（大地测量学与测量工程专业论文）基于gis的大气污染扩散模拟.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 大气污染扩散模拟是环境管理部门进行大气污染控制与管理决 策的有效手段与方法之一。g i s 与环境模型相结合将会使g i s 与环境 模型二者的功能更加强大，已成为g i s 领域和环境领域研究的一个热 点。本文以惠州市惠城区为例，探索了g i s 与城市大气污染扩散模型 的结合。研究内容主要包括以下几个部分： 介绍了大气污染扩散模拟的模型和方法以及g i s 与环境模型结 合的必要性、应用范围和途径。总结了大气污染扩散模拟的计算过程， 一般分为前期的数据采集和后期的扩散模拟两个阶段。 介绍了组件技术的概念和组件g i s 的特征，各种组件以动态链接 库方式或应用接口a p i 方式嵌入到g i s 集成环境中，并且可以自然地 实现模型与数据的分离。同时还研究了组件m a p o b j e c t s 和s u r f e r 的 主要功能、结构和数据源。 详细地介绍了大气污染扩散模拟的实现过程。在计算出污染源造 成的浓度值以后，用m a p o b j e c t s 的空间分析技术实现了各种空间操 作；并用s u r f e r 实现了绘制浓度等值线的功能。 关键词：地理信息系统，大气污染扩散模型，m a p o b j e c t s ，s u r f e r 8 0 ， 环境建模 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t s i m u l a t i n gt h ed i s p e r s i o no fa t m o s p h e r i cp o l l u t a n ta r et h ee f f e c t i v e m e a s u r e so rm e t h o d sf o rd e p a r t m e n to fe n v i r o n m e n ta d m i n i s t r a t i o nt o c o n t r o lt h ea i r - p o l l u t i o na n dm a k ed e c i s i o no ne n v i r o n m e n tp r o b l e m s i n t e g r a t i n gt h et e c h n o l o g yo fg i sw i t ht h ee n v i r o n m e n tm o d e lw o u l d m a k et h e i rf u n c t i o nm o r es t r o n g e r ，w h i c hh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nb y e x p e r tw h oe n g a g e di nt h ef i e l d si fe n v i r o n m e n ta n dg i s i nt h i sp a p e r , t h ei n t e g r a t i o no fg i sa n da t m o s p h e r i cm o d e l sw a sr e s e a r c h e da n d a p p l i e dt oh u i z h o uc i t y s e v e r a lm o d e l so fd i s p e r s i o no f a t m o s p h e r i cp o l l u t a n ta l o n gw i t ht h e t h e o r y a n dn e c e s s a r y , a p p l i c a t i o n s ，m e t h o d so f i n t e g r a t i n g g i sw i t h e n v i r o n m e n tm o d e l i n gw e r ei n t r o d u c e d t w op r o c e d u r e so fs i m u l a t i n gt h e d i s p e r s i o n o fa t m o s p h e r i c p o l l u t a n t w e r ei n t r o d u c e d w h i c hw e r e c o l l e c t i n gd a t aa n ds i m u l a t i n gt h ed i s p e r s i o n t h et h e o r yo fc o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n df e a t u r e so f c o m p o n e n tg i s w e r e i n t r o d u c e d c o m p o n e n t s w e r ee m b e d d e di ng i s i n t e g r a t i n g e n v i r o n m e n t b ym e t h o d o fd y n a m i cl i n k l i b r a r y o r a p p l i c a t i o n i n t e r f a c e a n ds e p a r a t i n gm o d e lw i t hd a t aw a ss p o n t a n e o u s l yc a r r i e do u t a tt h es a m et i m e ，m a i nf u n c t i o n s ，s t r u c t u r e ，d a t as o u r c e so fc o m p o n e n t m a p o b j e c t sa n ds u r f e rw e r er e s e a r c h e d p r o c e d u r e so fs i m u l a t i n gt h ed i s p e r s i o no fa t m o s p h e r i cp o l l u t a n t w e r e d e t a i l e d l y i n t r o d u c e d a f t e r c o m p u t i n g t h ec o n c e n t r a t i o n v a l u e ，s p e c i a lo p e r a t i o n sw e r ec a r r i e do u tb ys p e c i a la n a l y s i st e c h n o l o g y o fm a p o b j e c t s c o n c e n t r a t i o nc o n t o u rw a sp r o t r a c t e db ys u r f e r k e yw o r d s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，a t m o s p h e r i cd i s p e r s i o n m o d e l ，m a p o b j e c t s ，s u r f e r 8 0 ，e n v i r o n m e n t a lm o d e l i n g 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 储躲牡眺丑年上畦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 年眵日 中南大学硕士学位论文 前言 1 1立论依据 第一章前言 随着城市工业化的发展，城市工业企业数量急剧增加，机动车保有量的不断 增加n _ 1 ，二氧化硫、烟尘、粉尘、氮氧化物等污染物质大量排入到城市环境空 气中，城市大气环境质量急剧下降，严重破坏了人类生活居住和生物生长环境， 进而限制到经济的进一步快速发展，不利于经济、社会以及生态环境的可持续发 展。对现有大气污染源进行科学评价和管理，利用现有污染源排放数据对环境空 气质量进行及时预测和分析，找出主要大气污染物及其浓度的空间分布并提出相 应的防治措施，将有利于城市大气环境问题的及时解决、改善和提高。 城市空气质量预测是近几年环境科学中发展最快的研究领域之一口1 。它不仅 在论证人类活动如何影响空气质量这个理论问题上有着重要意义，而且对城市环 境管理、污染控制、城市环境规划及生态建设均有重要的实际应用价值，主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 能够预测和评价未来环境空气质量变化状况和趋势，为大气环境影响 评价，空气质量控制、管理以及污染防治提供科学依据。 ( 2 ) 可以进行污染防治和削减措施环境效果分析，通过对采取措施前后效 果进行对比分析及经验积累，使环境管理部门对城市环境规划要素( 功能分区、 污染源分布、城市规模、交通网络) 提出更科学、更明确的控制和管理方案。使 城市环境管理部门对城市功能分区、污染源分布、城市规模等城市环境规划要素 提出更科学、更明确的控制和管理方案。 ( 3 ) 可提供快速的结果分析与综合分析，使环境管理部门能及时迅速的采 取防治和削减措施，为环境管理部门提供有效的决策支持。 进行大气污染扩散模拟将有助环境管理部门进行大气污染的控制与管理决 策。几乎所有的环境问题都涉及空间维。构成环境模拟的基本单元大多都具有空 间分布的特性，而且这种空间分布有效地影响着环境要素间相互作用的过程和空 间过程的动态演化。地理信息系统是一种兼容存储、管理、分析、显示与应用地 理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。但大多数g i s 软件缺少有力的空间分析与模拟功能。如何将g i s 和环境模型结合起来，促进资 源一环境一经济的协调发展，是g i s 一个很重要的应用方向。 在大气污染扩散模拟所需的基础数据不但包括属性数据，如污染物排放量、 人口现状、产业结构状况等，而且包括地理数据，如污染源分廓，城市现状平面 中南大学硕士学位论文前言 图，地面高程，环境污染指数，各气象站点的气温、气压或降雨量等。这些数据 有一个共同特点，就是离散的空间位置信息和专业属性信息。而对空间分布，空 间关系，空间过程的处理恰恰为g i s 所擅长。将g i s 与环境模拟这两个领域在技 术上、研究内容上、方法上进一步集成，具有广泛的应用前景。这一点已成为 6 i s 和环境模拟领域专家、学者的共识。虽然二者集成的重要性已为人所共识， 但g i s 与环境模型的结合仍很不够h 1 ，不少结合仅仅将g i s 作为环境模型的数据 输入和输出结合显示工具。而g i s 与大气环境质量模型的结合更是不多见。因此 本文以惠州市为例探索g i s 支持下的城市大气污染扩散模拟。 1 2 国内外研究现状与进展 1 2 1 国外研究现状 地理信息系统起源于北美。考察地理信息系统的发展，可分为6 0 年代的起 始发展阶段、7 0 年代的巩固阶段和8 0 年代的大发展阶段。8 0 年代后，地理信息 系统已进入多学科领域，由比较简单的、单一功能的、分散的系统发展成为多功 能的、用户共享的综合性信息系统，并向智能化发展，应用专家系统知识，进行 分析、预报和决策。高性能的微型计算机的推广，使得微机地理信息系统蓬勃发 展，并得到广泛的应用。这一发展，使得地理信息系统工具具有更高的效率、更 强的独立性和通用性，更少依赖于应用领域和硬件环境，为地理信息系统的建立 和应用开辟了新的途径晦1 。 大气环境信息系统的研究开始于二十世纪7 0 8 0 年代，它是一些发达国家政 府和民众环境意识日趋提高、环境呼声日益高涨的产物1 。经过二十多年的运作， 大气污染分析、预报及质量评价己成为当地大气监测网络的主要任务之一。在美 国、德国、英国、荷兰等发达国家，已采用先进的大气实时动态监测系统开展大 气质量监测工作，进行大气污染识别和预报分析，为当地政府对可能出现的大气 污染事故事先采取措施提供依据。在西欧许多国土相连的国家，采取跨国联合， 用国际网络的形式分析、预报大气污染也己起步，并日渐扩大和完善。在环境 问题研究的信息化方面，加拿大测绘家r t t o m i n s o n 博士首先提出了地理信息 系统( g i s ) 这一术语，并且建立了世界上第一个g i s 一- n 拿大地理信息系统 ( c g i s ) ，用于自然资源的管理和规划。7 0 年代以后，由于计算机硬件、各种显 示器和图形卡的发展增强了人机对话和高质量的图形显示功能，促进6 i s 朝实用 方向发展。一些发达国家先后建立了专业性的环境信息系统。8 0 年代之后是g i s 丌始普及和推广应用的阶段。利用g i s 技术对环境进行管理是当前国际上一个重 2 中南大学硕士学位论文 前言 要趋势阳儿引。 美国环保局( e p a ) 以g i s 为工具，把多种区域空气质量模式( 包括酸沉降 模式、氧化模式、城市空气质量模式、拉格朗日空气污染模式等) 相关的结果进 行空间表达，并提出发展能进行空间模拟和分析的模式集成体系的计划，希望为 用户提供一种便捷的空间分析工具n 们。t c h e p e l 等n 把g i s 与中尺度大气模式相 结合，模拟了d ，浓度的时空分布，结果表明：在中尺度大气模式中，g i s 在数据 处理中具有不可替代的作用。r e b o l j 等n 2 1 以v b 作为开发环境，把由f o r t r a n 建 模的道路交通污染扩散模式和组件式g i s ( m a p o b j e c t s ) 相集成，用于模拟由交 通运输引起的空气污染，模式间的数据以文件形式进行传输。该方法为g i s 与大 气质量模型的完全集成奠定了一定的基础。m a r q u e z 等n 3 1 以g i s 作为数据库，提 出了考虑土地利用、交通运输等因素的城市空气质量模式，并考虑了点、线、面 多种形式的污染源，就城市结构( 主要指土地利用类型和基础设施建设) 对空气 质量的影响作出评价。c a r r u t h e r s 掣1 4 1 将o s p m 街渠模型集成到a r c v i e w 中构成 一个面向地方政府应用的实用系统a d m su r b a n 。 1 2 2 国内研究现状 近年来，环境问题日益成为社会的焦点问题。大气环境分析评价预测的难度 较大，但从长远来看，大气环境分析、评价、预报将同环境管理信息系统一起成 为今后很长一段时间内国家环保管理工作的重要发展趋势。我国环境分析，评价 的信息化建设起步也较晚旧1 ，但发展势头迅猛。1 9 7 7 年诞生了第一张由计算机输 出的全要素地图。8 0 年代后，我国环境g i s 全面进入试验阶段。1 9 8 5 年成立国 家资源与环境信息系统实验室。“七五 开始，环境信息系统在各方面应用取得 很大进展，尤其是近几年更大大缩短了与先进国家的差距。在典型试验中主要研 究数据规范和标准、空间数据库、数据处理和分析算法及应用软件的开发等。在 专题试验和研究方面，建成了国家基础地理信息系统、全国资源和环境信息系统、 一些区域性信息系统以及专题研究试验，我国的一些城市如北京、上海在城市管 理与规划中己采用了环境信息系统技术。高校在软件开发、区域专题应用等方面 做了大量工作。赵碧云n 7 3 等将g i s 引入大气多源扩散研究领域，成功地解决了 g i s 与大气污染扩散数据的连接问题，实现了大气污染扩散数据的计算机图形可 视化与计算机一次成图的功能。赵凤琴n 副等运用g i s 的空间分析技术，将城市社 会功能、气象特征以及环境现状叠加来定量划分城市大气环境功能区。吴必军等 n 卯根据机动车尾气研究的实际，研究了专题g i s 数据库结构，并以广州为例建立 了基于g i s 的城市机动车尾气扩散迁移预报系统，实现了机动车尾气污染状况的 可视化。 中南大学硕士学位论文前言 总之，世界范围内g i s 的研究正方兴未艾，在环境信息科学中的应用也更加 广泛和深入，两者的有机结合是一项有发展和应用前景的技术呻1 6 1 。 1 3 研究内容 本文的研究内容有如下几个方面： ( 1 ) 分析了本文涉及的各种大气扩散模式的组成原理；探讨了g i s 在大气污 染扩散模型研究中的应用以及g i s 与环境模型集成的方法 ( 2 ) 大气污染扩散模拟过程分为前期的数据采集和后期的扩散模拟两个阶 段，并给出了本文中采集数据的列表和扩散模拟的计算步骤。 ( 3 ) 介绍了组件技术的概念、组件g i s 不同于以往g i s 的特点，并从主要功 能、结构和数据源三个方面，分别对组件m a p o b j e c t s 和组件s u r f e r 进行了描述。 ( 4 ) 在g i s 技术的支持下，进行了惠州市大气污染扩散模型的建立，并将污 染扩散模型与g i s 进行集成，实现了大气污染扩散模拟结果的可视化表 达。具体实现的功能如下：计算任一点的污染物浓度值；计算惠城区烟 囱或主干道形成的地面瞬时浓度值和长期平均浓度值，并绘制相应的浓 度等值线；生成地面任意两点间的浓度剖面线，了解浓度的变化趋势； 生成浓度分级图，分析各种浓度等级的空间分布；查找特定浓度范围的 分布 1 4 技术方法 本文以v i s u a lb a s i c n e t 为开发平台，结合组件m a p o b j e c t s 和组件s u r f e r 实现了惠州市惠城区的大气污染扩散模拟，及其模拟结果的可视化表达。利用采 集的污染源数据和下载的s r t m 数据分别生成烟囱点源分布图、主干道线源分布 图、栅格计算点分布图，以s h a p e f i l e s 文件格式保存；用v i s u a lb a s i c n e t 编写大气扩散模式并生成动态链接库供系统调用，计算污染源形成浓度值；通过 组件m a p o b j e c t s 的空问分析技术查找污染源和特定浓度范围的分布，生成浓度 的分级图；通过组件s u r f e r 自动绘制等值线。其技术路线如图卜l 。 4 中南大学硕士学位论文 吲吲国- - 圉圈m 刚m 闰 图卜1 基于g i s 的大气污染扩散模拟技术路线 5 前言 污染源数据 s i m 徵据 +1r 烟囱点源分布主干道线源分布 栅格计算点分布 ， 中南大学硕士学位论文第二章相关理论的介绍 第二章大气污染扩散模拟原理的介绍 2 。1 大气扩散模式 2 1 1 大气扩散相关的基础知识 大气是污染物传播的介质，气象条件是制约污染物在大气中输送、扩散、稀 释、转化的重要因子。在接触扩散模型前有必要简单介绍与之相关的一些基础概 念。 2 1 1 1 大气成分 低层大气是由干洁空气、水气和悬浮微粒三部分组成。干洁空气中二氧化碳 和臭氧对大气温度的垂直分布有较大影响。干洁空气的组成如表一1 。 表2 - 1 干洁空气的组成 成分体积百分比成分体积百分比 氮( ，) 7 8 0 8 4 氪( k ，) 0 0 0 0 1 1 4 氧( 0 2 ) 2 0 9 4 7 6 氙( x ，) 0 。0 0 0 0 0 8 7 氩( a ，) 0 9 3 4氢( h ，) 0 0 0 0 0 5 二氧化碳( c o ，) 0 0 3 1 4臭氧( q ) 夏季 0 0 0 0 0 0 7 氖( n ，) 0 0 0 1 8 1 8臭氧( 仗) 冬季0 - - - 0 0 0 0 0 2 氦( h 。) 0 0 0 0 5 2 4 2 1 1 2 大气的垂直分层 地球周围的大气圈具有层次结构。根据大气温度的垂直分布，由地表向外， 依次划分为对流层、平流层、中层和暖层。大气圈的厚度在2 0 0 0 一- - 3 0 0 0 k m 以上。 对流层是最接近地面的一层大气，其上界因纬度和季节而异：赤道地区最高( 约 1 5 k m ) ，两极最低( 约8 k m ) ；暖季大于冷季。对流层大气的主要特点是有比较强 烈的铅直混合，污染物的迁移扩散和稀释转化也主要在这一层进行。对流层下层 ( 地面至l 2 k m ) 的气流具有边界层的性质，故又称大气边界层。边界层内风 向、风速和气温随高度而变化，空气的运动总是表现为湍流的形式。在有同照时， 由于产生对流而能较好地混合的边界层下部又称为混合层( l i d ) 。混合层从r 出 后形成到午后达到1k m 左右的最大高度。 7 中南大学硕士学位论文 第二章相关理论的介绍 2 1 1 3 气象要素 表示大气状态和物理现象的物理量在气象上成为气象要素。它包括气温、气 压、气湿、风向、降水、蒸发、日张、云量、云况、太阳辐射、地面辐射、能见 度、垂直风速梯度和垂直温度分布等等。直接影响大气污染物输送扩散的气象要 素是空气的流动特征一一风和湍流，而垂直气温分布又在很大程度上制约着风场 和湍流结构。因此在众多的气象要素中与大气污染最密切的是风向、风速、湍流 强度、垂直温度梯度和混合层高度等。风向规定了污染的方位；风速表征了大气 污染物的输送速率，风速梯度又与湍流脉动密切相关；湍流强度显示了大气的扩 散能力；混合层高度高度决定了污染物扩散的空间大小。 2 1 1 4 逆温 大气的温度一般是向上递减的，平均每升高l o o m ，大气温度降低0 6 5 k 。在 一定条件下，低层气温低，上层气温高，则形成逆温。具有逆温层的大气层是最 强稳定的大气层。某一高度上的逆温层象一个盖子一样阻挡着它下面污染物的扩 散，因而能造成严重污染。空气污染事件多数都发生在有逆温层和静风的条件下， 因此逆温必须高度重视。 2 1 1 5 大气稳定度 大气稳定度表示空气是否安于原在的层次，是否易于发生垂直运动，即对流。 假如有一团空气收到一对流冲击力的作用，产生了向上或向下的运动，那么将出 现三种情况：如果空气团受力移动后，逐渐减速，并有返回原来高度的趋势，这 时的气层，对于该空气团而言是稳定的；如果空气团一旦离开原位就逐渐加速运 动，并有远离原来高度的趋势，这时的气层是不稳定的；如果空气团被推到某一 高度后，既不加速也不减速，保持不动，这时的气层，对于该气团而言是中性气 层。 1 9 6 1 年帕斯圭尔( p a s q u i l l ) 提出了一个利用地面气象观测资料估计大气 稳定度的方法，他把稳定分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定和稳 定六类，分别用彳、b 、c 、d 、e 、f 来代表。 2 1 1 6 大气混合层 由于热力和动力原因会在大气边界层内产生上、下层问湍流强度不连续的现 象。如果下层空气的湍流强，上层湍流弱，中间存在一个湍流特征不连续的见面， 在下部的污染物就容易混合。不连续面成为一个不透或半透的反射屏，把由下而 上的烟云反射回去，它犹如一个顶盖，抑制下层空气向上输送。我们把不连续面 8 中南大学硕士学位论文第二章相关理论的介绍 以下能够发生强烈湍流混合的层次称为混合层，其高度称混合层高度。 2 1 1 7 下垫面 包围在地球外部的一层气体总称为大气或大气圈。大气圈以地球的水陆表面 为其下界，称为大气层的下垫面。通常大家用来表示地球大气圈下面某一区域的 地球表面，该表面既可以有固态的部分，如土壤、岩石、植被、建筑物；也可以 有液态的部分，如海洋、河流、湖泊。不同的下垫面情况，将对大气污染物的扩 散产生不同的影响。 2 1 2 概述 2 1 2 1 模式构成 空气质量模式是以数学方法定量描述大气中污染物从源地到接受地所经历 的全过程的一种手段或工具。其核心部分为大气扩散模式，主要描写大气对污染 物的输送、扩散和稀释作用。污染物在大气中所经历的其它过程，诸如烟气抬升， 干、湿沉积和化学转化过程等，则常以某种形式的过程参数，确定参数的方法或 计算公式，以及子模式的形式从属于大气扩散模式。另一方面，除大气以外，污 染源和下垫面的状况也会影响污染物在大气中的变化和分布，这些因素和影响规 律亦必须在空气质量模式中得到恰如其分的反映。 通常，一个空气质量模式应包括一组以大气扩散公式为主体的描写各种过程 的数学表达式，一套模式输入参数和确定参数方法，以及为完成模式计算所需的 计算方法和程序。图2 - 1 表示大气扩散模式的一般组成1 。 图2 - 1 大气扩散模式的一般组成 2 1 2 2 模式的选择 由于空气污染问题的复杂性，迫使人们不得不通过多种途径和手段来研究， 并建立适合各种特定条件的空气质量模式。模式选择是一个关键的阶段，它常常 同时决定了资料搜集、外场测试等工作的规模，以至总的工作方向，在选用时需 要认真加以鉴别。 通常在选用模型要考虑以下几个方面的问题：污染源及污染物；模拟的时、 9 中南大学硕士学位论文 第二章相关理论的介绍 空范围及分辨率；模拟区的下垫面特征以及模式的效能。还应根据各处的应用目 的和条件作更加具体的分析。 通常小尺度扩散问题要求较高的空间分辨率，中尺度及远距离输送问题要求 的分辨率较低。在评价点源对局地环境的影响时，一般都采用具有高分辨率效能 的高斯型模式。即使在复杂下垫面，也可以采用它的变形作为筛选模式使用。 2 1 3 瞬时单烟团正态扩散模式 瞬时释放的单个烟团正态扩散模式3 是一切正态扩散模式的基础，假定单 位容积粒子比较c q b 一3 ) 在空间的概率正态分布，则 【c g ，y ，z ，o o ( x 。，z 。，。) 】： ( 2 n - ) 3 2 盯，盯y 盯：】1 e x p h 5 k 飞) 2 q 2 + 0 喘一y ) 2 q 2 + ( z - - z o - - z ) 2 i 吒2 b ( 2 1 ) 式中，x ，y ，z ，为预测点的空间坐标和预测时的时间； x 。，y 。，z 。，f 。为烟团初始空间坐标和初始时间； x ，y ，z 为烟团中心在卜- “期间的迁移距离，x = i “西，y = i v 讲， z 7 = w d t ； u ， ，w 为烟团中心在石，y ，z 方向的速度分量； c 为预测点的烟团瞬时浓度； q 为烟团的瞬时排放量； 盯，仃，盯：为x ，y ，z 方向的扩散参数，是扩散时间丁函数，t = ，一f o 2 1 4 点源烟羽扩散模式 绝大多数污染源排放的污染物都是连续的，对于连续排放源，可理解为在时 间上依次连续释放无穷多个烟团。因此，连续排放源的扩散模式可将式( 2 1 ) 对“从一0 0 到，积分后求得，点源烟羽扩散模式b 列是有风条件下连续排放源正态 扩散模式的基础，其推导过程如下。 假设q = 常值，“= 常值，y = w = 0 。以烟团初始空间坐标为原点，下风向 为x 轴，烟羽轴线( 烟团中心) 与x 轴一直保持重合，仃。，盯一盯，都是x 的函数， 将y 对“的积分变换为对g u r ) c r ，的积分，则当下式成立时， ( 2 万) 叫2 卜x p o 5 k 一“丁) 2 居：肛酝一“丁) q 】- 1 f 9 9 、 可得到最基本的烟羽扩散模式： c g ，j ，z ) ：q ( 2 刀”仃，仃：) 1e x p 【_ y 2 ( 2 盯；) 】e x p - z 2 ( 2 仃；) 】 ( 夕一3 1 l o 中南大学硕士学位论文第二章相关理论的介绍 式( 2 - 2 ) 左侧的积分上限常大于2 1 5 ，因此式( 2 3 ) 是可以成立的。值得注 意的是，o x ，盯一：都是x 的函数的假定，这意味着至少在预测点一带的烟羽在 j ，和z 方向上的尺度变化不能太大，亦即烟羽的扩张角度应当比较小，这首先要 求风速比较大，其次说明对于烟羽扩张角较大的大气不稳定状态，可能带来一定 的误差。式( 2 3 ) 并未考虑边界条件对烟羽的限制，实际应用时，常需要对式( 2 3 ) 进行地面及混合层顶的边界加以修正。 2 1 4 线源污染扩散模式 本文采用的是点源求和法，假设线源的长度为三，线源源强为舛，表示 单位长度的线源在单位时间内排放的污染物质量，m g m 占，那么，可以把线源 的长度元刃看成是一个点源，它的源强是鱿d l ，线源的浓度是所有点源浓度贡 献之和，等于点源浓度公式在线源长度的积分： c ：丝广f a l u ( 2 4 ) 厂= 瓦1 唧( _ 茜 e x p ( 一爰) 5 ， 式中：u 为线源排放高度上的平均风速；仃。，仃，为水平和垂直方向的扩散参 数；日为有效源高；c 为污染物浓度。 美国环境保护局采用的线源模式将三划分成长度为址的n 段，用求和的方 法得到： c = 竽厶+ 酬1 = 2 阻6 ， 材l z 一j f 2 6 1 点源积分方法其本质是把线源划分成有限多个点源，然后求这些点源浓度之 和，这种适用于各种线源，即使线源呈现不规则的折线或曲线形状。这与多点源 浓度的计算相同。实际计算时要给出线源每段的起点与终点，前一段的终点自动 成为后一段起点，在每段内再划分成为若干小段，每- d , 段的作为一个点考虑， 其中心点坐标与计算点的坐标在给定的和计算条件下建立联系，同时还要给出每 一段的线源源强。这种方法适用范围广，但是计算工作量大，污染源强调查的工 作量也大，般用在对整个城市区域内各种大气污染物宏观分析控制上。 2 1 5 长期平均浓度 在一个地区，因为生产和生活活动的起伏，使得大气污染物排放量逐时变化， 中南大学硕士学位论文第二章相关理论的介绍 加上气象条件的影响，大气污染的浓度逐时逐刻变化，并有很大的不规则性和偶 然性。为了更好地描述城市空气污染整体水平和宏观结构特征，环境管理更关心 的是具有反映整体变化趋势的长期浓度( 年均浓度，季均浓度，月均浓度) 。在 大气污染物排放总量控制中，通常是以年日浓度，或月日平均浓度，季日平均浓 度为控制标准。长期平均浓度的计算一般都采用联合频率法3 1 。 计算公式如下： 石g ) = 厶+ ，k i，k ( 2 7 ) 其中厶、分别为有风时、静风小风时风向f 、风速档，、稳定度k 的联合频 率，c 啦、c 揪分别为有风时、静风时对应于该联合频率下在下风向x 点的浓度 值。 矗+ = l 2 1 6 城市区域多源大气扩散模式 用多源大气扩散模式计算某一评价点的浓度，就是将多个污染源在该点的浓 度贡献值加起来。城市多源长期扩散模式b 3 3 为： ，、 虿g ，少) = l 厶+ l jk ， ， ( 2 9 ) 式中厶、分别为有风时、静风小风时风向f 、风速档、稳定度k 的联合频 率，c 神、c 舭分别为有风时、静风时对应于该联合频率下在下风z 点的浓度值。 但这里的坐标值是通过坐标转换过x ，y 值。 在单源计算中总取x 轴与风向平行，污染区在烟源的下风向，如风向改变， 只需将所计算的浓度场旋转一个角度，不必重新计算，所以单源扩散浓度计算与 风向无关。多源扩散在计算中同样也要用到单源扩散模式，但由于多源并存，污 染源分布不规则，浓度场随风向而变，为了便于叠加，多源模式一般都采用固定 坐标系，每个污染源和每个计算点都有固定的坐标位置。通常是将坐标原点设在 研究区下挚面的西南端点，x 轴指向东，j ，轴指向北，z 轴指向天顶。所有污染 源和浓度计算点的位置用它们在地理坐标系中的坐标来确定。坐标系中的计算网 格根据所要求的空间分辨率来设计。 由于高斯扩散公式都是以风向坐标系为准的，计算中需要进行两种坐标系的 转换。设地理坐标系为e o n ，风向坐标系为x o y ，它们之间的转换公式为： x = ( | p n ，) c o s 0 + ( e e + e ，) s i n o ( 2 1 0 ) 中南大学硕士学位论文 第二章相关理论的介绍 y = 帆一，) s i n 0 + 【e e + e ，) c o s o ( 2 1 1 ) 式中x 、y 为高斯公式中使用的坐标变量，( 凹，艘) 和( e r ，册) 分别表示污 染源计算点在地理坐标系中的坐标。秒为风向方位角。 若下垫面地分平坦，可将风向坐标系和地理坐标系的原点设在同一个水平面 上，计算中不需要作z 坐标的换算，否则应考虑每一对计算点和污染源所在位置 在地理坐标系中的高度差。 2 1 7 山区丘陵模式 我国黑龙江的环境科学工作者张志君11 9 9 5 年提出了一种全新的山区大气 扩散修正方法。其本质内容是在高斯公式有效源高上乘一个修正系数，公式如下： c 2 南e 坤( 等) 刀”仃，盯，iz 盯：，r 1n 、 k ：三 日+ 办b ) ( 2 1 3 ) 式中：五g ) 为下风向地形高度。当办b ) 为零时，k = 1 ，表明烟轴与地面的 高度等于有效源高，也就成为高斯原形，办( x ) 越大，k 值就越小，表明烟流轴线 越接近于该高度的地面。 2 1 8 烟气抬升高度 对于高架点源扩散模式来说，烟囱有效高度是扩散计算中的重要参数，烟气 从烟囱排出后，由于动力和热力的作用会继续上升，经过一段距离以后逐渐变平。 在大气环境模式计算中都把烟气的抬升高度计算在内，故扩散公式中的烟源高度 是指烟源的有效高度，它等于烟囱几何高度与烟气抬升高度之和。 h = ，+ 肼 ( 2 1 4 ) 式中：h ，为烟囱几何高度，胡为烟气抬升高度，日为烟源有效高度。常 用的烟气抬升公式有： ( 1 ) 有风( 甜 1 0 m s ) 且烟气温度与环境稳定差大于等于3 5 度( t 一瓦3 5 k ) 时，采用浮力通量表示为： 胡= ( o 9 2 v s d + 5 2 5 f 0 。4 4 06 批 ( 2 1 5 ) 式中：h 。一排气烟囱几何高度，m ；u s - - 排气烟囱出口高度处平均风速， m s 。 中南大学硕士学位论文第二章相关理论的介绍 ( 2 ) 有风( u 1 0 m s ) 且烟气温度与环境稳定差大于等于3 5 度 ( t - l 3 5 k ) 时，采用浮力通量表示为： 胡= 4 0 f ：2 5 s 。0 3 7 5 ( 2 1 6 ) 式中：s 为大气稳定度参数 s ：墨丝 眈d z 吃为位温，a o o d z 为大气的位温梯度 鲁一e 瓦ol ( d 忽r o 川d ) 儿为干绝热递减率，取值为0 0 0 9 8 m k ，所以s 为 s ：旦f 里+ 0 0 0 9 8 1 瓦ld z ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 识a z 为大气的温度梯度( e 类稳定度时皿d z 取0 0 2k m ，吸a z 取 0 0 1 0 2 k m ；f 类稳定度时识记取0 0 3 5 k m ；吸a z 取0 0 2 5 9 m 注意：冗为浮力通量 e = 等g _ 等 ( 2 - 2 0 ) 式中：d 一烟囱出口直径，m ；g 重力加速度，取9 8 0 6 6 5 m s ；睁一烟 气速度，m s ；a t = 瓦一乙：t 一一烟气温度，k ；l 一环境温度，k ； 2 1 9 扩散参数的确定 ( 1 ) 有风时的扩散参数 在大气扩散模式罩扩散参数是十分重要的，它是大气稳定度和下风距离的函 数。国标( ( g b t 1 3 2 0 1 9 1 提供了一套扩散参数，将盯，、盯：由指数形式表示： 盯，= 九x q 盯：2 厂2 五。 ( 2 2 1 ) 式中：x 是下风向离污染源的距离；乃、y ：、a 、口：值参见表2 2 啪1 。这组扩 散参数所代表的时间是3 0 分钟的取样时间，而且提出当将应用于平原地区的农 村及城市远郊区a 、b 、c 类稳定度直接查表，d 、e 、f 类稳定度需向不稳 定方向提半级后查表。工业区或城市区中排气烟囱离地面高度大于4 0 米，或二 氧化硫排放量大于( 或等于) 0 0 4 t h 的排放烟囱，工业区彳、b 类不提级，c 级 提到b 级，d 、e 、f 级向不稳定方向提一级半再查表。非工业区的城市a 、b 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章相关理论的介绍 级不提级，c 级提到b c 级，d 、e 、f 向不稳定方向提一级查表。丘陵山区 的农村和城市，其扩散参数选取方法同城市工业区。 表2 - 2 扩散参数幂函数表达式( 取样时间0 5 h ) 扩散参数大气稳定度 q 或口：乃或y ： 下风距离( m ) 0 9 0 1 0 70 4 2 5 8 10 - 1 0 0 0 a q = y 1 x q 仃：= y 2 x 吒 曰 艿一c c c d d d e e f 彳 刀 b c c c d d 0 8 5 0 9 3 0 9 1 4 3 7 0 8 6 5 0 1 4 0 9 1 9 3 2 5 0 8 7 5 0 8 6 0 9 2 4 2 7 9 0 8 8 5 1 5 7 0 9 2 6 8 4 9 0 8 8 6 9 4 0 9 2 9 4 1 8 0 8 8 8 7 2 3 0 9 2 5 1 1 8 0 8 9 2 7 9 4 0 9 2 0 8 1 8 0 8 9 6 8 6 4 0 9 2 9 4 1 8 0 8 8 8 7 2 3 1 1 2 1 5 4 1 5 1 3 6 2 1 0 8 8 1 0 9 6 4 4 3 5 1 0 9 3 5 6 0 9 4 1 0 1 5 1 0 0 7 7 0 9 1 7 5 9 5 0 8 3 8 6 2 8 0 7 5 6 4 1 0 8 1 5 5 7 5 0 8 2 6 2 1 2 1 5 0 6 0 2 0 5 0 2 8 1 8 4 6 0 3 9 6 3 5 3 0 2 2 9 5 0 3 1 4 2 3 8 0 1 7 7 1 5 4 0 2 3 2 1 2 3 0 1 4 3 9 4 0 1 8 9 3 9 6 0 1 1 0 7 2 6 0 1 4 6 6 6 9 0 0 9 8 5 6 3 1 0 1 2 4 3 0 8 0 0 8 6 4 0 0 1 0 1 0 1 9 4 7 0 0 5 5 3 6 3 4 0 0 7 3 3 3 4 8 0 0 7 9 9 9 0 4 0 0 0 8 5 4 7 7 1 0 0 0 0 2 1 1 5 4 5 0 1 2 7 1 9 0 0 5 7 0 2 5 0 1 1 4 6 8 2 0 0 7 5 7 1 8 2 0 1 0 6 8 0 3 0 1 2 6 1 5 2 0 2 3 5 6 6 7 o 1 3 6 6 5 9 0 1 0 4 6 3 4 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 0 0 3 0 0 3 0 0 - 5 0 0 5 0 0 0 5 0 0 5 0 0 0 5 0 0 5 0 0 o 0 - 2 0 0 0 2 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 中南大学硕士学位论文第二章相关理论的介绍 ( 2 ) 小风和静风时的扩散参数 t u r n e r 提出听= r t 口的时间指数形式，7 、口在不同稳定度下扩散参数可 选用表2 3 2 町的值。 表2 - 3t u r n e r 扩散参数 扩散参数 大气稳定度 7 口 扩散时间t ( s ) o v o 4 召 c d e f 艿 c d 1 9 2 0 9 1 1 4 2 5 0 1 1 0 1 5 3 8 0 6 8 2 4 0 2 0 6 1 0 0 3 2 0 5 9 1 6 5 0 2 2 8 2 0 5 0 0 4 9 0 6 4 0 0 1 7 2 5 8 0 3 6 0 7 6 3 0 1 9 2 0 2 4 0 4 2 6 4 0 6 0 4 4 6 9 0 5 1 3 0 0 2 3 0 5 2 3 2 7 5 1 4 0 8 4 0 9 8 3 2 1 6 0 8 8 4 7 8 5 0 8 9 0 3 3 9 0 8 9 6 3 5 4 0 8 8 6 7 0 6 0 8 8 5 4 7 4 0 8 7 8 6 9 1 1 6 5 9 3 1 4 1 3 2 7 1 5 5 0 7 4 1 0 11 2 8 1 1 1 0 2 5 6 0 9 1 2 5 1 l 0 8 5 5 7 5 6 0 7 0 1 1 5 4 0 7 7 4 2 2 0 6 3 0 9 2 9 0 4 9 7 4 8 5 0 0 0 0 0 o 0 - 5 0 0 5 0 0 - 2 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 0 0 - 1 0 0 0 10 0 0 3 0 0 0 3 0 0 0 中南大学硕士学位论文 第二章相关理论的介绍 2 1 1 0 确定线源的排放量 机动车的排放源强口3 1 与车流量、车型分类及排放因子有关。 q l = z v f ，e j 3 6 0 0 ， 闰 ( 2 2 2 ) 式中：统一汽车尾气总源强，m g ( m j ) ；e 某类型汽车的综合排放因子， g 【辆k m ) ；v 总车流量，辆肛；f 一某类型汽车流量占总车流量的百分比。 ( 1 ) 车流量 车流量数据来自惠州市环境监测站在城市环境综合整治定量考核工作中进 行的城市交通干线噪声监测资料。 ( 2 ) 车型分类 惠州市主干道机动车构成状况见表2 - 4 口5 l 。 表2 - 4 惠州