（环境工程专业论文）丰南城区大气环境容量及空气质量达标规划研究.pdf

摘要 摘要 本文采用高斯模式与多维多箱模型相结合的复合模式对丰南城区的大气环 境容量进行了研究计算，得出不同达标率情况下的大气环境容量值：并在容量 研究的基础上，利用不确定线性优化方程对各种污染控制措施进行了优化研究， 从而达到最少的环保投资及最佳的环境效果。多维多箱模型是由北京工业大学 和加拿大r e g i n a 大学共同研究开发出的一种新型大气环境预测模型，该模型反 映了大气的三维扩散，污染物的物理、化学消除基理，污染物的时空分布等因 素，并能预测出各功能区( 工业区、居民区、商业区、混合区) 的空气质量。 对于环境容量的确定，通过将模式预测值与现状监测值进行对比，其相对误差 在2 0 之内，具有较高的准确性，为得到较准确的环境容量计算值打下了良好 的基础。在确定污染控制措施的费用时，进行了广泛的调研，并力求结合当地 实际。各种控制措施的适用性强，均属于当今世界各国用于污染防治的成熟方 法，且从同类地区的实际运行情况来看，取得了很好的效果。 本研究涉及大气混合层高度的确定、多维多箱模型和灰色理论( 不确定性 线性优化模型) 的应用。本文中所采用的高斯模式与多维多箱模型相结合的复 合模型进行大气环境容量研究的方法在国内外属首次使用，该方法具有简便易 行，预测精度高等特点。 关键词大气环境容量；多维多箱模型；灰色模型：优化 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r c t i nt h i ss t u d y , ac o m p l e xm o d e lo f g a u s sm o d e la n dm u t i d i m e n s i o n a lm u k i - b o x m o d e lw a sd e v e l o p e df o r t h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo ff e n g n a nu r b a n d i s t r i c t a n da na t m o s p h e r i cc a p a c i t yo fd i f f e r e n ts t a n d a r dr a t ei sr e t r i e v e d ，u n d e r w h i c ha no p t i m i z a t i o n s t u d yw a sc a r r i e db yu s i n gi n d e f i n i t el i n e a re q u a t i o nt o e s t a b l i s hp o l l u t a n tp r e v e n t i o ns o l u t i o n ，w h i c hi s t h eb e s t w a yt og e tl o w e s t i n v e s t m e n ta n db e s te n v i r o n m e n t a le f f e c t m u t i d i m e n s i o n a lm u l t i b o xm o d e lw a sa n n e wa t m o s p h r i cp r e d i c t i o nm o d e li n v e n t e db yb e i j i n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya n d r e g i n au n i v e r s i t y , t h em o d e lc a r lr e f l e c tp h y s i c a la n d c h e m i c a lr e m o v a lm e c h a n i s m s a n de f f e c t so fw i n d d i r e c t i o nv a r i a t i o n s w i t hf o u rw i n d - d i r e c t i o ng r o u p sb e i n g i n t r o d u c e di n t oi t sc o m p u t a t i o n a lf r a m e w o r ki tc a na l s op r e d i c tt h ea i rq u a l i t yo f d i f f e r e n td i s t r i c t ( i n d u s t r i a l ，i n h a b i t a n c e ，c o m m e r c e ，m i x e da e r a ) a st ot h es t u d yo f a t m o s p h e r i cc a p a c i t y , i ts h o w e dt h a tt h er e l a t i v ee r r o r so fp r e d i c t i o n v a l u ea n d p r a c t i c a lv a l u ew a sl e s st h a n2 0p e r c e n t ，w h i c hi n s u r e dan i c e t ys t u d yc o n c l u s i o n d u r i n gt h ee s t a b l i s h m e n to f p o l l u t i o nc o n t r o ls o l u t i o n ，ag r e a td e a li n v e s t g a t i o nw a s c a r r i e dt om e e tt h ep r a c t i c eo fl o c a l d i s t r i c t t h ec o n t r o ls o l u t i o nh a v eag o o d a p p l i c a b i l i t y , w h i c h a r eg e n e r a lp r o c e s su s e db ym o s tc o u n t r yo ft h ew o r l dt op r e v e n t p o l l u t i o n ，a n di th a da f i n ee f f e c tc o m p a r e dw i t ht h o s ew h oh a du s e dt h es a m ew a y t h es t u d yi n v o l v e dt h ea p p l i c m i o n so ft h ee s t a b l i s h m e to fm i x e dh e i g h t s ， m u t i d i m e n s i o n a lm u l t i b o xm o d e la n dg r a yt h e o r y i ti st h ef i r s ta p p l i c a t i o no ft h e m e t h o do fg a u s sm o d e la n dm u t i d i m e n s i o n a lm u l t i b o xm o d e la l lo v e rt h e w o r l d ，a n dt h em o t h o d su s e di nt h i ss t u d yh a sac h a r a c t e r i s t i co fs i m p l e n e s sa n dh i 吐 p r e d i c t i o nd e f i n i t i o n k e yw o r d sa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ：m n t i d i m e n s i o n a l m u l t i b o x m o d e l ；g r a ym o d e l ；o p t i m i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：姿嶝1 3 9 q ：逊i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔壶哟导师签名：毽查2 塾日期：丝丝蔓 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 河北省丰南市是全国经济发展较快的县级市之一。近些年中，工农业得到 高速发展，经济增长速度迅猛，居民收入和生活水平有很大的提高。主要工业 有冶金、建材、造纸、纺织、食品等行业。 由于历史原因，城市布局不合理，居民、工业、文教商业区混杂，致使城 市的生态环境质量下降。工业和生活燃煤及工业废气的排放造成城区较重的大 气环境污染，工业废水和生活污水排放及城市生活垃圾都对周围环境带来了较 大的影响。 为掌握目前丰南城区环境现状、各污染源对环境的污染程度，防止市区生 态环境进一步恶化，促进区域经济健康的发展，实现丰南城区2 0 0 7 年达到“环 保模范城”的要求，特开展此项研究课题。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 空气质量模式 1 2 1 1 灰色预测模型 灰色预测模型是对一类本征性灰色系统所建立的一种微分方程的动态模 型，即把大气环境作为一个灰色系统，建立g m ( 1 1 ) 模型对大气环境质量进 行预测。运用灰色系统模型能找出影响环境质量的主导因子，而且可将环境质 量预测与社会经济因素相结合有助于提高预测结果的精确度和可信度。但该模 型所建立的g m ( 1 1 ) 模型是指数形式，对数据的分布有一定的要求，模型精 度与预测精度并不完全一致，此外该模型只能进行宏观预测，受人为因素的影 响很大；预测值是单向量的，缺少模糊性，因此它的应用受到一定的限制1 , 2 1 。 1 2 1 2 高斯模型 多年来在点源污染浓度估计方面直采用高斯模式，这主要是因为与其他 扩散模式( k 模式、统计模式和相似模式) 相比，高斯模式物理意义比较直观， 模式的数学表达式简单，便于分析各种物理量之间的关系和数学推演，易于掌 北京工业大学工学硕士学位论文 握和计算。高斯模式形成了美国环境保护局( e p a ) 系统u n a m a p 模式库中 所有模式的支柱。作为法规模式它可以用最简捷的方式最大限度地将浓度场与 气象条件之间的物理联系及观测事实结合起来。 在平原地区，流场是比较接近于平稳和均匀的，三维空间除地表外可看成 是无边界的。在这样的条件下，物质在大气中的扩散首先是沿着盛行风向运动， 然后向各个方向扩散，扩散微粒位移的概率服从正态分布( 高斯分布) ，这就是 高斯模式的理论基础。 线源模式、体源模式、面源模式、烟流模式、烟团模式、c r s t e r 模式、 c t d m 模式、a t d l 窄烟云模式、熏烟模式、c r a d m 模式、g h 模式等都 来自对这个基本模式的改造、修正和补充。北京大学在评价西郊环境质量时， 研究得出北京城市近郊大气的气质模型，同时可以根据污染调查资料和能源结 构与成分获得污染源的年、日变化系数，模式可以给出不同时间的平均浓度分 布。密保秀、李金龙等吸收烟团模式风场变化的特点，对高斯模式进行了修正 和改进，形成轨迹烟云模式，采用青岛、贵阳两个地形复杂城市的实测数据对 模式进行了验证，并且预测了青岛、贵阳两地的空气质量，结果表明该模式可 用于地形和流场复杂的地区 3 , 4 1 。 高斯模式在大气质量预测时容易实施，尤其是对于模拟高架点源，但高斯 模式难以配合风场的变化以及无法处理因地形引起的局部环流。没有考虑化学 氧化和干沉积对污染物的去除作用。在用高斯模型来预测城市大气质量时，由 于城市污染源的分布和地形复杂，应用该模式困难较大，往往带来较大的误差。 1 21 3 统计理论模式 ( 1 ) 质点随机行走模式 质点随机行走模式( m o m e c a r l o ) 是通过跟踪大量遵循m o n t e c a r l o 路径 的质点轨迹，来模拟物质湍流扩散特征，是最具代表性统计模式之一。莱德 ( r e i d ) 曾以该模式估算地面源的垂直扩散，能满意地模拟美国“草原计划” 中的实测分布，在海风或复杂地形情况下，高斯模式不再适用，而m o n t e c a r l o 模式更能发挥其应优越性。俎铁林曾利用m o n t e c a r l o 模式预测了山区城市( 贵 阳市) 的s 0 2 地面浓度分布。为了实现城市面源的数值模拟，他对该模式的浓 度计量和水平扩散等方面做了改进1 5 】。李宗恺基于两种不同尺度的湍流模拟大 第l 章绪论 气边界层的铅直扩散，发展了一个m o n t e c a r l o 模式，成功模拟了大气边界层 中的铅直扩散和大气边界层中的高浓度中心。田瑞明运用m o n t e c a r l o 模式模 拟了复杂地形对扩散的影响，结果表明：地形的影响主要是迎风坡抬升和背风 坡下沉，在陡峭地形和大的平缓地形的背风坡能出现闭合的浓度中心f _ ”。蒋维 楣、于洪彬建立了一个模拟熏烟扩散的m o n t e c a r l o 模式，应用于处理楠蒂科 克沿岸熏烟问题8 , 9 , 1 0 , 1 1 。姚仁太、张茂栓根据秦山核电三期工程厂址风洞模拟 结果，应用m o n t e c a r l o 模式模拟了复杂地形机械湍流，并对其在大气扩散计 算中的应用及有关参数的确定作了有益的探索 1 2 , 1 3 , 1 4 】。 该模式的优点是扩散计算与基本湍流性质相联系，对计算容量要求少，具 有程序简单、计算效率高等优点，同时可以避免数值计算不稳定和负值浓度等 问题。这种模式可以用于离源很近，乃至粒子行程时间远小于拉格朗日时间尺 度范围内的计算。可以处理干沉积、湿沉积、化学转化、烟云抬升等问题。这 种模式能较好地反映扩散本身的随机性，不需要特殊的假设，可能是计算起伏 的复杂环境地形和海陆交界面这样非均匀、非定常和非高斯湍流场扩散的一种 很有效的方法。但是由于复杂地形风场和温度场的预报问题尚未解决好，大大 限制了该方法的应用。 ( 2 ) 烟团积分模式 统计模式另一类为烟团积分模式。烟团模式是使用一系列离散的烟团近似 模拟连续的烟流表示扩散，其中每个烟团的增长速率由大气的湍流扩散能力决 定。模式中任何一点的空气污染物浓度的高低等于在该点有作用的烟团对该点 浓度贡献的加和，作用的大小取决于烟团的大小、距该点的距离、所含污染物 的多少。该模式适用于处理非均匀、非定常场。它对中尺度( 2 5 一l o o k m ) 的区 域污染和长时间扩散过程以及复杂地形条件下扩散的模拟比较合理。较烟流扩 散模式它的计算量大、参数较多、对地形与气象条件的适应性好、分辨率好、 可考虑污染物干湿沉积和化学转化的影响。 尽管烟团模式能够配合风场等气象条件的时空变化及静风状态的浓度预 测，但它存在只有烟团之间间隔较大时才能应用，不易考虑垂直风场的影响等 缺陷。并且计算量大，特别是在污染源较多的地区，需要较高的计算机时，较 难实现实时模拟。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 1 4 湍流闭合模式 湍流闭合模式以梯度输送理论为研究基础。基于污染物的湍流扩散方程组， 寻求方程组中特征物理量的脉动量二阶相关矩( 一阶闭合) 或三阶相关矩( 二 阶闭合) 与相关交量的独立关系，从而使方程组闭合，再以各种方法求解方程 组。在此p r a n d t l 的垂直输送理论和湍动能( t k e ) 方程组得到广泛应用。桑建 国和刘丽杰采用二阶闭合模式的湍流边界层模式进行一系列数值实验以模拟边 界层中连续线源的扩散情况【1 5 】。刘红年等人采用一个三维非静力区域大气化学 输送模式和中尺度气象模式m m 5 相连接构成一个数值模拟系统，模拟了中国 地区对流层臭氧和其前体物的分布以及s 0 2 转化为硫酸盐的过程，模式包括了 地面源排放、大气输送和扩散、干沉积、气相化学反应过程和云雨过程u 。周 洪昌等基于三维湍流扩散，建立了街道峡谷湍流数值模型，用于描述街道峡谷 内污染气体的污染，并用风洞实验数据修正了模型 ”1 。唐有华采用二阶闭合的 方对三维中尺度钟形山地形的过山气流进行模拟，给出了湍流动能的分布【i “。 王卫国、蒋维楣等用三维边界层非静力能量闭合模式成功地模拟了深圳海岸复 杂地形下的海风气流系统中污染物浓度分布的演变过程【i 吼。 湍流动能闭合模式的根据是梯度输送理论，扩散方程仅仅对烟流尺度大于 占优势的湍涡尺度时才正确，因此只有当污染物散布范围超过几百公尺以后才 能应用。一阶闭合模式比较简单，但是不够精确，不能很好地模拟湍流作用； 在数值模式求解的有限差分方法中经常出现人为耗散和负值浓度，这些都是难 以处理的问题。在三维情况下，这种方法受到计算机存储量的限制。空间分辨 率是有限的，提高分辨率，就要减少时间步长，加大计算时间。 1 ，2 1 5 箱式模式 箱式模式常用于城市下垫面和封闭地形条件下的大气污染物浓度预测，主 要考虑了热力因子与动力因子的影响，在质量输入一输出简单模式的基础上建 立起来的。 ( 1 ) 单箱模型 单箱大气质量模型是计算一个区域或城市的大气质量的最简单的模型。常 用于大气环境容量的研究。模型假定所研究的区域或城市被一个箱子所笼罩， 这个箱子的平面尺寸就是所研究的区域或城市的平面，箱子的高度是由气象资 第1 章绪论 料计算的混合层高度，箱体内污染物浓度均匀分布。单箱大气质量模型由于没 有考虑污染物在垂直方向的扩散系数及风场随高度变化的影响，也没有考虑到 研究区域内大气污染物的分布不均匀性，因此单箱大气质量模型预测大气中污 染物浓度会有较大误差 2 0 , 2 1 , 2 2 】。 ( 2 ) 多箱模型 二维多箱模型是在单箱模型基础上改进的一种模型。它在纵向和高度上将 单箱分成若干部分，构成一个二维箱式模型。程水源采用二维多箱模型对石家 庄市环境质量进行预测，结果表明二维多箱模型可以弥补单箱模型的缺陷，其 计算结果与卖测值之间不存在显著性差异 2 1 , 2 2 1 。在宽度方向上离散二维多箱模 型，则可以构成一个三维的多箱模型。三维多箱模型结合了二维多箱模型和单 箱模型的优点，它既考虑到污染源的不均匀、市区可分为不同功能区这一特点， 又考虑到在铅垂方向上风场随高度的变化，还考虑了物理干沉积和化学变化对 污染物浓度的影响。多箱模型可以弥补单箱模型的缺陷和不足，可使大气预测 方法更完善，也会使预测结果更接近实际。多维多箱模型除了具有直观、计算 简单，比较适宜于大气环境容量的研究等特点，还综合考虑了地形、气象等因 子的影响以及非线性的反应，可谓较完善的扩散模式。1 9 9 8 年程水源教授在多 维多箱模型中引入4 个风向组，成功地预测了石家庄市大气环境质量，预测结 果通过地面和高空的s 0 2 浓度监测值来验证。预计随着计算机技术的日益发展 和数值解法的曰趋完善，该模式将愈来愈得到人们的重视 2 3 , 2 4 1 。 ( 3 ) 光化学箱式模型 该模型基于质量守衡原理，并以下述假设为基础：( a ) 任何时刻箱体内部均 能实现很好的混合，且无空间浓度差异；( b ) 污染排放源在箱体底表面均匀分布； ( c ) 随混合层高度的增加，平流和垂直传输将造成大气侧向输送。典型城市应 确定其水平方向上的范围及由大气混合层高度而确定的垂直方向上维度。任何 污染物的浓度均由水平湍流、垂直扩散、污染源排放源强及化学反应决定。由 一维边界层模型预测的大气混合层高度及计算得出的光分解率常数也将被应用 于光化学箱体模型的模拟之中。 化学反应涉及到的有机物氧化及n o x 对于光化学烟雾的形成最为重要。大 气中大量存在的有机物需要数以千计的化学反应来描述该系统的详细动力学方 北京工业大学工学硕士学位论文 程。为减少模型计算的负担，上述模型中的化学动力学机理将被大幅度简化。 经验证，该模型是一个与预测城市大气质量相关的物理化学过程的有效工 具。在大气相对稳定且天气晴朗的条件下，光化学箱体模型一般能够得到良好 的效果。水平方向上的小风通常使边界层条件中的不确定性因素降为最低。而 强烈的日光不仅是光氧化所必须的，而且对于符合本模型假定的大气混合层条 件的形成也很重要。由于本模型不能解决垂直方向上示踪气体的分布问题，因 而本模型不适于在没有确定大气混合层高度的情况下使用。 ( 4 ) 拉格朗日箱式模型 与硫及氮化学物相结合的拉格朗日模型是由大气环境服务机构开发的。本 模型用于计算年度氮气预测，并应用于19 8 0 年加拿大东部年度氮气跨边界流动 的预测。本模型使用了轨道线，该轨道线由来自加拿大气象中心监测的风数据 及温度降水数据计算得出。模型将干、湿沉积及n 0 2 、硝酸盐及p a n 的化学转 化通过使用由时间决定的每月干沉积系数、去除率及转化率实现参数化。将模 型在整个加拿大东部地区以1 9 8 0 年中6 小时为基础积分。但是，由于预测结果 是初步的，且会发生一定变化，因而本模型仍然需要不断的改进和评估。对于 空间和时间的跨边界传输及污染物传输矩阵的计算和调查有待于进一步完成。 1 2 1 6 空气流域模型 u a m ( u r b a n a i r s h e dm o d e l ) 是一个用于城市尺度的三维欧拉网格光化学 数值模式，通过模拟大气物理、化学过程，该模型既可以计算惰性物质的浓度 分布也可以模拟和计算具有化学反应性物质的浓度分布。u a m 提供了诸如先 体物的释放、污染物传输、湍流扩散、化学反应、清除过程、初边界条件等大 气物理和大气化学的数学表达式，u a m 的一个重要特点是可以将如何在数学 上表达市区或者城市下风向0 3 形成的物理化学过程最新研究成果引入到其中。 u a m 的发展是基于对影响空气质量的许多因素之问复杂关系的细致分析， 通过数值模拟，u a m 能够详细的描述污染物的空间分布以及瞬时浓度和长期 浓度，该模型也能够有效的反映出污染源与周围环境的复杂性。然而，模型受 到资料有效性，气象学测量的高费用及复杂的计算等限制。 1 2 1 7a p o p s l a p 模型 第1 章绪论 中国科学院大气物理研究所自主开发的a p o p s i a p 空气质量模型，针对北 京特定的气象条件以及地理位置等作了相应的参数调整，并经过一定的研究及 检验工作( 曾在北京、郑州、台北、东京等地使用) ，事实证明此模式能够较为 准确的反映出区域特有的环境信息，具有一定的实用价值。 1 2 1 8m o d e is 一3 m o d e l s - 3 为t h i r d g e n e r a t i o na i rq u a l i t ym o d e l i n gs y s t e m 的通称，由美国 e p a 于1 9 9 8 年6 月首次公布。m o d e l s 一3 为美国e p a 为将各种模拟复杂大气 物理、化学过程的模式系统化，以应用于环境影响评价及决策分析而发展的系 统。它是适用于城市和区域尺度对流层0 3 、酸沉降、能见度、细粒子及其它污 染物的空气质量模拟系统，模式设计要达到两个目标：环境管理部门可以评估 管理方案、措施在不同范围尺度对多种污染物的空气质量影响；为科学家提供 更好的探知、理解和模拟大气中的物理和化学相互作用的手段。 m o d e l s 3 模式结构严谨，体系完整，但系统也十分灵活，可以根据研究的 需要选择适合的模型并加入其模式体系，而且与应用软件的结合良好。这既适 应方便科学研究的需要，也比较满足环境管理部门的应用需要，该模式是一种 进行大气空气质量预测的良好选择，将会得到广泛的应用。但需与气象模型 ( m m 5 、a r p s 等) 相结合，计算复杂。 1 2 2 大气环境容量的研究 大气环境容量的研究是一个非常复杂的问题，需要通过一定的模式( 模型) 来模拟气象条件及污染物扩散条件，以计算各污染物在一定条件下满足排放标 准的容许排放量。模式可分为两类：气象模式和空气质量模式。 在大气环境预测方法和各类模型研究的基础上，国内外学者正在广泛开展 对大气环境容量的研究，并取得了重要进展。m c d o n a l d 等人在1 9 9 6 年对加拿 大a l b e r t a 地区s 0 2 的沉积和通量进行研究时，应用箱式和烟云复合模型对该 区域的环境容量进行了探讨【34 1 。h i d e s 等人在澳大利亚悉尼的交通发展战略对 大气环境影响预测方法过程中对该区域的大气环境容量进行了研究。 国内对大气环境容量的探讨与研究也不少，并取得丰硕成果。任阵海早在 上个世纪9 0 年代就在该领域开展研究和探索，为我国大气环境容量理论的创立 打下了良好的基础。近几年来，沈阳市环保局应用a d m s - - 城市大气环境模型 北京工业大学工学硕士学位论文 对s 0 2 和t s p 的大气环境容量进行了估算。但由于该模型不能很好的反应污染 物随风向的变化而产生的变化，因此在预测时存在较大的误差。 1 2 3 最优化方法 最优化方法是现代运筹学的一个重要分支。它所研究的中心问题是：如何 根据系统的特性，去选择满足控制规律的参数，使得系统按照要求运转或工作， 同时使系统的性能或指标达到最优最优化问题往往具有三个基本的要素：一是 问题的变量，就是系统中可以改变的参数；二是问题受到的约束，也就是问题 必须满足的条件：三是问题的目标，即衡量该设计或控制的好坏的标准。在科 学试验、生产技术改进、工程设计和生产计划管理、社会经济问题中，人们总 希望采取种种措施，以便在有限的资源条件下成规定的约束条件下得到最满意 的效果。最优化方法就是在解决某一问题时，为了从各种可供选择的方案中， 确定一个能够最好地满足既定目标的方案所采用的科学方法。 自从2 0 世纪5 0 年代开始，随着数学建模和计算技术的发展，最优化方法 在工程领域得到了蓬勃的发展。理论和算法也日趋完善。事实上，许多科学方 法的发展都源自自然的启示和社会发展的需求，最优化方法也不例外。 先是工程的需求。5 0 年代末起，航空航天领域进入快速发展时期，原子能 的应用、对海洋的探索，这些要求系统能承受高温、高压、高速等环境的同时， 还必须轻质、能耗低、控制精确，从前的那种以经验和直觉为主的控制和设计 方法已经难以满足工程的要求，苛刻的条件和迫切的需求呼唤新的、更精确的 理论和方法 2 5 , 2 6 】。 其次是数学理论的发展和完善。线性规划、整数规划、动态规划、非线性 规划等求解优化模型的算法相继提出并求解，使优化在处理大规模的问题时有 了严格的数学基础。随着最优化涉及的工程问题规模越来越大、求解越来越困 难，近十年来又发展起来了模仿生物进化的遗传进化算法、模仿神经系统工作 运行的神经网络方法等。而且，新的更有效的算法仍在进一步的发展之中。总 之，数学的发展使最优化问题变得可解。而最优化问题在求解的同时也促进了 数学的发展。 最优化方法已在各行业得到广泛应用，并创造了可观的经济效益，最优化 概念也已深人人心。但是，它还远没有发挥它应有的作用。除了对优化模型的 第1 章绪论 求解需要进行更深入的研究以外，如何针对各种复杂的事物建立起可靠的优化 模型，这才是最为重要的。 不确定性线性优化模型是环境规划中应用的一种较常用模型，它把环境的 复杂性和不确定性真实反映出来。模型是把环境防治措施的各种因素参数化， 首先建立起目标方程( 以投资费用为目标) 、约束方程，再把这些含有不确定性 的方程分解成两组线性规划模型，然后求解，这样可达到最优的经济消费、最 大的环境效果。 1 3 本文主要研究内容 鉴于当地实际情况，并考虑资料的可用性及模式运算条件，本文将采用高 斯模式与多维多箱模型相结合的符合模式对丰南城区的大气环境容量进行计 算，并在所得的容量基础上利用不确定性线性优化方程进行污染控制措施的优 化研究，从而确定丰南城区环境空气质量达标的优化方案。 本文中所研究的区域是以现状丰南城区建成区为主，考虑到丰南城区的发 展，适当进行扩大，总面积约4 1 9 4 k m 2 。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章丰南城区大气环境容量研究 2 。1 城区大气污染源调查 为了解丰南城区大气污染状况，对城区范围及周围的主要工业污染源、生活 污染源以及料堆扬尘、交通扬尘、裸露地面扬尘、施工扬尘等无组织污染源进行 了较详细的统计。考虑到大气环境影响预测的需要，按点源与面源分类统计。 点源：根据丰南城区建筑物高度和地面粗糙度情况把污染源高度大于3 5 米 的有组织排放源视为点源，对点源调查要搞清楚污染源排放规律、排放方式、烟 气温度、出口直径等内容。 面源：把低于3 5 米的有组织污染源和无组织排放源作为面源处理。要详细 查清面源的分布特征、面源分布密度、排放方式和排放量等内容。 对于交通扬尘、料堆扬尘、施工扬尘、裸露地面扬尘等无组织污染源，采用 如下的统计方法： ( 1 ) 交通扬尘 交通扬尘排放量参考北京市大气污染成因和来源分析中采用的方法进行 计算，方法如下。： 交通扬尘排放量= 交通扬尘排放因子道路长度交通流量 ( 2 - 1 ) 排放因子的确定： t s p ：y = 1 8 5 6 1 i n ( x ) 一2 1 4 1 4 p m 。：y = 0 4 1 4 4 i n ( x ) 一0 1 2 4 8 ( 2 - - 2 ) 式中：y 排放因子，g k m 辆： x 尘负荷，g m 2 。 根据丰南区环保局提供的交通道路及流量的汇总数据，并结合丰南城区道路 的实际情况，取道路尘负荷平均值为2 5 9 m 2 ，由公式计算t s p 排放因子y 为3 8 3 g k m 辆，p m 。排放因子y 为1 2 0 9g k m 辆。受建筑施工及市政施工影响的路 面，其单位面积的尘负荷分别为1 9 0 2g m 2 及3 1 9 2g m 2 ，t s p 排放因子分别为 7 6 0g k m 钢及8 5 6g k m 辆，p m l o 排放因子分别为2 6 5g k m 辆和2 9 9g k m 辆。 ( 2 ) 料堆扬尘 第2 章丰南城区大气环境容量研究 料堆扬尘产生于料堆的装卸、堆放和自然风蚀过程。本研究应用美国a p 4 2 报告推荐的方法估算。 料堆扬尘排放量= 堆料风蚀扬尘排放量+ 堆料作业扬尘排放量 堆料风蚀扬尘排放量= 堆料风蚀扬尘排放因子堆料表面积 堆料作业扬尘排放量= 堆料作业扬尘排放因子堆料的重量搬运次数 ( 2 - 3 ) a 料堆风蚀扬尘排放因子的计算 e f p = 七p j ( 2 4 ) f - l 式中：k 粒径大小因子； n 每年扰动的数量，如果认为平均搬运频率为3 天一次，则n = 1 2 2 ； p 。第i 次扰动中观察的最大风速的侵蚀潜势，g m 2 。 方程中粒径大小因子k 随气溶胶颗粒大小而变化，其取值见下表 表2 - 1 气溶胶颗粒大小因子k 的取值【2 7 】 1 0 0 u m3 0 u m l5 i l m 1 0 u m z o ) 式中：u ：风速，m s ；u + ：磨擦风速，m s ：z ：检测高度， 对于丰南城区，可取i m ；2 5 ：沃卡门系数，无量纲常数。 ( 2 - 5 ) m ：z 。：地面粗糙度，m 本研究在应用上述方程计算丰南城区2 0 0 2 年风蚀扬尘排放因子时，综合考 虑各种影响因素后认为平均每3 天将人为扰动堆料一次，起尘的闽值风速选取为 5 m s 。根据逐时风速分别计算，能够起尘的当天以该日的最大小时风速计算，然 后加和得到堆料风蚀扬尘的年排放因子，结果为1 8 8 0 6 9 m 2 a 。 b 作业扬尘排放因子的计算 作业扬尘的发生主要由以下几个不同的活动源所引起：向储料堆添料；堆储 区的传输装备活动；堆料表面以及料堆周围地面的风蚀；装载堆料等。作业扬尘 排放量不仅取决于作业料堆的重量，还取决于具体料堆的堆放时间、含水率及细 北京工业大学工学硕士学位论文 粒子所占的比例。通常使用下述公式估算堆料作业扬尘的排放因子： r “r 肚邶0 0 1 6 ) 黔 6 ) l2j 式中：e 排放因子，k g t ( 料) ； k 粒径大小因子，无量纲因子； u 平均风速，m s ； m 料堆材料的含水率( ) 。 对于丰南城区堆料含水率的取值根据丰南城区工厂企业料堆状况，取值 o 5 ：用2 0 0 2 年逐日的平均风速计算逐日作业扬尘排放因子，然后加和平均， 结果为o 0 3 2 k g t 料。 ( 3 ) 施工扬尘 施工扬尘包括建筑施工扬尘及市政施工扬尘，在本研究中，施工扬尘的排放 源强计算参考北京市大气污染成因和来源分析中所采用的方法，计算公式为： 施工扬尘排放量= 土方堆扬尘排放量+ 运输交通扬尘排放量 土方堆扬尘排放量= 土方堆风蚀扬尘排放量+ 土方堆作业扬尘排放量 = 土方堆风蚀扬尘排放因子土方表面积+ 土方堆作业扬尘排放因子土方重量x 搬运次数 运输交通扬尘排放量= 运输交通扬尘排放因子x 运输车流量x 运输长度( 2 - 7 ) a 建筑施工扬尘 建筑施工风蚀扬尘的计算方法为，首先根据建筑面积计算出土方量和原材料 用量，再由土方量和原材料用量推算出土方和料堆的表面积，然后可依据料堆扬 尘计算方法得出风蚀扬尘的排放量。下表为不同结构形式的土方量和原材料用量 的估算方法。 表2 - 2 不同结构形式建筑物土方量和原材料使用量【2 7 i 结构类型土方量( m 3 ，建筑m 2 ) 水泥( k g 建筑m 2 )砼及砂浆( m 3 建筑m 2 ) 框架 0 8 ( 0 5 5 一1 0 6 )2 8 0 ( 2 4 0 3 2 0 ) 砼：0 6 9 砖混0 6 6 ( 0 3 9 0 9 2 )2 2 8 ( 2 0 0 2 5 5 )砼：0 1 3 ，砂浆：0 7 2 根据表2 - 2 及调查类比得到的数据资料，可计算建筑施工的土方量及原料用 量，详见表2 3 。 第2 章丰南城区大气环境容量研究 表2 - 3 丰南城区建筑施工的土方量及原材料用量 结构类型建筑面积土方量 原材料 ( 万m 2 ) 体积重量运输车辆运输里程 总耗量 运输车辆运输里程 ( 万m 3 )( 万t )( 万辆)( k i n ) ( 7 i t ) ( 万辆)( k m ) 砼： 1 2 1 4 2 9 框架2 3 7 61 9 0 l3 8 0 22 7 2 水泥： 0 4 5 1 0 53 2 1 0 1 6 2 61 0 7 32 1 4 61 5 2 砼：3 6 2 0 2 6 砖混 砂浆： 1 2 5 1 4 8 3 在计算建筑堆料和土方扬尘时，需要计算堆料土方表面积。估计建筑堆科和 土方堆的体积与表面积的比值时，根据已有的资料，认为框架结构平均为1 ，4 0 ， 砖混结构平均为2 ，0 6 。由此可计算出不同结构建筑施工堆料的表面积。计算中， 各种建材用料的平均密度取2 5 t m 3 。 计算自然风蚀扬尘时，参考堆料风蚀扬尘的计算方法，除搬运频率为2 天一 次之外，其余参数基本相同；作业扬尘排放因子与堆料作业扬尘排放因子相同。 计算道路运输扬尘时，根据类比资料，认为受到建筑施工影响的等级路面单 位面积尘负荷为1 9 0 2 9 m 2 ，由此可计算出交通运输扬尘排放因子。 b 市政施工扬尘 据估算，丰南城区2 0 0 2 年的市政工程长度共1 5 k m ，单位长度土方量的估算 方法见表2 - 4 。 表2 - 4 市政施工长度及土方量估算方法 施工长度( k i n ) 单位长度土方体积( m 3 k m )单位长度土方重量( t m n l 道路施工1 0 0 0 02 0 0 0 0 掘道工程1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 估算出市政土方的总体积或重量后，根据土方体积与表面积的比值，粗略计 算土方堆的表面积。类比相关资料认为土方体积与表面积的平均比值为1 3 。 利用土方表面积及土方重量，即可计算市政施工风蚀扬尘及作业扬尘，其中 风蚀扬尘及作业扬尘的排放因子同建筑施工扬尘的排放因子。 ( 4 ) 裸露地面扬尘 裸露地面分为土壤裸露地面和非土壤裸露地面，由于国内外缺乏相关研究， 本研究基于美国环保局推荐的地面起尘的半经验公式进行估算”。对于没有人为 扰动的土壤裸露面因风蚀而自然起尘，起尘速率计算公式为： 一1 3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 3 q = e 咿o 5 0 4 备。k - 三_ 矿 ( 2 _ 8 ) jp 式中：q 。起尘速率，t ( h a a ) ； e 一土壤风蚀指数，t ( h a a ) ； c t s p 含量，风蚀土粒中含可悬浮粒子的质量比例； u 年均风速，m s ； d p e 桑氏威特降水一蒸发指数，p o = 1 0 0 x 去( p ：年降水量，m m ： e e ：年潜在蒸发量，m m ) i k 地面粗糙因子； l 无屏障宽度因子： v 植被覆盖因子。 考虑到丰南城区裸露地面除自然风蚀外，很大程度上还受到人为扰动的影 响，导致表面浮尘增加，因此还须考虑人为扰动导致的地面扬尘。其排放因子的 计算参照堆料风蚀的计算方法。裸露地面主要考虑降尘因自然和人为扰动后的起 尘。综合考虑各种影响因素及人们的生活规律，认为平均7 天将人为扰动地面一 次，于是可以计算出扰动引起的风蚀扬尘排放因子。夏季绿化地于冬季出现的裸 露地面，仅考虑冬季自然风蚀和冬季人为扰动的结果。对于城市中非土壤裸露面 仅仅是降尘到该表面后因风蚀的起尘，由于这些裸露面大多高于地面，导致受到 的磨擦风速也高于地面，于是其风蚀扬尘的排放因子也高于地面，具体见表2 5 。 表2 - 5丰南城区裸露地面扬尘排放因子( g m 2 a ) 裸露面类型扬尘排放类型t s p 排放因子p m 。排放因子 市区裸露面人为扰动 4 7 4 81 1 1 g 自然风蚀5 4 11 0 8 夏季绿地而冬季出现人为扰动 2 3 5 ，55 6 4 的裸露地面 自然风蚀 2 7 75 6 非土壤裸露面 扰动7 1 9 31 6 9 5 本次研究中，鉴于缺乏对裸露土面及非土壤裸露面的调查数据，故采用以下 方法对裸露面面积进行统计计算： 裸露地面面积 = 功能区面积绿化面积一街道铺装面积一堆料面积 建筑工地面积一水面面积一非裸露面面积( 2 - 9 ) 夏季绿地而冬季出现裸露地面的面积为夏季绿地面积。 第2 章丰南城区大气环境容量研究 裸露地面扬尘排放量的计算方法如下： 裸露地面扬尘排放量 = 排放因子裸露面面积 排放因子= 人为扰动排放因子十自然风蚀排放因子( 2 - 1 0 ) 计算非土壤裸露面面积时，估计丰南城区建筑占地面积约占总面积的8 1 0 ，在房顶及水沟周围呈堆积状态积尘的面积大约占建筑面积的1 1 5 1 1 8 。 非土壤裸露面扬尘排放量= 非土壤裸露面面积非土壤裸露面扬尘排放因子 将各种污染源的排放情况统计如下： 表2 - 6丰南城区污染源排放汇总表 烟粉尘 占总排细粒子占总排占总排放 污染源类型 放量比 ( p m l o ) 放量比 s 0 2 量比例 ( f f a )( t a ) 例( ) ( t a )例( )( ) 点源 1 2 0 7 3 3 33 8 0 88 1 2 0 8 85 9 2 41 3 4 1 3 6 28 5 9 5 工业面源5 3 2 9 8 0 1 68 l1 3 1 7 5 39 6 l2 0 0 9 9 21 2 8 8 小计 1 7 4 0 3 1 35 4 8 99 4 3 8 4 16 8 8 51 4 4 5 5 5 49 2 6 3 点源 1 2 9 1 6o 4 19 04 10 6 64 7 6 10 3 1 采暖锅炉面源 3 5 4 2 6 1 1 2 2 2 65 01 6 55 7 1 2 23 6 6 小计 4 8 3 4 21 5 23 1 6 9 12 3 l6 1 8 8 33 9 7 冬季平房土暖气面源 3 1 7 6 3l _ o o2 2 2 3 41 6 22 0 1 1 512 9 餐饮业排放面源3 4 4 3 8 1 0 9 2 4 0 5 51 7 53 3 0 1 32 1 2 交通扬尘面源 4 8 9 7 0 l1 5 4 41 5 7 5 6 71 1 4 9 料堆扬尘面源 8 1 64 32 5 71 8 1 9 41 3 3 建筑施工扬尘面源 8 4 4 6 92 6 61 9 2 7 31 4 l 市政施工扬尘面源1 0 7 4 3 93 3 92 4 6 2 81 8 0 裸露地面扬尘面源 5 5 2 5 7 71 7 4 3 1 2 9 3 0 39 4 3 合计3 1 7 0 68 51 0 0 o o1 3 7 0 7 8 61 0 0 0 01 5 6 0 5 6 51 0 0 0 0 由表2 - 6 可以看出，烟粉尘、细粒子( p m l o ) 、s 0 2 的排放主要来自工业企 业，分别占总排放量的5 4 ，8 9 、6 8 8 5 和9 2 6 3 。 根据大气环境容量计算要求，将城区按工业布局、污染源分布密度划分为5 个箱体，箱体划分示意图见图2 1 。按所划分的箱体统计的污染源情况见表2 7 。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 1丰南城区箱体划分示意图 图中：1 号箱体内分布的大型企业有唐山国丰钢铁有限公司、丰南第三水泥厂、唐山贝氏体 钢及群利钢铁总厂、唐山联强轧辊有限公司等： 2 号