一种工业园区大气污染物扩散模拟与溯源方法与流程

本发明涉及一种污染物扩散模拟与溯源方法，特别涉及一种工业园区大气污染物扩散模拟与溯源方法，属于环境工程管理及控制技术领域。

背景技术：

我国建成的工业园区众多，在产生经济效益的同时，大气污染物的排放量与日俱增，不仅带来了一系列的环境问题，如废气异味污染，同时也对大气污染控制和管理提出更高的挑战。

工业园区内不同行业的企业众多、聚集度高，导致其大气污染物种类繁多、排放强度大，且大气污染物的扩散受排放源类型、地理环境、气象条件等多种因素的影响。因此，面对突发性的投诉和监测浓度上升，我国工业园区大气污染物排放的控制与管理陷入了溯源难、监管难的困境。寻求一种可靠、可行的方法来模拟工业园区大气污染物排放的扩散和溯源，成为了当前我国工业园区大气污染监管的热点问题。

目前，以cmaq等为代表的第三代空气质量模型，被广泛应用于大气污染物排放的扩散模拟与溯源。工业园区的区域范围一般在50公里以内，上述模型主要适用于大中尺度区域(几百公里)的空气质量模拟，无法满足工业园尺度准确计算的需求。而以湍流扩散统计理论为基础的高斯扩散模式和非稳态拉格朗日烟团模式等为基础的污染物扩散模型，被广泛应用于中小尺度大气污染物排放的扩散模拟和影响分析。该类模型主要基于历史气象数据和污染源的污染物排放强度，计算受污染源影响的最大可能区域和落地浓度等，预测评估项目对周边环境空气质量的影响。现有中小尺度大气扩散模型主要应用于大型工业项目的环评工作中，受气象和污染源排放强度等数据精确度的限制，以及模型本身理论存在的不足，难以直接应用于园区尺度内的实时扩散模拟预测和敏感点溯源分析，预测准确度和结果可用性都存在相应的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种工业园区大气污染物扩散模拟与溯源方法，有效解决工业园区大气污染物排放预测和污染物溯源难的困扰，实现工业园区内环境空气质量的有效监管，解决背景技术中所述的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种工业园区大气污染物扩散模拟与溯源方法，具体包括以下步骤：

(1)基于多点位污染物组分分析及浓度实时监测数据，分析排放源的大气污染物排放特征并计算动态排放源强；

(2)结合地形数据、实时气象数据和建筑物参数，基于高斯烟羽扩散理论和烟团扩散理论构建大气污染物扩散模型，根据实时气象数据计算排放源的污染物扩散分布特性，并预测敏感点污染物浓度；其中，空间任一点的污染物浓度计算方程为，

式中，q为步骤(1)计算所得的排放源强，为平均风速，σ为扩散参数，h为有效源高；

(3)基于计算流体力学理论，模拟计算工业园区厂界距离内低层建筑物对气流运动的影响，确定排放源污染物的传输路径，结合步骤(2)的大气污染物扩散模型对敏感点污染物进行溯源分析。

作为优选，所述的步骤(1)中，若排放源是点源，排放源强的计算方程为，

qp＝cv，

式中，c为监测浓度，v为烟气流量；

若排放源是体源，排放源强的计算方程为，

式中，u为风速，αv和αc分别为泄露面积系数和扩散系数，c为监测浓度，h、l和w分别为建筑物高度、宽度和长度；

若排放源是面源，排放源强的计算方程为，

式中，a和h分别为面源特征长度和排放高度，u为风速，αv和αc分别为泄露面积系数和扩散系数，c为监测浓度。

作为优选，所述的步骤(1)中，若排放源是体源，泄露面积系数αv的取值范围为0.048-0.067，扩散系数αc的取值范围为0.008-0.011；若排放源是面源，泄露面积系数αv的取值范围为0.013-0.018，扩散系数αc的取值范围为0.016-0.023。

作为优选，所述的步骤(2)中，地形数据为中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台提供的gdemdem30m分辨率数字高程数据，投影方式为utm/wgs84；实时气象数据包括探空气象数据和地表气象数据，探空气象数据为美国国家海洋和大气局以及周边气象监测站的气象数据，地表气象数据为中国气象数据网以及当地气象监测站的气象数据。

作为优选，所述的步骤(2)中，构建大气污染物扩散模型时，基于高斯烟羽扩散理论，参数化方程给出湍流扩散，并用连续参数表示大气稳定度，基于烟团扩散理论，计算的非稳态过程为静小风情景。

本发明的有益效果是：

本发明的一种工业园区大气污染物扩散模拟与溯源方法，实现了工业园区全范围的大气污染物排放扩散模拟及溯源，综合了高斯扩散、烟团扩散和计算流体力学理论的特点，解决了工业园区大气污染物排放溯源难的问题，实现了工业园区环境空气质量的有效监管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。下述实施例中的部件或设备如无特别说明，均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

实施例：

一种工业园区大气污染物扩散模拟与溯源方法，具体步骤是：

(1)基于多点位污染物组分分析及浓度实时监测数据，分析排放源的大气污染物排放特征并计算动态排放源强；

若排放源是点源，排放源强的计算方程为，

qp＝cv，

式中，c为监测浓度，v为烟气流量；

若排放源是体源，排放源强的计算方程为，

式中，u为风速，αv和αc分别为泄露面积系数和扩散系数，c为监测浓度，h、l和w分别为建筑物高度、宽度和长度；

若排放源是面源，排放源强的计算方程为，

式中，a和h分别为面源特征长度和排放高度，u为风速，αv和αc分别为泄露面积系数和扩散系数，c为监测浓度；

(2)结合地形数据、实时气象数据和建筑物参数，基于高斯烟羽扩散理论和烟团扩散理论构建大气污染物扩散模型，根据实时气象数据计算排放源的污染物扩散分布特性，并预测敏感点污染物浓度；其中，空间任一点的污染物浓度计算方程为，

式中，q为步骤(1)计算所得的排放源强，为平均风速，σ为扩散参数，h为有效源高。

(3)基于计算流体力学理论，模拟计算工业园区厂界距离内低层建筑物对气流运动的影响，确定排放源污染物的传输路径，结合步骤(2)的大气污染物扩散模型对敏感点污染物进行溯源分析。

步骤(1)中，若排放源是体源，泄露面积系数αv的取值范围为0.048-0.067，扩散系数αc的取值范围为0.008-0.011；若排放源是面源，泄露面积系数αv的取值范围为0.013-0.018，扩散系数αc的取值范围为0.016-0.023。

步骤(2)中，地形数据为中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台提供的gdemdem30m分辨率数字高程数据，投影方式为utm/wgs84；实时气象数据包括探空气象数据和地表气象数据，探空气象数据为美国国家海洋和大气局以及周边气象监测站的气象数据，地表气象数据为中国气象数据网以及当地气象监测站的气象数据。

步骤(2)中，构建大气污染物扩散模型时，稳态条件下是基于高斯烟羽扩散理论，参数化方程给出湍流扩散，并用连续参数表示大气稳定度，非稳态条件下是基于烟团扩散理论，其计算的非稳态过程为静小风情景。

本发明的方法流程示意图如图1所示。根据上述方法的步骤，对某工业园区大气污染物的扩散模拟及溯源流程如下：

一、在该工业园区各企业的烟囱、烟气处理设施、车间、仓库、罐区、废水池以及企业厂区边界布置监测点位，基于在线测量系统对各点位的大气污染物浓度进行监测，按照上述方法步骤(1)所述内容分析各类排放源和厂界环境点的大气污染物排放及分布特征；

二、从中科院计算机网络信息中心获取工业园区所在区域的高分辨率数字高程数据作为地形数据；从美国国家海洋和大气局获取13层探空气象数据，包括大气压、高度、干球温度、露点温度、风向和风速等；从中国气象数据网和当地气象监测部门获取地面气象数据，包括降水量、云层高度、云层状况、水平可见度、干球温度、湿球温度、露点温度、相对湿度、风向和风速等；并基于企业现状调研获取建筑物参数，包括车间、仓库等位置分布及其长度、宽度和高度；

三、根据当前气象状况，按照上述方法步骤(2)所述内容计算大气污染物扩散特性及敏感点污染物浓度，敏感点是厂界上和厂界外的环境点，其中，厂界上的环境点为位于厂界的相关监测点位；需要指出的是，在稳态条件下，是基于高斯烟羽扩散理论按点源(烟囱、处理设施等)、面源(罐区、废水池等)和体源(仓库、车间等)计算大气污染物扩散特性及敏感点污染物浓度，高斯烟羽扩散模型假定连续点源排放的烟羽扩散浓度分布服从正态分布，而正态型浓度分布仅在平稳和均匀的条件下才能成立，这也造成高斯烟羽扩散模型的局限，因其在考虑颗粒扩散模型时采用的是稳态估算，并没有考虑污染物扩散到观测站所需要的时间，在风速小于1.5m/s时，高斯烟羽扩散模型越来越不准确，所以不能清楚地解释在复杂风场中弯曲的烟羽轨迹和变化的风场条件，不适用于处理复杂地形的低风速的情况；在非稳态(如静小风)条件下，是基于烟团扩散理论计算大气污染物扩散特性及敏感点污染物浓度，烟团扩散模型是将释放的污染物假想成离散的烟团并对每个烟团中心的输运过程进行模拟，用来分析在非稳态扩散状况下、非均匀的排放源，其优势在于可以模拟稳定和低风速的情况；

四、按照上述方法步骤(3)所述内容，根据计算流体力学理论计算企业厂界内的速度场、全压场、静压场和涡动能强度等，模拟低层建筑物对气流运动方向和速度的影响，确定厂界内各类污染源排放的污染物的传输路径；

五、结合大气污染物扩散分布和敏感点浓度预测结果，识别污染物的来源点位和企业，实现敏感点的污染物溯源。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。