污染气体扩散模型的可视仿真

V isua l Sim u la t ion of the Ga seou s Po llu tan t D iffu sing M odels
W ang Hongw ei L iu Zhenyuan Zheng Chuguang
(H uazhong U n iversity of Science and T echo logy,W uhan 430074)
1998 年 5 月
系统工程理论与实践
第 5 期
污染气体扩散模型的可视仿真α
王红卫 刘振元 郑楚光
(华中理工大学系统工程研究所, 华中理工大学煤燃烧国家重点实验室, 武汉 430074)
摘要 污染气体扩散模型的仿真在环境影响评价起着重要的作用, 本文主要研究了污染气体的仿真 模型及其参数计算方法, 提出了仿真系统中的可视化形式及相应的算法, 最终运用本仿真系统, 对某 市热电厂三期工程的扩建前后的 SO 2 长期平均浓度进行仿真。 关键词 气体扩散模型 可视仿真 仿真系统
2) 长期平均浓度分布: 由于长期时间 (年、季、月) 中大气稳定度、平均风速、风向等不同导致不同时期
应采用不同的参数和扩散模式计算平均浓度。 长期平均浓度是不同条件下短期平均浓度的加权平均。
IJ K
6 6 6 Cθ (x , y , z; H ) =
Cθ i, j, k (x , y , z ; H ) f i, j, k + CB
素来选择相应的模型。针对污染源排放特征常用的大气扩散模式有点、线、面三种模式, 对分布较集中的高
架污染群可近似作一个点源来处理, 对分布较开阔的低矮污染群采用面源模式处理。
大气环境影响评测工作中用得最多的是高架连续点源模式, 它假设地面无吸附作用, 在有风 (平均风 速 θuΕ 1m s) 时, 有[ 1, 3 ]:
的确定要依据具体的条件来计算, 不同的条件有不同的经验表示形式。
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2) 扩散参数 Ρy、Ρz 的计算
扩散参数 Ρy、Ρz 的确定有 Su tton 扩散模式、P - G 扩散曲线法以及一些在此基础上补充和发展的方
பைடு நூலகம்
法。 Ρy、Ρz 的计算与气象因素、地形条件有关, 依据实际情况确定其计算模型。
2 系统分析
α 本文于 1996 年 11 月 1 日收到 华中理工大学煤燃烧国家重点实验室开放基金和国家青年自然科学基金 (79400007) 资助
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污染气体扩散的可视化仿真系统根据已有的气象资料 (对过去气象观测的总结) 对某一地区的拟建工 程进行大气环境影响的可视化仿真和预测。系统流程如图 1 所示。在仿真和预测中, 涉及到气体扩散模型 的选择、相关参数的计算、浓度值估算及可视化仿真输出等环节。
为 x 轴正向) ; H 为污染源有效源高; 由此还可推出在污染气体对环境影响预测中常用的几个模型: 1) 地
面浓度; 2) 地面上轴线的浓度; 3) 地面上最大浓度及对应的方位。
除了上述有风点源扩散模型外, 仿真系统中还包括小风或静风点源扩散模型、熏烟扩散模型和无组织
面源扩散模型, 由于篇幅有限, 在此不作详细介绍。
本文从研究污染气体的仿真模型的选择及其参数计算方法出发, 综合考虑实际工程中可能出现的各 种因素和条件来预测污染气体对环境影响的程度, 并将气象、地形、污染源等因素纳入仿真计算中, 从而建 立包括原始数据录入及分析、扩散模型的自动选择和仿真结果可视化的仿真系统, 为探索一套完整的、合 理的多因素综合评价方法提供依据和参考。
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较为光滑的等值线, 并标注其阈值; 5) 确定其它等值线的阈值, 重复步骤 3) 和 4) , 直到所有等值线生成。
4 仿真实例
某市热电厂经过一期、二期建设, 现已形成了一定规模的发电和供热能力, 根据该城市的发展需要, 该 热电厂需进行三期扩建工程建设。三期扩建工程的主要目的是实现对以轻纺工业为主体的、在该热电厂附 近的工业区进行联片集中供热, 以替代工业区内的分散锅炉群, 联片集中供热单位包括以该热电厂为中心 半径为 5KM 范围内的 87 家企、事业单位。 为了分析该扩建项目建成运行后对环境的影响, 对扩建前后 SO 2 长期平均浓度进行了仿真。
Abstract Sim u la tion of ga seou s po llu tan t diffu sing m odels p lays a key ro le in environ2 m en ta l im p act a ssessm en t. In the p ap er, the sim u la ting m odels of ga seou s po llu tan t dif2 fu sing and its cacu la ting m ethods of the rela ted p a ram eters a re studied, the con ten t of visua liza tion and its a lgo rithm s a re a lso p resen ted. A t la st, there is an exam p le in w h ich long2term average concen tra tion SO 2 round abou t the th ird2term p ro ject ex tersion of a hea t and pow er p lan t in som e city is sim u la ted. Keywords ga seou s diffu sing m odel; visua l sim u la ting; sim u la ting system
CB 为本底浓度。
3 系统仿真的可视化形式和相应算法
污染气体对环境影响的预测涉及到气象、地形、污染源等多方面因素, 系统中将它们的有关内容以及 预测的结果以可视化的形式表现出来, 为综合评价提供全面、直观的参考和依据。 3. 1 可视化形式
1) 玫瑰图 标示各方位的指标数据大小, 适用于风向频率、风速、污染系数等。 图形可放缩, 且坐标及标尺可任意 选择, 几种玫瑰图还可叠加在一起。 2) 统计图 系统中污染物排放量、百分比或某气象参数对比等采用直方图的形式来表示。 3) 平面折线图 可采用线性—线性坐标、对数—线性坐标、线性—对数坐标、对数—对数坐标等多种坐标形式。在本系 统中应较广, 适用于温度日 (年) 变化、风速线、温度层曲线等。 4) 平面曲线图 适用于平面气温时间剖面图、风场时间剖面图、风温场时间剖面图、P —G 曲线等。 5) 区域等值线图 短长期浓度等值线图、布点图等均采用这种形式来表示, 在图中可用鼠标拾起实体进行信息查询。 3. 2 等值线生成算法 等值线是把实际值在已定义的区域上用图形表示的一种方法, 它在可视仿真中得到广泛的应用, 可表 示各种指标如浓度、温度等的分布情况。 下面给出浓度等值线图的生成算法: 1) 对评价区域作网格化处理, 并根据仿真模型求出每个网格顶点的浓度值, 从而实现浓度分布的离 散化; 2) 根据浓度分布情况, 确定等值线的阈值W ; 3) 因分布值沿网格边线线性分布, 考察每个网格 E FGH 的左边的两条边线 E F 和 EH , 如[f (E ) W ]·[f (F ) - W ]< 0, 则边线 E F 存在等值点; 如[ f (E ) - W ]·[f (H ) - W ]< 0, 则边线 EH 存在等值点。 根据线性分布的原则, 估算等值点的坐标。 对于横轴边 E F 上的等值点的横坐标为 xW = x E + (x F - x E ) · [W - f (E ) ] [ f (F ) - W ]; 纵轴边 EH 上的等值点的纵坐标为 yW = y E + (y H - y E ) ·[W - f (E ) ] [ f (H ) - W ]。 4) 分析所有同一阈值的等值点, 确定其起始点和终点, 对这些等值进行追踪, 用 B ez ier 曲线法形成
2. 2 扩散相关参数的计算
在实际工程应用, 扩散模式中的 Ρy、Ρz、H 一般由经验 (公式或统计图表) 或实验测定来获取, 本文采用 经验方法来计算。
1) 有效源高 H 的计算 烟气扩散有效源高 H : H = H s+ ∃H 其中: H 为烟囱实体高度, ∃H 为烟气抬升高度。
在污染气体排放过程中, 烟气的抬升受烟气本身的热力、动力性质及气象、地形条件的影响, 故此 H
2. 3 评价中需预测的浓度分布类型
大气环境影响评价中常用到对两种类型浓度分布的预测: 长期平均浓度分布和短期平均浓度分布。
1) 短期平均浓度分布: 根据地域气象等条件由相应的模式计算主导风向、次主导风向下以及关心方位
的一次性 (采样时间) 空间浓度分布、地面轴线浓度分布、地面浓度分布及最大地面、空间浓度等。
Cθ (x , y , z; H ) =
Q 2ΠΡy
Ρz
θu
exp
-
y2 2Ρy2
exp
(z - H ) 2 2Ρz2
+
exp
-
(z + H ) 2 2Ρ2z
其中: Cθ (x , y , z , H ) 为 (x , y , z ) 处的一次性浓度; Q 为污染源源强; Ρy , Ρz 为 y , z 方向的扩散系数 (平均风向
图 1 系统流程图
2. 1 气体扩散模式
影响污染气体扩散的因素很多, 不同地形有不同下垫面, 造成风场、温度场不同, 扩散模式及相关参数
也就有较大差异。 自然界逆温的产生、消失、微风及静风作用、危险风速、下垫面清洗作用以及污染气体相
互间的化学作用等也会产生不同的扩散效果。在仿真计算中应根据具体的气象条件、地形条件及污染源因