CN107436343A - 一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，包括：1）根据敏感区域预测点位置建立坐标系，确定面源污染源位置及预测点坐标；2）确定污染源的面源高度；3）根据面源高度确定排放处的风速；4）确定扩散参数；5）建立扩散模型，根据监测点测得的污染物浓度，反向计算污染物排放源强；6）根据源强正向计算预测点污染物的浓度，叠加环境本底值后得到预测点的实际浓度值；7）将步骤6）中正向计算得到的预测点污染浓度和环境标准进行比对，判断污染物浓度是否超标，本发明依托工业园区周边建设的空气自动监测站点实时监测的污染物浓度，通过建立污染物扩散模型，反推污染源强，最终形成敏感点污染物浓度的计算方案，能够在源强未知时为园区污染物扩散进行预测和预警。

Description

一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法。

背景技术

随着国家的发展，从民间到政府的环保意识越来越强，环境监测作为环保中的重要一环，。然而目前的自动监测站测得的大气中污染物浓度的数据主要用作超标预警，应用性不强，并且目前的大多数预测是直接引用企业污染物排口的浓度数据作为源强，对其扩散模拟进行研究。而在工业园建设初期及企业排污数据未接入的情况下，源强属于未知信息，因此无法建立准确有效的模型。

随着自动监测的大范围采用，利用有效的自动监测数据对突发性污染事件进行预警(即当污染事件发生时快速进行污染范围和污染程度的预测)成为研究和应用的热点。当工业园企业污染物排放数据不全或企业违规排放的情况下，如何模拟预测其对园区周边敏感区域(居民住宅、广场等公共区域)的影响，以便环境管理部门及时掌握制定相应污染防护控制措施，是园区环境管理者、环保相关部门和周边百姓最为关心的大事。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，依托工业园区周边建设的空气自动监测站点实时监测的污染物浓度，通过建立污染物扩散模型，反推污染源强，最终形成敏感点污染物浓度的计算方案，增强自动监测数据的实用性，能够在有限条件(源强未知)下为园区污染物扩散预警。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，包括：

1)根据敏感区域预测点位置，建立坐标系，确定面源污染源位置及预测点坐标；

2)确定污染源的面源高度；

3)根据面源高度确定排放处的风速；

4)确定扩散参数；

5)建立扩散模型，根据监测点测得的污染物浓度，反向计算污染物排放源强；

6)根据源强，正向计算预测点污染物的浓度，叠加环境本底值后得到预测点的实际浓度值；

7)将步骤6)中正向计算得到的预测点污染浓度和环境标准进行比对，判断污染物浓度是否超标。

进一步的，所述步骤1)根据敏感区域预测点位置建立坐标系，确定面源污染源位置及预测点坐标包括评价区域网格划分与污染区域网格划分。

其中，评价区域网格划分具体为：

将面源污染区域的中心点定为总源强的等效点，将厂区近似看作一个网格，网格面积与厂区的面积近似相等，矩形的对角线连线的交点即为面源污染区域的中心点，依据主导风，分别以每一网格的中心点P为坐标原点，沿主导风向下风向为x轴，垂直于风向的方向为y轴建立直角坐标系，可得到各监测相对该直角坐标系的坐标。

污染区域网格划分具体为：

确定污染物影响评价范围，即预测预警范围，污染物排放源所在区域作为中心划定预测区域的坐标网格，根据网格划分原则和本项目中园区的实际情况，设置网格等距点，将面源污染区域划分为一定大小的网格，以东西方向为x轴，南北方向为y轴，以网格的中心点为坐标原点建立直角坐标系，面源的中心点尽量与工业园区中心点重合，根据风向具体划分。

进一步的，所述步骤4)确定扩散参数具体为：

由太阳高度角和云量查表确定太阳辐射等级，再由太阳辐射等级和地面风速可查到对应的大气稳定度，即a，b，c，d的对应值，代入式(1)

其中σ_y0为面源水平方向初始扩散参数，σ_z0为面源垂直方向初始扩散参数

计算可得可知虚点源至以面源中心为坐标原点的坐标系y轴距离L_y和虚点源至以面源中心为坐标原点的坐标系z轴距离L_z，计算得到总的扩散参数：σ_ym＝a(x+L_y)^b及σ_zm＝c(x+L_z)^d；

其中，σ_ym为虚点源水平方向的扩散参数，σ_zm为虚点源垂直方向扩散参数，W为网格宽度；H为面源的有效高度，x为坐标系中的x轴坐标。

进一步的，所述步骤5)建立扩散模型，根据监测点测得的污染物实际浓度，反向计算污染物排放源强具体为：

通过自动监测获取该处污染物实际浓度(去除环境本底值)；

根据风速选用高斯大气污染物的面源扩散模型，当有风时(1.5m/s<u<10m/s)扩散浓度计算公式为：

小风或者无风时(u≤1.5m/s)，扩散浓度计算公式为：

其中，x、y为预测点平面直角坐标的横坐标与纵坐标，C为预测点污染物扩散浓度，

Q_i为第i组颗粒的源强,u为平均风速，σ_ym为面源水平方向的扩散参数，σ_zm为面源垂直方向扩散参数，σ_xm为顺风扩散参数，v_i为颗粒物沉降速度，α_i第i组粒径地面反射系数，d_pi第i组平均粒径，μ为空气粘度，ρ_p为颗粒密度，H为有效源高，R为监测点到坐标原点距离，T为静风持续时间；

根据式(2)、(3)逆向推导计算出源强。

本发明所达到的有益效果是：

1)实用性强：直接准确获取工业园区污染企业排放源强比较困难和敏感，而获取环境自动监测站的实时监测数据相对比较容易。对大多数在建园区和初期投入使用的园区，或者企业存在漏排、偷排等违法操作，污染物排放数据未全部传入工业园环境管理系统，在这些特殊情况下，为保障园区周边大气环境安全，有效应对环境污染问题，本发明具备很大的实用价值。

2)效率更高：本发明通过对评价区域和污染源区域划分，建立坐标系，将各参数代入模型进行计算，并快速判断该敏感区域的，污染物浓度是否超标，该方式适宜工程应用，为工业园区环境管理工作的高效运转提供技术支持。

3)应用前景广泛：该方法将模型进行简化，减少入参，便于编程开发，计算结果与中国环保部推荐污染物扩散浓度模拟结果较为吻合，具有很大的工程应用和管理应用前景。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明评价区域网格划分图；

图3为本发明中污染物面源网格划分图。

具体实施方式

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

参照图1-图3，一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，本发明基于高斯模式，按照风速选择有风和小风、静风模型，通过对污染物面源网格划分，分别确定园区周边敏感点的污染物浓度，再进行叠加计算。

坐标系建立，确定污染源位置及预测点坐标

评价区域网格划分

将面源污染区域的中心点定为总源强的等效点，将厂区1近似看作一个网格，网格面积与厂区1的面积近似相等，矩形的对角线连线的交点即为面源污染区域的中心点，依据主导风，分别以每一网格的中心点P为坐标原点，沿主导风向下风向为x轴，垂直于风向的方向为y轴建立直角坐标系，可得到各监测相对该直角坐标系的坐标。

污染区域网格划分

确定污染物影响评价范围，即预测预警范围，污染物排放源所在区域作为中心划定预测区域的坐标网格，根据网格划分原则和本项目中园区的实际情况，设置网格等距点，将面源污染区域划分为一定大小的网格，以东西方向为x轴，南北方向为y轴，以网格的中心点为坐标原点建立直角坐标系，面源的中心点尽量与工业园区中心点重合，根据风向具体划分。

确定面源高度

根据工业园园区各企业加工生产过程污染源排放高度实际高度确定有效源高H，为了简化有关计算，有效源高H的确定可直接采用污染源排放的平均高度。

确定排放处的风速

根据排放高度(源高)确定排放处的风速。

确定扩散参数

由太阳高度角和云量查表确定太阳辐射等级，再由太阳辐射等级和地面风速可查表得到对应的大气稳定度(大气稳定度指近地层大气作垂直运动的强弱程度，当气温垂直递减率γ>-1℃/100m时，大气呈不稳定状态。γ＝-1℃/100m大气呈中性状态，γ<-1℃/100m时大气呈稳定状态)，即a，b，c，d对应值(a，b，c，d为经验系数，查表获得)，代入公式(1)

其中，σ_y0为面源水平方向初始扩散参数，σ_z0为面源垂直方向初始扩散参数。

计算可得可知虚点源至以面源中心为坐标原点的坐标系y轴距离L_y和虚点源至以面源中心为坐标原点的坐标系z轴距离L_z，z轴垂直于x、y轴形成的平面，计算得到总的扩散参数：σ_ym＝a(x+L_y)^b及σ_zm＝c(x+L_z)^d。

其中：σ_ym为虚点源水平方向的扩散参数，σ_zm为虚点源垂直方向扩散参数，W为网格宽度；H为面源的有效高度，x为坐标系中的x轴坐标。

建立并简化扩散模型，根据监测点测得的污染物浓度，反向计算污染物排放源强。

首先，通过自动监测获取该处污染物实际浓度(去除环境本底值)；

然后，根据风速选用高斯大气污染物的面源扩散模型，用自动监测站测得的实际污染物浓度值逆向计算源强，并综合考虑气流输送，大气扩散，重力沉降和地表沉积四个物理过程对污染物扩散的影响，对模型进行修正。

有风时(10m/s>u>1.5m/s)扩散浓度计算公式为：

小风、静风时(u≤1.5m/s)，浓度的计算公式为：

其中，x、y为预测点平面直角坐标的横坐标与纵坐标，C为预测点污染物扩散浓度，Q_i为第i组颗粒的源强,u为平均风速，σ_ym为面源水平方向的扩散参数，σ_zm为面源垂直方向扩散参数，σ_xm为顺风扩散参数，v_i为颗粒物沉降速度，α_i第i组粒径地面反射系数，d_pi第i组平均粒径，μ为空气粘度，ρ_p为颗粒密度，H为有效源高，R为监测点到坐标原点距离，T为静风持续时间。

根据污染源强(污染源强是一种污染源的计算方式，指单位时间内污染物的排放量)，正向计算预测点污染物的浓度，叠加环境本底值，得到预测点的实际浓度值。

污染物背景浓度，包括园区周围环境中本来存在的污染物(本底值)。一般情况下，下风向处浓度值高于上风向处浓度值，因此背景浓度还包括上风向处监测站点的污染物浓度数据，若下风向处监测站点的浓度值小于上风向监测站点的浓度值，则直接用下风向监测站点监测的浓度值反推。

判断超标情况

根据环境空气质量标准(GB 3095-2012)二级标准，判断计算得到的敏感区域污染物浓度值是否超标。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据敏感区域预测点位置，建立坐标系，确定面源污染源位置及预测点坐标；

2)确定污染源的面源高度；

3)根据面源高度确定排放处的风速；

4)确定扩散参数；

5)建立扩散模型，根据监测点测得的污染物浓度，反向计算污染物排放源强；

6)根据源强，正向计算预测点污染物的浓度，叠加环境本底值后得到预测点的实际浓度值；

7)将步骤6)中正向计算得到的预测点污染浓度和环境标准进行比对，判断污染物浓度是否超标。

2.根据权利要求1所述的一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，其特征在于：所述步骤1)根据敏感区域预测点位置，建立坐标系，确定面源污染源位置及预测点坐标包括评价区域网格划分与污染区域网格划分。

3.根据权利要求1所述的一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，其特征在于，所述步骤4)确定扩散参数具体为：

由太阳高度角和云量查表确定太阳辐射等级，再由太阳辐射等级和地面风速可查到对应的大气稳定度，即a，b，c，d的对应值，代入式(1)

其中σ_y0为面源水平方向初始扩散参数，σ_z0为面源垂直方向初始扩散参数

计算可得可知虚点源至以面源中心为坐标原点的坐标系y轴距离L_y和虚点源至以面源中心为坐标原点的坐标系z轴距离L_z，计算得到总的扩散参数：σ_ym＝a(x+L_y)^b及σ_zm＝c(x+L_z)^d；

其中，σ_ym为虚点源水平方向的扩散参数，σ_zm为虚点源垂直方向扩散参数，W为网格宽度；H为面源的有效高度，x为坐标系中的x轴坐标。

4.根据权利要求1所述的一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，其特征在于，所述步骤5)建立扩散模型，根据监测点测得的污染物浓度，反向计算污染物排放源强具体为：

通过自动监测获取该处污染物实际浓度；

根据风速选用高斯大气污染物的面源扩散模型，当有风时扩散浓度计算公式为：

小风或者无风时，扩散浓度计算公式为

其中，x、y为预测点平面直角坐标的横坐标与纵坐标，C为预测点污染物扩散浓度，

Q_i为第i组颗粒的源强,u为平均风速，σ_ym为面源水平方向的扩散参数，σ_zm为面源垂直方向扩散参数，σ_xm为顺风扩散参数，v_i为颗粒物沉降速度，α_i第i组粒径地面反射系数，d_pi第i组平均粒径，μ为空气粘度，ρ_p为颗粒密度，H为有效源高，R为监测点到坐标原点距离，T为静风持续时间；

根据式(2)、(3)逆向推导计算出源强。

5.根据权利要求2所述的一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，其特征在于，所述评价区域网格划分具体为：

将面源污染区域的中心点定为总源强的等效点，将厂区近似看作一个网格，网格面积与厂区的面积近似相等，矩形的对角线连线的交点即为面源污染区域的中心点，依据主导风，分别以每一网格的中心点P为坐标原点，沿主导风向下风向为x轴，垂直于风向的方向为y轴建立直角坐标系，可得到各监测相对该直角坐标系的坐标。

6.根据权利要求2所述的一种模拟计算敏感区域污染物浓度的方法，其特征在于，污染区域网格划分具体为：

确定污染物影响评价范围，即预测预警范围，污染物排放源所在区域作为中心划定预测区域的坐标网格，根据网格划分原则和本项目中园区的实际情况，设置网格等距点，将面源污染区域划分为一定大小的网格，以东西方向为x轴，南北方向为y轴，以网格的中心点为坐标原点建立直角坐标系，面源的中心点尽量与工业园区中心点重合，根据风 向具体划分。