高斯擴(kuò)散模式在瞬間排放空氣污染物模擬中的應(yīng)用

1、高斯擴(kuò)散模式在瞬間排放空氣污染物模擬中的應(yīng)用摘要：在文章中提出應(yīng)用高斯模式模擬和預(yù)測(cè)在瞬間排放狀況下空氣污染等級(jí)，用FORTRAN語言編寫的高斯模式程序還可應(yīng)用于區(qū)域污染影響評(píng)價(jià)中，模式不僅可以從GIS中輸入數(shù)據(jù)而且還可以應(yīng)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(shí)污染源 濃度場(chǎng)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(jí)、污染預(yù)測(cè)等。本文提出用高斯模式的解析解來模擬和預(yù)測(cè)瞬間排放空氣污染狀況?；跓熡饠U(kuò)散上的解析公式求解

2、的高斯模式非常廣泛的應(yīng)用于評(píng)價(jià)區(qū)域污染狀況。高斯數(shù)學(xué)模式作為一個(gè)污染物擴(kuò)散的基礎(chǔ)模式被國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)廣泛推廣。從瞬間點(diǎn)源污染源排放的污染物，其轉(zhuǎn)換和擴(kuò)散可以用以下的擴(kuò)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(fēng)速 K為擴(kuò)散系數(shù) R為污染物光化學(xué)轉(zhuǎn)化率 Q為污染物排放量 x0, y0, z0為污染源相對(duì)坐標(biāo)在一定的風(fēng)速和擴(kuò)散系數(shù)條件下，公式（1）有其高斯擴(kuò)散模式的解析解。因此，污染物濃度值C由點(diǎn)源污染源的高度H決定。H在高斯擴(kuò)散模式中由下述公式計(jì)算：C（x,y,z,t）= (2)式

3、中：t為時(shí)間 Q為排放量 u，v，w為風(fēng)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(kuò)散系數(shù) h為點(diǎn)源高度 H為混合層高度高斯模式中，假設(shè)X軸與風(fēng)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(gè)煙團(tuán)需要用不同的坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)我們計(jì)算多源的污染濃度時(shí)，我們需要用到幾個(gè)坐標(biāo)系，這樣計(jì)算起來很復(fù)雜。因此，公式（3）必須做相應(yīng)的轉(zhuǎn)化到同一個(gè)坐標(biāo)系中。我們建立一個(gè)相對(duì)的坐標(biāo)系，I表示原點(diǎn)，坐標(biāo)軸為和（見1）。并以I為原點(diǎn)建立第二個(gè)坐標(biāo)系，LX表示X軸，其方向與風(fēng)向一致，LX與OX的夾角為。這樣我們

4、可以將XIY坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為XOY坐標(biāo)系，從而得到圖中M點(diǎn)的坐標(biāo)。 M y Y X O x 圖1：坐標(biāo)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(duì)Y坐標(biāo)軸進(jìn)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(fēng)速u和v替換后，得到點(diǎn)源在特定坐標(biāo)系中的污染物濃度計(jì)算公式：C（x,y,z,t）= (5)式中：t表示時(shí)間 Q表示源強(qiáng) u, v表示風(fēng)速 x, y, z表示表示X，Y，Z方向的擴(kuò)散參

5、數(shù) H表示混合層高度 x0, y0, z0表示坐標(biāo)系原點(diǎn) 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(kuò)散參數(shù)曲線來確定，也可將P-G擴(kuò)散曲線用近似冪函數(shù)式表示，這樣方便用電子計(jì)算機(jī)計(jì)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(kuò)散參數(shù)以煙云的寬度和高度來表示橫風(fēng)向和垂直向的擴(kuò)散，y 和z的計(jì)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(kuò)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(jì)算點(diǎn)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(fēng)速日間，太陽輻射強(qiáng)度夜間，云量強(qiáng)中等弱有云無云6CDDDD煙氣抬升高度的計(jì)算理論已經(jīng)非常廣泛，通過直觀的觀測(cè)和理論研究，可以得到。煙氣的抬升首先是由煙氣的初始動(dòng)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(dāng)于加高了煙囪的高度，這個(gè)高度也叫做有效煙囪高度。有三個(gè)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(xué)性質(zhì)?，F(xiàn)在研究出很多計(jì)算煙氣有效高度的公式。在穩(wěn)定

8、空氣環(huán)境中計(jì)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(fēng)速 F表示浮力通量 S表示混合層參數(shù)F按下式計(jì)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(xiàn)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(jìn)行計(jì)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(duì)于其它公式而言更為適用。用FO

9、RTRAN編寫的擴(kuò)散模型程序已達(dá)到很高的水平了，程序包括以下方面：SIGY和SIGZ-輸入標(biāo)準(zhǔn)值WIND-輸入污染物排放時(shí)的風(fēng)向及風(fēng)速RBD1-輸入污染物的特性及排放特征，即：污染源位置、源強(qiáng)、和煙囪直徑等。G2-濃度計(jì)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(yīng)用較多和最簡(jiǎn)單的一種。在此，模型和GIS系統(tǒng)是二個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)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(kù)來體現(xiàn)圖層。也就是一個(gè)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(gè)圖層都由一個(gè)或多個(gè)包含種各種信息的專題圖層所組成：如鐵路、道路、河流、湖庫(kù)、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(diǎn)、線、面），其