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适用于固定工业源泄放的扩散模型_AERMOD

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收稿日期:2002-05-20作者简介:王淑兰(1944-),女,辽宁沈阳人,教授,从事安全工程与技术研究。

专题综述适用于固定工业源泄放的扩散模型-AERMOD王淑兰,孟志鹏,丁信伟(大连理工大学化工学院,辽宁大连116012)

摘要:本文就适用于固定工业源泄放的扩散模型-AERMOD模型的特点及基本公式进行了介绍。AERMOD模型是高斯扩散模型,其应用范围相当广泛。AERMOD模型较显著的特点有:1)以行星边界层湍流结构及理论为基础;2)对地面源和高架源的情形都适用;3)对简单地形和复杂地形进行了一体化的处理。关键词:大气扩散;扩散模型;AERMOD模型中图分类号:X830󰀁2󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1004-9533(2003)04-0231-06

ADispersionModelforStationaryIndustrialSourceApplications-AERMOD

WANGShu-lan,MENGZhi-peng,DINGXin-wei(SchoolofChemicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,LiaoningDalian116012,China)

Abstract:Inthispaper,thefeaturesandthebasicformulationoftheAERMODdispersionmod󰀁el,adispersionmodelforstationaryindustrialsourceapplications,willbeintroducedAERMODisaGaussianplumemodel,whichisapplicabletoalotofsituations.Thismodelinclude:1)airdispersionfuncamentallybasedonplanetaryboundarylayerturbulencestructure,scalingandconcepts;2)treatmentofbothsurfaceandelevatedsources;and3)incorporatesimpleandcom󰀁plexterrain.

Keywords:airdispersion;dispersionmodel;AERMOD󰀁󰀁迄今为止,在全世界范围内已经发生多起由于危险物质(毒性或可燃性物质)泄漏扩散而造成的重大公害事件。为了对此类危险做出风险评估并改善预防的措施,有必要对危险物质在大气中的泄漏扩散现象进行研究。由于受测量、场地以及巨大的投入等因素的限制,进行试验研究较为困难。许多研究机构则采用了数值模拟的方法来进行大气

2003年8月Aug.2003󰀁󰀁󰀁化󰀁学󰀁工󰀁业󰀁与󰀁工󰀁程CHEMICAL󰀁INDUSTRY󰀁AND󰀁ENGINEERING第20卷󰀁第4期Vol.20󰀁󰀁No.4中污染物泄漏扩散的研究。其中,美国环保署(EPA)提出了许多大气扩散模型,为该课题的研究奠定了基础。当前EPA在近地大气扩散模型中使用的基本方法,是从二十多年前连续下来的,基本上没有什么变化。在这期间,人们已取得了一些可融入到扩散模拟研究中的重大科技进步,如行星边界层理论的发展。1991年,美国气象学会(AMS)和美国环保署为了将行星边界层理论引入到扩散模型的研究中,组成了一个专门的委员会(AERMIC)并提出了适用于固定工业源泄放的扩散模型󰀁󰀁󰀁AERMOD。该模型可对污染物质的浓度分布、危险范围以及持续时间等问题进行预测和评估。1󰀁AERMOD模型概述AERMOD模型是稳定状态烟羽模型,它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。AER󰀁MOD模型是在ISC模型[1]框架的基础上建立起来的,除了涉及湿沉降和干沉降的应用外,AERMOD模型在许多应用中都可以作为ISC模型的替换模型。AERMOD模型可用于多种泄放源(包括点源、面源和体积源)的泄放,它也适用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等多种泄放扩散情形的模拟[2]。在AERMOD模型之前,人们已把行星边界层的概念应用于扩散模型的研究中,如PPSP、CTDMPLUS和HPDM等模型[3~5]。在AERMOD模型中,对于稳定边界层的应用,垂直方向和水平方向的浓度分布都可看作是高斯分布;对于对流边界层的应用,水平方向的浓度分布仍可看作是高斯分布,而垂直方向的浓度分布则使用了双高斯概率密度函数来表达[6,7]。AERMOD模型适用于所有地形条件的扩散,包括平坦地形的应用,也包括复杂地形的应用。但是,与其他一些可处理复杂地形影响的模型不同,AERMOD模型不必定义复杂地形或简单地形,它使用分界流线[8]概念,对所有的地形都以一种连续、一致的方式来简化。AERMOD模拟系统实际上包括三个独立的部分[2]:AERMOD(AERMIC的扩散模型)、AERMET(AERMOD气象数据预处理器)和AERMAP(AERMOD地形数据预处理器)。AERMET的主要作用是对输入的气象观测数据进行计算,以获得AERMOD需要的行星边界层参数:AERMOD内部的INTERFACE(气象数据接口)用这些参数来生成所需的气象参的分布。另外,AERMET将所有的气象观测数据传递给AERMOD使用。AERMAP主要用于简化AERMOD的地形输入数据,它将测量得到的地形数据转换成AERMOD能够处理的数据,提供给AERMOD使用。

气象数据AERMET󰀁生成PBL参数󰀁传送观测数据通过内插求得所需的分布地形数据

AERMAP

浓度计算生成地形和网格点数据

AERMOD

图1AERMOD模拟系统的数据流程图INTERFACE

u等变量的分布

如图1所示,地面反射率、表面粗糙度等地面特征数据,以及风速、风向、温度、云量等气象观察数据输入到AERMET中,在AER󰀁MET计算出行星边界层参数:摩擦速度u*、MOnin󰀁Obukhov长度L、对流速度尺度w*、温度尺度󰀁*、混合层高度zi和地面热通量H。得到的这些参数同气象观测数据一起传递给AERMOD中的INTERFACE,在INTERFACE里

232󰀁󰀁󰀁󰀁化󰀁学󰀁工󰀁业󰀁与󰀁工󰀁程2003年8月通过相似关系求得风速u,水平方向和垂直方向的湍流强度󰀁v和󰀁w,位温梯度d󰀁󰀁dz,位温󰀁和水平拉格朗日时间尺度等变量的垂直分布。AERMAP是简化并标准化AERMOD地形输入数据的地形预处理器,它将输入的数据:各网格点的位置参数(xyz)及其地形高度参数(xtytzt)等数据,经过计算转换成AERMOD数据处理的地形数据,包括有各个网格点的位置参数(xyz)及其有效高度值zeff,这些数据用于障碍物周围大气扩散物计算。AERMOD接收到这些参数,并结合风速u等参数的分布,就可以进行污染物浓度的分布的计算。与ISC等模型相比,AERMOD扩散模型具有下列特点:1)以行星边界层湍流结构及理论为基础;2)对地面源和高架源的情形都适用;3)包含有适合于对流边界层和稳定边界层的烟羽抬升和扩散的算法;4)在计算中考虑了边界层的不均一性;5)对简单地形和复杂地形进行了一体化的处理;6)包括处理夜间城市边界层的算法。基于以上的特点,AERMOD有着相当广泛的应用范围。2󰀁AERMOD模型的基本公式现在介绍AERMOD扩散模型的基本公式:由于地形影响而进行调整的总浓度表达式,以及分别适用于对流边界层(CBL)和稳定边界层(SBL)的扩散公式。2󰀁1󰀁考虑地形影响的浓度公式的一般形式AERMOD模型考虑了地形(包括地面障碍物)对污染物浓度分布的影响,在计算中AERMOD模型使用了分界流线的概念,即将扩散流场分为两层的结构,下层的流场保持水平绕过障碍物,而上层的流场则抬升跃过障碍物。这两层的流场以分界流线高度Hc来划分。由此,AERMOD模型认为障碍物上的污染物浓度值取决于烟羽的两种极限状态,一种极限状态是在非常稳定的条件下被迫绕过障碍物的水平烟羽,另外一种极限状态是在垂直方向上沿着障碍物抬升的烟羽,任一网格点的浓度值就是这两种烟羽浓度加权之后的和。假设一网格点(xyz)在平坦地形上(即不考虑地形影响时)的质量浓度公式为󰀁(xyz)(也就是水平烟羽的质量浓度表达式),则考虑地形(或障碍物)影响时的总质量浓度公式为:󰀁T(x,y,z)=f󰀁(xyz)+(1-f)󰀁(xyzeff)

(1)式中󰀁T(x,y,z)是总浓度表达式,zeff是点(xyz)的有效高度值,其表达式为zeff=z-zt,zt是该点处地形的高度值,那么󰀁(x,y,zeff)反映的就是地形对浓度分布的影响,也就是沿地形抬升烟羽的浓度表达式。f是两种烟羽状态的权函数,它决定着地形对浓度计算的影响程度。当f=1时,所有网格点的浓度计算按平坦地形上的扩散处理。权函数f由大气稳定度、风速以及烟羽相对于地形的高度等因素决定。在稳定条件下,水平烟羽占主导地位,赋给它的权值就大些;而在中性及不稳定条件下,沿着地形抬升的烟羽则被赋给较大的权值。在计算f之前,需要先计算在分界流线高度Hc之下的烟羽质量与总烟羽质量的比值󰀁:

󰀁=󰀁Hc

0󰀁(xyz)dz

󰀁󰀁0󰀁(xyz)dz

(2)

式中的Hc可由高度尺度hc计算得到,其计算方法与CTDMPLUS中的相应算法[9]相同。那么,就可将󰀁代入下式求得权函数f:f=0󰀁5(1+󰀁)(3)󰀁󰀁公式(1)的󰀁(xyz)的一般形式是:

󰀁(xyz)=QUpy(yx)pz(zx)(4)

233第20卷第4期王淑兰等:适用于固定工业源泄放的扩散模型-AERMOD󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

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空气质量模型

空气质量模型

空气质量模型是用数学方法来模拟影响大气污染物的扩散和反应的物理和化学过程。

基于输入的气象数据和污染源信息如排放率，烟囱高度等，这些模型可以模拟直接排入大气的一次污染物和由于复杂的化学反应形成的二次污染物。

这些模型对空气质量管理是非常重要的，因为他们被许多机构用来测算源分担率，同时帮助制定有效的削减污染物排放的政策。

例如空气质量模型可以用来预测一个新的污染源会不会达标排放，如果超标的话，还可以给出适当的控制措施。

此外，空气质量模型还可以预测未来新的政策法规实施后的污染物的浓度。

可以估计政策法规的有效性以及减少人类和环境暴露。

最常用的控制质量模型包括以下3类：一。

扩散模型。

这些模型主要用来模拟污染源附近接收点的污染物浓度。

扩散模型运用数学公式可描绘污染物扩散过程，基于源强和气象数据，扩散模型可以用来预测下风向接收点的浓度。

这些模型用来评估NationalAmbientAirQualityStandards(NAAQS), andotherregulatory requirements suchasNew SourceReview (NSR) andPreventionof SignificantDeterioration(PSD)regulations 的有效性。

扩散模型主要包括：1.Aermod模型系统是稳态大气扩散模式，适用于地面源和抬升源，简单和复杂地形。

2.Calpuff模型系统是非稳态大气扩散模式，适用于大范围传输和复杂地形。

3.BLPBLp是一个高斯烟流模型，适用于处理烟气抬升和下洗来自于固定线源4.CALINE3CALINE3是一个稳定的高斯扩散模型，用来预测不是很复杂地形的区域的高速路下风向接收点的浓度5.CAL3QHC/CAL3QHCRCAL3QHC CAL3QHC 基于CALINE3的精简版本开发，适用于十字路口的延误和排队等待。

CAL3QHCR 是6.CTDMPLUSComplexTerrainDispersionModelPlusAlgorithmsforUnstableSituations(CTDMPLUS) 是一个精简的点源高斯空气质量模型，定和中性气象条件。

第04章大气污染扩散模型环境保护概论ppt课件

第04章大气污染扩散模型环境保护概论ppt课件

平衡浓度为：
第六节 区域大气环境质量模型
多源大气环境质量模型 区域内大气中某一点的污染物浓度等于背景浓度和各
污染源对该点浓度的贡献值之和：
《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》中排放总量 限值的计算方法
第七节 厂址的选择和烟囱的设计
如果用y0表示烟流半宽度，z0表 示烟流半高度，则有：
封闭型扩散模式
计算简化：
熏烟型扩散模式
假设： D 换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，
则仍可用上面公式
熏烟型扩散模式
第五节 城市及山区扩散模式
城市大气扩散模式
1.线源扩散模式
风向与线源垂直时
边缘效应
城市大气扩散模式
2.面源扩散模式
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
简化为点源的面源扩散模式（续） 形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好
与正方形宽度相等
烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍
（正态分布：
）
确定 、 之后即可按点源计算面源浓度
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
窄烟流模式
某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向 两侧单元对其影响很小
定状态，σ较大，即σ与稳定度密切相关。
扩散参数的确定
P－G曲线法
P－G曲线:Pasquill常规气象资料估算；Gifford制成图表
方法要点
将大气稳定度分为6个等级： A — 极不稳定，B —不稳定，C — 弱不稳定， D — 中性，E — 弱稳定，F —稳定。
太阳辐射
稳定级别 下风距离
P-G曲线图 P-G 表
Eutrophication)
Acid Rain
估算模式手册

估算模式手册

估算模式用户手册1、估算模式AERSCREEN是AERMOD的估算模式，可计算点源、火炬源、面源、和体源的最大地面浓度，以及下洗和岸边熏烟等特殊条件下的最大地面浓度。

估算模式中嵌入了多种气象组合条件，不需要输入气象条件便可保守的估算某一污染源对环境空气质量的最大影响，即给出不同下风距离处的最大落地浓度。

此模式主要用于确定评价工作级别，估算出的地面浓度大于等于采用AERMOD模式用全部的气象数据和地形数据计算出的浓度。

2、模式获取估算模式的Readme、源代码、执行文件、用户手册以及技术文件可到国家环境保护总局环境质量模拟重点实验室网站下载。

3、数据需求数据需求视计算内容而定。

下面给出各种源强数据需求。

3.1 点源数据点源排放速率(g/s)，烟囱几何高度(m)，烟囱出口内径(m)，烟囱出口处烟气排放速度(m/s)，烟囱出口处的烟气温度(K)。

3.2 面源数据面源排放速率(g/(s.m2))，排放高度(m)，长度(m)(矩形面源较长的一边)，宽度(m)( 矩形面源较短的一边)；3.3 体源数据体源排放速率(g/s)，排放高度(m)，初始横向扩散参数(m)，初始垂直扩散参数(m)，体源初始扩散参数的估算见表 3.1，烟囱出口处周围环境温度(K)，计算点高度(m)。

表3.1 体源初始扩散参数的估算源的类型 初始横向扩散参数 初始垂直扩散参数地面源（he～0） σy0=源的横向边长/4.3 σz0=源的高度/2.15在建筑物上或邻近建筑物的源（he＞0） σy0=源的横向边长/4.3 σz0=建筑物高度/2.15有地形高度的源，但不在建筑物上或邻近建筑物的源（he＞0） σy0=源的横向边长/4.3 σz0=源的高度/4.33.4 建筑物的下洗建筑物高度（m），建筑物宽度（m），建筑物长度（m）。

3.5 岸边熏烟排放源到岸边的最近距离（m）。

3.6 其他计算点高度（m），风速计的高度（m）。

4、SCREEN3筛选模式使用说明4.1 操作方法（以点源为例）：在SCREEN3筛选模式所在的文件目录中，直接点击应用程序SCREEN3，然后根据提示符，选择相应的参数。

AERMOD中文参考手册

AERMOD中文参考手册

大气环境影响预测系统使用者参考手册一、简介大气环境影响预测系统是一款由浙江省环科院环评二所任剑波工程师开发的预测大气环境影响的界面化软件，其主要功能是对各类型污染源在不同条件下排放污染物进行模拟，计算其所造成的污染物地面浓度分布，用量化的方法预测污染源对大气环境的影响。

大气环境影响预测系统的核心模块采用《环境影响评价技术导则-大气环境》(HJ2.2-2008)推荐的美国Environmental Protection Agency的AERMOD预测模型和SCREEN3估算模式。

AERMOD是一个稳态羽烟扩散模式，可基于大气边界层数据特征模拟点源、面源、体源等排放出的污染物在短期（小时平均、日平均）、长期（年平均）的浓度分布，适用于农村或城市地区、简单或复杂地形。

AERMOD考虑了建筑物尾流的影响，即烟羽下洗。

模式使用每小时连续预处理气象数据模拟大于等于1小时平均时间的浓度分布。

AERMOD包括两个预处理模式，即AERMET气象预处理和AERMAP地形预处理模式。

AERMOD适用于评价范围小于等于50km的一级、二级评价项目。

估算模式SCREEN3 是一个单源高斯烟羽模式，可计算点源、火炬源、面源和体源的最大地面浓度，以及下洗和岸边熏烟等特殊条件下的最大地面浓度。

估算模式中嵌入了多种预设的气象组合条件，包括一些最不利的气象条件，在某个地区有可能发生，也有可能没有此种不利气象条件。

所以经估算模式计算出的是某一污染源对环境空气质量的最大影响程度和影响范围的保守的计算结果。

二、操作界面介绍大气环境影响预测系统界面非常友好，继承了windows操作系统软件的特点。

其最上方为命令菜单；在命令菜单的下方是快捷工具栏；左侧区域为目标管理窗口，可以更加方便的进行输入和管理预测模型所需的各类参数数据；右侧区域为工作区，用户可在此直接操作，例如添加底图，标明污染源、计算区域和预测点位置等。

1.菜单栏本软件操作界面中的菜单栏分为文件、显示、运行、计算结果、工具和关于六项。