大气环境容量计算模型

1附件二：大气环境容量测算模型简介说明：本部分内容是“重点城市大气环境容量核定工作方案”中提到的各推荐模型的简介，主要目的是为了使各城市了解各模型的功能和基本原理，同时，了解如选用该模型，都需要准备哪些输入数据，以便各城市根据本市的实际情况，提前准备。第一部分大气扩散烟团轨迹模型1大气扩散烟团轨迹模型简介该模型由国家环境保护总局环境规划院开发。烟团扩散模型的特点是能够对污染源排放出的“烟团”在随时间、空间变化的非均匀性流场中的运动进行模拟，同时保持了高斯模型结构简单、易于计算的特点，模型包括以下几个主要部分。1.1三维风场的计算首先利用风场调整模型，得到各预测时刻的风场，由于烟团模型中释放烟团的时间步长比观测间隔要小得多，为了给出每个时间步长的三维风场，我们采用线性插值的方法，利用前后两次的观测风场内插出其间隔时间内各个时间步长上的三维风场，内插公式如下：tttnnitVtVtVVi12121)()()(2式中：V(t1)、V(t2)—分别为第1和第2个观测时刻的风场值；t—烟团释放时间步长；n—为t1、t2间隔内的时间步长数目；Vi—表示t1、t2间隔内第i个时间步长上的风场值。1.2烟团轨迹的计算位于源点的某污染源，在t0时刻释放出第1个烟团，此烟团按t0时刻源点处的风向风速运行，经一个时间步长t后在t1时刻到达P11，经过的距离为D11，从t1开始，第一个烟团按P11处t1时刻的风向风速走一个时间步长，在t2时刻到达P12，其间经过距离D12，与此同时，在t1时刻从源点释放出第2个烟团，按源点处t1时刻的风向风速运行，在t2时刻到达P22，其经过的距离为D22，以此类推，从t0时刻经过j个t，到tj时刻共释放出了j个烟团，这时，这j个烟团的中心分别位于Pij，i=1，2，…j，设源的坐标为（Xs，Ys，Zs(t)），Zs(t)为t时刻烟团的有效抬升高度，Pij的坐标为（Xij，Yij，Zij），u、v分别为风速在X、Y方向的分量，则有如下计算公式：t1时刻：211211111001100110011)()()](,,,[)](,,,[)](,,,[ssssssssssssssYYXXDDttZYXtWZZttZYXtVYYttZYXtUXXt2时刻：2222222222112211221122211122111211121121111111111121111111111211111111112)()()](,,,[)](,,,[)](,,,[)()(],,,[],,,[],,,[ssssssssssssssYYXXDDttZYXtWZZttZYXtVYYttZYXtUXXYYXXDDDDtZYXtWZZtZYXtVYYtZYXtUXX3以此类推，到tj时刻，共释放出j个烟团，这些烟团最后的中心位置分别在Pij，Xij，Yij，Zij，i=1，2，…j，对于第i个烟团有：2)1(2)1(11)1()1()1(1)1()1()1()1(1)1()1()1()1(1)1()()(],,,[],,,[],,,[jiijjiijjijkikjijijijijjiijjijijijjiijjijijijjiijYYXXDDDtZYXtWZZtZYXtVYYtZYXtUXXjiD为i个烟团从源点释放后到tj时刻所经过的距离。1.3浓度公式由前一个小节的计算，已找到由S点(Xs，Ys)的污染源释放出来的所有烟团在第j个时刻所处的位置，这样S处的污染源在第j个时刻在地面某接受点R(X、Y、0)处造成的浓度就是所有i个烟团的浓度贡献之和。考虑中心位于Pij的烟团对R点的浓度贡献，则有：222222322)(2)(2)()2(zddbyijYxijXdbZYXzyxsitjVEXPCtjbEXPCYYEXPCXXEXPCCCCCCQC式中：Qs—源强，mg/s；zyx、、：—X方向、Y方向、Z方向的大气扩散参数，m；Cx、Cy、Cz：—X、Y、Z方向扩散项，Cz在后面给出算式；Cb为污染物转化项，b为转化率，1/s；Cd为污染物沉降项，Vd为沉降速率，m/s。由于考虑到烟团对混合层的穿透作用及混合层对烟团的反射作用，垂直扩散4项分以下几种情况讨论：当混合层高为零时（即无混合层时）有：22222)(2)(zijzijzZZEXPZZEXPC计算地面浓度时，Z=0，则有：)2(22zijzZEXPC当混合层高度Zi不为零时，垂直扩散项分以下几种情况计算。设排放源几何高度为hs，混合层高度为Zi，令hs-ZZi'i，设烟气抬升高为h（烟气抬升高度用“国标HJ/T2.2-93”推荐的模式计算），我们可定义烟气穿透率：hZpi'5.1，按不同的P值，分别计算Cz。当P=0，即'32iZh时，认为污染物全在混合层内，按封闭性扩散式计算，即污染物在混合层与地面间多次反射。NNnziijznZZEXPC]2)2([22式中：N－为反射次数，一般取为N=4即可。当P＞1时，即'2iZh时，认为污染物完全穿透混合层，并在混合层以上的稳定层中扩散，由混合层的阻挡而不能到达地面，这时令Cz=0。当0P1，即''232iiZhZ时认为是部分穿透情形，这时有部分污染物抬升到混合层以上，而（1-P）部分被封闭在混合层以内，Cz按下式计算：21zzzCCC许多文献认为穿透到混合层以上的污染物被阻挡后不能向地面扩散，当地区大气层结处于中性偏稳定结构时，混合层对污染物的阻挡作用并不是很强，这时可设计成让这部分烟团在)(hhsZZijij高度上向下扩散，则有：5)2(221zijzZEXPPC而（1-P）部分的烟团在Zi处按封闭扩散：]2)2([)1(222NNnziijznZZEXPPC1.4大气扩散参数1.4.1有风时扩散参数σy、σz的确定（0.5h取样时间）(1)平原地区农村及城市远郊区的扩散参数选取方法如下：A、B、C级稳定度直接由表1.4-1和表1.4-2查算，D、E、F级稳定度则需向不稳定方向提半级后由表1.4-1和表1.4-2查算。(2)工业区或城区中的点源，其扩散参数选取方法如下：A、B级不提级，C级提到B级，D、E、F级向不稳定方向提一级，再按表1.4-1和表1.4-2查算。表1.4-1横向扩散参数幂函数表达式数据扩散参数稳定度等级（P·S）α11下风距离，mA0.9010740.8509340.4258090.6020520~10001000B0.9143700.8650140.2818460.3963530~10001000B~C0.9193250.8750860.2295000.3142380~10001000C0.9242790.8851570.1771540.2321230~1000100011XyC~D0.9268490.8869400.1439400.1893960~10001000D0.9294810.8887230.1107260.1466690~10001000D~E0.9251180.8927940.09856310.1243080~10001000E0.9208180.8968640.0860010.1243080~10001000F0.9294810.8887230.05536340.0733480~100010006表1.4-2垂直扩散参数幂函数表达式数据扩散参数稳定度等级(P·S)α22下风距离，mA1.121541.52602.108810.07999040.008547710.0002115450~300300~500500B0.9410151.093560.1271900.05702510~500500B~C0.9410151.007700.1146820.07571820~50050022XzC0.9175950.1068030C~D0.8386280.7564100.8155750.1261520.2356670.1366590~20002000~1000010000D0.8262120.6320230.5553600.1046340.4001670.8107631~10001000~1000010000D~Eo.7768640.5723470.4991490.1046340.4001671.038100~20002000~1000010000E0.7883700.5651880.4147430.09275290.4333841.732410~10001000~1000010000F0.784400.5259690.3226590.06207650.3700152.406910~10001000~1000010000(3)丘陵山区的农村或城市，其扩散参数选取方法同工业区。1.4.2小风和静风（U10＜1.5m/s)时，0.5h取样时间的扩散参数按表1.4-3选取表1.4-3小风和静风扩散参数的系数01、02Tzyx0201,稳定度（P·S）0102U10＜0.5m/s1.5m/s＞U10≥0.5m/sU10＜0.5m/s1.5m/s＞U10≥0.5/sA0.930.760.151.57B0.760.560.470.47C0.550.350.210.21D0.470.270.120.12E0.440.240.070.07F0.440.240.050.0571.5烟气抬升公式1.5.1有风时，中性和不稳定条件的烟气抬升高度△H（m）（1）当烟气热释放率Qh大于或等于是2100KJ/s，且烟气温度与环境温度的差值△T大于或等于35K时，△H采用下式计算：121UHQnHnhnoshTTQPQ35.0TTTs式中：no——烟气热状况及地表系数，见表1.5-1；n1——烟气热释放率指数，见表1.5-1；n2——排气筒高度指数，见表1.5-1；Qh——烟气热释放率，KJ/s；H——排气筒距地面几何高度，m，超过去240m时，取H=240m；Pa——大气压力，hPa；Qv——实际排烟率，m3/s；△T——烟气出口温度与环境温度差，K；Ts——烟气出口温度，K；Ta——环境大气温度，K；U——排气筒出口处平均风速，m/s。表1.5-1no、n1、n2的选取Qh，KJ/s地表状况（平原）non1n2Qh，KJ/s农村或城市远郊区1.4271/32/3城市及近郊区1.3031/32/32100≤Qh＜21000且△T≥35K农村或城市远郊区0.3323/52/5城市及近郊区0.2923/52/5（2）当1700kJ/s＜Qh＜2100KJ/s时，400170021hQUQUQDVhhs/1700048.0/01.05.1218式中：Vs——排气筒出口处烟气排出速度，m/s；D——排气筒出口直径，m；△H2——按（1）方法计算，no、n1、n2按表1.5-1中Qh值较小的一类选取；Qh，U——与（1）中的定义相同。（3）当Qh≤1700kJ/s或者△T＜35K时，UQDVHhs/01.05.121.5.2有风时,稳定条件按下式计算烟气抬升高度△H(m)。3/13/13/10098.0UdZdTQHh1.5.3静风和小风时，按下式计算烟气抬升高度△H(m).。8/34/10098.050.5dZdTQh但dZdT取值不宜小于0.01K/m。2模型运行所需数据数据文件1：共四行：第