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东北大学硕士学位论文摘要 空气质量扩散模式在辽宁省中部地区的应用及比较研究 摘要 空气污染已经成为世界上很多城市制约经济发展，阻碍人民生活水平提高的瓶颈问 题。以空气质量扩散模式为载体，可以将影响空气质量的各种因素纳入到一个共同的体 系中综合研究，进而揭示空气污染问题的本质特征和发展变化规律，为空气质量科学管 理提供理论支持。 不同地区污染源排放特征、气象条件以及干湿沉降去除等参数彼此间相互作用，反 映形式错综复杂，对空气质量变化所起的作用具有自身特点，使得不同区域的空气质量 污染问题表现出各自独特的特征。科学地选取空气质量扩散模式是计算结果能够反映客 观实际的前提，比较不同模式模拟结果的优劣是模式选取的主要依据之一，合理地调整 模式输入参数是客观准确反映各因素影响程度的有效方法，分析模式模拟结果是在空气 环境管理、规划以及预测过程中优化措施、量化指标的数据基础。 本论文是以2 0 0 4 年辽宁省中部地区沈阳、鞍山、辽阳、铁岭、抚顺以及本溪6 个 城市污染源和气象条件等资料为背景，基于空气质量扩散模式的应用与比较，确定了 c a l p u f f 模式的输入参数，进行了模拟结果的验证，评价了模式的模拟性能，并对污 染源排放特征、模拟区域气象场特征、模式模拟结果的分析方法、c a l p u f f 与i s c 3 两神模式三种模拟方式的计算结果的比较分析进行了研究，对于客观准确地反映污染源 浓度分布之间的内在关系，为沈阳市空气质量改善治理本地源以及外来源中的重点 源的针对性以及具体措施提供了依据，同时对于其它城市或地区利用空气质量扩散模式 寻求具有针对性的空气污染解决途径以及预测污染态势具有一定的实际意义和参考价 值。 关键词：c a l p u f f ；输入参数；模式验证；模拟分析；i s c 3 ；模式比较 北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o na n dc o m p a r i s o no f a i r q u a l i t y d i s p e r s i o nm o d e l i nt h em i d d l er e g i o no f l i a on i n gp r o v i n c e a b s t r a c t a i rp o l l u t i o nl m sb e c o m eak e yp r o b l e mt h a tr e s t r i c t se c o n o m yd e v e l o p m e n ta n d h a m p e r st h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r di nm a n yc i t i e so ft h ew o r l d a uf a c t o r s t 1 1 a ta f f e c ta i rq u a l i t yc a nb er e s e a r c h e dc o m p r e h e n s i v e l yi nas y s t e r nw i t ha i rq u a l i t y d i s p e r s i o nm o d e lt ol e a r nt h ee s s e n c ea n dd e v e l o p m e n tr e g u l a r i t yo fa i rp o l l u t i o ns o a st o o f r e rt h e o r yf o rt h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to na i rq u a l i t y t h ei n t e r a c t i o na m o n gt h ep a r a m e t e r so fp o l l u t i o ns o u r c e se m i s s i o n s 。m e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，w e ts c a v e n g i n ga n dd r yd e p o s i t i o n ，e t c s h o w sd i f f e r e n ta i rq u a l i t ya n dp o l l u t i o n p r o b l e m si nd i f f e r e n tr e g i o n s i ti sa ni m p o r t a n tp r o c e s st os e l e c ta i rq u a l i t yd i s p e r s i o nm o d e l a d e q u a t e l yb yt h ec o m p a r i s o ua m o n gt h es i r e u l a t i o nr e s u l t so fd i 肫r e n tm o d e l s a ne f f e c t i v e a p p r o a c ht or e f l e c ta l lf a c t o r si nm o d e li st oa j u s ti n p u tp a r a m e t e r sr e a s o n a b l y t h ea n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t si nm o d e lo f f e r su s e f u ld a t af o ra i re n v i r o m n e n tm a n a g e m e n t ，p l a n n i n g ， a n dt h em e a s u r e ss e l e c t i o na n dp a r a m e t e r st op r e d i c t t h ea p p l i c a t i o na n dc o m p a r i s o no fa i rq u a l i t yd i s p e r s i o nm o d e lb a s e d0 1 2t h ed a t ao f p o l l u t a n ts o u r c e sa n dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sj nt h em i d d l er e g i o no f l i a on i n gp r o v i n c e s u c ha ss h e ny a n g ，a ns h a n ，l i a oy a n g ，t i el i n g ，f us h u nm a db e nx ii n2 0 0 4 o f f e r si n p u t p a r a m e t e r so fc a l p u f fm o d e lt ot e s tt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n da s s e s st h es i m u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h em o d e l t or e s e a r c ht h ep o l l u t a n ts o u r c e se m i s s i o n s ，m e t e o r o l o g i c a lf i e l d o fs i m u l a t i o nr e g i o n ，a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t ，c o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ec a c u l a t i n g r e s u l t i nc a l p u f fm a di s c 3m o d e lt or e f l e c tp o l l u t a n ts o u r c e s t h ei n t e r i o rr e l a t i o ni n c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n s t h eo p t i o na n dm e a s u r et og o v e r nk e yp o l l u t a n ts o u r c e si n 】o c a l a n ds u r r o u n d i n gr e g i o ni so f f e r e df o rt h ei m p r o v e m e n to fa i rq u a l i t yi ns h e ny a n gi t sa s i g n i f i c a n c ea n dr e f e r e n c et os e e kae f f e c t i v ea p p r o a c ht os o l v ea i rp o l l u t a n tw i ma i rq u a l i t y d i s p e r s i o nm o d e li no t h e rc i t i e sa n dr e g i o n s k e yw o r d s ：c a l p u f f ；i n p u tp a r a m e t e r ；m o d e lt e s t i n g ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；i s c 3 m o d e lc o m p a r i s o n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 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 明确的说明并表示谢意。 学位论文 日期：) d 卅，、， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者等导师签名 签字日期：御6 f签字日期 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 空气污染已经成为世界上许多城市面临的最严重的环境问题之一，强化空气环境管 理，防治空气污染及优化空气污染防治措施是城市环境保护的一项紧迫任务。随着城市 空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总量控制方向发展i lj ，各 种污染源空气污染物排放特征与环境空气质量之间的定量关系己成为空气环境管理中 最为关心的问题之一。以数学方法描述污染源与环境之间定量关系的空气质量模式，特 别是主要以描述空气对污染物的输送、扩散和稀释的空气质量扩散模式的应用为空气环 境管理、规划、预测评价提供了坚实的科学基础嵋。j 。 各类空气质量扩散模式的研究主线基本均为通过对模式输入输出的响应关系 进行定性、定量分析，了解污染源铱度分布之间的内在关系，进而对空气污染控制 策略提供可靠性分析和环境效益分析。对于一个特定的区域，空气质量扩散模式选择是 否合适是计算结果能否可信的前提【酗。通过对空气质量扩散模式计算结果、实测数据之 间的对比，得出模拟结果的可信程度以及模式的适用范围；通过模式的参数调整，使模 式计算结果的误差和“不确定性”达到最小化，使模式的实际模拟计算结果和源受体 的响应关系更加符合客观现实【”，进而探讨模拟结果的分析方法，不同模式的应用效果， 这些对于空气质量扩散模式的实际应用具有一定的指导意义。 1 1 空气质量扩散模式的综合研究 空气质量扩散模式研究方法基本上是在把握城市下垫面特征和气象场特征的基础 上，掌握各种类型的污染物排放源资料，运用边界层湍流扩散理论及大气化学理论确立 污染物迁移、扩散和转化的规律8 1 。 1 1 1 空气质量扩散模式的历史与发展 空气质量扩散模式起源于2 0 世纪2 0 年代和6 0 年代美国的欧洲原子能工程和军事 工程，此期间主要应用t a y l e r ( 1 9 2 1 ) 的静电统计扩散模式，s u t t o n ( 1 9 5 3 ) 的高斯扩 散模式。1 9 6 2 年p a s q u i l l 的大气扩散的出版以及1 9 6 8 年s l a d e 在原子能会议报告 中发表的气象学和原子能对空气质量扩散模式的发展起着积极的推动作用。 1 9 7 3 年美国国家环境保护局( u s e p a ) 会同美国国家技术信息中心( n t i s ) 公布了 第一版“空气污染应用模拟用户网”( u n a m a p ) ，其中包括a p r a c ，c d m 等六个空气 质量扩散模拟模式，后经】9 7 8 年、1 9 8 1 年、1 9 8 3 年和1 9 8 6 年的几次大幅度修订和增 补，模式计算工作从简单过渡到复杂，从计算地面最大浓度过渡到计算地面浓度分布、 了解高浓度出现的地区和范围、发生频率、持续时问，在模式计算时从单点源过渡到多 东北大学硕士学位论文第一章引言 点源、面源、以及点面复合源，从简单的物理传输过渡到可以模拟上百种复杂的化学反 应，采用的模式也从单箱模式过渡到多箱模式、复合源高斯烟流模式、烟团模式以及数 值模式”1 。 自1 9 7 8 年，经过3 0 多年的发展，空气质量扩散模式基本可分为三代： 第一代模式模拟系统主要考虑个别污染物，在估算下风向的环境浓度时，用的是物 理输送算法，这些模式广泛地应用于一次污染物的影响预测和控制措施的优化，代表模 式有i s c 3 与e k m a 模式等； 第二代模式则加入较为复杂的气象参数与反应机制，考虑了光化学反应机理，能够 模拟臭氧、s o 。及n o 。的化学过程和酸雨的形成，此类模式广泛地应用于二次污染物 的影响分析和控制措施的改善，代表模式有c a m x ，u a m 等 10 ： 第三代空气质量模式是由美国国家环保局( u s e p a ) 于1 9 9 8 年开发成功的，通称 为m o d e l s 3 。为了将所有的大气问题均考虑到模式之中，提出了所谓的一个大气的概 念( o r l e a t m o s p h e r e ) ，模式将各种模拟分析复杂的大气物理、化学程序的模式系统化， 可在一次模拟工作中，完成臭气、悬浮微粒( p m ) 及沉降作用的模拟，有效的进行较为 全面的空气质量环境影响评估及决策分析 1 2 。 1 1 2 空气质量扩散模式分类 空气质量扩散模式的分类从某种意义上体现了其发展的历程。随着科学技术的发 展，一方面人们对大气扩散理论研究以及污染物的传输、扩散、迁移和转化研究的深入， 另一方面，污染物从原来的一次污染物为主向复杂的一、二次污染物混杂的污染形式转 化，空气质量扩散模式也随之不断的发展。 空气质量模式的种类很多，可以从不同的角度来分类和鉴别其性质。按照模式发展 的理论途径，可将空气质量模式分为统计理论模式、k 理论( 包括高阶闭合) 模式和相 似理论模式；按照模拟的时间尺度可以分为短期( 1 2 4 小时) 平均及长期( 月、季、 年) 平均模式；按照污染源的形态可以分为点源、面源、线源、体源及多源或复合源模 式等等”。 在此，主要从模式应用范围的角度介绍模式的分类： 1 1 2 1 城市空气质量扩散模式 城市空气质量扩散模式通常需要模拟包括城区及四周郊区，模拟的典型尺度在2 0 5 0 k m ，由于模拟区域相对较小，一般不考虑或简化处理二次污染物，常见模式主要是 箱模式以及高斯模式。 1 箱模式 箱模式是一种最简单的城市空气质量扩散模式，它是把整个城市空问看作由一个或 多个矩形的箱组成，箱底和箱顶分别为城市的f 挚面及混合层顶。四周由城市的范围确 堡! ! 查堂堡圭堂垡笙茎 箜二主! ! 童 定1 3 i 。 主要假设条件为： 在一个箱体内，污染源( 视为面源) 的源强是一个常数。污染物进入箱体( 大气) 后，立即在铅直方向均匀分布。 浓度计算公式为： a c 西_ - _ ；a c 融+ 詈+ c 鲁靴h ， 西 融+ 著扎 吉靴w 讹叫 。 式中：q 面源源强； h j 混合层高度； ”d 干沉积速度； k 。湿沉积速度； k j 化学转化速率。 考虑到城市面源源强的非均匀性，可以在y 方向上进步的划分，应用上述原理建 立城市多箱模式。 总体来说，箱模式的假定与实际情况有很大的差异的，对近地面的浓度估算偏低， 但可以用来粗略估算城市允许排放的总量，尤其便于缺少详细的气象和污染源资料的城 市采用。 2 高斯正态烟流模式 高斯模式是一类简单实用的空气质量扩散模式，它是通过假定( 1 ) 污染物浓度在 y 、z 轴上的分布符合高斯分布( 正态分布) ，( 2 ) 在模拟空间中风速是均匀稳定的，( 3 ) 源强是连续均匀的，( 4 ) 扩散过程中污染物质是守恒的。由此可得一系列高斯型扩散公 式【1 ”。 高斯点源模式的基本表达式为： q w ，扣老唧l 一 茜去 j ：， 其它应用于各种特殊条件下实际计算中的高斯点源模式表达式，如高架点源、存在 大气混合层等情况的表达式是由基本表达式通过变形得到的。 高斯面源模式是通过把每个面源单元简化为一个；“等效点源”，用点源公式来计算 面源造成的污染浓度，或者通过面源积分的方法得到全部面源造成的浓度分布。线源、 体源则是以点源或面源的算法为基础，通过虚拟点源等方法获得其在模拟区域的浓度特 征哪l5 1 。 1 、1 2 2 城市与区域空气质量扩散模式 城市与区域空气质量扩散模式通常对特大型城市或区域性范围进行模拟，模拟的典 东北大学硕士学位论文第一章引言 型尺度在数十公里到数百公里，模式中除考虑污染物的传输、扩散以外，还要考虑污染 物的迁移和转化，常见的有欧拉型k 模式、欧拉和拉格朗日混合型k 模式 。7 1 。 1 欧拉型k 模式 k 模式可以模拟三维非定常流场中的输送和扩散，故可以模拟复杂下垫面和较大尺 度范围的空气污染；可以模拟任意给定的污染源场；可以模拟包括非线性化学反应引起 的浓度变化；可以模拟干、湿沉积引起的浓度变化。 欧拉型k 模式的核心部分是在欧拉网格系统中数值求解平流扩散方程，平流扩散 的原始扩散方程为： 鲁+ “鼍+ v 等+ 哮= 昙卜罢 + 昙一等 + 鲁b 誓 + q + s + r i m 。， a& 却 出氨l 。氖j 却l 却j 出l2 出j 、 式中：c ，第i 种污染物的浓度； q t 第i 种污染物的排放率； s i 第i 种污染物的沉积清除率； r j 第i 种污染物与其它污染物之间反应转化率，r i = r ( c 1 ，c ：，c 。) ； n 参与反应的污染物种类。 每一个具体的欧拉型扩散模式都经过简化或作一些形式上的改变，主要有化学转化 过程的简化，方程的维数简化等等。欧拉k 模式需要解决的一个重要问题是如何减小 平流项差分近似引起的伪扩散误差 1 8 】。 2 粒子网格模式 粒子网格( p i c ) 模式是欧拉与拉格朗曰混合型k 模式。它是利用在固定网格系统 中释放的粒子代表污染物质，这些粒子按照平流扩散方程所决定的规律在网格中运动， 计算每个时刻粒子的分布，再由每个网格中的粒子数得到污染物的浓度分布。 p i c 模式支配方程为： 百o c + 丢o ，c ) + 若卜，c ) + 昙( w ，c ) = q + 月+ d ( 1 - 4 ) 1 “p = “+ 材4 ；v 口：v + v “ i 2w + w d k a c 2 一言面 k 、a c v 。= o c 却 k 0 c w = 一 c0 z ( 1 5 ) ( 1 6 ) 东北大学硕士学位论文第一章引言 以上各式中，u 、v 、w 表示三个方向的风速分量，下标p 表示虚拟速度，下标d 表 示扩散速度，c 为污染物浓度，0 为污染源强，r 为化学转化速率，d 为干沉积速率。 1 1 2 3 远距离传输空气质量扩散模式 远距离传输模式是指模拟的污染物输送距离超过数百公里的空气质量扩散模式。由 于欧拉型和p i c 型模式在模拟远距离传输时所需的基础资料和输入参数难以获取，且运 算量大，故一般采用拉格朗日k 模式和烟团轨迹模式1 。 1 拉格朗日k 模式 拉格朗日型k 模式是在源发生地不断形成拉格朗日气团，这些气团在随时间变化 的风场中输送和扩散，并在运行过程中发生化学反应及干、湿沉积清除过程。在拉格朗 日坐标系中，平流扩散方程可以写成： 丝= v c k i v c ) + i ? + j + r ( i - 7 ) 一d ：旦+ ；v ( 1 8 ) 式中，表示三个方向的扩散系数，q 是源强，s 是干、湿沉积项，r 是化学反应 项。 拉格朗日k 模式可以根据污染源是否在模拟区内分为前向型和后向型：还可以通 过在铅直扩散、水平扩散、平均时间以及化学反应等方面存在差异。 2 烟团轨迹模式 烟团轨迹模式是一种拉格朗日型数值扩散模式，适合于模拟中、远距离的输送和扩 散，尤其是高架连续点源的输送和扩散。它与拉格朗目型k 模式的不同点是在于人为 给定了浓度分布的形式。所以烟团轨迹是一种假定有高斯型解的拉格朗日型k 模式， 它是将连续排放的烟流分割成以一定时间间隔断续排放的烟团，用计算所有烟团对接受 点浓度贡献之和的方法来模拟连续的烟流扩散，可以模拟非均匀非定常条件下的扩散。 烟团轨迹模式假设整个烟团以其中，t l , 所在的位置被流场输送，轨迹计算的偏差将导 致受污染范围的偏差，因此，这项计算是否正确合理是决定模式成败的关键之一。烟团 模式对污染物的化学转化只能做十分粗略的处理，通常假定化学转化速率与烟团中该污 染物的质量成正比。 其方程表达式为： c = 研裂丽唧( 南h 一南 ” 式中：s 烟团自源点出发运行的距离， q ( s ) 烟团经过s 距离后含有的污染物质量， o 。( s ) 、o ，( s ) 经过s 距离以后烟团的水平及铅南扩散参数， 东北大学硕士学位论文第一章引言 r 计算点至烟团中心的水平距离， z 计算点至烟团中心的铅直距离。 此外，从对模式的应用需要出发，还可以将空气质量扩散模式分为“法规应用级” 和“研究级”两类 2 。法规应用级指已被国家环境保护管理部门推荐应用于污染物浓度 预测计算的模式以及符合一系列严格规定的“替代模式”。研究级是指正在进行探索和 研究的模式，这一类模式通常都比较复杂，大多为复杂的数值模式。 在“法规应用级”的模式中，又按其精密的程度分为两级。第一级称为“筛选模式”， 这类模式比较简单，可以用它对某个或某类特定污染源对空气质量的影响作偏保守的评 价。第二级称为“精细模式”，由那些能够对大气物理和化学过程作比较精细的处理的 方法形成。这类模式要求比较精细的输入资料，能够满足某些特殊的浓度估算要求。 1 1 3 空气质量扩散模式的应用 目前空气质量扩散模式的种类繁多，应用时首先通过对关心的污染源的排放特征和 污染物的物理化学特征、模拟的时空范围及分辨率、模拟区域的下垫面特征几个方面选 择空气质量扩散模式，如在时空范围方面，对于小尺度的空气质量模拟，一般只需考虑 大气的扩散稀释作用，而对于中、大尺度的空气污染，则还需考虑污染物的化学转化和 干、湿沉积等其它物理化学过程【2 ”。 空气质量模拟大部分是在城市尺度上，也有一部分在区域尺度上，主要是通过本地 模拟或区域( 外来和本地) 模拟对城市空气质量控制管理及发展规划提出合理化建议 2 2 6 1 。 从城市尺度模拟来看，模拟范围在2 0 5 0 k m 之间，由于范围的局限，下垫面和地 形相对不是十分复杂，气象场相对简单，在不考虑或简单参数化处理二次污染物问题的 情况下，误差主要来源于模式输入参数( 如污染源资料的准确程度) ，使得对模式本身 的改进归于徒劳。从应用的效果来看，复杂的数值模式并不优于高斯模式，同时，高斯 模式对气象资料的需求低，运算效率高等特点使其目前仍为主要的使用模式 3 j ”1 。 随着模拟范围的增大或因下垫面不均匀使气象流场比较复杂，或者污染物的沉积和 化学转化不能忽略或简单处理时，高斯烟流模式的精度就难以满足要求。为此，应该根 据客观条件选取以欧拉型或欧拉、拉格朗日混合型k 模式的空气质量扩散模式，此类 模式对污染源数据以及气象资料的要求远高于高斯模式，且计算量较大。 在模式使用时，除考虑上述的几个因素以外，从事模拟部门人员对模式掌握的程度、 模拟工作资金的投入、污染源以及气象方面可利用资料的获取程度等也是在模式选取的 客观约束2 “。 美国是世界上空气质量扩散模式发展和应用最先进的国家之一，美困国家环保局 ( u s e p a ) 对于不同的模拟尺度和关心的污染源状态共推荐了6 个模式，其中b l p 东北大学硕士学位论文 第一章引言 r 计算点至烟团中心的水平距离， z 计算点至烟团中心的铅直距离。 此外，从对模式的应用需要出发，还可以将牢气质量扩散模式分为“法规应用级” 和“研究级”两类 2 0 】。法规应用级指已被国家环境保护管理部门推荐应用于污染物浓度 预测计算的模式以及符合一系列严格规定的“替代模式”。研究级是指正在进行探索和 研究的模式，这类模式通常都比较复杂，大多为复杂的数值模式。 存“法规应用级”的模式中，又按其精密的稃度分为两级。第一级称为“筛选模式”， 这类模式比较简单，可以用它对某个或某类特定污染源对空气质量的影响作偏保守的评 价。第二级称为“精细模式”，由那些能够对大气物理和化学过程作比较精细的处理的 方法形成。这类模式要求比较精细的输入资料，能够满足某些特殊的浓度估算要求。 1 1 3 空气质量扩散模式的应用 目前空气质量扩散模式的种类繁多，应用时首先通过对关心的污染源的排放特征平u 污染物的物理化学特征、模拟的时空范围及分辨率、模拟区域的下地而特征几个方而选 择空气质量扩散模式，如在时空范围方面，对于小尺度的空气质量模拟，一般只需考虑 大气的扩散稀释作用，而对于中、大尺度的空气污染，则还需考虑污染物的化学转化和 干、湿沉积等其它物理化学过程【2 lj 。 空气质量模拟大部分足在城市尺度上，也有一部分在区域尺度上，土要足通过本地 模拟或区域( 外来和本地) 模拟对城市空气质量控制管理及发展规划提出合理化建议p 2 2 6 1 。 从城升i 尺度模拟来看，模拟范围在2 0 5 0 k m 之间，由于范围的局限，下挚面和地 形相对不是十分复杂，气象场相对简单，在不考虑或简单参数化处埋二次污染物问翘的 情况下，误差主要来源于模式输入参数( 如污染源资料的准确程度) ，使得对模式本身 的改进归于徒劳。从虚用的效果来看，复杂的数值模式并不优于高斯模式，同时，高斯 模式对气象资料的需求低，运算效率高等特点使其目前仍为主要的使用模式口j 【”j 。 随着模拟范用的增大或阕下垫而不均匀使气象流场比较复杂，或者污染物的沉积和 化学转化不能忽略或简单处理时，高斯烟流模式的精度就难以满足要求。为此，应该根 据客观条件选取以欧拉犁或欧拉、拉格朗日混合型k 模式的空气质量扩散模式，此娄 模式对污染源数据以及气象资料的要求远高于高斯模式，且计算量较大。 在模式使用时，除考虑上述的几个因素以外，从事模拟部门人员对梗式掌握的程度、 模拟工作资金的投入、污染源以及气象方面可利用资料的获取程度等也是在模式选取的 客观约束”_ 【2 7 1 。 美国是世界l 字气质量扩散模式发展和庶用最先进的国家之，荚幽幽家环保局 ( u s e p a ) 对于不同的模拟尺度和关心的污染源状态共椎荐了6 个模式，其中b l p ( u s e p a ) 对_ j 二不同的模拟尺度和关心的j 染源状态共推荐了6 个馍式，其中b l p 东北大学硕士学位论文第一章引言 ( b o u y a n tl i n e a n dp o i n ts o u r c em o d e l ) 是高斯烟流扩散模式、c a l i n e 3 是稳态高斯扩散 模式、c t d m p l u s ( c o m p l e xt e r r a i nd i s p e r s i o nm o d e lp l u sa l g o r i t h m sf o ru n s t a b l e s i t u a t i o n s ) 是高斯扩散模式、o c d ( o f f s h o r ea n dc o a s t a ld i s p e r s i o nm o d e l ) 是线性高斯模 式、i s c 3 ( i n d u s t r i a ls o u m ec o m p l e xm o d e l ) 是稳态高斯扩散模式、c a l p u f f 是高斯型 解的拉格朗日型k 模式。可以看出，在发达的美国，高斯型空气质量扩散模式同样在 空气质量管理中占有主导地位，作为首选模式的i s c 3 与c a l p u f f 模式因其适用范围、 对输入参数要求以及计算工作量等方面综合占有的优势，作为成熟的空气质量扩散模式 在国内外得到了广泛的应用【2 。 1 2i s c 3 与c a l p u f f 模式综合研究 1 2 1i s c 3 模式 i s c 3 ( i n d u s t r i a ls o u r c ec o m p l e x3 ) 模式是美国环保局开发的一个为环境管理提供支 持的复合工业源空气质量扩散模式，是基于统计理论的j 下态烟流模式，使用的公式为目 前广泛应用的稳态封闭型高斯扩散方程。i s c 3 模式的模拟范围小于5 0 k m ，模拟物质为 一次污染物，模式采用逐时的气象观测数据，来确定气象条件对烟流抬升，传输和扩散 的影响。 模式可处理各种烟气抬升和扩散过程，如：静风条件、风廓线指数、城乡扩散、烟 囱顶端尾流、城市建筑对点源排放的尾流效应、污染物转化、沉积和沉降等。可同时( 或 分别) 对点源( p o i n t ) 、面源( a r e a ) 、线源( l i n e ) 、体源( v o l u m e ) 、开放源( o p e n p i t ) 等多 种污染源进行模拟，还可以根据需要对排放源进行分组，以便对各源的贡献进行定量分 析；可选择多套规则和( 或) 不规则极坐标、直角坐标下受点网格或离散受点进行计算， 网格距和模拟范围可变；可输出多种污染物的浓度以及颗粒物的沉积和干、湿沉降量等 计算结果；污染物可选取s 0 2 、t s p 、p m l o 、n o x 和c o 等种类；可选择逐小时、数小 时、r 、月及年等多种平均模拟时段 2 ”】。 1 2 2c a l p u f f 模式 c a l p u f f 是美国e p a 推荐的由s i g m a r e s e a r c h c o r p o r a t i o n ( 现在是e a r t h t e c h ，i n c 的子公司) 开发的空气质量扩散模式，它由c a l m e t 气象模块、c a l p u f f 烟团扩散 模块和c a l p o s t 后处理模块三部分组成。 c a l m e t 是利用质量守恒连续方程，在三维网格模拟域中描述小时风场与温度场 的气象模块 3 2 。c a l p u f f 是用于非定常、非稳态的气象条件下，模拟污染物扩散、迁 移以及转化的多层、多物种的高斯型烟团扩散模块，它模拟的尺度可以从几十米到几百 公里，在近距离模式可以处理如建筑物下洗、浮力抬升、动力抬升、部分烟羽穿透和海 东北大学硕士学位论文第一章引言 陆交互影响等过程，在远距离可以处理如干、湿沉降，化学转化，垂直风修剪和水上输 送等污染物清除过程。模式可以处理逐时变化的点源( p o i n t ) 、面源( a r e a ) 、线源( l i n e ) 、 体源( v o l u m e ) 等污染源，可选择模拟小时、天、月以及年等多种平均模拟时段，模式内 部包含了化学转化、干湿沉降等污染物去除过程，充分考虑下垫面的影响，输出结果主 要包括逐时的地面网格和各指定受体点的污染物浓度。模式采用在取样时间内进行积分 的方法，有效地节省计算时间。c a l p o s t 是对模拟计算结果进行后处理的工具性模块。 c a l p u f f 模式的核心部分是c a l p u f f 烟团扩散模块 3 3 】。 1 2 3i s c 3 和c a l p u f f 模式的应用与比较 1 2 ，3 1i s c 3 和c 创l p u f f 模式的应用 从空气质量扩散模式使用的频率来看，随着模拟尺度的增大，使用的频率降低。i s c 3 和c 伽l p u f f 是美国国家环保局首推的空气质量扩散模式，其中i s c 3 是在模拟范围内 的下垫面不是十分复杂，模拟范围小于5 0 k i n 的情况下使用，而c a l p u f f 可以用来模 拟d , n 几十米，远到几百公里的范围，模拟区域的下垫面可以相对复杂，这两个模式的 特点决定了其在实际空气环境质量管理中的使用频率。 i s c 3 模式在国内外的城市尺度上的空气质量管理工作中得到的广泛的应用，如 j a n m i c h a e lyc a r r i l l o ( 2 0 0 2 ) 利用i s c 3 模拟炼油厂s o x 和n o x 的扩散f 3 4 1 。m a t t h e w l o r b e r ( 2 0 0 0 ) 等利用i s c 3 模式模拟了由两个点源排放的二恶英在大气的行为，同时结合 沉降模式确定了每个源排放对土壤中二恶英的贡献，并通过模拟值与大气和土壤中二恶 英实测值的比较对模式的应用予以评价。b a s h a m ，j p ( 1 9 9 9 ) 等利用i s c 3 模式模拟了 从废弃物焚烧炉排放的二恶英在大气中的扩散和传输行为。s h e r i d a n ，b a ( 2 0 0 4 ) 等利用 i s c 3 模式对爱尔兰肉类加工排放气味的影响行为进行了研究 3 5 】。在国内，h a o , j i m m i n g 等利用i s c 3 模式确定了北京市机动车排放对空气质量的贡献【3 “。王志国等应用i s c 3 模式模拟了济南市机动车排放c o 、n o x 浓度的空间分布，确定了济南市机动车污染较 为严重的污染特征【3 ”。应高祥等应用i s c 3 确定了北京市区不同排放特征的排放源对 s 0 2 、p m l o 、n o x 等污染物浓度的贡献率和北京城区居民的暴露效率 3 ”。唐孝炎等利用 i s c 3 分析了北京市大气污染的原因以及污染物的来源3 9 】。中国环境科学研究院利用 i s c 3 分析了成都市各类大气污染源的贡献比例并提出了科学的污染控制对策( 4 。薛志 刚等利用i s c 3 分析了北京高井发电厂对城市空气质量的影响4 1 1 以及北京京丰电厂在采 取脱硫后对空气质量的影响【4 2 等等。 c a l p u f f 模式在幽内外空气环境质量模拟中应用有：g o d f r e y ，jj 在1 9 9 8 年对南 极洲罗斯岛极地环境空气质量的模拟 4 引；l e v y , j o m a t h a n 1 在2 0 0 2 年对美国伊利诺斯州 电厂排放的环境影响进行定量评价 4 4 ；b a m a ，m i c h a e lg 在2 0 0 2 年对新西兰克赖斯特彻 奇冬季典型时段颗粒物的扩散模拟及来源解析 4 。j ：v i l l a s e n o r ，r a f a e l 在2 0 0 3 年对中尺度 东北大学硕士学位论文第一章引言 范围风沙扬尘的扩散行为模拟研究一6 】；z h o u y i n g 在2 0 0 3 年利用c a l p u f f 模拟了北京 电厂排放的人体暴露效应 4 7 】：宋宇在2 0 0 2 年利用c a l p u f f 对北京市石景山区p m l 0 污染对北京市影响进行了研究，详细解析了石景山各主要污染物对市区不同区域浓度的 贡献大小4 8 】：李继应用c a l p u f f 模式，对湖南省1 7 个电厂的一次颗粒物的排放进行 了研究，并结合人口信息对该地区的排放源造成的健康影响进行了评价【49 】等等。 1 2 3 2i s c 3 和c a l p u f f 模式的比较 1 烟团和烟流的区别 i s c 3 是高斯烟流扩散模式，c a l p u f f 是高斯烟团扩散模式。高斯烟流模式是认为 污染物连续排放，污染物的浓度分布符合高斯分布；高斯烟团模式是将连续排放的烟羽 视为一系列离散的污染物团，即烟团，烟团随风向、风速移动且排放是瞬时的，烟团的 浓度分布符合高斯分布，受体点的污染物浓度是各烟团在此处浓度的线性迭加。区别烟 团和连续烟流扩散最明显的方式是对瞬时和平均烟流考虑不同的o - 值，烟流的瞬时快照 给出的o - ( t ) 是与追踪一个烟团所获得的o ( t ) 是相同的 3 3 。 一个烟团对一个受体点的浓度贡献由如下方程求得： c = 互二i q ge x p _ d 。2 ( 2 c rx2 e x p _ d 。2 ( 2 a ，2i 1 - 1 0 g 二斋i 塞e 冲 _ e + 2 n h ) 2 k ( 1 其中： c 地面浓度，g m 3 ； q 一烟团中污染物的质量，g ； 。，高斯扩散的x 方向标准偏差： o 广高斯扩散的y 方向标准偏差； o ：高斯扩散的垂直方向标准偏差； d a 烟团中心到受体点的x 方向距离，m ； d 。烟团中心到受体点的y 方向距离，m ； 譬一高斯方程的垂直分量； h 地面到烟团中心的有效高度，m ； h 混合层高度，m 。 2 i s c 3 与c a l p u f f 计算结果对比研究 模式检验是验证模式“保真性”的重要手段，灵敏度分析是验证模式的输入一输出 响应关系合理性的数学工具5 们。对于相同的模拟对象，使用不同的模式获得的计算结果 与实测结果之f b j 的保真性与灵敏度一直是模式丌发机构关注的问题，也更是环境管理部 门和模式使用者所关心的问题。 东北大学硕士学位论文第一章引言 美国国家环保局( u s e p a ) 作了a e r m o d 与i s c 3 、c t d m p l u s 模式的对比分析 5 ”，使用i s c 3 、i s c p r i m e 以及a e r m o d 模式在有毒气体的风险评价中的比较 5 2 、 i s c 3 与i s c p p d m e 模拟结果分析吲以及i s c 3 和c a l p u f f 之间的比较1 5 4 j 等对于相同 模拟对象采用两种或两种以上空气质量扩散模式，分析其模拟结果与实测数据或模拟结 果之间的存在的关系。 在( ( i s c 3 和c 创j p u f f 之间的比较一文中，设计情形混合层高度为3 0 0 0 m 和5 0 0 m ， 稳定度分为a f 共6 类，点源排放速率为1 0 0 9 s 、面源排放速率为o0 0 0 4 9 s 1 t 1 2 ，高 架点源模拟对于所有的案例的结果都显示出了很好的一致性，c a l p u f f 与i s c 3 的模 拟最大差值量为r 。= 2 5 o u g m 3 ( 占受体点浓度平均值的0 1 3 ) ，最小差值量为 r 。= - 8 0 u g m 3 ( 占受体点浓度平均值的o 0 3 ) ，对于任何一次模拟，r n 诅。b no吨寸磐山 hh茜t1u团悟求划爱嚣叮no凶菪廿埘吐七f匝 葵惫眯船牵辎聪稞姆料目妊 以审犁特书睇朴长票* (_，吕面i一。u口1a。jd口hz昌h一号口。西：ip鼍宣当_蛊苫。叫葛oh苦ip d。h甍扫口8旨u(1l审旨g o暑v no_寸si皿 n吕号匝幅惫莓f瑾f；千旺no凶舞廿工叶t匝蛾 窭焱眯船套蜊孵碟孵斟目蛾 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