大气污染物扩散模式的应用研究综述

应用大气污染物扩散模式可以模拟不同尺度、气象、地形条件下工业污染物在大气中的输送与扩散特征,为大气监测、城市环境规划和空气质量预报等工作提供科学依据.归纳了目前广泛应用于模拟工业污染物扩散的模式,着重介绍了近年来国内外对这些模式的主要应用研究进展,比较了各模式在应用上的优缺点,并对大气污染物扩散模式的应用研究前景进行了讨论.     

建筑物对高架点源大气污染物扩散影响的模拟研究

运用数值方法对城市中高架点源排放大气污染物的扩散规律进行了模拟研究,在计算区域内建立了三维数学模型,并将拉格朗日法描述的颗粒轨道模型耦合到风场。本研究计算了地面风速为3 m/s时的大气流场,并模拟研究了该风场条件下气体污染物的扩散和固体颗粒污染物的运动轨迹。通过分析模拟结果,给出了高架点源中排放的气体污染物的扩散区域和固体颗粒污染物运动轨迹的变化规律。     

孤立与非孤立城市街道峡谷内污染物扩散

通过求解二维不可压N-S方程、k-ε方程及污染物对流扩散方程,模拟了孤立街道峡谷与非孤立街道峡谷内的流场及交通污染物浓度场.计算结果与风洞试验结果总体趋势一致.非孤立街道峡谷内污染物壁面浓度要大于孤立街道峡谷内的壁面浓度.通过计算街道峡谷建筑屋顶高度处的垂直方向污染物通量,说明了湍流扩散是污染物扩散出街道峡谷的主要原因,其污染物通量总为正,而平均流通量可以为负.非孤立街道峡谷由于平均流流动和湍流流动的总扩散通量减少,造成污染物在街道峡谷内集聚,从而理论上解释了非孤立街道峡谷与孤立街道峡谷污染扩散的差别.     

太原市降水化学特征及来源分析

本研究采集了2012年3—11月间35场太原降水样品,探讨了pH值、电导率和水溶性化学组成特征。结果表明,降水pH加权平均值为5.27;电导率平均值为98.8μS/cm,表明大气污染显著;SO2-4(471.8μeq/L)、NO-3(93.6μeq/L)、Ca2+(477.4μeq/L)和NH+4(133.4μeq/L)是太原降水的主导离子,4种离子占总离子浓度的85%。SO2-4/NO-3当量浓度比为4.38,比太原市1986年的比值(19.02)下降了77%。太原降水的酸性仍以SO2-4主导,但NO-3比例大幅上升。降水离子相关性分析和气团后向轨迹表明太原市大气污染物主要来自自身排污企业(热电厂、钢铁厂等)污染物的扩散以及省内焦化企业污染物的输送等小尺度区域内。太原市硫的湿沉降量为1.93 t/(km2·a);氮湿沉降量为1.54 t/(km2·a),其中铵态氮和硝态氮分别为1.28 t/(km2·a)和0.26 t/(km2·a);钙为5.87 t/(km2·a)。     

水平渗滤系统的污染物去除效果及动力学分析

基于人工快渗(CRIS)和水平潜流人工湿地(HSSFCWs)构建了水平流人工渗滤系统(HFCIS),研究了该系统对耗氧有机物(以COD计)、氨氮(NH₄⁺-N)的沿程去除情况和污染物在系统内的垂向分布情况,并进行了动力学分析。结果表明,在水力负荷为0.083 m·d^-1、进水耗氧有机物(以COD计)浓度为220～630 mg·L^-1、NH4+-N质量浓度为13～47 mg·L^-1时,COD、NH₄⁺-N的去除率分别为88.6%和91.9%以上。在水力负荷为0.25 m·d^-1的条件下,进水耗氧有机物(以COD计)和NH₄⁺-N质量浓度分别为613～690mg·L^-1和36～48mg·L^-1时,总去除率分别为95.5%和78.2%以上。水平方向沿程污染物质量浓度呈现逐渐衰减的趋势,污染物降解符合一阶动力学模型,去除速率常数在CR...     

台风登陆前珠三角地区近地面O_3浓度升高的原因初探

利用粤港澳珠三角地区空气质量监测网络的近地面大气污染物浓度观测数据,风、气温、气压和相对湿度等气象观测数据及水平分辨率为1°×1°的由美国国家环境预报中心(NCEP)提供的FNL全球分析资料中的再分析气象场数据,从前体物和光化学生成、水平传输、垂直传输的角度,对台风"妮妲"登陆前,珠三角地区近地面出现的O_3浓度高峰进行原因分析。结果表明:台风登陆前,珠三角地区云量较低,气温升高,相对湿度较大,同时前体物浓度升高,有利于本地O_3光化学生成,造成O_3浓度升高;但珠三角地区近地面风速很小,且以辐散为主,故水平传输不是造成O_3浓度大幅升高的原因;在台风靠近珠三角地区的过程中,珠三角地区受台风外围下沉气流控制,造成高层大气向近地面输送O_3,同时本地生成的O_3等各类大气污染物无法向上扩散而逐渐累积。以上因素最终导致台风"妮妲"登陆前珠三角地区近地面O_3浓度升高。     

舟山市PM_(2.5)的输送路径和潜在来源分析

利用轨迹聚类分析、轨迹扇区分析(TSA)和潜在源贡献函数(PSCF)分析3种方法研究了2013年6月至2016年5月舟山市的PM_(2.5)输送路径和潜在来源。聚类分析显示,舟山市PM_(2.5)夏季主要受来自偏南方向的气团影响,冬季主要受来自偏北和西北方向的气团影响,与季风方向一致,以短距离传输为主。TSA结果与轨迹聚类分析类似,综合考虑后向轨迹停留时间和PM_(2.5)平均浓度,研究期间西北和偏北方向的扇区对舟山市PM_(2.5)的贡献率最大,达47.3%。PSCF分析显示,舟山市PM_(2.5)的潜在来源贡献区域主要集中于江苏省、山东省南部、浙江省北部和安徽省东部。     

城市街区流场和污染物扩散的数值模拟研究

利用天气预报(WRF)模式提供边界条件和初始条件驱动Fluent模式,模拟了榆中县城市区域的大气流动和污染物扩散。WRF模式在一定误差要求下对研究区域的基本气象要素的模拟准确率均在70%以上,较为准确地模拟气象要素实况,为Fluent模式提供了可靠的初始条件和边界条件;Fluent模式充分刻画了复杂城市下垫面的建筑物对污染物扩散的影响,较好地反映了不同区域污染物浓度差异;通过WRF-Fluent耦合模式的模拟,显示有建筑群存在的城市环境中,流场相对于环境风产生显著改变,进而反映建筑群中污染物的复杂扩散形态。结果表明,WRF-Fluent耦合模式作为一种研究城市建筑密集区域的大气流动状态和污染物扩散过程的方法是可行的。     

模拟生物体液中污染物生物可利用性研究进展

模拟生物体液实验是一种评估有毒物质(包括有机污染物和无机污染物)对人体危害的重要手段,该方法通过模拟人体消化及呼吸等过程评估经各种暴露途径进入人体的污染物的生物可利用性。综述了近年来在污染物生物可利用性领域所取得的最新研究进展,介绍了模拟生物体液实验建立的背景,分析了影响污染物生物可利用性的主要因素,最后对现阶段利用模拟胃肠液及肺液估算污染物生物可利用性的研究方向进行了展望。     

不同尾水输送方案对尾水水质的影响研究

通过管道实验和明渠实验模拟尾水输送过程,研究不同输送方案对尾水中COD、BOD5、SS、TN、氨氮、TP、DO、雌酮(E1)、辛基酚(OP)、壬基酚(4-n-NP)等指标的去除规律,为徐州市截污导流工程尾水输送方案的选取提供理论依据.结果表明:(1)除DO、TP和SS外,管道输送方案对其他指标的控制能力均优于明渠;管道输送过程中,除SS和TN外,污染物的浓度变化主要发生在0～48 h.(2)在选择管道输送方案的基础上,可以考虑在实际输送时提高流速,缩短尾水在管道中的停留时间.     

主导风向对不规则建筑群街区污染物扩散的影响

以城市道路某段典型的街道峡谷为研究对象,采用ICEM CFD数值模拟技术,分析不同风向对不规则建筑群街区污染物扩散影响。结果表明:(1)北风时,距地10.0m以下范围是污染物高浓度聚集区。与北风工况相比,西北风时街谷内污染物浓度分布变化较大,沿高度截面上升依次呈连续线状→线状和部分团状→断裂团状。(2)随着建筑高度的增加,主干道中的气流绕流作用减弱。通过控制建筑的连续界面诱导街谷中的气流横向绕流,或在临街上游设置合适的开敞空间,以增加来流通风廊道,可有效改善街谷中污染物的扩散。(3)两种风向下每条街道人员停留区内污染物停留时间排序规律相同;不同风向下每条街道人员停留区内污染物停留时间不同,说明风向对每条街道内污染物的影响存在差异,每段街谷内的污染物扩散分布不是孤立系统,而是相互关联的有机整体。     

济南市冬季典型重污染天气过程及成因分析

以山东省济南市2017年12月27—31日的重污染天气过程为例,运用数值模拟与观测资料统计相结合的方法,对此次重污染天气过程的天气形势、气象条件、输送路径和潜在源区进行分析。结果表明:(1)此次重污染天气过程属于静稳累积型污染,基于PM2.5逐时监测数据,将此次污染过程分为污染物累积、重污染持续和显著减弱3个阶段。(2)气压和相对湿度与PM2.5浓度呈显著的正相关,风速则呈显著的负相关,相关系数分别为0.85、0.67、-0.48。地面均压场、持续的小风高湿、逆温等静稳天气有利于污染物的累积与持续。(3)PM2.5输送路径主要为东南和西北路径,分别占轨迹总数的50.71%和49.29%;由于地形原因,东南路径对污染过程的贡献不明显;泰安、淄博等地为此次重污染过程的潜在源区,且以济南市本地污染累积为主。     

基于Fluent城市大气污染物扩散数值模拟

城市大气污染问题已经引起广泛的关注,其中对城市中大气污染物的迁移扩散过程还需进一步研究。为了探究城市复杂地形下大气污染物扩散预测的新模式,采用计算流体力学方法,建立了数值预测模型,构造出水平均匀的大气边界层模拟风场;进一步对建筑物影响下的大气污染物扩散过程进行了模拟,并与实验结果进行了对比。结果表明:数值模拟结果与实验结果基本吻合,计算流体力学方法可用于城市复杂地形下大气污染问题的研究工作;模拟结果与湍流模型的选取和湍流施密特数的设置有密切关系;采用SST k-ω湍流模型对此类问题较适宜,随着湍流施密特数的增大,扩散范围逐渐增大。     

道路路障对街道峡谷内污染物扩散的影响

采用数值模拟,研究不同风向角α(α=0°、45°、90°)及道路屏障位置(中间单路障和两侧双路障)对街道峡谷内机动车尾气污染物扩散的影响。数值模拟采用标准κ-ε湍流模型且Sc_t选择0.3时,计算结果与风洞实验结果较好吻合。结果表明,2种路障布置方式可有效降低人行道内污染物浓度,特别是,当α=45°时,污染物浓度最多可降低46.23%。同时,风向角α对街道峡谷内污染物扩散影响较大。当α=90°时,空气流通不良使得污染程度最为严重,且污染集中在背风侧近地面。单路障比双路障布置对污染物扩散影响更大,前者使污染物主要集中在街道中心背风侧,其他位置浓度明显降低;双路障时仅在一定范围内改善人行道内空气品质,但对街道整体污染物分布影响不大。     

大气污染预测预报

大气污染和水污染不同,每当出现不利污染物扩散的天气形势,可能在很短时间内(几天内或甚至一夜之间),造成严重烟雾事件。因此,大气污染的预报是相当重要的工作,要预报准确,须选定适当预报指标。     

美国大气扩散模式研究和应用的历史回顾

第一次世界大战以来,美国一直在进行气象条件对污染物输送和扩散影响的定量研究。前期的研究重点是烟囱烟流的扩散(点源)。自洛杉矶大气污染事件发生以后,对城市污染气象学(面源)的研究也逐渐引起重视,近20年来,这方面的工作有很大进展。 特别是1970年“清洁空气法”(CAA)     

T型街道内空气流动与污染物扩散特性研究

为研究T型街道峡谷内空气流动与污染物扩散传质的特性,利用数值模拟研究来流风向角(θ)的变化(θ为45°、90°和135°)对T型街道交叉路口内空气流动与机动车尾气污染物扩散传递的影响,并与风洞实验测量数据进行验证。3种湍流模型中,可实现k—ε模型计算的速度相对偏差小于8%,与风洞实验结果一致性最好。结果表明,来流风向角的变化,会造成从街道顶部或侧面进入街道内的气流方向及通量发生改变,从而显著影响T型街道交叉口内及其附近的流动结构和污染物浓度分布。污染物容易在建筑尾流区等流动不畅的区域产生聚集,造成污染浓度偏高。当θ=135°时,T型街道内通风条件最好,街道内行人呼吸高度和建筑临街立面附近污染物浓度水平均相对较低。由于流动结构的改善,T型街道峡谷内的污染水平低于一般街道峡谷。     

临沂市一次持续性雾霾过程的阶段性成因分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料和GDAS全球1°×1°气象资料,结合环流背景、气象要素、物理量场,并利用轨迹分析方法,对2013年12月3—9日临沂一次持续性雾霾天气过程进行分析。结果表明,本次雾霾过程具有明显的阶段性特征,前期以霾为主,后期发展为雾霾交替并存。PM_(2.5)浓度和相对湿度是决定能见度大小的2个关键因子,对能见度的影响体现出阶段性特征。后向轨迹模拟霾开始变重的5日20:00,河北和山东地区污染物浓度上升除了本地悬浮颗粒物外,来自京津一带的这种污染物输送也是一个重要因素。雾霾交替并存时段的7日20:00,水汽输送路径自东部沿海抵达临沂,来自海上源源不断的水汽输送,决定雾霾交替并存阶段持续时间。自新疆东北部的强干冷空气经内蒙古中北部南下,是导致本次持续雾霾消散的直接原因。地方政府应严格控制企业的污染物排放,加快产业结构和能源结构调整,才是治理雾霾的根本方法。     

利用轨迹模式研究重庆主城区冬季PM_(2.5)污染特征

利用轨迹聚类法,对2014年12月至2015年1月重庆主城区上方的后向轨迹气团进行聚类分组,分析重庆主城区气团来源。结合重庆主城区PM_(2.5)小时浓度资料,分析污染较重时重庆主城区后向轨迹特征。最后结合潜在源贡献因子分析(PSCF)法和浓度权重轨迹分析(CWT)法定性与定量分析了重庆主城区PM_(2.5)的潜在源区。结果表明,重庆本地气团占60.9%,不利于本地污染物的扩散;超过60%的污染事件是由本地颗粒物聚集造成的;重庆主城区颗粒物其潜在污染源区,以西藏与四川交界处、四川东部、贵州北部以及重庆本地为主。     

交通风对不同结构城市地下道路污染物扩散影响的比较研究

以往关于交通通风力的研究多集中在直隧道,而关于近年多出现的有分岔的城市地下道路的研究甚少。根据项目组关于上海市翔殷路越江隧道(直隧道)和长沙市营盘路湘江隧道(分岔隧道)的交通特征、交通风速以及污染物浓度水平的实测结果,重点开展了交通通风力对不同结构城市地下道路污染物扩散特性影响的比较研究。结果表明:相同交通流量条件下,有分岔的主隧道产生的平均交通风速(2.24～3.44m/s)虽小于直隧道的(3.06～4.76m/s),但由于分岔匝道对污染物的分流作用,有分岔的主隧道的污染物浓度变化率低于直隧道;当平均车速为30km/h时,受合流匝道带入室外空气稀释作用的影响,相当于为分岔隧道增加了20.9%的通风量,受分流匝道带出污染物的影响,相当于为分岔隧道增加了16.7%的通风量。研究结果可为分岔城市地下道路内污染物浓度水平的有效控制及其通风系统的优化设计提供参考。