大气环境容量测算模型简介(环发[2003]141号)

附件二：大气环境容量测算模型简介说明：本部分内容是“重点城市大气环境容量核定工作方案”中提到的各推荐模型的简介，主要目的是为了使各城市了解各模型的功能和基本原理，同时，了解如选用该模型，都需要准备哪些输入数据，以便各城市根据本市的实际情况，提前准备。

第一部分大气扩散烟团轨迹模型1 大气扩散烟团轨迹模型简介该模型由国家环境保护总局环境规划院开发。

烟团扩散模型的特点是能够对污染源排放出的“烟团”在随时间、空间变化的非均匀性流场中的运动进行模拟，同时保持了高斯模型结构简单、易于计算的特点，模型包括以下几个主要部分。

1.1 三维风场的计算首先利用风场调整模型，得到各预测时刻的风场，由于烟团模型中释放烟团的时间步长比观测间隔要小得多，为了给出每个时间步长的三维风场，我们采用线性插值的方法，利用前后两次的观测风场内插出其间隔时间内各个时间步长上的三维风场，内插公式如下：[] ()tttn n itVtVtVVi∆-=⋅-+=1212 1)( )( )(式中： V(t 1)、V(t 2)—分别为第1和第2个观测时刻的风场值；t ∆—烟团释放时间步长；n —为t 1、t 2间隔内的时间步长数目；V i —表示t 1、t 2间隔内第i 个时间步长上的风场值。

1.2 烟团轨迹的计算位于源点的某污染源，在t 0时刻释放出第1个烟团，此烟团按t 0时刻源点处的风向风速运行，经一个时间步长t ∆后在t 1时刻到达P 11，经过的距离为D 11，从t 1开始，第一个烟团按P 11处t 1时刻的风向风速走一个时间步长，在t 2时刻到达P 12，其间经过距离D 12，与此同时，在t 1时刻从源点释放出第2个烟团，按源点处t 1时刻的风向风速运行，在t 2时刻到达P 22，其经过的距离为D 22，以此类推，从t 0时刻经过j 个t ∆，到t j 时刻共释放出了j 个烟团，这时，这j 个烟团的中心分别位于Pij ，i=1，2，…j ，设源的坐标为（Xs ，Ys ，Zs(t)），Zs(t)为t 时刻烟团的有效抬升高度，Pij 的坐标为（Xij ，Yij ，Zij ），u 、v 分别为风速在X 、Y 方向的分量，则有如下计算公式：t 1时刻：211211111001100110011)()()](,,,[)](,,,[)](,,,[s s s s s s s s s s s s s s Y Y X X D D t t Z Y X t W Z Z t t Z Y X t V Y Y t t Z Y X t U X X -+-==∆⋅+=∆⋅+=∆⋅+=t 2时刻：2222222222112211221122211122111211121121111111111121111111111211111111112)()()](,,,[)](,,,[)](,,,[)()(],,,[],,,[],,,[s s s s s s s s s s s s s s Y Y X X D D tt Z Y X t W Z Z t t Z Y X t V Y Y t t Z Y X t U X X Y Y X X D D D D tZ Y X t W Z Z t Z Y X t V Y Y tZ Y X t U X X -+-==∆⋅+=∆⋅+=∆⋅+=-+-+=+=∆⋅+=∆⋅+=∆⋅+=以此类推，到tj 时刻，共释放出j 个烟团，这些烟团最后的中心位置分别在Pij ，Xij ，Yij ，Zij ，i=1，2，… j ，对于第i 个烟团有：2)1(2)1(11)1()1()1(1)1()1()1()1(1)1()1()1()1(1)1()()(],,,[],,,[],,,[---=----------------+-+==∆⋅+=∆⋅+=∆⋅+=∑j i ij j i ij j i jk ik ji j i j i j i j j i ij j i j i j i j j i ij j i j i j i j j i ij Y Y X X D D D t Z Y X t W Z Z t Z Y X t V Y Y t Z Y X t U X Xj i D 为i 个烟团从源点释放后到tj 时刻所经过的距离。

1.3 浓度公式由前一个小节的计算，已找到由S 点(Xs ，Ys)的污染源释放出来的所有烟团在第j 个时刻所处的位置，这样S 处的污染源在第j 个时刻在地面某接受点R(X 、Y 、0)处造成的浓度就是所有i 个烟团的浓度贡献之和。

考虑中心位于Pij 的烟团对R 点的浓度贡献，则有：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆⋅-=∆⋅-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=⋅⋅⋅⋅=222222322)(2)(2)()2(z d d b y ij Y x ij X db Z Y X zy x si t j V EXP C t j b EXP C Y Y EXP C X X EXP C C C C C C Q C σσσσσσπ式中：Qs —源强，mg/s ；z y x σσσ、、：—X 方向、Y 方向、Z 方向的大气扩散参数，m ；Cx 、Cy 、Cz ：—X 、Y 、Z 方向扩散项，Cz 在后面给出算式； C b 为污染物转化项，b 为转化率，1/s ； C d 为污染物沉降项，V d 为沉降速率，m/s 。

由于考虑到烟团对混合层的穿透作用及混合层对烟团的反射作用，垂直扩散项分以下几种情况讨论：当混合层高为零时（即无混合层时）有：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=22222)(2)(z ij z ij z Z Z EXP Z Z EXP C σσ计算地面浓度时，Z=0，则有：)2(22zijz Z EXP C σ-=当混合层高度Zi 不为零时，垂直扩散项分以下几种情况计算。

设排放源几何高度为hs ，混合层高度为Zi ，令hs -Z Z i 'i =，设烟气抬升高为h ∆（烟气抬升高度用“国标HJ/T2.2-93”推荐的模式计算），我们可定义烟气穿透率：hZ p i ∆-='5.1，按不同的P 值，分别计算Cz 。

当P=0，即'32i Z h ≤∆时，认为污染物全在混合层内，按封闭性扩散式计算，即污染物在混合层与地面间多次反射。

∑-=-=NNn zi ij z nZ Z EXP C ]2)2([22σ式中：N －为反射次数，一般取为N=4即可。

当P ＞1时，即'2i Z h >∆ 时，认为污染物完全穿透混合层，并在混合层以上的稳定层中扩散，由混合层的阻挡而不能到达地面，这时令Cz=0。

当0<P<1，即''232i i Z h Z <∆<时认为是部分穿透情形，这时有部分污染物抬升到混合层以上，而（1-P ）部分被封闭在混合层以内，Cz 按下式计算：21z z z C C C +=许多文献认为穿透到混合层以上的污染物被阻挡后不能向地面扩散，当地区大气层结处于中性偏稳定结构时，混合层对污染物的阻挡作用并不是很强，这时可设计成让这部分烟团在)(h hs Z Z ij ij ∆+=高度上向下扩散，则有：)2(221zijz Z EXP P C σ-⋅=而（1-P ）部分的烟团在Zi 处按封闭扩散：]2)2([)1(222∑-=---=NN n zi ij z nZ Z EXP P C σ1.4 大气扩散参数1.4.1 有风时扩散参数σy 、σz 的确定（0.5h 取样时间）(1) 平原地区农村及城市远郊区的扩散参数选取方法如下：A 、B 、C 级稳定度直接由表1.4-1和表1.4-2查算，D 、E 、F 级稳定度则需向不稳定方向提半级后由表1.4-1和表1.4-2查算。

(2) 工业区或城区中的点源，其扩散参数选取方法如下：A 、B 级不提级，C 级提到B 级，D 、E 、F 级向不稳定方向提一级，再按表1.4-1和表1.4-2查算。

(3) 丘陵山区的农村或城市，其扩散参数选取方法同工业区。

1.4.2 小风和静风（U 10＜1.5m/s) 时，0.5h 取样时间的扩散参数按表1.4-3选取表1.4-3 小风和静风扩散参数的系数01γ、02γ()T z y x0201,γσγσσ===1.5 烟气抬升公式1.5.1 有风时，中性和不稳定条件的烟气抬升高度△H （m ）（1）当烟气热释放率Q h 大于或等于是2100KJ/s ，且烟气温度与环境温度的差值△T 大于或等于35K 时，△H 采用下式计算：121-=∆U H Q n H n hn osh T TQ P Q ∆=υα35.0 αT T T s -=∆式中： n o ——烟气热状况及地表系数，见表1.5-1；n 1——烟气热释放率指数，见表1.5-1；n 2——排气筒高度指数，见表1.5-1； Q h ——烟气热释放率，KJ/s ；H ——排气筒距地面几何高度，m ，超过去240m 时，取H =240m ；P a ——大气压力，hP a ；Q v ——实际排烟率，m 3/s ；△T ——烟气出口温度与环境温度差，K ； T s ——烟气出口温度，K ； T a ——环境大气温度，K ；U ——排气筒出口处平均风速，m/s 。

表1.5-1 n o 、n 1、n 2的选取（2）当1700 kJ /s ＜Q h ＜2100KJ/s 时，()400170021-∆H -∆H +∆H =∆H h Q()()U Q U Q D V h h s /1700048.0/01.05.121--+=∆H式中： V s ——排气筒出口处烟气排出速度，m/s ；D ——排气筒出口直径，m ；△H 2——按（1）方法计算，n o 、n 1、n 2按表1.5-1中Q h 值较小的一类选取；Q h ，U ——与（1）中的定义相同。

（3）当Q h ≤1700kJ/s 或者△T ＜35K 时，()U Q D V H h s /01.05.12+=∆1.5.2 有风时,稳定条件按下式计算烟气抬升高度△H(m)。

3/13/13/10098.0-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∆U dZ dT QH hα 1.5.3 静风和小风时，按下式计算烟气抬升高度△H(m).。

8/34/10098.050.5-⎪⎭⎫⎝⎛+=∆H dZ dT Qhα但dZdT α取值不宜小于0.01K/m 。

2 模型运行所需数据数据文件1：共四行： 第1行：X 方向网格点的数目（MX ），Y 方向网格点的数目（MY ），Z 方向风的观测数据层数目（MZ ），最大有效烟团数（NT ，默认110），污染源数目（MSC ），气象观测小时数目（NTimes ），稳定度数目（NeleTa ，默认24）；第2行：烟团的时间步长（分，默认30.0） 第3行：X 方向步长（m ，默认1000.0），Y 方向步长（m ，默认1000.0），大气压力(hPa ，默认1013.25)，规划区类型（1农村，2城市）；第4行：化学转化率1/s ，沉降速率m/s ；数据文件2：网格点上的背景浓度值，单位mg/m3；((C1(I,J),I=1,MX),J=1,MY)数据文件3：网格点上的高程（地形值），单位m；数据文件4：共六部分。