CN104408308A - 一种地下空间排放口排放污染物对周围环境影响的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境监测技术领域,具体为一种地下空间排放口排放污染物对周围环境影响的测量方法。具体是对选定的地下空间污染物排放口,确定其地理信息坐标、排放口排放高度、污染物排放种类和强度等参数,结合预设的风向、风速等气象参数,输入到ADMS-Urban模式***中,经过运算,得到网格化的污染物落地浓度坐标;根据污染物浓度分布情况,选定合适的位置进行现场实测验证,从而最终得出排放口排放污染物对周围环境的影响分布情况。使用本发明对CO的扩散、PM2.5的扩散、NO2和NOX的扩散等进行模拟,结果与实测情况十分接近,说明其可靠性。本发明可广泛用于地下空间排放口排放污染物对周围环境影响的测量。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域,具体涉及一种地下空间污染物排放对周围环境影响的测量方法。
背景技术
当前,城市地面交通拥堵情况日益加重,为了缓解城市交通拥堵,许多地方已经开始拓展地下空间,包括建设地下隧道、地铁等,为了保证地下空间的空气质量达到国家相关标准,必须对地下空间的环境进行通风保障,确保地下空间的环境质量,对于较长的地下隧道,普遍采用的通风方式是排风塔排放,通过排风塔排放出的污染物在大气中经过扩散后,会对周围环境产生一定的影响,特别是一些城市中心的地下空间,考虑到市容市貌和建设成本等,近来,很多市区地下空间的排放方式是采用的是低排风塔排放,在这种情况下,排风塔排放的污染物对周围环境影响更加明显。
为了能够定量分析地下空间排风塔所排放的污染物对周围环境的影响,需要一种可靠的方法来测量和分析污染物在排风塔周围的浓度分布情况,结合体周围地形和气象条件,分析在不同气象条件下,污染物浓度分布和影响的范围,本发明正是针对这方面需求提出了一种利用大气扩散模式研究地下空间排风塔排放污染物对周围环境影响的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单可靠的针对隧道等地下空间排放口排放污染物对周围环境影响的测量方法。
本发明提供的针对隧道等地下空间排放口排放污染物对周围环境影响的测量方法,是对选定的排放口,确定地理信息坐标、排放口排放高度、污染物排放种类和强度等参数,结合预设的风向、风速等气象参数,输入到ADMS-Urban模式***中,经过运算,得到网格化的污染物落地浓度坐标,根据污染物浓度分布情况,选定合适的位置进行现场实测验证,从而最终得出排放口排放污染物对周围环境的影响分布情况。测量方法的流程框图见图1所示。
理论研究和现场实验表明,扩散参数自源起始随下风距离变化的关系取决于大气边界层的状态(高度h),源的高度(Zs)和烟羽在下风方增长的高度。ADMS-Urban模式中采用的方式是针对参数Zs/h、h/LMO、x/h的特定范围,首先利用已有的并被广泛接受的公式,然后建立内插公式,以便覆盖整个范围。现在的模式中包括一个针对对流状况的非高斯型模式。模式所预测的地面浓度分布,能估算辐射影响、化学反应影响以及进入凸起地形后的影响。在边界层内,浓度分布属于考虑地表面和逆温层底反射的高斯型烟羽,其一般表达式为:
其中,C是污染物浓度,QS是源强,σy、σz分别是y,z方向的扩散参数,U是平均风速,ZS是源高,而h表示边界层高度。
本发明方法借助于ADMS-Urban模式***,定量确定排放口排放的污染物落地浓度与排放口位置之间的关系,并通过现场当时实际风速、风向等气象条件,对计算结果进行现场监测,验证计算结果的准确性。
本发明主要是ADMS-Urban模式***在空间排放口排放污染物对周围环境影响的测量中的应用。使用本发明方法,对CO的扩散、PM2.5的扩散、NO2和NOX的扩散等进行模拟,结果与实测情况十分接近,说明本发明方法的可靠性。
经过文献和专利检索,目前还没发现有类似的方法应用于实际研究中。
附图说明
图1为测量方法的流程框图。
图2 排风量为125m3/s的情况下各风速条件下的CO扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s。
图3 排风量为100m3/s的情况下各风速条件下的CO扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图4 排风量为80m3/s的情况下各风速条件下的CO扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图5 排风量为125m3/s的情况下各风速条件下的PM2.5扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图6 排风量为100m3/s的情况下各风速条件下的PM2.5扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图7 排风量为80m3/s的情况下各风速条件下的PM2.5扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图8 排风量为125m3/s的情况下各风速条件下的NO2扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图9 排风量为100m3/s的情况下各风速条件下的NO2扩散情况。a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图10 排风量为80m3/s的情况下各风速条件下的NO2扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图11 排风量为125m3/s的情况下各风速条件下的NOX扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图12 排风量为100m3/s的情况下各风速条件下的NOX扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
图13 排风量为80m3/s的情况下各风速条件下的NOX扩散情况。其中,a:10m高度处的环境风速为1m/s,b:2m/s,c:3m/,d:4m/s,e:5m/s 。
具体实施方式
以上海市翔殷路隧道为例,针对不同的气象条件(环境风速)和风机排风量对CO、颗粒物(PM2.5)和氮氧化物(NO2以及NOX)的扩散情况进行了模拟。根据上海市翔殷路隧道的具体情况,设定风塔高度为25m,排风口面积都等效于直径为4m的圆,排气口气体温度为35℃;假定CO的排放速率为30g/s,PM2.5的为1g/s,NO2以及NOX的排放速率分别为3g/s和0.5g/s;模拟范围为1000m*600m,东西向横轴从0-1000m,南北向纵轴为0-600m,其中风塔的坐标为(50m,300m);相关的气象参数假定主导风向为西风(风向角为270°),地表粗糙度为1m,纬度为31°,比表反照率、Priestley-Taylor常数和最小M-O长取***设定值,分别是0.23、1和30m。根据不同的气象条件(10m高度处的环境风速分别为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s)和风机排风量(125m3/s、100m3/s和80m3/s)选取了2013年4月的某天早上8:00时刻(假设这一时段内云量为0)来模拟CO、PM2.5、NO2以及NOX的扩散,以下分别是不同条件下的模拟情况。
1 、CO的扩散模拟
图2、图3和图4分别表示的不同排风量的情况下,各种环境风速条件下CO浓度的扩散情况。从这3副图中可以很明显的看出,排风量和环境风速对CO浓度的扩散情况有很大的影响。
在排风量一定的情况下,风速与CO最大落地浓度大致是呈现正相关。如图2中,排风量为125m3/s,当环境风速为1m/s时,CO的最大落地浓度约为0.143mg/m3,范围大约在主导风下风向距风塔260m处;在环境风速为2m/s时,最大落地浓度为0.259mg/m3,位于下风向240m处;在环境风速为3m/s时,最大落地浓度为0.278mg/m3,位于下风向240m处;而在环境风速较大为4m/s和5m/s时,CO最大地面浓度分别为0.272mg/m3和0.264mg/m3,依次位于在下风向240m、220m左右的范围内。在图3和图4中,排风量分别为100和80m3/s时,CO最大落地浓度以及其范围的变化趋势与图2的略有差别。图3中,环境风速为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s时,相对应的CO最大落地浓度分别为0.215mg/m3、0.328mg/m3、0.332mg/m3、0.318mg/m3和0.360mg/m3;在环境风速为1~4m/s的情况下最大落地浓度的范围基本都在距离风塔220m处,而风速较大为5m/s时,最大落地浓度范围相对接近风塔,相距180m左右。在图4中,对应1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s环境风速的CO最大地面浓度各是0.301mg/m3、0.403mg/m3、0.389 mg/m3、0.423 mg/m3和0.477mg/m3,相对应的最大落地浓度的位置距离风塔的距离分别为180m、200m、200m、180m和160m。
综合以上几种情况,从总体上来说,相同排风量的情况下,随着环境风速的增大,通过风塔排放的CO最大落地浓度也不断增加,且最大浓度的范围也越靠近风塔,始终位于下风向的方向上。这主要是因为在10m高度处风速较大的情况下,湍流也较剧烈,大气处于较不稳定的状态,湍流促进了污染物的垂直扩散;而在风速较小的情况下,大气相对较稳定,污染物主要受水平风的影响。因而CO最大落地浓度与10m高度处的风速(陆地上空一般情况下不超过5m/s)呈正相关,且风速越大,最大落地浓度的位置越接近风塔。
考虑风机排风量对CO最大落地浓度及其范围的影响,可以发现,当环境风速一定时,排风量与CO最大落地浓度的最大值呈负相关,而与最大落地浓度的范围离风塔的距离呈正相关。将图2、图3和图4中的a图对比,当环境风速为1m/s时,在风机排风量为125m3/s、100 m3/s和80 m3/s的情况下,CO最大落地浓度分别为0.143mg/m3、0.215mg/m3和0.301mg/m3,最大浓度的范围位于下风向上,依次距离风塔为260m、220m和180m左右。而从3副图的b图中,可以知道在环境风速为2m/s时,排风量依次减少,CO的最大地面浓度逐渐增加,分别为0.259mg/m3、0.328mg/m3和0.403mg/m3;而落地最大浓度范围却由距离风塔240m缩短至220m,以及200m左右。相似地,在c图中(环境风速为3m/s),CO的最大落地浓度的最大值随着排风量的减少而增加,从0.278mg/m3到0.332mg/m3再增至0.389mg/m3,相对应的浓度范围离风塔越来越近,分别在下风向的240m、220m和200m左右处。同样在d图和e图的各自比较中也能发现这样的趋势,在4m/s的情况下,CO最大落地浓度分别为0.272 mg/m3、0.318 mg/m3和0.423 mg/m3,且越来越接近风塔(距离依次是240m、220m和180m);风速为5m/s时,最大落地浓度由0.264 mg/m3增至0.360 mg/m3,以及0.477 mg/m3,与风塔的距离由220m减至180m和160m。
通过以上的比较分析,可以认为CO最大落地浓度值是随着排风量的增加而减少的,而落地最大浓度的范围却是随着排风量的增加而不断远离风塔的,这也与实际情况相符合,也就是说通过风塔排放的CO的扩散情况(最大落地浓度和范围)是受风机排风量的影响是较显著的。
2、 PM2.5的扩散模拟
通过ADMS-Urban对不同环境风速和排风量的条件下,PM2.5的扩散情况进行了数值模拟,得到结果如下图5、图6以及图7所示。
从图5可知,在排风量为125m3/s的条件下,当环境风速为1m/s时,PM2.5的最大落地浓度约为4.753*10-3mg/m3,最大值范围大约在主导风下风向距风塔260m处;而当环境风速为2m/s时,PM2.5的最大落地浓度约为8.625*10-3mg/m3,最大值大约出现在主导风下风向距风塔240m处;在环境风速为3m/s时,最大落地浓度为9.257*10-3mg/m3,位于下风向240m处;当环境风速为4m/s时,最大落地浓度为9.077*10-3mg/m3,处于下风向240m处;而在环境风速为5m/s时,PM2.5最大地面浓度为8.880*10-3mg/m3,距离风塔较近,在下风向220m左右的范围内。在图6和图7中,排风量分别为100m3/s和80m3/s时,PM2.5最大落地浓度以及其范围的变化趋势与图5的情况稍有不同。图6中,环境风速为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s时,相对应的PM2.5最大落地浓度分别为0.007mg/m3、0.011mg/m3、0.011mg/m3、0.011mg/m3和0.012mg/m3;在环境风速为1~4m/s的情况下最大落地浓度的范围基本都在距离风塔220m处,而风速较大为5m/s时,最大落地浓度范围相对接近风塔,相距180m左右。在图7中,对应1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s环境风速的PM2.5最大地面浓度各是0.010mg/m3、0.013mg/m3、0.013mg/m3、0.014mg/m3和0.016mg/m3,相对应的最大落地浓度的位置距离风塔的距离分别为180m、200m、200m、180m和160m。
PM2.5的扩散模拟情况与CO的扩散情况相似,都受环境风速和风机排风量的影响。通过对比可以发现随着环境风速的增大,通过风塔排放PM2.5的最大落地浓度也不断增加,且最大浓度的范围也越靠近风塔,始终位于下风向的方向上。风速越大,大气越不稳定,湍流活动也就越剧烈,因此环境风速与PM2.5最大落地浓度是呈正相关的,且对最大落地浓度的位置也是有较大影响的。同样地,可以发现PM2.5最大落地浓度值是随着排风量的增加而减少的,而落地最大浓度的范围却是随着排风量的增加而不断远离风塔的,这也与实际情况相符合,因此可以说通过风塔排放的PM2.5的扩散情况受风机排风量的影响是较为显著的。
3、NO2和NOX的扩散模拟
由于氮氧化物在大气中反应较为剧烈,因此需要输入NO2、NOX以及O3的背景浓度值,将化学反应考虑在内,才能得到较准确的模拟结果。在上述污染源和气象条件一定的情况下,假定NO2、NOX以及O3的背景浓度值分别为0.1mg/m3、0.15mg/m3和0.04mg/m3,模拟不同环境风速和不同排风量时的扩散情况。图8、图9和图10是NO2的扩散情况,而图11、图12和图13是NOX的扩散情况。
在排风量一定和考虑背景浓度值的情况下,随着环境风速的增加,最大落地浓度呈现先增加而后减小的趋势。如图8中,排风量为125m3/s,当环境风速为1m/s时,NO2的最大落地浓度约为0.109mg/m3,范围大约在主导风下风向距风塔280m处;在环境风速为2m/s时,最大落地浓度为0.113mg/m3,位于下风向240m处;在环境风速为3m/s时,最大落地浓度为0.111mg/m3,位于下风向260m处;而在环境风速较大为4m/s和5m/s时,NO2最大地面浓度分别为0.110mg/m3和0.109mg/m3,都位于在下风向240m左右的范围内。在图9和图10中,排风量分别为100和80m3/s时,NO2最大落地浓度以及其范围的变化趋势与图8的略有差别。图9中,环境风速为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s时,相对应的NO2最大落地浓度分别为0.113mg/m3、0.115mg/m3、0.113mg/m3、0.111mg/m3和0.111mg/m3;在环境风速为1m/s时,最大落地浓度的范围基本在距离风塔240m处;在2~4m/s的情况下,最大落地浓度范围基本都在距离风塔220m处;而风速较大为5m/s时,最大落地浓度范围相对接近风塔,相距200m左右。在图10中,对应1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s环境风速的NO2最大地面浓度各是0.117mg/m3、0.118mg/m3、0.115 mg/m3、0.115 mg/m3和0.115mg/m3,相对应的最大落地浓度的位置距离风塔的距离分别为200m、200m、220m、200m和160m。
综合以上几种情况,从总体上来说,环境风速在2m/s时,通过风塔排放的NO2最大落地浓度相对最大;在环境风速不断增加的情况下,最大落地浓度呈现先增加而后减小的趋势。而随着环境风速不断增大,最大落地浓度点的位置大致上是越来越接近风塔的,且始终位于下风向的方向上。这主要是因为在早上,太阳辐射不太强的时候,主要以NO转化为NO2的反应为主,而且隧道内的NO浓度也相对较高。环境风速不太大(1~2m/s)时,湍流不太剧烈,NO的转化率较大,NO2最大落地浓度相对较大;而在风速较大(超过3m/s)的情况下,湍流活动很强,NO转化率减小,落地浓度相对较小,但变化范围不明显。而最大落地浓度点的位置随着风速的增大而接近风塔,这主要与湍流的增强,促进了污染物的扩散有关。
考虑风机排风量对NO2最大落地浓度及其范围的影响,可以发现,当环境风速一定时,排风量与NO2最大落地浓度的最大值呈负相关,而与最大浓度的范围离风塔的距离呈正相关。将图8、图9和图10中的a图对比,当环境风速为1m/s时,在风机排风量为125m3/s、100 m3/s和80 m3/s的情况下,NO2最大落地浓度分别为0.109mg/m3、0.113mg/m3和0.117mg/m3,最大浓度的范围位于下风向上,依次距离风塔为280m、240m和200m左右。而从3副图的b图中,可以知道在环境风速为2m/s时,排风量依次减少,NO2的最大地面浓度逐渐增加,分别为0.113mg/m3、0.115mg/m3和0.118mg/m3;而落地最大浓度范围却由距离风塔240m缩短至200m左右。相似地,在c图中(环境风速为3m/s),NO2的最大落地浓度的最大值随着排风量的减少而增加,从0.111mg/m3到0.113mg/m3再增至0.115mg/m3,相对应的浓度范围离风塔越来越近,分别在下风向的260m、240m和220m左右处。同样在d图和e图的各自比较中也能发现这样的趋势,在4m/s的情况下,NO2最大落地浓度分别为0.110 mg/m3、0.111 mg/m3和0.115 mg/m3,且越来越接近风塔(距离依次是240m、240m和200m);风速为5m/s时,最大落地浓度由0.109mg/m3增至0.111mg/m3,以及0.115mg/m3,与风塔的距离由240m减至220m和160m。
通过以上的比较分析,可以认为NO2最大落地浓度值是随着排风量的增加而减少的,而落地最大浓度的范围却是随着排风量的增加而不断远离风塔的,这也与实际情况相符合,也就是说通过风塔排放的NO2的扩散情况(最大落地浓度和范围)是受风机排风量的影响是较显著的。
从图11可知,当排风量为125m3/s时,当环境风速为1m/s时,NOX的最大落地浓度约为0.173mg/m3,范围大约在主导风下风向距风塔260m处;在环境风速为2m/s时,最大落地浓度为0.184mg/m3,位于下风向240m处;在环境风速为3m/s时,最大落地浓度为0.184mg/m3,位于下风向220m处;而在环境风速较大为4m/s和5m/s时,NOX最大地面浓度分别为0.181mg/m3和0.180mg/m3,都位于在下风向220m左右的范围内。在图12和图13中,排风量分别为100和80m3/s时,NOX最大落地浓度以及其范围的变化趋势与图8的略有差别。图12中,环境风速为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s时,相对应的NOX最大落地浓度分别为0.183mg/m3、0.194mg/m3、0.191mg/m3、0.187mg/m3和0.191mg/m3;在环境风速为1m/s时,最大落地浓度的范围基本在距离风塔220m处;在2~4m/s的情况下,最大落地浓度范围基本都在距离风塔200m处;而风速较大为5m/s时,最大落地浓度范围相对接近风塔,相距180m左右。在图13中,对应1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s环境风速的NOX最大地面浓度各是0.195mg/m3、0.203mg/m3、0.198 mg/m3、0.199 mg/m3和0.204mg/m3,相对应的最大落地浓度的位置距离风塔的距离分别为180m、180m、200m、180m和140m。
NOX的扩散模拟情况与NO2的扩散情况略有区别,但都受环境风速和风机排风量的影响。从总体上来说,环境风速在1m/s时,通过风塔排放的NO2最大落地浓度相对较小;变为2-5m/s时最大落地浓度值的变化范围不太大。而随着环境风速不断增大,最大落地浓度点的位置大致上是越来越接近风塔的,且始终位于下风向的方向上。这主要是因为在10m高度处风速由小变大(1m/s增加到2m/s)的情况下,湍流也变得较剧烈,促进了污染物的垂直扩散,而转化率变化的不大;但在风速较大(大于2m/s)的情况下,污染物的转化率会相对减小,但是垂直扩散却在加剧;因此在环境风速较小(1m/s)时,NO2最大落地浓度相对较小,在风速较大(超过2m/s)的情况下,落地浓度相对较大,但变化范围不明显。而最大落地浓度点的位置随着风速的增大而接近风塔,这主要与湍流的增强,促进了污染物的扩散有关。同样地,可以发现PM2.5最大落地浓度值是随着排风量的增加而减少的,而落地最大浓度的范围却是随着排风量的增加而不断远离风塔的,这也与实际情况相符合,因此可以说通过风塔排放的PM2.5的扩散情况受风机排风量的影响是较为显著的。
Claims (1)
1.一种地下空间排放口排放污染物对周围环境影响的测量方法,其特征在于:是对选定的排放口,确定地理信息坐标、排放口排放高度、污染物排放种类和强度参数,结合预设的风向、风速气象参数,输入到ADMS-Urban模式***中,经过运算,得到网格化的污染物落地浓度坐标;根据污染物浓度分布情况,选定合适的位置进行现场实测验证,从而最终得出排放口排放污染物对周围环境的影响分布情况;其中,所述ADMSADMS-Urban模式***中,在边界层内,污染物浓度分布的一般表达式为:
其中,C是污染物浓度,QS是源强,σy、σz分别是y,z方向的扩散参数,U是平均风速,ZS是污染源高度,h表示边界层高度。
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CN201410686833.8A Pending CN104408308A (zh) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | 一种地下空间排放口排放污染物对周围环境影响的测量方法 |
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