大气污染扩散模型对比研究

新导则推荐的大气污染扩散模型研究学生姓名：韩 亮学 号：06036210专业班级：环境工程 06-2指导教师：安 慧2010年 4月 2日摘要本文首先针对《环境影响评价技术导则-大气环境》新旧版中的预测模式进行了对比分析，然后针对新版大气导则推荐的三种模型：AERMOD 模型、ADMS 模型、和 CALPUFF 模型作了详细的介绍，并对三种模型的内容、特点及应用情况进行了对比研究在此基础上，本文以广西石化 1000 万吨/年炼油工程为例，在调查所在地的地形条件、气象资料和污染源参数的基础上，确定了大气环境影响评价等级，然后从三种模型中选择出了最适合的 AERMOD 模型进行大气环境影响预测预测结果表明，广西石化炼油工程的主要污染物 SO2和 NO2的最大小时浓度、日均浓度、年均浓度均满足《环境空气质量标准》的二级标准要求关键字：大气预测；AEROMD 模型；ADMS 模型； CALPUFF 模型AbstractRecently，with the atmosphere issues becoming more and more prominent, air pollution control is receiving lots of attention by more and more people. Therefore, in December 2008, the Environmental Protection Department promulgated and implemented the "Technical Guidelines for Environmental Impact Assessment of Atmospheric Environment". In its new guidelines, it recommends the three atmospheric dispersion models: ADMS model system, AERMOD model system, CALPUFF model system. This paper focuses on the characteristics of the three models, a comparative study of the three models and an introduction of the application of the three models in practice.Keywords: Air pollution dispersion model;Model Comparison;Model application第 1 章 新旧版大气导则预测模式的对比介绍大气污染扩散模式是一种用以处理大气污染物在大气中输送、扩散问题的物理和数学模型，在理论模型基础上结合排放参数、气象资料及地形条件等开发出各种应用软件,用于空气污染预报、环境影响评价、城市大气环境容量测算及城市规划和决策等。

在进行城市大气污染控制和管理工作中,常常需要借助大气扩散模型对某些排放的污染物浓度进行预测，而由于影响扩散过程的气象条件、地形、下垫面状况及污染本身的复杂性,到目前为止,基于现有的理论,还不能找到一个适用于各种条件的大气扩散模式来描述所有这些复杂条件下的大气扩散问题因此我国于1993年颁布了《环境影响评价技术导则-大气环境》(GB/T2.2-1993)，用于指导建立大气扩散模型进行大气扩散问题的描述 [1]旧版的大气导则推荐模式为高斯扩散模式，其以K理论（大气湍流交换理论）为依据,在污染物浓度符合正态分布的前提下导出在地形方面要求下垫面平坦、开阔、性质均匀,平均流场平直、稳定,不考虑风场的切变；在扩散过程中要求污染物本身是被动、保守的,即污染物和空气无相对运动,且扩散过程中污染物无损失、无转化,污染物在地面被反射；扩散在同一温度层集中发生,平均风速大于1.0 m/s，对气象要求稳定，均一，适用范围一般小于20 km但是，旧版的大气导则在描述大气扩散时有很多的不足高斯扩散模式假定大气中的污染物扩散在空间上遵循高斯分布,假设地面和混合层顶均为不可穿透的平面；按照Pasquill稳定度分类方法将大气边界层的稳定度分为6类,扩散参数由稳定度、扩散距离和时间决定,因此,采用的稳定度分类和扩散参数是不连续的。

这不仅在理论上与大气边界层的湍流特征的连续变化相违背,也与近几十年对湍流扩散的研究成果不符,尤其是在对流条件下旧版的大气导则推荐的模式存在的问题主要表现在:①不稳定条件下,对于中等以上有效高度的排放源,其地面浓度预测值和实测值之比,明显偏低；②未能反映浮力烟羽抬升到混合层顶部附近的实际扩散过程,地面浓度预测值误差较大；③扩散参数和大气稳定度不连续；④没有考虑建筑物下洗问题 [1]鉴于旧导则推荐模型中的这些问题，我国于2008年12月，环境保护部颁布实施了《环境影响评价技术导则大气环境》(HJ2.2-2008) ，这是1993年颁布的《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ/T2.2-93）的修订版修订后的大气导则标准号由HJ/T变更为HJ系列，不再作为推荐性标准，而进入国家强制性环境保护标准体系新导则推荐了三个模型，分别为ADMS、AERMOD和CALPUFF模式其中ADMS和AERMOD模式属于中小尺度精细计算模式,一般适用于评价范围在50km以内区域的大气扩散计算而CALPUFF模式适用于中尺度区域大气扩散计算,评价范围一般在50km以上下表是对三种模型的简单对比表1-1 三种模型的简单对比名称 ADMS模型 AERMOD模型 CALPUFF模型适用范围评价范围小于等于50千米的一级、二级评价项目评价范围小于等于50千米的一级、二级评价项目评价范围大于50千米的区域和规划环境影响评价污染源类型 点源、面源、线源、 体源 点源、面源、体源 点源、面源、线源、 体源复杂地形 适用 适用 适用复杂风场 不适用 不适用 适用建筑物下洗 支持 支持 支持干、湿沉降 支持 支持 支持化学反应 简单化学反应 简单化学反应 复杂化学反应模拟污染物 气态污染物、颗粒 物 气态污染物、颗粒 物 气态污染物、颗粒 物、能见度对气象数据最低要求地面气象数据及对应高空气象数据 地面气象观测数据 高空气象数据另外，ADMS是唯一能处理瞬间排放污染物的输送和扩散的模式；AERMOD对地面源和高架源的情形都适用，运算时间相对ADMS较快；CALPUFF主要应用于大尺度，CALPUFF可模拟气体污染物的大范围输送，采用多点时空变化的逐时气象场，模拟结果更接近实际大气扩散真实的扩散情况。

CALPUFF也能评估二次污染颗粒的浓度，这是其他以高斯理论为基础的模式所不具备的新版大气导则推荐的模式具有下述特点：①按空气湍流结构和尺度概念，湍流扩散由参数化方程给出，稳定度用连续参数表示②中等浮力通量对流条件采用非正态的PDF模式③考虑了对流条件下浮力烟羽和混合层顶的相互作用即浮力烟羽抬升到混合层顶部附近时，考虑了3个方面的问题：烟羽到达混合层顶时，除了完全反射和完全穿透之外，还有“部分穿透和部分反射”问题；穿透进入混合层上部稳定层中的烟羽，经过一段时间后，还将重新进入混合层,并扩散到地面；烟羽向混合层顶端冲击的同时，虽然在水平方向也有扩散，但相当缓慢,一直到烟羽的浮力消散在环境湍流中,烟羽向上的速度消失后,才滞后地扩散到地面④具有计算建筑物下洗功能 [1]新导则推荐的模式相对于旧导则在模式的应用方面,最大的特点是“统一”和“标准”旧导则只是推荐了高斯模式,但是没有提供统一的计算源代码,由于不同单位或者个人编程能力的差异,往往导致不同单位之间计算结果差异较大而且旧导则的模式只能体现大气污染物在大气中的物理输送而新大气导则模式则要复杂的多,无论是ADMS还是AERMOD、CALPUFF不仅能模拟大气污染物在空气中的物理输送,而且还可以体现物理的干、湿沉降,甚至一些简单的化学反应。

本文拟对三种模型进行详细的介绍和比较，并选用合适的模型对广西炼油工程进行大气环境影响预测和评价第 2 章 新版导则推荐的大气污染扩散模型对比研究2.1 ADMS 模型2.1.1 ADMS 模型概述ADMS（Atmospheric Dispersion Modeling System）模型是由英国剑桥环境研究中心（CERC）开发的，应用基于Monin-Obukhov长度和边界层高度来描述边界层结构和参数的最新物理知识，边界层结构被可直接测量的常规气象要素定义，使其随高度的变化而变化的扩散过程更真实地表现出来ADMS模型是一个三维高斯模型，以高斯分布公式为主计算污染浓度，但在非稳定条件下的垂直扩散使用了倾斜式的高斯模型ADMS模型系统包括气象数据输入模块，边界层参数计算模块，烟羽抬升和浓度计算模块、干湿沉降和化学处理模块和复杂地形模块及建筑物模块其中，气象数据输入模块，应用标准的气象站数据，产生模式运行所需要的数据，如边界层高度，Monin—Obukhov长度，摩擦速度，风向，降水率，边界层顶逆温层和温度梯度等边界层参数计算模块，计算出边界层的平均风速，湍流分量(即各风速分量的方差)，湍流的长度尺度和Lagrangian时间尺度，能量耗散率，温度和浮力频率。

烟羽抬升和浓度计算模块用于计算扩散参数和浓度分布烟羽的抬升采用的是轨迹模式，可预测热气态物质连续释放的上升迹线与稀释，其基本理论是一个包括部分或全部逆温穿透的顶盖积分模型，假设涡流区烟羽的物性参数（速度、密度等）是均匀的，通过积分一组质量和热量守恒的物质守恒一阶线性微分方程组得到烟羽抬升的轨迹复杂地形模块及建筑物模块提供了山地、沿海、城区及建筑物尾迹中的污染浓度计算方法ADMS的山区复杂地形模块模拟了山体上和地面粗糙度改变的区域上的扩散，计算了复杂地形上的风场和湍流场，并利用复杂地形上的风场和湍流场修正平坦地形下烟羽高度和烟羽扩散系数，再采用平坦地形下的浓度计算公式计算浓度的分布2.1.2 ADMS 模型的基本公式ADMS以高斯模型为主计算污染物浓度，在不稳定条件下，摒弃了高斯模型体系，针对对流边界层的特殊特性，采用了非高斯的PDF模型，考虑了在大气边界层中湍流歪斜的性质，解决因这种现象导致的近地面的高浓度现象2.1.2.1 PDF 模式在不稳定条件下,对低浮力烟羽采用 Weil(1984)的 PDF 模式计算地面浓度即：] （2-2YyC1exp[()2FvY1） 式中：C——污染源下风向任一点(x,y,z)的污染物浓度( )；3/mgΣy——Y 方向扩散参数(m)；σv——垂直方向扩散参数(m)；Y——预测点 Y 轴方向的距离(m)；——烟羽中线水平宽度(m)；FYCY——地面横风向积分浓度(mg/m3)。

和 由下式确定: yv（2-12123(/)[0.5/()](0.).6.,/*8()vmmxrmy iiXuuTFFZwL2）（2-1 21 2exp()exp()Yz zz zCuhfhfhQ3）式中： ——下风向距离(m)；mX——垂直动能通量 ；F2W/m——地面摩擦速度(m/s)；w*u——烟气速度(m/s)；——计算 X 方向扩散的采样时间(h)；xrT——地表粗糙度(m)；iZ和 ——分别为上升和下沉气流所对应的权重系数, + =1；1f2 1f2h1和 h2——分别为上升和下沉气流的扩散速度与平均扩散速度差(m/s)；h——烟羽高度(m)；和 ——分别为上升和下沉气流所对应的垂直速度标准差；1z2Q——源强(g/s)2.1.2.2 小风对流模式在不稳定条件下,对高浮力烟羽采用 Briggs(1985)的小风对流模式,即（2-4）21433*1233**23**31*0.2()exp.6。