通用模型软件，其准确性与可靠性被广泛认可：模型软件容易从网上下载 获得，既经济又实惠。如果该模型同样适应我国空气污染特点，且能推广到全国 各地区及不同城市，无疑能推动我国空气质量模式研究和应用模拟水平，促进了 大气环境管理工作由定性向定量方向的过渡和发展，也给大气环境工作者带来了 极大的方便。 1 2 大气扩散与质量模型的研究进展 1 2 1 国外大气扩散与质量模式的发展 ( 1 ) 第一代大气扩散与质量模式 美国联邦政府1 9 7 7 年通过洁净空气法案( c l e a na i ra c t ) 修正案，首先将 大气质量模式从有关科技工作者的研究手段，提高到法规性的高度。它要求e p a 针对不同的情况指定不同特点的大气质量模式或模式组，用于新建重大设施的空 气质量评价，以及确保国家有关空气质量标准在给定地区的实施和维护。掘此， e p a 在1 9 8 4 年发布了 1 0 0 0 0 9 1 4 3 7o 2 8 1 8 4 6o 1 0 0 0 b 0 8 6 5 0 1 4 0 ，3 9 6 3 5 3 1 0 0 0 o 9 19 3 2 5 0 2 2 9 5 0 0 o 1 0 0 0 b c 0 8 7 5 0 8 6 o 3 1 4 2 3 8 1 0 0 0 0 9 2 4 2 7 9o 1 7 7 1 5 40 - - - 1 0 0 0 c 0 8 8 5 1 5 7 0 2 3 2 1 2 3 l o o o o 9 2 6 8 4 9o 1 4 3 9 4 0o 1 0 0 0 c d o y = 缓6 0 8 8 6 9 4 00 1 8 9 3 9 6 1 0 0 0 0 9 2 9 4 180 1 1 0 7 2 61 - 1 0 0 0 d 0 8 8 8 7 2 3o 1 4 6 6 6 9 1 0 0 0 0 9 2 5 1 1 80 0 9 8 5 6 3 11 1 0 0 0 d k e 0 8 9 2 7 9 4o 1 2 4 3 0 8 1 0 0 0 0 9 2 0 8 1 80 0 8 6 4 0 0 l 1 一1 0 0 0 e 0 8 9 6 8 “o ，1 0 1 9 4 7 1 0 0 0 0 9 2 9 4 1 80 0 5 5 3 6 3 40 1 0 0 0 f 0 8 8 8 7 2 30 7 3 3 3 4 8 1 0 0 0 1 5 天津大学硕士学位论文 第二章大气污染物扩散基本理论 表2 2 垂直风向扩散参数幂函数表达式数据 仃j 稳定度d 下风距离m 1 1 2 1 5 4o 0 7 0 0 0 0 00 - 3 0 0 a 1 5 1 3 6 00 0 0 8 5 4 7 7 13 0 0 巧0 0 2 1 0 8 8 1o o 0 0 2 1 1 5 4 5 5 0 0 bo 9 6 4 4 3 50 1 2 7 1 9 00 5 0 0 1 0 9 3 5 6 0 0 5 7 0 2 5 5 0 0 b c 0 9 4 1 0 1 50 ，1 1 4 6 8 20 - 5 0 0 ， 1 0 0 7 7 00 0 7 5 7 1 8 2 5 0 0 c0 9 1 7 5 9 50 1 0 6 8 0 3 0 0 8 3 8 6 2 80 1 2 6 1 5 20 - 2 0 0 0 c d0 7 5 6 4 1 00 2 3 5 6 6 72 0 0 0 1 0 0 0 0 盯= “d o 8 1 5 5 7 50 1 3 6 6 5 9 1 0 0 0 0 d0 8 2 6 2 1 2o 1 0 4 6 3 41 一1 0 0 0 0 6 3 2 0 2 30 4 0 0 1 6 71 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 5 5 5 3 60 8 1 0 7 3 6 l o 0 0 0 0 7 7 6 8 6 40 1 1 1 7 7 1o 2 0 0 0 眦0 5 7 2 3 4 7o 5 2 8 9 9 22 0 0 0 1 0 0 0 0 0 4 9 9 1 4 91 0 3 8 1 0 1 0 0 0 0 0 7 8 8 3 7 00 0 9 2 7 5 2 7o 1 0 0 0 e0 5 6 5 1 8 80 4 3 3 3 8 41 0 0 0 一1 0 0 0 0 0 4 1 4 7 4 31 7 3 2 4 1 1 0 0 0 0 0 7 8 4 4 0 00 0 6 2 0 7 6 5o 1 0 0 0 f 0 5 2 5 9 6 90 3 7 0 0 1 5 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 3 2 2 6 5 92 4 0 6 9 1 1 0 0 0 0 2 3 3 混合层的影晌 在用前面提到的正态烟云模式估算污染物浓度时，还有一个因素必须考虑， 那就是混合层顶对烟云的反射。因为混合层顶和地面形成了两个不可透的反射 壁，污染物在其中扩散、反射、再扩散。其空间任一点的浓度可表示为： 天津大学硕士学位论文第二章大气污染物扩散基本理论 纸胁去晰匆 重 呻 - 坠笔料唧 - 坠瓮掣 c 枷， 式中上混合层高度，m o ，r 一反射次数，浓度随珂的增加减小很快，一般取3 就有足够的精 确度。 在实际应用中可以进一步简化。由于混合层顶对烟云的垂直扩散起限制作 用，当烟云的边缘( 即浓度为中心线浓度的十分之一处) 延伸到混合层顶时开始 受到它的影响。那末在工s 扎( 即当盯：( 扎) = 0 4 7 l 时) 的距离处扩散不受混合 层的影响，浓度服从于正态分布。 而当x 2 x ，时，烟云在混合层的分布变成均匀的。则有： 讲加南唧 一割 协 而在扎 0 ) ， d ；1f o r ( 矿：o ) ；妒= 0 r 6 9 3 ( 3 8 ) 1 1 2 2 3 天津大学硕士学位论文 第三章空气质量模式i s c 3 兀，污染物浓度的半衰期，s ： v 污染物的衰减系数。 在城市中，s 0 2 的衰减系数约为0 0 0 0 0 4 8 1 s 。 ( 3 ) 光滑函数 光滑函数用来解决在两个扇面交界处浓度出现不连续的问题。 s ：竺爿 剑如( p ：一口l ) s=0 f o r ( pj 一0 a0 1 ) ( 3 - 9 ) 式中：谚正北方向到第j 个风向扇面中心线的夹角( 弧度) ； 口。正北方向到接受点的夹角( 弧度) ： 扇面宽度( 弧度) 。 3 3 2 面源排放污染物环境浓度计算 i s c l t 3 用数值积分的方法来计算面源排放污染物的环境浓度，方法如下： 虿= t j f ( o ) x ( o ) d o = 面1f 【丙”- f , ，x ( 岛) + ! 五立墨堡掣 + e ( 国 占( 口) = x 雨i d = 工m x d d x m i d 三竺! 兰型( 3 - 1 0 ) 2 式中c 第i 个扇面内的平均浓度； s 扇面宽度： 石第j 风向在第i 个扇面出现的频率； s ( 口) 误差项，以2 作为标准检验扇面平均浓度的收敛程度； 可蚴第风向在第i 个扇面时污染物浓度； 护。_ ，风向与扇面边界的交角。 ， 3 3 3 风速廓线指数 rz - l ” ( 3 1 1 ) 一。【i j 天津大学硕士学位论文 第三章空气质量模式i s c 3 “为z 高度处的平均风速，n 以；加。为1 0 米地面观测风速，m s ；z 为计算 高度，m ；z 1 0 取t o m m 为风速廓线指数 表3 - i 不同稳定度下r a 风速廓线指数值 稳定度 abcdef 城市 0 1 00 1 50 2 0o 2 5 0 3 0o - 3 0 乡村 0 0 70 0 7o 1 0o 1 5o 2 50 2 5 3 3 4 大气扩散参数 i s c 3 模式中城市大气扩散参数选用b r i g g s ( 城市) 扩散参数( 如表3 2 ) 。 表3 - 2b r i g g s ( 城市) 扩散参数 稳定度 口y盯： a b 0 3 2 x ( 1 + 0 0 0 0 4 x ) o 0 2 4 x ( 1 + 0 ，0 0 0 1 x ) o c 0 2 2 x ( 1 + 0 0 0 0 4 x ) o 5 0 2 x d o 1 6 x 0 + o 0 0 0 4 x ) 0 5 0 1 4 x 0 + o 0 0 0 3 x ) 0 5 e f o i l x 0 + o 0 0 0 4 x ) o 0 s x ( 1 + 0 0 0 0 1 5 x ) 0 5 3 3 5 烟气抬升公式 采用b r i g g s 烟气抬升计算方法，具体公式如下： 浮力通量： 耻九d ； 苦 。1 2 式中r 为浮力通量m 4 s 3 ：g 为重力加速度m s 2 ；k 为烟气出口速度m s ： 以为烟气出口直径m ：为烟气出口温度k ；a t 为烟气温度与环境温差值k ； 下同： 动力通量： f 。叱2 d ? 鲁 。1 3 式中，册为动力通量m 4 s 2 ：t o 为环境温度k ；其它符号意义同上。 ( 1 ) 大气处于不稳定或中性条件下 天津大学硕士学位论文第三章空气质量模式i s c 3 临界温差： i l 3 ( a t ) c 。0 0 2 9 7t 争 f b 5 5 ( 3 州) 若烟气温度与环境温差值大小等于临界温差，则烟羽抬升以浮力抬升为主，反之 则以动力抬升为主。 浮力抬升的有效源高度： h ，：小2 1 4 2 5 坐f b 5 5 “。 h 。： ：+ 3 8 7 1 坐f b 猢 7 ， 式中h ，为有效源高m ；虬为烟囱的物理高度m ；以为 速m s ：其他符号意义同上 动力抬升的有效高度为： h 。： ：+ 3 d 。生 砧 符号意义同上 ( 2 ) 大气处于稳定状态下 临界温差： ( r ) 。= 0 0 1 9 5 8 2 t , v , s ( 3 1 5 ) 排气口高度的平均风 ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 式中s 为稳般羰 g 半口为龃 若烟气温度与环境温差值等于临界温差，则烟羽抬升以浮力抬升为主，反之， 则以动力抬升为主。 浮力抬升的有效高度为： 儿a 时3 动力抬升的有效源高为： 一s 翱 符号意义同上。 符号意义同上。 ( 3 ) 源与受体之间的距离小于抬升的最终下风距离时 浮力抬升的有效源高为： 天津大学硕士学位论文第三章空气质量模式i s c 3 以：- 6 0 f 坐坐1 l u ， j 动力抬升的有效源高为： 铲n 筹 ”小 器 l ，3 不稳定条件下 稳定条件下 式中岛= ；+ 昔为急流拖曳系数，j 为源与受体之间的距离；其它符 号的意义同上。 3 4i s c l f t 3 模式所需要的输入参数 i s c l t 3 模式运行需要的参数主要包括大气污染排放参数、扩散过程的控制 参数、污染气象参数、受体特征参数等。 ( 1 ) c o ( f o r s p e c i f y i n go v e r a l l j o bc o n t r o lo p t i o n s ) 模拟工作控制 c o 包括反映大气扩散特征的参数的输入，如城市、农村下垫面，烟流抬升、 下洗，大气污染物的干、湿沉积和指数衰减，平均时间，大气污染物的类型，地 形高度和受体高度等。 ( 2 ) s o ( f o rs p e c i f y i n gs o u r c ei n f o r m a t i o n ) 大气污染源特征参数 s o 包括四种类型的污染源( 点源、面源、体源和开放坑排放) ；污染源的位 置坐标；各污染源的排放参数( 对于点源涉及污染物的排放强度、排气筒高度、 咽气出口温度和速度、排气筒内径；对于面源涉及大气污染物排放强度、排放高 度、面源单元在x 方向和y 方向的长度等) 。 ( 3 ) r e ( f o r s p e c i l y i n gr e c e p t o ri n f o r m a t i o n ) 受体特征参数 r e 包括描述受体位置所采用的坐标系( 直角坐标系、极坐标系) 和平均或 非平均网格( 为便于应用，一般采用直角坐标系) 。对于直角坐标系的网格需要 输入x 方向( 东话方向) 和y 方向( 南北方向) 各网格节点的坐标，若网格是均 匀的，可简化为网格的左下角坐标及x 方向、y 方向的网格数和格距。若需要模 拟污染物在受体的垂直分布，可输入受体的垂直分层。对于控制点上的污染物浓 度的模拟，可输入离散的受体特征参数。 ( 4 ) m e ( f o rs p e c i f y i n gm e t e o r o l o g yi n f o r m a t i o n 卜气象特征参数 对于长期平均温度的计算，所需输入的气象参数包括风向、风速、稳定度和 联合频率( s t a r 文件) ，风廓线指数，温度梯度，各风速等级的平均风速，对应 天津大学硕士学位论文第三章空气质量模式i s c 3 六种稳定度的平均环境温度以及对应六个风速等级的平均混合层高度，平均地表 粗糙度等。 ( 5 ) o u ( f o rs p e c i f y i n go u t p u to p t i o n s ) 对输出文件的控制和选择 o u 包括单个源和一组源排放在各接受点的污染物环境浓度、最大源强的贡 献等。 3 4 1 模型要求的输入数据 模型要求输入各排放源的位置、排放速率、烟囱物理高度、烟气出口速率、 烟囱内径和烟气温度；另外，可选的源输入项有源海拔高度、建筑物尺寸以及颗 粒物内径分布、相应的沉积速率和表面反射系数等。i s c s t 3 ( 短期模型) 需要 输入逐时地表气象数据，这些数据由r a m m e t 预处理程序计算得出；该预处理 程序能够提供逐时的大气稳定度级别、风向、风速、气温和混合层高度。i s c l t 3 ( 长期模型) 要求的气象输入数据包括稳定度一风速联合频率图、上午和下午的 平均混合层高度以及平均气温等；受体数据要求各受体的坐标、可选的受体输入 项有受体地面高程等1 5 2 1 。 3 4 2 模型可输出的数据 i s c l t 3 模型能够输出各受体因某排放源而引起的f 1 平均浓度或总沉降量、 某天或菜时期内所有受体因某个源的排放导致的大气质量浓度或沉降量、某时期 内给定的源组合对所有受体所造成的大气浓度最高值或沉降量中的最高值；另 外。模型还可以输出任意一天的逐时气象数据表以及模型控制参数、源输入数据 和受体输入数据等。 3 4 3 对源和受体的处理 i s c l t 3 中用到的点源、线源和体源的位置由模型使用者指定，受体位置或 区域也由使用者指定。使用者输入每一受体的地形数值，对于高于烟囱的受体， 其海拔按等于烟囱高度处理。当需要估计高架受体或“旗杆形”受体( 如建筑物) 的影响时使用者需要输入其相对的高度。模型自动计算每一对源和受体间的距 离。 3 4 4 主要大气物理化学过程处理 i s c l t 3 采用b r i g g s 烟羽抬升公式来计算烟羽抬升，同时采用了b r i g g s 烟囱 顶部下洗公式来计算下洗影响。模型修正了建筑物尾迹的影响。对于 天津大学硕士学位论文第三章空气质量模式i s c 3 盼h b + 1 2 r a i n ( n b ，w b ) 的情况，建筑物尾迹影响采用h u b e r 和s n y d e r 公式计算， 其中，h l 为烟囱高度：魄为建筑物高度：、巩为建筑物宽度。而对于较低的烟囱， 建筑物尾迹影响采用s c h u l m a n 和s c i r e ( s c h u l m a n 和h a n n a ，1 9 8 6 ) 计算，并且不 考虑烟囱顶部下洗和浮力扩散的影响。短距离模型或长距离模型计算时，可以通 过“d f a u l t ”选项自动选择烟囱顶部下洗、最终烟羽抬升高度、浮力扩散、垂 直温度剃度、静风情况处理、合适的风速廓线指数以及合适的污染物半衰期，以 及修正的建筑物尾迹影响计算。对于起伏地形( 海拔高度低于烟囱高度) ，烟羽 中心线在源上方烟羽最终抬升高度处于水平向延伸。化学转化通过指数衰减表 达，时间常数由模型使用者输入。颗粒物干沉降的影响通过阻力公式处理，沉降 速率为大气近地层中污染物的传输阻力和加上重力沉降项( e p a ，1 9 9 4 ) ，这基 于h o r s t ( 1 9 8 3 ) 的地表损耗理论。 3 4 5 主要参数处理 在1 h 内，假设水平风速是恒定不变的；在顺风距离内，假设烟羽通过直线 传输。对于乡村和城市地区，模型采用了不同的风速廓线指数：在乡村地区采用 了i r w i n ，( 1 9 7 9 ) ；而在城市地区采用了e p a ( 1 9 8 0 ) 。在短距离传输模型中，可 以根据需要选择对静风条件的处理；模型假定垂直风速为零。农村地区的水平扩 散系数采用t r u n e r ( 1 9 6 9 ) ，没有根据表面粗糙度或平均时间进行调整：城市地区 的垂直扩散系数采用b r i g g s ( g i f f o r d ，1 9 7 国；在垂直方向上，模型考虑了浮力扩 散( p a s q u i l l ，1 9 7 6 ) 。混合层高度通过多次反射计算，直到垂直烟羽标准差等于 混合层高度的1 6 倍为止得出混合层高度；假设垂直混合是稳定的。 3 5i s c l t 3 模式的运行 3 5 1 输入参数的确定及输入文件的构建 首先根掘i i 面介绍和待研究的实际问题( 包括污染物的类型、模拟区域地形、 尺度既污染气象特征、模拟的时间周期、受体特征等) ，确定模式运行所需的输 入参数值。而后构建名为“ i n p ”的输入输入文件和名为“幸s t a ”反映当地风 向、风速、稳定度联合频率的气象资料文件( 幸为用户自行确定的文件名) 。 3 5 2 运行i s c u 3 模式 在d o s 密口下运行i s c l t 3 e x e 文件，命令如下： i s c i j 3 幸i n p 宰o u t 天津大学硕士学位论文第三章空气质量模式i s c 3 3 5 3 查看计算结果 i s c l t 3 模式计算结果保存在“孝o u t ”文件中，可用写字板打开查看。若输 入参数的格式或数值不合理，造成程序无法正常运行，则错误信息业保存在 “木o u t ”文件中，用户可根据相应的错误信息修改输入文件，直到程序可正常 运行为止。 天津大学硕士学位论文第四章大气污染长气扩散模型i s c l t 3 的应用 第四章大气污染长期扩散模型i s c l t 3 的应用 上一章已详细介绍大气污染长期扩散模型i s c l t 3 的原理，参数的输入及其 运行方式。本章按照其规定的输入格式及运行方式对点源和面源的主要参数进行 了详细的应用模拟，并将结果跟解析解作了比较；然后以我国某城市的气象资料 为背景对多污染源的布局优化进行尝试性的模拟和前人用i s c s t 短期模型模拟 我国某城市一火电厂的污染源的值用i s c l t 3 长期模型再次模拟并进行对比；最 后总结前人对i s c l t 3 的应用经验探讨该模型在我国空气污染方面的应用。 4 1 点源模拟 i s c l t 3 采用联合频率分布函数计算污染源对受体点空气污染的影响，即同 时考虑风速、风向、稳定度的联合频率和模拟地区的混合层高度等因素；在几个 月、甚至一年长的时段内，又各种风向均有可能出现，要搜集多年的气象资料并 作统计是比较困难的。所以，研究选择了我国部分城市已统计好的气象资料为背 景下，对污染扩散的影响进行了模拟。为了获得单向风速，我们只修改了联合频 率。 研究选取源强为l g s 、源高为3 5 m 、出口温度为4 3 2 k 、出口速度为1 1 5 n d s 和口径为2 4 m 的源作为例子模拟了其随高度、气象参数的扩散情况。源的位置 设在( 1 0 0 0 ，5 0 0 0 ) 处，影响区域设为源周围1 0 * 1 0 k m 。除非特别说明。本节研 究均取此点源。 4 1 1 点源模拟结果与理论值的对比 利用i s c l t 3 进行模拟点源在1 5 m s 的大气中的扩散情况，图4 - 1 给出了污 染物在地面上的浓度分布。用高斯解析解对同样的源扩散进行计算，结果图4 2 。 图4 3 给出了两个模型在下风向中心线处的地面浓度值。( 坐标说明：除非特别 标明，本章的图均取横轴为x 坐标、纵轴为y 坐标，分别为地面长度和宽度，单 位为m ) 。 天津大学硕士学位论文 第四章大气污染长气扩散模型i s c l t 3 的应用 荟4 3 凹 返z 蓄- 簧0 图4 1 点源扩散的地面浓度分布 图4 2 点源解析解地面浓度结果 23456789 下风向距离( k m ) 图4 - 3 点源在下风向中心线处的地面的模拟值与解析值对比 该长期模型模拟的点源结果与高斯解析解比较一致，无论是污染物的扩散 域，还是下风向对应受体点浓度都符合很好，证实了该长期模型对点源的模拟的 3 2 - 天津大学硕士学位论文第四章大气污染长气扩散模型i s c l t 3 的应用 可靠性。至于离污染源近处的地面浓度有所偏差，是因为i s c l t 3 模型模拟时考 虑了各种因素对烟气抬升的影响，而解析值用源的有效高度来计算造成的。 4 1 2 点源排放高度的影响 在验证了点源的模拟可靠性的基础上，对不同高度点源污染进行了研究。图 4 4 至图4 7 给出了源高分别为1 0 m 、5 0 m 、7 0 m 、1 0 0 m 风速为1 5 m s 扩散的 地面浓度分布。 幽4 - 4 源高为1 0 m 时的地面浓度 圈4 - 5i ! i 高为5 0 m 时的地面浓度 天津大学硕士学位论文 第四章大气污染长气扩散模型i s c l t 3 的应用 一；。一 图4 - 6 源高为7 0 m 时的地面浓度 _ 一 。1 。1 l - - 一 。j。 一 享。 一j 。皂二 。 17 17 1f 图4 7 源高为1 0 0 m 时地面浓度 可以看出：随着源高的提高顺风向下垫面