第三章 大气污染及污染扩散模型建立(v1.7)..

污染物扩散模型的构建与模拟分析随着现代工业化及城市化的不断发展，环境污染问题越来越突出，这对人类的健康、生态环境及生物多样性等方面都带来了极大的威胁。

而污染物的扩散是导致环境污染的主要原因之一。

因此，对污染物的扩散模型的构建与模拟分析具有重要的理论和实际意义。

一、污染物扩散模型的基本概念污染物扩散模型是指对污染物在大气、水体、土壤等介质中扩散传播过程进行数学建模的过程。

其核心思想是通过数学公式描述污染物扩散、转化与传递规律，对污染物的特征、分布、浓度、影响等进行评估和预测，为环境保护和污染控制提供支持。

在污染物扩散模型中，其中一个关键要素是扩散系数，它主要考虑污染物的扩散现象。

扩散系数大小与被扩散的分子量、临界温度、扩散介质温度、压力等成正比例关系。

此外，影响扩散的还有风速、风向、湍流强度等气象因素。

因此，在具体构建模型时需要考虑多方面因素的影响。

二、污染物扩散模型的分类理论上，污染物扩散模型可以分为两大类，即基于经典物理学的扩散模型和基于统计物理学的扩散模型。

前者主要是基于物质的微观规律进行建模，如分子运动、质量传递、动能转移等；后者则是基于大量粒子的统计规律，如统计热力学、热力学平衡等。

在实际应用中，也可以根据具体的扩散介质、污染物种类、浓度范围等多种因素，将扩散模型进行进一步分类。

例如，大气扩散模型可以分为高斯模型、拉格朗日模型、欧拉模型等；水体扩散模型可以分为点源模型、面源模型、非定常模型、在线模型等。

在具体的应用中，需要根据污染物的种类、具体的观测数据、模拟环境等情况，选择适合的模型类型。

三、模型参数估计及优化在进行污染物扩散模型构建时，需要确定相关的模型参数。

而在实际操作过程中，往往难以对所有模型参数进行测量和确定。

此时，需要通过已有的或者历史数据，进行参数估计或反演，以得到合理的参数值。

传统的参数估计方法包括拟合法、极大似然法、贝叶斯反演等。

其中，拟合法最为常见，即根据已有的观测数据，通过试探性调整参数值，将模型预测值与实际观测值拟合。

污染源扩散模拟的实现及应用突发性环境污染事故是一种威胁人类安全和健康、破坏生态环境、危害性大的污染事故。

近年来，随着经济的发展，越来越多的突发环境事故爆发，造成严重的环境污染，不仅给国家人民财产造成了损失，同时还严重的危害了周边人民的健康。

因此，加强突发性环境污染事故应急监测，研究其处理技术，对污染物的扩散进行预报是环境监测和环境保护领域中一项非常重要的工作。

1 大气扩散模型研究的意义突发性环境污染事故主要是由于高压容器、储罐、输送管道节门的破裂等诸多原因引起的，它可导致有毒有害气体外泄。

其特点是没有固定的排放方式和排放途径，突然发生、来势凶猛，在短时间内排放大量有毒有害的污染物，有毒气体外泄后，随大气弥散，中心位置浓度最高，向外逐步扩散稀释，下风向形成相应的时空浓度分布。

对于重大突发事故分析，目前国内外普遍采用仿真技术，通过建立数学模型进行分析，而且已建立了很多适用于不同条件的数学模型。

当前应用较为广泛的应急大气扩散模型有：SLAB，DEGADIS，ALOHA，ARCHIE，DEMRA和LPDM,其中比较著名的有RADM、ADOM、STEMD等模型、美国Sigma公司于八十年代中期建立的HPDM模型以及英国剑桥研究院开发的ADMS模型。

这些模型通过对早期的CRSTER的法规式模式做了一些改进和发展，从而产生新一代扩散模型。

这些算法以扩散统计理论为出发点，假设污染物的浓度分布在一定程度上服从高斯分布。

模式系统可用于多种排放源（包括点源、面源和体源）的排放，也适用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面污染物排放模拟、区域环境容量计算与总量控制等多种功能。

这些扩散模型的特点是基于专有平台实现，自成系统。

并且在这些系统中大多考虑了扩散模型源排放、平流输送、湍流扩散、干沉积、湿沉积、气象化学等众多因素，系统功能庞大。

但同时它们基于专有平台，自成系统，所以很难同环保局具体的业务系统进行整合。

考虑到天津某区环保监控与应急指挥系统的实际情况和具体需求，我们基于高斯扩散模型，并根据实际情况加以改造，最终在GIS系统中进行了展现。

大气污染物迁移与扩散模拟模型近年来，随着工业化的迅猛发展，大气污染问题成为世界各国共同面临的挑战。

大气污染物的迁移与扩散模拟模型的研究，对于理解和预测大气污染物的传播路径和浓度分布具有重要意义。

大气污染物的迁移与扩散过程受到多种因素的影响，包括气象条件、地形地貌和污染源的特征等。

为了将这些复杂情况模拟并预测大气污染物的迁移与扩散，研究者们开发了各种模拟模型。

在大气污染物迁移与扩散模拟模型中，气象条件起着重要的作用。

气象因素如风速、风向和大气稳定度可以直接影响污染物的传播路径和浓度分布。

通过使用气象数据，可以对大气污染物的迁移与扩散进行预测和模拟。

此外，地形和地貌也对大气污染物的传播具有重要影响。

地形中的山脉、山谷和河流等地貌特征会影响风的流动，从而改变污染物的传播路径和浓度分布。

通过对地形和地貌的建模，并与气象数据结合，可以更准确地模拟大气污染物的迁移与扩散过程。

污染源的特征也是影响大气污染物迁移与扩散的重要因素。

不同污染源的类型和排放强度将影响污染物在大气中的浓度分布。

对于不同类型的污染源，研究者们利用不同的排放模型进行模拟和预测。

通过与实际监测数据进行对比验证，可以提高模拟模型的准确性。

在大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究中，数学模型和计算机模拟技术起着核心作用。

利用数学和物理方程来描述气象条件、地形地貌和污染源的特征，再结合计算机模拟技术进行模拟计算和预测。

这些模型可以提供各种研究大气污染问题的工具和方法。

近年来，随着计算机性能的提升和数据获取的便捷，大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究也得到了迅猛发展。

研究者们不断改进和完善模型，提高其预测准确性和适用性。

同时，也将模型与实际监测数据相结合，对模拟结果进行验证和修正，以提高模拟模型的可靠性。

大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究对于环境管理和政策制定具有重要意义。

通过预测和模拟大气污染物的传播路径和浓度分布，可以为各国政府提供科学依据，制定相关政策和措施来减少大气污染。

文章编号:1004-9762(2002)04-0376-04大气风场及污染物扩散的数学模型研究刘长威1,陈义胜2,胡银枝2(1 包头钢铁学院科研处,内蒙古包头 014010;2 包头钢铁学院冶金工程研究所,内蒙古包头 014010)关键词:大气风场;污染物扩散;数学模型中图分类号:X132 文献标识码:A摘 要:在湍流模型的基础上建立了大气风场数学模型和与之耦合的污染物扩散数学模型 模拟给出了一个开放空间内风遇地面建筑物的绕流过程,以及由建筑物中排放出的污染物在空气中的扩散过程The mathematical model study of polluting fountaindiffusion concentration in air pollutionLIU Chang wei1,CHEN Yi sheng2,HU Yin zhi2(1.Department of Scientific Research,UIST Baotou,Baotou014010,China;2.Insti tute of Metallurgical Engineering,UIS T Baotou,Baotou 014010,China)Key words:flow field;polluting fountain diffusion;mathematical modelAbstract:Based on the turbulent mathematical model,the models of air flow field and polluting diffusion were built.Processes in the open space were simulated which included both the wind flow detour while passing through buildings on the ground and the di ffusi on of pollu tan ts sent out from the buildings in to the air.分析和预报污染物在大气中的扩散过程必须要考虑大气自身的运动特点,只有掌握了大气的运动规律才能很好地研究污染物扩散以及污染源对周边环境的影响 目前,国内外多数学者普遍采用传统的高斯模式来研究污染物在大气中的扩散问题,而高斯模式是基于对大气流动、下垫面条件和污染物扩散等几点假设的前提下建立的,因而,在应用过程中存在一定的局限性[1~3] 随着计算技术的飞速发展,应用数学模型,通过计算机模拟来分析大气污染的过程已成为研究大气污染的最有效手段之一[1,4]1 大气湍流流动过程的数学描述对于近地面局部区域的大气运动规律应该具备这样的特点:(1)地面是风场的固体边界,具有湍流流动固体边界的作用[5];(2)地面上的建筑物对风场有扰动作用,扰动作用的大小取决于建筑物高度和迎风面积;(3)大气层结造成的空气上下对流作用对近地面风场影响相对于主风向风力影响可以忽略;(4)在选取相对建筑物足够大的范围研究近地风场时,可以近似认为风沿主风向平行流动1 1 风场数学模型1 1 1 基本假设基于以上对近地风场特点的分析,在模型建立中提出如下几点假设:(1)在研究区域内,上部自由界面没有物质交换;(2)在选取的足够大的研究区域内,沿主风向的2个侧面近似为对称面1 12 数学模型连续性方程:x j( u j)=0;(1)动量方程:2002年12月第21卷第04期包头钢铁学院学报Journal of Baotou Universi ty of Iron and Steel TechnologyDecember,2002Vol.21,No.4收稿日期:2002-10-03作者简介:刘长威(1964-),男,内蒙古呼和浩特人,包头钢铁学院副研究员x j ( u i u j )=- p x i +x j [ e ff ( u i x j + u j x i)]+ g i ;(2)描述湍流运动的k 双方程模型:k 方程: j ( u j k )= j ( e ff k k j )+G - ;(3)方程:x j ( u j )= x j ( e ff x j )+(C 1G -C 2 2)/k,(4)其中,G = tu i x j ( u i x j + u jx i) 写成统一的控制方程为: x j ( u j )= x j ( eff x j)+S .(5)1 1 3 边界条件(1)地面边界用固体边界来处理,具体为u =v =w =0;(2)研究区域2个侧面用对称边界,即ux=0, wz=0;(3)主风向上的2个边界,按入口和出口边界处理;(4)顶部按自由界面处理1 2 污染物扩散数学模型1 2 1 基本假设(1)从建筑物排放出的污染物可以近似为点源;(2)污染源排放出的污染物随时间没有变化;(3)污染源是孤立源 1 2 2 数学模型污染物扩散控制方程:u iCx i =D x 2C x 2i+R x (6)1 2 3 边界条件(1)地面边界按反射边界处理,即 Cx i=0;(2)研究区域2个侧面用对称边界,即 Cx i=0;(3)主流出入口边界,入口按C =0,出口按出口边界计算;(4)顶部按自由界面处理2 模拟研究方法选取长8km,宽4km,高800m 的1个包围孤立污染源的区域进行模拟研究 建筑物高60m,宽400m,长500m,处于研究区域的上风向 平均风速2 5m/s 建立1个直角坐标系,把研究区域划分成微元体,进行数值模拟 对以上微分方程进行差分处理,转化成微元体上的代数方程,然后编制成计算机程序进行迭代求解,得到数值解3 模拟结果与讨论3 1 大气风场模拟结果分析如图1,2所示的模拟结果可以得出,建筑物前方气流均匀稳定地进入模拟区域,遇到建筑物后,气流无论是速度还是方向都发生了很大变化 在建筑物下风向后气流紊乱,速度减小,形成1个扩散型扰动尾翼,尾翼呈扩展趋势,向水平的2个侧面和高空扩展,但影响强度在不断地减弱 离开建筑物越远,气流扰动逐渐消除,气流有逐渐恢复到进入模拟区以前的流动状态的趋势图1 建筑物上方大气流场图Fig.1 Flow field upper building377刘长威等:大气风场及污染物扩散的数学模型研究图2 近地面风场Fig.2 F low field near ground3 2 污染物在运动大气中扩散模拟结果分析如图3~5所示的模拟结果可以得出,在本模拟条件下,由于有较强的单向风作用,污染物的污染区域仅仅在建筑物(污染源)的下风向形成 靠近污染源的地方,污染物集中,扩散程度很小;越远离污染源,污染物扩散程度和范围越大,且污染区域沿着风的方向远离污染源在本模拟研究过程中,假设将1个污染源群近似看作点源,且排放流量为40000m 3/s 污染物在大气中的浓度为1 29 106C,C 为图3~5中的百分比浓度值,以图中7 10-6值为例,则该值表示污染物在大气中的浓度为1 29 106 7 10-6=9.03mg/m 3 如果以污染物CO 为例,按照二级标准(商业交通居民混合区、文化区等)的污染物排放限值规定,C O 时均浓度值应 10mg/m 3[6,7],从图3,4中可以得出,在污染源的水平面方向上,横风向离开污染源约1000m 以上,CO 在大气中的浓度即小于二级标准的浓度限值;横风向离开污染源约小于1000m,CO 在大气中的浓度即超过了二级标准的浓度限值图3 建筑物上部水平面污染物扩散图Fig.3 Polluting fountain diffusion in horizontal plane upper building378包头钢铁学院学报2002年12月 第21卷第4期图4 水平地面平面污染物扩散图Fig.4 Polluting fountain diffusion on plane in horizontalground图5 沿风向垂直面污染物扩散图Fig.5 Polluting fountain diffusion on vertical plane along w ind direction4 结论(1)运动的大气流遇到建筑物时,在建筑物的阻挡下会在下风向产生扰动 扰动范围随离开建筑物的距离增加而增加,但扰动强度减弱(2)从建筑物中排出的有害气体在建筑物下风向会产生局部污染,污染范围与排出污染物浓度、风向、风速有关(3)应用计算机数学模型模拟大气流场和污染物扩散的过程,模拟结果和理论分析的一致性较好,该方法是研究大气污染的一种有效手段 参考文献:[1] 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室 空气污染数值预报模式系统[M] 北京:气象出版社,1999[2] 郝吉明,马广大,等 大气污染控制工程[M] 北京:高等教育出版社,1989[3] 李宗恺,潘云仙,孙润桥 空气污染气象学原理及应用[M] 北京:气象出版社,1985[4] 宋文彪 空气污染控制工程[M] 北京:冶金工业出版社,1985[5] 张 胤,贺友多,李士琦,等 二维非稳定态流场计算[J] 包头钢铁学院学报,1999,18(2):98 102[6] HJ/T2 2 93,中华人民共和国环境保护行业标准:环境影响评价技术导则 大气环境[S][7] GB3095 1996,中华人民共和国环境空气质量标准[S]379刘长威等:大气风场及污染物扩散的数学模型研究。

大气污染模型目录中文摘要—————————————————————————— 3 英文摘要—————————————————————————— 4 第一章、模糊概念—————————————————————— 51、1模糊集合论的基本原理—————————————————— 51、1、1模糊的产生————————————————————51、1、2 模糊集合论的基本原理—————————————— 61、2 系统的模糊性—————————————————————— 71、2、1环境质量的好坏和环境质量的价值——————————71、2、2 环境系统的复杂性意味着模糊性———————————81、3模糊理论在环境科学和地理信息系统中的研究现状—————— 91、3、1模糊理论在地理信息系统中的研究现状————————91、3、2糊理论在环境科学研究现状及存在的主要问题—————11 第二章、MATLAB简介—————————————————————132、1 MATLA语言简介————————————————————— 13 2、2 MATLAB语言编程基础———————————————————132、2、1函数调用语句———————————————————142、2、2矩阵的MATLAB表示—————————————————142、2、3 MATLAB语言的程序流程语句—————————————192、2、4 MATLAB中新的数据结构———————————————19 2、3 MATLAB语言与科学计算——————————————————202、3、1矩阵的非线性运算————————————————— 202、3、2数据插值————————————————————— 21 第三章、大气污染模型的创建和简化———————————————243、1 地理信息系统中建立模型—————————————————243、1、1地学模型的特点——————————————————— 243、1、2地理信息系统中模型的表达方式————————————253、1、3地理信息系统中模型的存贮——————————————263、1、4 地学建模方法概述————————————————— 27 3、2 大气扩散模式———————————————————————293、2、1 有风时(u10≥1.5m/s)，气态污染物点源扩散模式—————293、2、2 一次地面最大落地（C m）浓度及距离（X m）——————313、2、3 有风时(u10≥1.5m/s)，气态污染物后置点源（面源）扩散模式—————————————————————————————— 313、2、4 小风（1.5m/s>U10≥0.5m/s）、静风（U10<0.5m/s）扩散模式—————————————————————————————— 313、2、5 逆温层破坏时的熏烟模式———————————————323、2、6 日均浓度计算公式——————————————————323、2、7卫生防护距离估算——————————————————33 3、3 适用范围—————————————————————————33 3、4 程序计算时需输入的参数—————————————————— 34第四章、系统的设计和实现————————————————————354、1 系统简述————————————————————————35 4、2 MATLAB函数在方程中的用法———————————————354、2、1 MATLAB的具体函数————————————————354、2、2 此设计的流程图——————————————————37 4、3 MATLAB函数在方程组中的用法———————————————43 4、4 数据库的简单介绍—————————————————————44摘要数据模型就是按专业的要求，用数字方式描述自然界的事物或现象以及他们的关系。

污染物大气扩散模型构建与应用教程大气污染是全球面临的一项严重问题，其不仅对人类健康和生态环境造成威胁，还对气候和全球变暖产生负面影响。

为了了解和研究污染物在大气中的传输和扩散规律，科学家们发展了各种大气扩散模型。

本篇文章将针对污染物大气扩散模型构建与应用进行详细介绍。

1. 污染物大气扩散模型的基本原理污染物大气扩散模型是建立在大气动力学和污染物输送理论基础上的数学模型。

它通过模拟大气环境中的污染物传输过程，预测和评估污染物浓度分布和扩散范围。

一般而言，污染物大气扩散模型可分为随机模型和确定性模型两类。

随机模型基于概率统计理论，通过考虑风速、大气不稳定度、地形、排放源和污染物本身的特性等因素，采用概率分布函数描述污染物的扩散过程。

其中，最常用的随机模型是高斯扩散模型，它基于高斯曲线假设，将传输过程简化为了扩散、平流等过程。

确定性模型则基于物理和数学原理，通过求解一系列大气动力学方程和污染物传输方程，来模拟污染物的扩散过程。

常见的确定性模型有Box模型、Eulerian模型和Lagrangian模型等。

2. 污染物大气扩散模型的构建与参数选择构建可靠的污染物大气扩散模型需要准确选择和确定一系列关键参数。

首先，要考虑大气条件，包括风速、风向、大气稳定度和地形等因素。

这些参数直接影响污染物传输过程中的平流和湍流扩散效应。

根据实际情况和需求，可以采用风速计、气象站等设备获取风速和风向数据，并通过测站数据、气象预报模型或卫星数据获取大气稳定度等信息。

其次，需要考虑污染物特性和排放源的参数。

不同的污染物具有不同的化学和物理特性，例如挥发性有机物（VOCs）、颗粒物（PM2.5、PM10）等。

确定污染物的溶解度、迁移速率等参数，有助于准确模拟污染物的传输过程。

排放源的位置、排放速率和时间等参数也是模型构建的重要输入。

可以通过实地调查、监测数据或排放源模型来获取相关信息。

最后，还需要确定模型的空间和时间分辨率。

空间分辨率决定了模型的空间尺度和网格精度。

第一节大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论1. 湍流低层大气中的风向是不断地变化，上下左右出现摆动；同时，风速也是时强时弱，形成迅速的阵风起伏。

风的这种强度与方向随时间不规则的变化形成的空气运动称为大气湍流。

湍流运动是由无数结构紧密的流体微团——湍涡组成，其特征量的时间与空间分布都具有随机性，但它们的统计平均值仍然遵循一定的规律。

大气湍流的流动特征尺度一般取离地面的高度，比流体在管道内流动时要大得多，湍涡的大小及其发展基本不受空间的限制，因此在较小的平均风速下就能有很高的雷诺数，从而达到湍流状态。

所以近地层的大气始终处于湍流状态，尤其在大气边界层内，气流受下垫面影响，湍流运动更为剧烈。

大气湍流造成流场各部分强烈混合，能使局部的污染气体或微粒迅速扩散。

烟团在大气的湍流混合作用下，由湍涡不断把烟气推向周围空气中，同时又将周围的空气卷入烟团，从而形成烟气的快速扩散稀释过程。

烟气在大气中的扩散特征取决于是否存在湍流以及湍涡的尺度(直径)，如图5－7所示。

图5－7（a）为无湍流时，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，烟团的扩散速率非常缓慢，其扩散速率比湍流扩散小5～6个数量级；图5－7（b）为烟团在远小于其尺度的湍涡中扩散，由于烟团边缘受到小湍涡的扰动，逐渐与周边空气混合而缓慢膨胀，浓度逐渐降低，烟流几乎呈直线向下风运动；图5－7（c）为烟团在与其尺度接近的湍涡中扩散，在湍涡的切入卷出作用下烟团被迅速撕裂，大幅度变形，横截面快速膨胀，因而扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；图5－7（d）为烟团在远大于其尺度的湍涡中扩散，烟团受大湍涡的卷吸扰动影响较弱，其本身膨胀有限，烟团在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。

实际上烟云的扩散过程通常不是仅由上述单一情况所完成，因为大气中同时并存的湍涡具有各种不同的尺度。

根据湍流的形成与发展趋势，大气湍流可分为机械湍流和热力湍流两种形式。

机械湍流是因地面的摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，或者由于地面障碍物(如山丘、树木与建筑物等)导致风向与风速的突然改变而造成的。