高斯擴散模式在瞬間排放空氣污染物模擬中的應用

1、高斯擴散模式在瞬間排放空氣污染物模擬中的應用摘要：在文章中提出應用高斯模式模擬和預測在瞬間排放狀況下空氣污染等級，用FORTRAN語言編寫的高斯模式程序還可應用于區(qū)域污染影響評價中，模式不僅可以從GIS中輸入數(shù)據(jù)而且還可以應用GIS格式輸出結(jié)果。關(guān)鍵詞：高斯模式 空氣污染 地理信息系統(tǒng) 瞬時污染源 濃度場瞬間排放是指工業(yè)企業(yè)或電廠的事故性污染物排放，如貯油罐或輸油管道發(fā)生事故等。排放的污染物污染了空氣、土壤、地面及地下水，影響植被和影響環(huán)境。模擬瞬間空氣污染要求得到污染區(qū)域面積、污染濃度和等級、污染預測等。本文提出用高斯模式的解析解來模擬和預測瞬間排放空氣污染狀況?；跓熡饠U散上的解析公式求解

2、的高斯模式非常廣泛的應用于評價區(qū)域污染狀況。高斯數(shù)學模式作為一個污染物擴散的基礎模式被國際原子能機構(gòu)廣泛推廣。從瞬間點源污染源排放的污染物，其轉(zhuǎn)換和擴散可以用以下的擴散方程來表示：+div(CV)=(KC)+Ri +Q(t t0)(x x0)(y y0)(z z0) (1)式中：C(x, y, z, t)為污染物濃度 V為風速 K為擴散系數(shù) R為污染物光化學轉(zhuǎn)化率 Q為污染物排放量 x0, y0, z0為污染源相對坐標在一定的風速和擴散系數(shù)條件下，公式（1）有其高斯擴散模式的解析解。因此，污染物濃度值C由點源污染源的高度H決定。H在高斯擴散模式中由下述公式計算：C（x,y,z,t）= (2)式

3、中：t為時間 Q為排放量 u，v，w為風速分別在x，y，z方向的分量 x, y, z分別在x，y，z方向的擴散系數(shù) h為點源高度 H為混合層高度高斯模式中，假設X軸與風向方向一致，Z軸鉛直向上，V=W=0。公式（2）可以轉(zhuǎn)化為以下形式。C（x,y,z,t）= (3)從公式(3)我們可以看出，每一個煙團需要用不同的坐標系進行計算，當我們計算多源的污染濃度時，我們需要用到幾個坐標系，這樣計算起來很復雜。因此，公式（3）必須做相應的轉(zhuǎn)化到同一個坐標系中。我們建立一個相對的坐標系，I表示原點，坐標軸為和（見1）。并以I為原點建立第二個坐標系，LX表示X軸，其方向與風向一致，LX與OX的夾角為。這樣我們

4、可以將XIY坐標系轉(zhuǎn)換為XOY坐標系，從而得到圖中M點的坐標。 M y Y X O x 圖1：坐標軸的轉(zhuǎn)換X = x cos + y sin = (x ) cos + (y ) sin ,Y = x sin + y cos = (x ) sin + (y ) cos 我們僅對Y坐標軸進行考慮，等于360 ，我們得到最終的公式：Y = (x ) sin + (y ) cos (4)我們將（4）式中的sin和cos用風速u和v替換后，得到點源在特定坐標系中的污染物濃度計算公式：C（x,y,z,t）= (5)式中：t表示時間 Q表示源強 u, v表示風速 x, y, z表示表示X，Y，Z方向的擴散參

5、數(shù) H表示混合層高度 x0, y0, z0表示坐標系原點 h有效煙囪高度（如，煙氣抬升后的高度）在高斯模式中，y和z是重要的參數(shù)，可以用帕斯奎爾-吉福德擴散參數(shù)曲線來確定，也可將P-G擴散曲線用近似冪函數(shù)式表示，這樣方便用電子計算機計算大氣污染濃度分布。該冪函數(shù)的確定與大氣穩(wěn)定度的劃分有關(guān)。在高斯模式中，城市和開闊平原的布里吉斯擴散參數(shù)以煙云的寬度和高度來表示橫風向和垂直向的擴散，y 和z的計算方法見表1。大氣穩(wěn)定度的劃分方法見表2。表1 布里吉斯擴散參數(shù)穩(wěn)定度x, y (m)z (m)開闊平原A0.22x(1 + 0.0001x)1/20.2xB0.16x(1 + 0.0001x)1/20.

6、12xC0.11x(1 + 0.0001x)1/20.08x(1 + 0.0002x)1/2D0.08x(1 + 0.0001x)1/20.06x(1 + 0.0015x)1/2E0.06x(1 + 0.0001x)1/20.03x(1 + 0.0003x)1F0.04x(1 + 0.0001x)1/20.016x(1 + 0.0003x)1城市A-B0.32x(1 + 0.0004x)1/20.24x(1 + 0.001x)C0.22x(1 + 0.0004x)1/20.2xD0.16x(1 + 0.0004x)1/20.14x(1 + 0.0003x)1/2E-F0.11x(1 + 0.0

7、004x)1/20.08x(1 + 0.0015x)1/2表中X為計算點在X方向軸上的距離。表2 帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度劃分10米高度上的風速日間，太陽輻射強度夜間，云量強中等弱有云無云6CDDDD煙氣抬升高度的計算理論已經(jīng)非常廣泛，通過直觀的觀測和理論研究，可以得到。煙氣的抬升首先是由煙氣的初始動量和浮力及環(huán)境空氣的湍流引起，在中性和不穩(wěn)定的穩(wěn)定度下它能引起煙氣有很高的抬升高度，煙氣的抬升相當于加高了煙囪的高度，這個高度也叫做有效煙囪高度。有三個參數(shù)決定氣體從污染源的排放狀況，它們分別是：煙囪的物理結(jié)構(gòu)（如出口直徑）、煙氣排放狀況以及污染物的化學性質(zhì)?，F(xiàn)在研究出很多計算煙氣有效高度的公式。在穩(wěn)定

8、空氣環(huán)境中計算煙氣抬升高度現(xiàn)在使用得較廣泛的是布里吉斯公式煙氣抬升公式。 （6）式中：h表示煙氣抬升高度 h表示煙囪高度 表示煙囪出口處風速 F表示浮力通量 S表示混合層參數(shù)F按下式計算： （7）式中：g表示重力加速度 Ts表示排放溫度Ta表示環(huán)境溫度Vs表示煙氣速度ds表示煙囪直徑模型ASC文件GRIDGIS濃度分布圖濃度貢獻圖2 GIS與模型之間的相互作用混合層參數(shù)是由大氣溫度層結(jié)a所決定：在中性或不穩(wěn)定狀況下，煙氣抬升高度可以近似用以下公式進行計算。 （8）式中F與u與公式（6）的含義相同。由于布里吉斯使用了有關(guān)排放源的可獲得的數(shù)據(jù)資料，因此布里吉斯公式相對于其它公式而言更為適用。用FO

9、RTRAN編寫的擴散模型程序已達到很高的水平了，程序包括以下方面：SIGY和SIGZ-輸入標準值WIND-輸入污染物排放時的風向及風速RBD1-輸入污染物的特性及排放特征，即：污染源位置、源強、和煙囪直徑等。G2-濃度計算程序有關(guān)的模型和GIS有很多種，在本文中，我們使用的是應用較多和最簡單的一種。在此，模型和GIS系統(tǒng)是二個獨立的系統(tǒng)，用計算機文件將它們聯(lián)系起來。因此，模型從GIS系統(tǒng)的文件中讀取輸入的數(shù)據(jù)（如污染源數(shù)據(jù)），并且也以GIS能夠接受的格式作為輸出結(jié)論。（見圖2）。GIS系統(tǒng)有繪圖和注釋的功能，其繪圖的功能是用各種數(shù)據(jù)庫來體現(xiàn)圖層。也就是一個整體的圖層分為各種形式的專題圖層，例如街道、高速公路、綠化、水面等等。每一個圖層都由一個或多個包含種各種信息的專題圖層所組成：如鐵路、道路、河流、湖庫、公園、污染源等等。注釋數(shù)據(jù)表是由*.VAT，*.PAT，*.AAT的文件確定的，這些表包括了圖層的不同方面（如點、線、面），其