我国大气模式计算的若干问题
第13卷 第1期环 境 科 学 研 究
Research of Environmental Sciences
Vol. 13,No. 1,2000
我国大气模式计算的若干问题
谷 清
(中国环境科学研究院, 北京 摘要:对我国大气环境界普遍采用的模式计算方法进行了分析, , 最大地面浓度公式、面源模式、多次反射计算、熏烟模式和静风公式的影响, 对采样时间和布点也进行了分析。最关键词:环境评价; 大气环境; ; 中图分类号:X169::1001-6929(2000) 01-0040-04
Re search Several Problems of Atmo spheric Model Calculation in China
GU Qing
(Chinese Research Academy of Environmental Sciences ,Beijing 100012)
Abstract :The model calculation methods commonly used by the Chinese atmospheric environment scientists were analyzed ,and the diversity of the calculation results pointed out. The impacts of the average surface wind velocity ,the equation of maximum surface concentration ,the surface resource model ,the multi 2reflection calculation ,the fumigation model and the equation of calm wind condi 2tion were also analyzed. The problem of the fume elevation equation was analyzed and a new equation recommended. The choosing of sampling sites and time was also analyzed. In the conclusion ,the reason for the above problems was analyzed and the solutions recom 2mended.
K ey w ords :environmental assessment ; atmos pheric environment ; model calculation ; fume elevation
我国的环境保护工作自70年代开始以来, 发展速度较快, 继1979年《国家环境保护法》颁布实施之后, 国家又相继颁布了一系列的文件, 建立起一套完善的法规体系, 促进了全国环境保护工作的开展, 为落实预防为主的环境保护方针和保障经济建设与环境协调发展起了重要作用。
在建设项目环境影响评价中, 大气环境模式计算也就是预测新建项目对周围大气环境影响的部分起着重要的作用, 对一般项目来说大气环境影响内容是不能忽视的。国家环境保护部门对大气环境影响评价作了许多规定。早在80年代初期就颁布了《制订地方大气污染物排放标准的技术原则
(G B 3840-83) 文件, 文中规定了大气环境评价使用和方法》
在环境规划, 环境管理和总量控制研究中, 大气环境模式计算也起着举足轻重的作用。
但是以上文件规定中还有一些需要完善之处。有些规定无法执行, 上面这些问题在国内有关的大气环境书籍中也同样存在, 并且互相影响。笔者对大气环境模式计算中的一些问题提出一些看法。
1 模式计算的影响
在大气环境影响评价、环境规划、总量控制研究中, 一般采用高斯正态烟云模式作为基础模型。但由于对模型的理解和参数选择的差异, 使得模型本身具有很大的不确定性。
111 平均风速的影响
的计算方法和参数,80年代末期又进行了修订, 重新颁布为
(G B 3840-91) 《制订地方大气污染物排放标准的技术方法》
(G B/T211文件,1993年又颁布了《环境影响评价计算导则》-212-213-93) 文件, 对大气环境影响评价的方法做了详
常规高斯烟流模式形式为:
C =
exp σ2exp πu e σ2y y σz
22
2
2σz
(1)
式中:C ———污染物地面浓度,mg/m 3;
u e ———有效源高处平均风速,m/s ; y ———横向距离,m ; H ———有效源高,m ;
细的规定。进一步促进了大气环境影响评价工作的发展。
收稿日期:1999-09-06
作者简介:谷清(1943-) , 男, 北京市人, 副研究员.
σ——水平方向扩散参数,m ; y —
σ——垂直方向扩散参数,m 。z —
第1期谷 清:我国大气模式计算的若干问题
C m 和最大浓度距离x m :
x m =α
α/2
41
式(1) 中平均风速是在地面10m 高度平均风速的基础上加以修正计算得出的, 一般采用下式修正:
u =u 10
z 10
m
2
2α
(2)
C m =
2αγ2
2
(4)
平均风速与污染物地面浓度成反比, 而烟气抬升高度又与平均风速的乘幂成反比。由此可见, 风速对地面浓度有双重影响。风速经修正后在浓度公式和抬升公式中采用不同高度的平均风速会有不同计算结果。经归纳有8种之多。研究表明在大气扩散参数、风速廓线指数、烟源条件和烟气抬升公式确定条件下, 大。不同算法之间, 可相差216倍以上。[。
在3840-91) 文件中, exp -α
1-α
πu γ1γ2
(5)
式中:α=
α。x m 。
, 当然是在给定的假设条件下, 更换为另一种扩散参数则不能使用。实际上在环境模式计算工作中, 以上公式很少使用, 并没有太多的使用价值。因为最大地面浓度公式与地面轴线浓度公式计算值是相等的。地面轴线浓度公式易于被人接受, 不易出错。而最大地面浓度公式形式复杂, 容易混淆, 以至计算时容易产生错误结果。采用任何一种微机编一段简单的程序, 给定一个计算区间, 按一定步长累进计算地面浓度, 经过两三次反复就可以找到最大地面浓度和最大浓度距离。因此, 在计算机普及的当代, 最大地面浓度公式根本没有存在的必要。
地面最大浓度距离公式还可以保留, 在手边只有一台计算器的情况下, 可以采用该式计算出最大浓度距离, 然后带入基本公式中计算出最大地面浓度。
114 面源模式计算的问题
风速, 。在
G B/T211-212-213-93) 文件中规定, 计算烟气抬升和计算地面浓度时都采用烟囱出口高度平均风速。在参考文献[1]中介绍的方法6比较合理, 平均风速应用一合适高度范围内的平均值表示, 计算烟气抬升时采用烟囱出口高度到有效高度的平均风速, 计算浓度时采用地面到有效高度处的平均风速, 但是这种方法太复杂, 限制了它的应用。
112 不同计算方法的差异
以上讲的仅是平均风速的影响, 实际计算时, 常用的烟气抬升公式有10多种。大气扩散参数常用的有G B ,Briggs 和BNL 等几大类型, 其中G B 参数考虑不同地区的影响, 提级后有5种取法,Briggs 有4种取法。国内有北京西郊、上海宝钢、水电部等几种类型。因此, 在没有当地实测的扩散参数情况下, 可以选用的扩散参数至少有七八种之多。另外, 在没有当地实测的资料时, 风速廓线指数也有三四种取法。加上平均风速取法的变化, 在给定源强、平均风速后, 采用同一个计算公式用不同参数计算得到的结果有数百种之多。这种情况使得大气模式计算结果变化很大, 有很多人为影响, 缺少可比性。
113 最大地面浓度的计算
城市内低矮无章的排放源一般作为面源处理, 计算时采用2种方法:①为窄烟云模式, ②为虚点源后置法。窄烟云模式实际上是A TDL 模型, 此方法因其简单, 可以手算, 在
80年代初期广为流行, 以后国内对其排放高度、积分距离等
做过修正[2]。经过一定的处理也可以编成计算程序, 用计算机计算[3]。环境影响评价技术导则中推荐的面源模式也是由窄烟云模式发展得出的, 不同之处在于采用了不完全伽马函数。窄烟云模式计算结果略显粗略, 每一网格内浓度相同, 而采用不完全伽马函数更限制了它的使用。虚点源后置法也有一些问题, 但处理得当可以得到很好的效果, 而且适合于计算机计算, 目前较为流行。
115 混合层顶多次反射计算
高架连续点源的地面最大浓度计算公式和地面最大浓度距离计算公式可以由地面轴线公式推导出。即:
C =
2
πu e σy σz
exp
2
2σz
(3)
当温度层结出现了上部逆温情况和混合层顶的限制时, 污染物的扩散被限制在逆温层底或混合层顶与地面之间, 这种“封闭型”扩散应采用多次反射计算, 公式见式(6) :
2
2σz
22σz
αα
该公式对x 取偏微分, 并假设σy =r 1x 1, σz =r 2x 2, 即为常
用的扩散参数形式, 经整理后就能推导出地面最大浓度公式
C =
πu e σ2y σz
exp
2
∞
n =-2
2σy
exp
+exp (6)
式中:D ———混合层高度,m 。
计算时, n 取-4～4就可以取得足够的计算精度。实际应用中一般不用公式(6) , 而用一种简化的经验法则计算:
a 1由σz (x d ) =D/2115定出x d , 在x
分布, 在y 方向仍为正态分布, 这时采用下式计算:
C =
πuD σ2y
exp -
2
2
2σy
(7)
c 1在x d
这种简化办法在过去的模式计算工作中用得较多, 但在
度计算采用式(1) 。
b 1在x >=2x d 范围内, 认为浓度在垂直方向已是均匀
42
环 境 科 学 研 究
ΔH =C (F b /uS ) 1/3
式中:F b ———烟气的浮力通量,m 4/s 3;
S ———大气稳定度参数。
S =
第13卷
(10)
x d
外内插计算采用的公式也影响计算的准确性, 采用线性内插计算简单, 只需要2个点, 但计算结果不理想, 采用样条函数等计算方法内插需要更多的计算点, 采用双对数图计算更为复杂。而利用计算机直接采用式(6) 计算不会影响计算的准确性, 反倒更加省时省力。
116 熏烟模式计算
θθa d Z
118～311范围内变化, 6,214[5]。
, , , 、农村2种情况, 公4段, 每段都有详细的规定, 公式内容很多, 较为繁复, 具体公式参见导则。有风稳定条件的烟气抬升公式为
/3
ΔH =Q 1hkJ
熏烟模式主要用于日出以后贴地逆温从下而上消失, 逐渐形成混合层。原来积聚在这一层的污染物所造成的高浓
度污染。其计算公式与式(7) 基本相同:
C =
πuZ f σy f
exp -
2
2
2σy f
p
-∞
d p 2(8)
式中,f 表示熏烟, p f H ) /, 烟气所占成数。y f 要大于普通的σy , 假设逆温消
失到烟云上边界, 烟气全部参与混合, 这时式(8) 计算结果, 也会低于混合层高度等于烟云上边界高度时的式(7) 计算结果。如果在近源处烟气没有充分扩散就发生熏烟, 利用式
(8) 可以得到很高浓度, 但这种现象是否合理, 有待进一步探
+0. 0098d Z
-1/3
u -1/3
(11)
式中:Q hkJ ———热排放率,kJ/s 。
式(11) 实际上是式(10) 的变形, 但是取值很低, 计算值也小于式(10) 。
这两组公式看起来很合理, 实际上计算效果却不好, 因为有风稳定条件时的烟气抬升高度与不稳定和中性条件下高度不相匹配, 一般公式计算烟气高度从不稳定到中性再到稳定逐步降低, 而这两组公式在不稳定到中性平稳降低, 从中性再到稳定时高度急剧下降, 使得在不考虑混合层影响的情况下采用式(1) 计算的地面最大浓度出现在稳定的E 和F 类, 与经典的大气扩散理论结果相左, 以至于无法解释。
其他公式没有这种问题, 但是也有一定的局限性, 而综合分析公式却适应各种情况, 公式如下:
. 40. 6
ΔH =(0. 92V s D +5. 25F 0H s ) /u b
讨。而发生熏烟的距离也应研究探讨, 因为需要迭代计算, 在这里也有很多问题, 今后将另文专门讨论。另外, 熏烟是一个短暂过程, 一般只持续几十分钟, 且高度随时变化, 而混合层顶和逆温层底的影响却是较长的。因此, 在一般环境影响评价里过分强调熏烟, 而忽视混合层顶和逆温层底的影响的做法应予以商榷。笔者建议一般模式计算时采用多次反射公式代替, 海岸线熏烟情况比较复杂必须单独考虑。
117 烟气抬升高度
对于高架连续点源来说烟囱有效高度是扩散计算中的最重要的参数。烟气从烟囱排出后, 由于动力和热力的作用会继续上升, 逐渐变平。在大气环境模式计算里, 都把烟云的抬升高度考虑在内。烟云的有效高度等于烟囱几何高度与烟气抬升高度之和。增加烟云有效高度可降低地面浓度, 在相同气象条件下, 烟气的浓度与有效源高成反比。
综观国内的环评报告, 可以发现G B 3840-83文件推荐的公式使用最为广泛, 其他的TVA ,Briggs , Moses and Car 2
son ,Holland 及综合分析等计算公式也程度不同的应用于环
(12)
如果用热排放率来表示, 综合分析公式形式为:
. 40. 6ΔH =(0. 92V s D +0. 792Q 0hkJ H s ) /u
(13)
综合分析公式简单, 使用方便, 计算结果适中、连续, 可以适用各种烟云情况。在区域环境影响评价、大气总量控制、大气环境规划等多源模式计算时, 效果较好。在配上小风、静风公式和冷排放计算公式后, 可以推广使用。
118 小风静风模式
境模式计算里。一般烟气抬升公式在不同稳定度时采用同一个公式, 式中风速u 采用烟囱出口高度的平均风速, 由地面风速按不同的风速廓线指数修正得出。由此, 使得烟气抬升高度不同。此外还有一些公式在不同大气稳定度时采用不同的系数, 如Moses and Carson , TVA 公式。Holland 公式也采用了修正系数的方法。只有布里格斯对不同稳定度采用不同公式, 他提出的在不稳定和中性稳定度状态下的有风公式有多种形式, 其中1970年提出的公式为:
ΔH =1. 6F 1b /3(3. 5x 3) 2/3/u 当F b
在稳定时他采用:
4
3
根据大气扩散理论小风静风时(v ≤1. 0m/s ) , 一般采用烟团模式:
C =
T
(2π)
3/2
22
exp σ2exp σ2d t
2y 2z σσσ・x ・y ・z
(14)
式中:T ———积分时间(静风持续时间) ,s ;
R ———距离, R =
x 2+y 2,m 。
σ——顺风向扩散参数, σx —x =σy ,m 。
(9)
5/8
式(14) 直接计算并不困难, 每小时按排放6个烟团, 就可以达到足够的精度要求, 对大气扩散参数也没有什么特殊要求, 可以采用G B 的扩散参数, 也可以采用Tuner 的扩散参数。在导则中小风静风模式如下:
3
=14F b
/5
当F b >55m 4/s 3时, x 3=34F 2b
第1期
C L (x , y ) =
G =e
2
-u /2γ
01
2
谷 清:我国大气模式计算的若干问题
・G
(2π) 3/2γ02η
43
十或数百个, 在绘制地面浓度分布图时, 一般按网格计算, 每个网格都有数值, 而监测点有限, 如何将计算值与大气背景浓度迭加就成了一大难题。目前也有一些办法, 如将监测值取平均后作为一个背景值加在计算值上, 也可以将监测点浓度用曲面拟合的方法, 构造一曲面, 然后与计算点浓度逐点相加, 还有另外一些办法, 。
・{1+π・s e s 2
s
2
/2
Φ(s ) }・
Φ(s ) =
e -π-∞∫
2
t /2
d t
其中的η和s 计算也有公式, 计算s 后, Φ(s ) 才可以查数学手册, 再代到浓度公式计算, 其他的γ01和γ02也必须按规定查取, 不能够使用Tuner 的扩散参数。这个计算过程非常复杂, 实际上限制了公式的使用。
除了以上几种情况外, 如非正常排放模式计算, , 究完善。本文限于篇幅, 3 , 。由于这些不明确的方法写进国家标准和, 以致影响了计算模式的发展, 上面许多问题根本原因是, 有关的论述和规定落后于计算机和计算技术的发展。有些问题应进一步研究、探讨; 有一些问题则应修改有关文件, 使之符合于当今的电子计算机时代。为此国家有关部门应组织人员, 对国标、技术导则和常用计算方法中的不足、互不协调之处进行必要修正, 给出算例, 对不符合当今时代的规定明确废除。在此基础上, 研制计算机软件, 向各环境保护部门推广。
2 211 采样时间
国家环境空气质量标准对各项污染物有详细规定, 如
SO 2,NO x ,NO 2和CO 日平均浓度数据的有效性要求每日至
少有18h 的采样时间;1h 平均浓度要求每小时至少有45
min 的采样时间等等。实际监测分析时是很难达到这些要
求的。同时, 国家规定的大气扩散参数的取样时间都是015
h , 由此计算的大气污染物一次浓度也应该为015h 的数值,
参考文献:
[1] 谷清. 风速与烟源有效高度、地面浓度的关系[J].上海环境科
与45min 采样时间的监测数据不相匹配。因采样时间不能一致, 计算结果也就有出入, 这也势必影响到模式计算和环境影响评价的质量。在不同时间内的浓度值应该进行换算, 在这方面虽然有些规定, 却不完善。
212 采样布点问题
学,1988,7(6) :16～19.
[2] 谷清, 霍焕. ATDL 模式的研究与发展[J].环境保护科学,
1989,15(4) :10～15.
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(2) :37～46.
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按规定, 每一级评价项目, 大气监测点有详细规定。实际工作中受人力、物力、财力等条件的影响很难超过规定要求数量, 有时甚至达不到该规定要求。在环评时, 一般都要做环境影响预测, 将模式计算值与大气背景浓度迭加, 由此分析拟建项目对评价地区的影响。但是计算值可以达到数
京:气象出版社,1985. 222～427.
[6] 帕斯奎尔F , 史密斯F B. 大气扩散[M ].北京:科学出版社,
1989. 201～220.
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