浅析复杂地形对污染物扩散的影响_火电厂环评污染气象分析实例总结

ＮＯ ２ 日 均 落 地 浓 度 随 着 烟 源 高 度 的 降 低 而 增大。 ③满足 《环境空气质量标准》 中二 级标准要求，其最大值约为复杂地形条件 下的１０％，最大日均浓度约为复杂地形条件 下的２６．３％。 由此可见，在源强、 气象参数等 预测参数不变的情况下，简单地形条件下 更有利于污染物的扩散。 将工程所在区域地形图与网格点处 ＮＯ ２ 最 大 小 时 浓 度 等 值 线 图 进 行 对 照 分 析 可得出，复杂地形条件下，污染物的扩散主 要沿着山谷走势而变化，污染物在遇到高 山 阻 挡 时 ， 沿 着 山 壁 扩 散 至 山 谷 深 处 ， 同时 浓度等值线分布图在受障碍物影响的区域 呈现出弯曲扩散的趋势；而在平原处因没 有障碍物的阻挡，浓度等值线分布图呈圆 弧线均匀扩散。
∂C ，那么，污 染 物 扩 散 的 基 正 比 ： −uc = K ∂x
本方程就变为如下形式：
∂C ∂C ∂ ∂C +U = K + q ( xs ) ∂t ∂x ∂x ∂x
其中，Ｋ 为湍流扩散系数。 上式表示的 是基本方程的一维形式，可将其扩展为三 维 形 式 ［４，５］ ：
１ 实例工程预测结果与分析
（１）项目概况。 本 文 所 举 实 例 工 程 为 国 投 伊 犁 热 电（ ２ ×３３０级）工程，该工程位于新疆伊宁县西北 侧约１１ｋｍ（直线距离），烟囱高度为２４０ｍ，烟 囱 基 底 海 拔 高 度 为８５４ｍ， 在 厂 址 右 侧４ ｋ ｍ 处 山 区 的 海 拔 高 度 为１２２３ｍ，山 区 的 海 拔 高度超过烟囱高度， 根据 《环境影响评价技 术导则・大气环境》 （ＨＪ２．２－２００８）中对复杂 地 形 的 界 定， 本 工 程 所 在 区 域 为 复 杂 地 形 。 （２ ） 预测结果与分析。 预测结果选取占标率最大的污染因子 ＮＯ ２为 例 。 分 别 预 测 不 同 地 形 条 件（ 简 单 地 形、 复 杂 地 形 ），不 同 污 染 源 高 度 （２１０ｍ、 ２４０ｍ）组合条件下的ＮＯ ２最大落地小时、 日 均浓度值变化情况。 得出以下结论。 ①复杂地形条件下，ＮＯ ２ 小时落地浓度 值随着烟源高度的降低而减小，２１０ｍ烟 囱高度条件下的最大小时落地浓度值比 ２４０ｍ条件下的最大小时落地浓度值减小 约 １ ２ ． ４ ％ ；ＮＯ ２ 日均落地浓度随着烟源高度 的降低而增大。 ②简单地形条件下，ＮＯ ２ 小时落地浓度 值随着烟源高度的降低而增大，２１０ｍ烟囱高 度条件下的最大小时落地浓度值比２４０ｍ条 件 下 的 最 大 小时落地浓度值增大约２２．２％；
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污染及防治
浅析复杂地形对污染物扩散的影响
——火电厂环评污染气象分析实例总结
李君 １ 曹琼辉 ２ （ １ ． 新疆乌鲁木齐市电力设计院 乌鲁木齐 ８ ３ ０ ０ ０ ０ ； ２ ． 河南省环境保护厅 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ４ ） 摘 要 ：利用中尺度气象模式ＡＥＲＭＯＤ，结合实际工程案例，通过资料分析与模拟计算，研究了伊犁冬季ＮＯ ２ 随地形复杂程度不同的扩散特 点，同时通过对国内外关于复杂地形对大气污染物扩散的研究分析，对复杂地形上大气污染物扩散以及湍流风场的研究分别作了介绍，同 时列出了求解湍流风场和污染物扩散的基本方程组， 为解决此类问题提供参考。 关键词：复杂地形 污染物扩散 Ｎ Ｏ ２ 扩散特征 方程式 中图分类号：Ｘ５ 文献标识码： Ａ 文章编号 ：１６７２－３７９１（２０１１）０６（ｃ）－０１４６－０２ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｍｅｓｏ－ｓｃａｌｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ＡＥＲＭＯＤ，ａｎｄ ｃａｓｅｓ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｄａｔａ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｄｅｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＮＯ２ ｄｕｒｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｒｒａｉｎ ａｂｏｕｔ ｗｉｎｔｅｒ ｏｆ Ｙｉｌｉ ｃｉｔｙ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｂｕｙ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｅｒｒａｉｎ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ｆｏｒ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ａｂｏｕｔ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｅｒｒａｉｎ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ａｌｌ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒｓ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｌｉｓｔｓ ｔｈｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｅｒｒａｉｎ；Ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ；ＮＯ２；Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅ；Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．
３ 复杂地形大气污染物扩散研究
美 国 环 保 署 （ＥＰＡ） 提 供 了 许 多 大 气 污 染物扩散的数值模型，这些模型大多以高
∂C ∂C ∂C ∂C ∂ ∂C ∂ ∂C ∂ ∂C +U +V +W = K + ［ ＭK K版 社 ， １ +９q x． y z ］ ．北 京 ：+ 气象出 ９２ ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ［３］ 龙 学 著 ， 余 金 香 ， 陈 长 和 ． 复 杂 地 形 上 大 斯烟羽模型为基础。 高斯烟羽模型以统计 ∂C ∂C ∂C ∂C ∂ ∂C ∂ ∂C ∂ ∂C 的 三 维 数 值 模 拟 ［Ａ］． 陈 长 和 ， 黄 理论为基础，并依赖于经验公 式 ， 这+ 使 得其 +W +U V = K X + K + K + q气 xs扩 y散 y z s zs ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x ∂x ∂y ∂z ∂y 建国，程麟生，等．复杂地形上大气边界 ∂z 应用范围被限制在了平坦地形上的污染物 ∂C ∂C ∂C ∂C ∂ ∂C ∂ ∂C ∂ ∂C 层 和 大 气 扩 散 的 研 究 ［ Ｃ ］ ． 北 京 ：气 象 出 扩 究 。 考虑 形对大 污染 物扩 + U散 研 + V +复 W 杂 地= K气 + Ky + Kz + q( xs , ys , zs ) X ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z 应 ∂z 版社，１９９３：１２９～１３７． 散影响的重要性，以及在实际工作中 用
参考文献
［１］ Ｗａｌｍｓｌｅｙ ＪＬ，Ｔａｙｌｏｒ ＰＡ．Ｂｏｕｎｄａｒｙ－ ｌａｙｅｒ ｆｌｏｗｏｖｅｒｔ ｏｐｏｇｒａｐｈｙ：ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｋ ｅｒｖｅｉｎ ｓｔｕｄｙ．Ｂｏｕｎｄａｒｙ－Ｌａｙｅｒ Ｍｅｔｅｏｒｏｌ，１９９６（７８）：２９１ ～３２０． ［２］ 桑 建 国 ， 温 市 耕 ． 大 气 扩 散 的 数 值 计 算
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模拟， 也逐渐地应用到具有实际工程意义的 研究中。 在 计 算 二 维 和 三 维 地 形 上 风 场 时， 双方程湍流模型、 代数应力模型和混合长湍 流闭合模型都得到了应用。 总的来说，理论研究的应用范围较小； 试验方法由于前面所述的原因困难重重； 数值方法虽在一定程度上推动了该课题的 研究，但仅仅依靠数值方法也无法准确地 解决实际问题。 因此，在实际的应用中，往 往是理论研究、 试验方法和数值方法结合 起来使用， 以弥补各自的不足。 ｕ、 ｃ表示脉动风速和脉动浓度。 通过引入δ 函 数 ， 源 函 数 q ( xs ) 可 由 Q (t ) ⋅ δ ( x − xs ) 来 表 示， 其 中 Ｑ （ ｔ ） 是 源 的 泄 放 速 率 ，ｘｓ 表 示 泄 放 源的位置。 若湍流子模型采用梯度输送理论，即 认为污染物的输送通量与平均浓度梯度成
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少等诸多优点，已成为研究该课题的一个 强有力的工具。 但 是， 在 进 行 数 值 研 究 的 同 时不能离开试验的协助、 验证。 另外，在进 行数值模拟时，应在预测湍流风场的基础 上， 进 行 大 气 污 染 物 扩 散 的 模 拟 ， 不 能 忽 视 由地形引起的湍流风场的变化对污染物浓 度分布的影响。
复杂地形上的大气扩散规律是空气污 染气象学研究中的重要课题。 我国是个多山 国家， 发 展 工 业 、 能源和交通都必然涉及到 复杂地形上的大气环境问题。 由于新疆地域 宽 广 ， 地 形 复 杂 多 样， 大 多 数 地 区 属 于 山 区 或丘陵地带，这便给处于该地区的火电厂环 评大气的预测增加了难度。 根据 《环境影响 评价技术导则 ・ 大气环境》 （ＨＪ２．２－２００８）中相 关规定， 此类地区属导则中描述的复杂地 形。 复 杂 地 形 情 况 下， 对 污 染 物 扩 散 的 影 响 程度与地形地物的形状、 高低、 体积等有密 切的关系。 如山脉、 河流、 沟谷的走向对主导 风向有较大的影响， 气 流 将 沿 山 脉 、 河谷流 动；山脉的阻滞作用对风速也有很大影响， 尤其是在封闭的山谷盆地，因四周群山屏障 的影响， 往往是静风、 小风频率占很大比例， 不利于大气污染物的扩散；城市中的高层建 筑物、 体形大的建筑物和构筑物都能造成气 流在小范围内产生涡流， 阻碍污染物质迅速 扩散， 而停滞在某一地段， 加重污染。 一般规 律是建筑物背风区风速迅速下降，污染物浓 度增高。 由于复杂地形影响了空气流场的分 布，使得大气污染物分布有别于平原地形， 常会导致同一地形的不同部位或同一部位 的不同时间出现异常的高浓度，但形成这种 异常高浓度的原因、 机 理 各 不 相 同， 一 般 主 要有以下几种情况。 （１）山 体 反 射 。 由 于 山 体 地 势 较 高，使得 污染源排放的污染物被山体阻挡，形成反 射，造 成 局 部 地 区 高 浓 度 。 （ ２ ）烟 流 撞 山 。 在 山区等复杂地形中，由于四周高耸的地形， 使得污染源排放有效高度完全或部分损 失，从 而 迎 风 坡 出 现 高 浓 度 。 （ ３ ）烟 气 下 洗 。 在山体背风坡，由于地形波和强烈的垂直 扰动， 使 得 过 山 的 污 染 物 迅 速 下 泄 ， 形 成 烟 气 下 洗 ，造 成 地 面 高 浓 度 。 （ ４ ）冷 泄 流 。 由于 夜间山体冷却较快，夜间冷空气沿山体下
滑， 将 污 染 物 向 山 谷 中 汇 集 ， 造 成 局 部 高 浓 度。 （５）熏烟。 山谷等复杂地形容易形成局部 熏烟，使 地 面 浓 度 超 高 。 （ ６ ）静 稳 条 件 。 由于 地 形 阻 挡 ， 复 杂 地 形 容 易 出 现 静 风 区 ， 使污 染 物 累 积 而 形成高浓度 ［ １ ］ 。 本文利用某工程实例，分析复杂地形 下污染物扩散特点，并结合国内外对复杂 地形条件下污染物扩散的研究进展，提出 求解湍流风场和污染物扩散的基本方程 组，为解决此类问题提供参考。
２ 复杂地形上湍流风场的研究历史
污染物在大气中扩散的状态往往受局 部风场和大气稳定度的影响很大，特别是湍 流风场的变化。 因 此， 在 进 行 复 杂 地 形 上 污 染物扩散问题的研究的同时， 通常对扩散区 域的湍流风场进行分析、 模拟。 大多数的早 期研究将研究范围限制在了简单地形和中 性 分 层 大 气 的 前 提 下 ， ２０ 世 纪 ９０年 代 以 来， 在对复杂地形上的风场进行数值模拟时，开 始采用地形追随坐标系统和包含双方程湍 流模型的高阶闭合模式。 为了得到好的模拟 效果， 提出了多种湍流模型， 其中， 双方程湍 流 模 型 应 用 最 广 ， 尤 其 适 用 于 边 界 流 动； 雷 诺 应 力 模 型 ， 也 称 为 二 阶 闭 合 模 式， 适 用 于 所有的雷诺应力输运方程， 但是其公式非常 复杂，求解十分困难 ［２］；代数应力模型是雷诺 应力模型的简化形式， 在计算旋转流动中有 一定的优势；此外，用于非定常流动的大涡