（环境工程专业论文）南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究.pdf

顽士论文 南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 摘要 为了进行南京城市街道可吸入颗粒物( p m l o ) 浓度扩散模型的研究，使用便携式 气溶胶监测器和气象监测设备，进行了p m i o 浓度监测实验，测定了南京城市p m l o 背景浓度，分析了城市中p m l o 浓度一般变化规律，采用多元线性回归法推导出了南 京城市p m l 0 背景浓度估算公式；进行了街道交通排放的研究，利用燃料估算法简单 估算出了街道上机动车p m l o 排放因子；重点验证了s t r e e tb o x 模型在南京城市街 道上的适应性，通过修正模型中的扩散系数，建立了南京城市街道p m l o 扩散模型。 通过p m l d 浓度监测实验和气象监测实验，测定了2 0 0 6 年2 月至2 0 0 6 年1 2 月期 间，南京城市p m l o 的背景浓度值，得到p m l o 日变化规律和年变化规律。南京白天 p m i o 浓度在早上1 1 时达到一天中最高值，而在下午1 6 时左右为p m l o 浓度的低谷； 誊季和夏季是一年中p m l o 浓度低水平时段，而秋冬季节p m l 0 浓度呈现较高的水平。 采用统计学多元线性回归法，推导了南京城市p m l o 背景浓度的数学估算公式。 在对南京街道交通调查基础上，利用燃料估算法简单估算出南京街道上小、中、 大型机动车的p m i o 排放因子分别为0 0 9 3 5 m g ( m v e h ) 、o 1 0 4 0 r a g ( m v e h ) 和 o 11 0 9 m g ( m v e h ) 。 利用实验和研究获得的模型输入参数，在南京城市街道上对s t r e e tb o x 模型 的适应性进行验证。结果显示，该模型基本可以预测南京街道上p m i o 浓度值，小风 状态时，模型的预测值与街道实测值的一元线性相关方程为y = 1 0 0 0 6 x ，复相关系数 达到o 9 6 3 6 ：在静风状态时，s t r e e tb o x 模型预测值低于实测值。针对静风气象 条件，采用最d , - - 乘法，反演算出模型的最佳扩散系数d 值，将s t r e e tb o x 模型 中的扩散系数d 从1 5 m 2 s 修正为0 4 m 2 s ，并运用大量独立样本对新建立南京城市街 道p m l o 浓度扩散模型进行了验证。 关键词：可吸入颗粒物( p m l o ) i 扩散模型；背景浓度：排放因子：街道箱模型( s t r e e t b o xm o d e l ) 扩散系数 顿七论文 南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 a b s t r a c t i no r d e rt oc a r r yo nt h er e s e a r c ho ft h ed i s p e r s i o nm o d e lo ft h ec o n c e n t r a t i o no f i n h a l a b l ep a r t i c l e s ( p m t o ) i nt h eu r b a ns t l c e ti nn a n j i n g ，t h es t u d yh a sc a r r i e do nt h e m o n i t o re x p e r i m e n to fm e a s u r i n gp m l oc o n c e n t r a t i o nb y u s i n gt h ep o r t a b l ea e r o s o l m o n i t o ra n dm e t e o r o l o g i c a lm o m t o re q m p m e m i th a sd e t e r m i n e dt h eu r b a np m l o b a c k g r o u n dc o n c e n t r a t i o no fn a n j i n g , a n dh a sa n a l y s e dg e n e r a lc h a n g el a wo fp m l o c o n c e n t r a t i o ni nt h ec i t y a tt h es a r f l et i m e ，i th a sa d o p t e dp l u r a ll i n e a rr e t u r nl a wt o d e r i v eo u tt h ef o r m u l a ef o re s t i m a t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fu r b a np m t ob a c k g r o u n do f n a n j i n g t h es t u d yh a sc a r r i e do nt h er e s e a r c ho nt h et r a f f i cd i s c h a r g e si nt h es t r e e t , a n d h a se s t i m a t e do u tt h ep m l 0e m i s s i o nf a c t o rb yu s i n gt h ef u e lm e a s u r e m e n t 1 1 圮m o s t i m p o r t a n t i th a sv e r i f i e dt h ea d a p t a b i l i t yo fs t r e e tb o xm o d e lo nt h eu r b a ns t r e e to f n a n j i n ge s p e c i a l l y , t h r o u g hr e v i s i n gt h ed i s p e r s i o nc o e f f i c i e n ti nm o d e l ，h a ss e tu pt h e d i s p e r s i o nm o d e lo f t h eu r b a ns t r e e tp m i 0c o n c e n t r a t i o ni n n a n j i n g n 圮c o n c e n t r a t i o no fp m i ow a sm e a s u r e db yt h em o n i t o r i n ga n dm e t e o r o l o g i c a l e x p e r i m e n t sf r o mf e b r u a r y2 0 0 6t od e c e m b e r2 0 0 6 a n dt h ec h a n g el a wo fp m l 0 c o n c e n t r a t i o no nd a y t i m ea n de v e r yy e a rh a v eb e e ng o t ：p m l 0c o n c e n t r a t i o ni nt h e d a y t i m ei nn a n j i n gr e a c h e st h es u p r e m ev a l u ei no b ed a ya t1 1o c l o c ki nt h em o r n i n g b m t h el o we b bo f p m l o c o i l c c n 咖o nf r o ms i d et 0s i d ea t1 6o c l o c ki nt h ea f t e r n o o n ；s p r i n g a n ds l m 3 m e ri sl oh i ti no n ey e a rt h el o w - l e v e lp e r i o do fp m l 0c o i l c 枷r a l i 饥b u tt h e f e s t i v a lp m l 0c o n c e n t r a t i o ni na u t u m na n dw i n t e rp r e s e n t sh i g h e rl e v e l n i ea r t i c l ea d o p t s t h ep l u r a ll i n e a rr e t u r nl a wo fs t a t i s t i c s ，a n dg e t st h em a t h e m a t i c sf o r m u l a eo fn a n j i n g u r b a np m i 0b a c k 毋- o u n dc o n c e n t r a t i o n o nt h eb a s i so f 订a f f i cs t u d yi nt h er o a do f n a n j i n g u s i n gt h ef u e le s t i m a t i n gt h el a w , t h es t u d yh a se s t i m a t e dt h ep m = 0e m i s s i o nf a c t o r so fv e h i c l e ，t h e ya r e0 0 9 3 5 m g ( m v e h ) ， 0 1 0 4 0 m g ( m v e h ) 。0 1 1 0 9 m g ( m - v e h ) ，r e s p e c t i v e l y n 坤s t u d yh a su t i l i z e dt h ee x p e r i m e n ta n dr e s e a r c ht oo b t a i nt h ei n p u tp a r a m e t e r s h a s p r o v e dt h ea d a p t a b i l i t yo fs t r e e 汀b o xm o d e lo nt h eu r b a ns t r e e to fn a n j i n g t h er e s u l t s h o w s t h i sm o d e ic 锄p r e d i c tp m l 0c o n c e n t r a t i o nv a l u eo nt h es t r e e to fn a n j i n gb a s i c a l l y , a tal i t t l ew i n d ys t a t e ，t h ef i r s tl i n e a rr e l e v a n te q u a t i o no fp r e d i c t e dv a l u ei sy = 1 0 0 0 6 x ， r e p l i e st h ec o e 衢c i e n tc o r r e l a t i o na n dr e a c h e s0 9 6 3 6 ；i nt h eq u i e tw i n ds t a t e s t r e e t b o xm o d e ip r e d i c t e dv a l u ei sl o w e rt h a nt h es u r v e y i n gv a l u e l i k et h ec o n d i t i o nt ot h e q m e ta t m o s p h e r e ，t h es t u d yh a sa d o p t e dt h e l e a s ts q u a r em e t h o d ，p e r f o r mt h eb e s t d i s p e r s i o nc e e 街c i e n tdv a l u eo fc a l c u l a t i n gt h em o d e l i n s t c a d r e v i s ef r o m1 5 m 2 st o 0 4 m z si ns t r e e tb o xm p d e l a n du s eal a r g en u m b e ro fi n d e p e n d e n ts a m p l e st o d i f f u s i o nm o d e lt ov e r i f yi ns e t t i n gu pt h eu r b a ns t r e e tp m t 0c o n c e n t r a t i o no fn a n j i n g n e w l y k e y w o r d s ：i n h a l a b l ep a r t i c l e s ( p m i 0 ) ：d i s p e r s i o nm o d e l ；b a c k g r o u n d c o n c e n t r a t i o n ； e m i s s i o nf a c t o r ：s t r e e tb o xm o d e l ( s t r e e tb o x ) ；d i s p e r s i o nc o e f f i e i 胁t n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：雠2 。7 年7 月2日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理j 研究生签名： 2 0 0 7 年7 月2 日 颈士论文 南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 l 刖菁 空气是人类生存最重要的环境因素之一。近一百年来，随着人类改造自然 能力的增强，人类的生产、生活带给环境的负面影响也逐渐显现，其中，大气 污染特别是城市大气污染问题成为全球关注的问题。尤其随着汽车工业飞速发 展，在汽车文明带来效率提高和生活便捷的同时，日益严重的汽车尾气污染威 胁着城市人们的健康，除一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 和硫化合物等，颗粒物( 铅化合物、黑碳、油雾等) 已成为城市街道大气的首要 污染物 1 1 课题的研究背景和意义 2 0 0 6 年国家环保总局全国环境质量公告n l 表明，全国城市空气质量，按主 要污染物年均浓度评价，2 0 0 6 年全国1 1 3 个重点城市中，没有城市达到国家一 级标准；5 0 个重点城市( 占4 4 ) 空气质量达到二级标准；6 3 个重点城市( 占 5 6 ) 空气质量级别为三级以上( 其中三级有5 5 个城市，占4 9 劣三级有8 个城市，占7 ) ，如图1 1 所示：而1 1 3 个重点城市中，p m l o 级别为一级、 二级、三级和劣三级的城市比例分别为1 、5 3 、4 2 和4 ，超标城市比例 为4 6 ；9 1 1 的重点城市首要污染物是可吸入颗粒物。p m i o 仍是显著影响城 市空气质量的首要污染物。 图1 1 全国重点城市空气分级状况i l i f i g1 1n a t i o n a lk e yh i e r a r c h i c a ls t a t eo fu r b a na i r 2 0 0 6 年全国总体平均的可吸入颗粒物年均浓度水平接近国家二级标准 ( o 1 m g m 3 ) ，全国3 3 5 的城市颗粒物年均浓度超过二级标准，颗粒物污染级别 为劣三级的城市有l g 个、两者均为三级以上( 含三级) 的混合污染城市的有 联t 论文 南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 4 0 个。总体来说，全国城市可吸入颗粒物污染状况非常严竣，可吸入颗粒物浓 度控制依然不容乐观。 1 1 i 大气污染物组成 大气是人类生存最重要的环境因素之一。自然状态下的大气是由干洁空气、 水蒸气和少量杂质三部分组成1 2 1 干洁空气的主要成分是氮、氧、氩和二氧化 碳气体，其含量占全部干洁空气的9 9 9 9 6 ( 体积) ；氮、氖、氖、甲烷等次要 成分占o 0 0 4 左右。大气中的水蒸气含量约为o 5 左右。大气中各种少量杂 质由各种气态物质和悬浮颗粒形成，气态物质如二氧化硫、二氧化碳、一氧化 碳、氮氧化物、碳氢化物等；撮浮于大气中的颗粒物有固态和液态两种形式， 液态颗粒如由水蒸气凝结成的水滴，有机或无机的固体颗粒物，如烟粒、尘埃、 海盐粒等p j 。但是，当自然现象或人类活动向大气排放过多的烟尘和废气，使 大气中出现新的化学物质或者某种成分的含量过多的超过了自然状态下的平均 含量而影响到生物的正常发育和生长，给人类带来危害，通常说大气受到污染。 大气污染物种类繁多，按形态概括可分为两大类，即气体状态污染物和气 溶胶状态污染物。常见的气体状态污染物主要有：以s 0 2 为主的含硫化合物： 以n o 和n 0 2 为主的含氮化合物；以c o 和c 0 2 为主的碳氧化物；碳氢化合物 及卤素化合物等。气溶胶状态污染物主要成分为粉尘、烟、飞灰、黑烟、雾等， 它也称为大气颗粒物( p m ) ，是指存在于周围空气中的、具有很宽粒径分布的 液体或固体的分散粒子，它是由不同大小、不同成分以及不同特性的颗粒组成 的混合物，有些是液体状的，有些是固体状的，还有些是液体包裹固体内核形 成的1 4 】。其中空气动力学直径大于1 0 p r o 的降尘，能靠其自重自然降落，对环 境危害较小；而空气动力学直径小于1 0 1 t i n 的飘尘能在大气中长期漂浮，易 随呼吸进入人体，因而也称可吸入颗粒物，即p m l 0 1 ”。通常所说的烟( 0 o l “m l l t m ) 、雾( 1 0 p m ) 、灰尘( 实地仪器监测 实地仪器监测 实地仪器监测 实地勘测 实地勘测 实地勘测 实地调查 实地计数法 9 硕上论文南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 街道高峰车流量( v e h ，h ) 不同时段街道车流量( v e h h ) 捧放因子 不同车型油耗( l 1 0 0 k m ) 油品 p m l o 平均排放因子( m g m ) 城市p m ，d 背景浓度 监测点浓度 模拟浓度 建立模型基础 s t r e e tb o x 模型参数 实地计数法 实地计数法 取标准平均值法 相关调查 燃料消耗估算法 实地仪器监渊 统计学方法计算 经验值 1 3 3 研究方法和技术路线 。 采用理论上建立数学模型，实际测定的浓度数据与计算浓度进行对比验证 法，运用合理数学方法模拟解算相结合的研究方法。 为进行城市街道p mx o 扩散模型的研究，建立南京街道p m l o 浓度的预测模 型，在选定具体街道珠江路作为研究对象的基础上，分别获取建立模型的各种 输入参数，实现对s t r e e tb o x 模型系统验证和分析，从而建立南京城市街道 p m i o 的浓度扩散模型。研究实现的基本思路和技术路线如图1 4 所示； i o 顾j 二论文 南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 圈1 4 模型验证实现过程 f i g1 4t h e c o u l s eo f t h em o d e lb er e a l i z e d 硕士论文 南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 2 实验 2 1 仪器设备 2 1 1 仪器概况 研究中的主要实验为浓度监测实验和气象实验。实验中采用的主要仪器有 便携式气溶胶监测器和多用途风速仪。8 5 2 0 型便携式气溶胶监测器( d u s t t r a k a e r o s o lm o n i t o r - 8 5 2 0 ) ，为美国t s i 公司生产，型号为8 5 2 0 型，外观图如图2 1 所示。该仪器利用9 0 。直角光散射原理。由仪器内置气泵将气体微粒吸入光学 室中，微粒在通过激光时会散射出光电子，而光电子的数量与颗粒浓度成正比， 再由光的散射来测量微粒的浓度。它的优点是省去了传统采样仪的利用滤膜采 样、分析样品、称重计算的繁琐过程，可以利用仪器精密性，直接在显示盘上 直接读取浓度数据。 圈2 18 5 2 0 型气溶胶监测器 f i 9 2 1d u s t t r a ka e r o s o lm o n i t o r - 8 5 2 0 表2 1 辅助仪器设备一览表 t a b l e 2 1 t h es c h e d u l eo f c o m p l e m e n t a r ya p p a r a t u s e sa n de q u i p m e n t s 名称 型号 大流量t s p 采样器 切割器 电子天平 马福炉 玻璃纤维滤膜 k c 1 0 0 0 p m l o 一1 0 0 0 b b s 2 1 0 s n a b e r t h e m 1 8 0 x 2 3 0 c m 硕士论文南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 表2 1 所列为其它辅助仪器。h 1 9 9 5 1 8 ( k e s t r e l3 0 0 0 ) 携带式微电脑多用 途风速仪，是实验中另一个重要仪器，它可在直接获取风速数值的同时测量空 气温度、相对湿度等气象数据，使实验数据更为完善。 2 1 2 仪器校正 便携式气溶胶监测器原厂校正是参照美国i s 0 1 2 1 0 3 1a i 测试粉尘的呼吸 性微粒的颗粒物来校准的，为了适应南京可吸入颗粒物的基本特征，增加仪器 测量的精确度，在进行南京城市p m l o 监测实验开始前，首先要进行仪器的校 正。使用广泛采用的大流量采样器，利用质量法对采样的样品进行质量浓度的 测定，而后以此数据对仪器进行重新标定。具体方法为；相同地点相同时间进 行采样和监测实验，将8 5 2 0 型气溶胶监测器的数据与传统的大流量采样方法获 得的p m l o 浓度数据进行比较，取二者的平均小时浓度比值，得到气溶胶监钡8 器的校正系数。 具体使用大流量采样器进行质量法测定p m l 0 质量浓度的操作步骤为： ( 1 ) 滤膜的处理。采样前，先将玻璃纤维滤膜放入马福炉中，在温度为1 5 0 的条件下烘烤4 h ，除去杂质，然后放入干燥器中平衡2 4 h 后称重备用。 ( 2 ) 大流量采样器采样。将切割器与大流量采样器连接，并分别安装好t s p 、 p m l o 滤膜，启动采样器，采样高度1 5 m ，连续采样1 2 h 。 ( 3 ) 样品的处理。将附有大量p m i o 的滤膜在干燥器中恒重2 4 h 后称重，两 次称量的质量之差，除以采样体积，便得到空气中p m i o 的质量浓度。 分别进行了4 次校正实验，大流量采样器测得的质量浓度和便携式气溶胶 监测仪监测的1 2 h 质量浓度平均值，如表2 2 所示。 麦2 2 两种仪器数据对比 t a b l e2 2c o m p a r a t i o no f t h er e s u l t sg i v e nb yt w oa p p a r a t u s e s 将4 组数据中大流量采样器测得的质量浓度除以气溶胶监测测得的1 2 h 质 量浓度，得到校正系数，取4 组系数的平均值，得到仪器的校正系数为o 7 0 2 ， 校正关系式见式( 2 1 ) ： c 室= o 7 0 2 + c i ( 2 1 ) 硕士论文 南京城市街道可吸入颗粒物扩散模型的研究 式中，c 謇为仪器校正后的测量的p m o 浓度值，m g m 3 ；c _ 为校正前测量的p m l o 浓度，m g m 3 。 2 2 实验安排 2 2 1 背景浓度监测实验 p m l o 城市背景浓度值是指在特定城市背景条件下( 即气象条件、工业污染、 生活区污染、交通污染条件等) ，城市内相对稳定的p m l o 浓度值。污染物的背 景浓度不仅是建立街道污染物浓度预测模型的重要输入值，同时，它也反映出 这个城市整体污染情况。 2 2 1 1 布点原则 背景浓度监测点的布置，原则上要求监测点这些点距离所研究的街道保持 较长距离，有学者提出提出求c o 相对稳定的浓度即城市背景浓度，可以通过 在全城范围设置许多观测点，这些点距离研究的街道至少2 0 0 英尺远，部分监 测点考虑选择高出地面3 0 m 左右的屋顶，这样避免受局部地区工业污染、交通 污染的影响。同时，监测点的选择还应具有代表性，所获得的数据能反映一定 地区空气污染物的浓度水平和波动范围，而且监测点周围尽量保证无污染源和 高大建筑等的干扰。 2 2 1 2 监测地点 依照背景浓度布点基本原则，实验在南京市内选择了2 个监测点，其中一 个监测点为中山陵风景区一开阑地带的草坪中心，另一个为位于南京市中心常 府街某7 层高楼屋顶( 离地面大约2 0 m 左右) ，以上两监测点周围均无局部污 染，也无高大建筑物。中山陵是著名风景区，该监测点远离交通污染源、工业 污染源和居民区污染源，是测定城市污染物背景浓度良好地点。设置在高楼楼 顶的监测点，由于地处城市中，f i , ，远离了工业区污染，同时离地面垂直距离较 远，受交通污染影响不大 2 2 1 3 监测时间 背景浓度监测时间，均安排在白天7 时至晚上6 时的时间段内，时间为2 0 0 6 年2 月至2 0 0 6 年1 2 月期间，各点韵监测数据采集保证每周不少于2 天，