论文部分内容阅读
摘要:利用中尺度气象模式AERMOD,结合实际工程案例，通过资料分析与模拟计算,研究了伊犁冬季NO2随地形复杂程度不同的扩散特点，同时通过对国内外关于复杂地形对大气污染物扩散的研究分析，对复杂地形上大气污染物扩散以及湍流风场的研究分别作了介绍,同时列出了求解湍流风场和污染物扩散的基本方程组,为解决此类问题提供参考。
关键词:复杂地形;污染物扩散;NO2;扩散特征，方程式。
中图分类号: 文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
Abstract：Utilizing meso - scale meteorological model AERMOD，and cases of actual project.Through data analyzing and model simulation,research on NO2 during diffusion characteristics with the complexity of the different terrain about winter of Yili city . At the same time,buy the study of the complex terrain of research and analysis of atmospheric pollutant dispersion at home and abroad, for diffusion of atmospheric pollutants about complex terrain and study of turbulent wind field were all introduced in this papers.At last,lists the equations for solving the turbulent wind field and pollutant dispersion.
Key words :Complex terrain;Pollutant dispersion;NO2;Diffusion feature;Equations.
1 前言
复杂地形上的大气扩散规律是空气污染气象学研究中的重要课题。我国是个多山国家，发展工业、能源和交通都必然涉及到复杂地形上的大气环境问题。由于新疆地域宽广，地形复杂多样，大多数地区属于山区或丘陵地带，这便给处于该地区的火电厂环评大气的预测增加了难度。根据《环境影响评价技术导则·大气环境》(HJ2.2-2008)中相关规定，此类地区属导则中描述的复杂地形。复杂地形情况下，对污染物扩散的影响程度与地形地物的形状、高低、体积等有密切的关系。如山脉、河流、沟谷的走向对主导风向有较大的影响，气流将沿山脉、河谷流动；山脉的阻滞作用对风速也有很大影响，尤其是在封闭的山谷盆地，因四周群山屏障的影响，往往是静风、小风频率占很大比例，不利于大气污染物的扩散；城市中的高层建筑物、体形大的建筑物和构筑物都能造成气流在小范围内产生涡流，阻碍污染物质迅速扩散，而停滞在某一地段，加重污染。一般规律是建筑物背风区风速迅速下降，污染物浓度增高。由于复杂地形影响了空气流场的分布，使得大气污染物分布有别于平原地形，常会导致同一地形的不同部位或同一部位的不同时间出现异常的高浓度，但形成这种异常高浓度的原因、机理各不相同，一般主要有以下几种情况：
①山体反射。由于山体地势较高，使得污染源排放的污染物被山体阻挡，形成反射，造成局部地区高浓度。②烟流撞山。在山区等复杂地形中，由于四周高耸的地形，使得污
染源排放有效高度完全或部分损失，从而迎风坡出现高浓度。③烟气下洗。在山体背风坡，由于地形波和强烈的垂直扰动，使得过山的污染物迅速下泄，形成烟气下洗，造成地面高浓度。④冷泄流。由于夜间山体冷却较快，夜间冷空气沿山体下滑，将污染物向山谷中汇集，造成局部高浓度。⑤熏烟。山谷等复杂地形容易形成局部熏烟，使地面浓度超高。⑥静稳条件。由于地形阻挡，复杂地形容易出现静风区，使污染物累积而形成高浓度[1]。
本文利用某工程实例，分析复杂地形下污染物扩散特点，并结合国内外对复杂地形条件下污染物扩散的研究进展，提出求解湍流风场和污染物扩散的基本方程组,为解决此类问题提供参考。
2 实例工程预测结果与分析
1)项目概况
本文所举实例工程为国投伊犁热电(2×330级)工程，该工程位于新疆伊宁县西北侧约11km(直线距离)，烟囱高度为240m，烟囱基底海拔高度为854m，在厂址右侧4km处山区的海拔高度为1223m，山区的海拔高度超过烟囱高度，根据《环境影响评价技术导则·大气环境》(HJ2.2-2008)中对复杂地形的界定，本工程所在区域为复杂地形。
2)预测结果与分析
预测结果选取占标率最大的污染因子NO2为例。分别预测不同地形条件(简单地形、复杂地形),不同污染源高度(210m、240m)组合条件下的NO2最大落地小时、日均浓度值变化情况。得出以下结论：
①复杂地形条件下，NO2小时落地浓度值随着烟源高度的降低而减小，210m烟囱高度条件下的最大小时落地浓度值比240m条件下的最大小时落地浓度值减小约12.4%；NO2日均落地浓度随着烟源高度的降低而增大。
②简单地形条件下，NO2小时落地浓度值随着烟源高度的降低而增大，210m烟囱高度条件下的最大小时落地浓度值比240m条件下的最大小时落地浓度值增大约22.2%；NO2日均落地浓度随着烟源高度的降低而增大。
③简单地形条件下NO2最大小时浓度值前十位均满足《环境空气质量标准》中二级标准要求，其最大值约为复杂地形条件下的10%，最大日均浓度约为复杂地形条件下的26.3%。由此可见，在源强、气象参数等预测参数不变的情况下，简单地形条件下更有利于污染物的扩散。
将工程所在区域地形图与网格点处NO2最大小时浓度等值线图进行对照分析可得出，复杂地形条件下，污染物的扩散主要沿着山谷走势而变化，污染物在遇到高山阻挡时，沿着山壁扩散至山谷深处 ，同时浓度等值线分布图在受障碍物影响的区域呈现出弯曲扩散的趋势；而在平原处因没有障碍物的阻挡，浓度等值线分布图呈圆弧线均匀扩散。
3 复杂地形上湍流风场的研究历史
污染物在大气中扩散的状态往往受局部风场和大气稳定度的影响很大,特别是湍流风场的变化。因此,在进行复杂地形上污染物扩散问题的研究的同时,通常对扩散区域的湍流风场进行分析、模拟。大多数的早期研究将研究范围限制在了简单地形和中性分层大气的前提下,90年代以来,在对复杂地形上的风场进行数值模拟时,开始采用地形追随坐标系统和包含双方程湍流模型的高阶闭合模式。为了得到好的模拟效果,提出了多种湍流模型，其中,双方程湍流模型应用最广,尤其适用于边界流动；雷诺应力模型,也称为二阶闭合模式,适用于所有的雷诺应力输运方程,但是其公式非常复杂,求解十分困难[2]；代数应力模型是雷诺应力模型的简化形式,在计算旋转流动中有一定的优势；此外,用于非定常流动的大涡模拟,也逐渐地应用到具有实际工程意义的研究中。在计算二维和三维地形上风场时,双方程湍流模型、代数应力模型和混合长湍流闭合模型都得到了应用。
总的来说,理论研究的应用范围较小；试验方法由于前面所述的原因困难重重；数值方法虽在一定程度上推动了该课题的研究,但仅仅依靠数值方法也无法准确地解决实际问题。因此,在实际的应用中,往往是理论研究、试验方法和数值方法结合起来使用,以弥补各自的不足。
4 复杂地形大气污染物扩散研究
美国环保署(EPA)提供了许多大气污染物扩散的数值模型,这些模型大多以高斯烟羽模型为基础。高斯烟羽模型以统计理论为基础,并依赖于经验公式,这使得其应用范围被限制在了平坦地形上的污染物扩散研究。考虑复杂地形对大气污染物扩散影响的重要性，以及在实际工作中应用几率的增高，各界研究者通过多方面的实验与实践得出，要对复杂地形上大气污染物扩散进行可靠的预测,应该采用以流体力学原理中污染物输送、扩散理论为基础的数值模型。对于单一泄放源、无浮力的污染物,描述其扩散过程的基本方程如下:
[3]
式中u、c表示平均风速和平均浓度, 而u、c表示脉动风速和脉动浓度。通过引入δ函数,源函数可由来表示,其中Q(t)是源的泄放速率,xs表示泄放源的位置。
若湍流子模型采用梯度输送理论,即认为污染物的输送通量与平均浓度梯度成正比: ，那么,污染物扩散的基本方程就变为如下形式:
其中,K为湍流扩散系数。上式表示的是基本方程的一维形式,可将其扩展为三维形式[4,5]:
这样,在已知网格点上湍流风场状态(可由前面所述的大气动力-热力学方程组求解出)的基础上,由上式建立的数值模型,就可以计算出大气污染物浓度的空间分布和时间演变。
5 结束语
在对复杂地形上大气污染物扩散的研究中,数值方法以其迅速、可靠、资金投入少等
诸多优点,已成为研究该课题的一个强有力的工具。但是,在进行数值研究的同时不能离开
试验的协助、验证。另外,在进行数值模拟时,应在预测湍流风场的基础上,进行大气污染物扩散的模拟,不能忽视由地形引起的湍流风场的变化对污染物浓度分布的影响。
参考文献
1 Walmsley JL,Taylor PA.Boundary-layer flowovert opography:impacts of the ask ervein study.Boundary-Layer Meteorol,1996(78):291～320
2 桑建国,温市耕.大气扩散的数值计算.北京:气象出版社,1992.
3 龙学著,余金香,陈长和.复杂地形上大气扩散的三维数值模拟[A].陈长和,黄建国,程麟生,等.复杂地形上大气边界层和大气扩散的研究[C].北京:气象出版社,1993,129-137.
4 彭定一,林少宁.大气污染及其控制.北京:中国环境科学出版社,1991.
5 程麟生.适用于复杂地形和边界层过程的中尺度数值模式和模拟[A].陈长和,黄建国,程麟生,等.复杂地形上大气边界层和大气扩散的研究[C].北京:气象出版社,1993.83-97.
关键词:复杂地形;污染物扩散;NO2;扩散特征，方程式。
中图分类号: 文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
Abstract：Utilizing meso - scale meteorological model AERMOD，and cases of actual project.Through data analyzing and model simulation,research on NO2 during diffusion characteristics with the complexity of the different terrain about winter of Yili city . At the same time,buy the study of the complex terrain of research and analysis of atmospheric pollutant dispersion at home and abroad, for diffusion of atmospheric pollutants about complex terrain and study of turbulent wind field were all introduced in this papers.At last,lists the equations for solving the turbulent wind field and pollutant dispersion.
Key words :Complex terrain;Pollutant dispersion;NO2;Diffusion feature;Equations.
1 前言
复杂地形上的大气扩散规律是空气污染气象学研究中的重要课题。我国是个多山国家，发展工业、能源和交通都必然涉及到复杂地形上的大气环境问题。由于新疆地域宽广，地形复杂多样，大多数地区属于山区或丘陵地带，这便给处于该地区的火电厂环评大气的预测增加了难度。根据《环境影响评价技术导则·大气环境》(HJ2.2-2008)中相关规定，此类地区属导则中描述的复杂地形。复杂地形情况下，对污染物扩散的影响程度与地形地物的形状、高低、体积等有密切的关系。如山脉、河流、沟谷的走向对主导风向有较大的影响，气流将沿山脉、河谷流动；山脉的阻滞作用对风速也有很大影响，尤其是在封闭的山谷盆地，因四周群山屏障的影响，往往是静风、小风频率占很大比例，不利于大气污染物的扩散；城市中的高层建筑物、体形大的建筑物和构筑物都能造成气流在小范围内产生涡流，阻碍污染物质迅速扩散，而停滞在某一地段，加重污染。一般规律是建筑物背风区风速迅速下降，污染物浓度增高。由于复杂地形影响了空气流场的分布，使得大气污染物分布有别于平原地形，常会导致同一地形的不同部位或同一部位的不同时间出现异常的高浓度，但形成这种异常高浓度的原因、机理各不相同，一般主要有以下几种情况：
①山体反射。由于山体地势较高，使得污染源排放的污染物被山体阻挡，形成反射，造成局部地区高浓度。②烟流撞山。在山区等复杂地形中，由于四周高耸的地形，使得污
染源排放有效高度完全或部分损失，从而迎风坡出现高浓度。③烟气下洗。在山体背风坡，由于地形波和强烈的垂直扰动，使得过山的污染物迅速下泄，形成烟气下洗，造成地面高浓度。④冷泄流。由于夜间山体冷却较快，夜间冷空气沿山体下滑，将污染物向山谷中汇集，造成局部高浓度。⑤熏烟。山谷等复杂地形容易形成局部熏烟，使地面浓度超高。⑥静稳条件。由于地形阻挡，复杂地形容易出现静风区，使污染物累积而形成高浓度[1]。
本文利用某工程实例，分析复杂地形下污染物扩散特点，并结合国内外对复杂地形条件下污染物扩散的研究进展，提出求解湍流风场和污染物扩散的基本方程组,为解决此类问题提供参考。
2 实例工程预测结果与分析
1)项目概况
本文所举实例工程为国投伊犁热电(2×330级)工程，该工程位于新疆伊宁县西北侧约11km(直线距离)，烟囱高度为240m，烟囱基底海拔高度为854m，在厂址右侧4km处山区的海拔高度为1223m，山区的海拔高度超过烟囱高度，根据《环境影响评价技术导则·大气环境》(HJ2.2-2008)中对复杂地形的界定，本工程所在区域为复杂地形。
2)预测结果与分析
预测结果选取占标率最大的污染因子NO2为例。分别预测不同地形条件(简单地形、复杂地形),不同污染源高度(210m、240m)组合条件下的NO2最大落地小时、日均浓度值变化情况。得出以下结论：
①复杂地形条件下，NO2小时落地浓度值随着烟源高度的降低而减小，210m烟囱高度条件下的最大小时落地浓度值比240m条件下的最大小时落地浓度值减小约12.4%；NO2日均落地浓度随着烟源高度的降低而增大。
②简单地形条件下，NO2小时落地浓度值随着烟源高度的降低而增大，210m烟囱高度条件下的最大小时落地浓度值比240m条件下的最大小时落地浓度值增大约22.2%；NO2日均落地浓度随着烟源高度的降低而增大。
③简单地形条件下NO2最大小时浓度值前十位均满足《环境空气质量标准》中二级标准要求，其最大值约为复杂地形条件下的10%，最大日均浓度约为复杂地形条件下的26.3%。由此可见，在源强、气象参数等预测参数不变的情况下，简单地形条件下更有利于污染物的扩散。
将工程所在区域地形图与网格点处NO2最大小时浓度等值线图进行对照分析可得出，复杂地形条件下，污染物的扩散主要沿着山谷走势而变化，污染物在遇到高山阻挡时，沿着山壁扩散至山谷深处 ，同时浓度等值线分布图在受障碍物影响的区域呈现出弯曲扩散的趋势；而在平原处因没有障碍物的阻挡，浓度等值线分布图呈圆弧线均匀扩散。
3 复杂地形上湍流风场的研究历史
污染物在大气中扩散的状态往往受局部风场和大气稳定度的影响很大,特别是湍流风场的变化。因此,在进行复杂地形上污染物扩散问题的研究的同时,通常对扩散区域的湍流风场进行分析、模拟。大多数的早期研究将研究范围限制在了简单地形和中性分层大气的前提下,90年代以来,在对复杂地形上的风场进行数值模拟时,开始采用地形追随坐标系统和包含双方程湍流模型的高阶闭合模式。为了得到好的模拟效果,提出了多种湍流模型，其中,双方程湍流模型应用最广,尤其适用于边界流动；雷诺应力模型,也称为二阶闭合模式,适用于所有的雷诺应力输运方程,但是其公式非常复杂,求解十分困难[2]；代数应力模型是雷诺应力模型的简化形式,在计算旋转流动中有一定的优势；此外,用于非定常流动的大涡模拟,也逐渐地应用到具有实际工程意义的研究中。在计算二维和三维地形上风场时,双方程湍流模型、代数应力模型和混合长湍流闭合模型都得到了应用。
总的来说,理论研究的应用范围较小；试验方法由于前面所述的原因困难重重；数值方法虽在一定程度上推动了该课题的研究,但仅仅依靠数值方法也无法准确地解决实际问题。因此,在实际的应用中,往往是理论研究、试验方法和数值方法结合起来使用,以弥补各自的不足。
4 复杂地形大气污染物扩散研究
美国环保署(EPA)提供了许多大气污染物扩散的数值模型,这些模型大多以高斯烟羽模型为基础。高斯烟羽模型以统计理论为基础,并依赖于经验公式,这使得其应用范围被限制在了平坦地形上的污染物扩散研究。考虑复杂地形对大气污染物扩散影响的重要性，以及在实际工作中应用几率的增高，各界研究者通过多方面的实验与实践得出，要对复杂地形上大气污染物扩散进行可靠的预测,应该采用以流体力学原理中污染物输送、扩散理论为基础的数值模型。对于单一泄放源、无浮力的污染物,描述其扩散过程的基本方程如下:
[3]
式中u、c表示平均风速和平均浓度, 而u、c表示脉动风速和脉动浓度。通过引入δ函数,源函数可由来表示,其中Q(t)是源的泄放速率,xs表示泄放源的位置。
若湍流子模型采用梯度输送理论,即认为污染物的输送通量与平均浓度梯度成正比: ，那么,污染物扩散的基本方程就变为如下形式:
其中,K为湍流扩散系数。上式表示的是基本方程的一维形式,可将其扩展为三维形式[4,5]:
这样,在已知网格点上湍流风场状态(可由前面所述的大气动力-热力学方程组求解出)的基础上,由上式建立的数值模型,就可以计算出大气污染物浓度的空间分布和时间演变。
5 结束语
在对复杂地形上大气污染物扩散的研究中,数值方法以其迅速、可靠、资金投入少等
诸多优点,已成为研究该课题的一个强有力的工具。但是,在进行数值研究的同时不能离开
试验的协助、验证。另外,在进行数值模拟时,应在预测湍流风场的基础上,进行大气污染物扩散的模拟,不能忽视由地形引起的湍流风场的变化对污染物浓度分布的影响。
参考文献
1 Walmsley JL,Taylor PA.Boundary-layer flowovert opography:impacts of the ask ervein study.Boundary-Layer Meteorol,1996(78):291～320
2 桑建国,温市耕.大气扩散的数值计算.北京:气象出版社,1992.
3 龙学著,余金香,陈长和.复杂地形上大气扩散的三维数值模拟[A].陈长和,黄建国,程麟生,等.复杂地形上大气边界层和大气扩散的研究[C].北京:气象出版社,1993,129-137.
4 彭定一,林少宁.大气污染及其控制.北京:中国环境科学出版社,1991.
5 程麟生.适用于复杂地形和边界层过程的中尺度数值模式和模拟[A].陈长和,黄建国,程麟生,等.复杂地形上大气边界层和大气扩散的研究[C].北京:气象出版社,1993.83-97.