城市污染物扩散模拟
常用城市大气扩散模型软件综述
常用城市大气扩散模型软件综述陈罕立国家环保总局环境规划院北京１０００１２摘要本文对我国目前用得较多的城市大气扩散模型，分成三太类进行简要介绍，同时着重对已形成软件的大气扩散模型，教详细地论述其模型的功能、输入参数要求及输出结果等方面。
供使用者参考。
关键词大气扩散模型软件参数要求ｌ大气扩散模式概述空气污染危害是空气中的污染物质作用于受体的结果，它的形成和危害程度是以它们作用于受体的浓度和时间决定的。
因此，尽管具体的空气污染问题多种多样、各不相同，都必须解决一个基本的问题，就是要正确推断各种条件下污染浓度的分布及其随时间的变化。
大气扩散模式将各种污染源、气象条件和下垫面条件下的空气污染过程模式化，研究模型中的各种参数，以模式计算的形式给出空气污染浓度的时空变化规律。
同时，通过对地面浓度分柜的模拟，根据给出的大气环境目标值，还可以反演得出相对应的环境容量值。
各种大气扩散模式形式多样、不胜枚举。
它们的差别主要表现在以下几个方面：（１）写的过程不同。
污染物在大气中经历输送过程、扩散过程、各种物理和化学的转化和清除过程。
还有一些特殊的过程，象热烟气的抬升和障碍物引起的下洗过程等等。
一个数学模式不可能模拟所有的过程。
由于侧重描写的过程不同，得到的模式就不一样。
最常用和最典型的一般有：烟流模型、烟团模型、欧拉模型等。
（２）建立模式的理论体系和研究途径不同。
湍流扩散的三大理论体系是：统计理论、Ｋ理论和相似理论。
此夕｝，还有一些如统计回归模式、箱模式等从其它经验方法或理论途径导出的模式。
（３）描写的对象、条件和对模式的要求不同。
现有的扩散模式，按污染源的性质可分为点源、线源、面源……和多源扩散模式。
按下垫面条件可分为平原、城市和各种复杂地形（山谷）的模式。
按时空尺度可分为短时间（１－２４小时）模式和长时间（月、季、年）模式，以及小尺度、区域及全球模式。
有些模式是针对某些特殊气象条件导出的，象沿海或大面积水域附近的海岸线熏烟型扩散模式、封闭型扩散模式及准静风扩散模式等。
扩散模型研究方法
扩散模型研究方法扩散模型研究方法是一种用于研究物质传播和分布的数学模型方法。
它适用于广泛的领域，如大气、海洋、环境和经济等。
该模型通过综合各种流体动力学过程、传热和化学反应等物理-化学过程来描述物质传播和分布。
下面将介绍一些常见的扩散模型研究方法。
1. 独立扩散模型独立扩散模型是基于Fick扩散定律的。
它假设在扩散期间，物质传输是由于浓度梯度引起的。
此模型适用于一些较简单的物质在均匀介质中扩散的情况。
二元扩散模型是在独立扩散模型基础上发展的，它考虑了不同的两种物质在相互作用下同时传播的情况。
在这种模型中，每种物质的浓度和迁移速度受到另一种物质的浓度和迁移速度的影响。
3. 拉普拉斯方程模型拉普拉斯方程模型描述物质扩散和迁移的过程，该过程根据波动（作用函数）的形状给出。
该模型涉及到不同的边界条件，例如，壳体的形状、扩散层和环境。
拉普拉斯方程模型特别适合于描述基于扩散的化学反应。
4. 基于建筑群的模型基于建筑群的模型是一种将人的运动及其与空气和建筑物的相互作用结合起来来模拟空气质量的方法。
该模型包括建筑设计和气氛中污染物扩散特性等因素。
该模型尤其适用于模拟城市环境中空气污染物的传播。
5. 多尺度模型多尺度模型是在不同的时间和空间尺度下建立模型的方法，能够更好地描述物质传播和分布。
它将不同的扩散途径结合起来，对不同的物质类型和环境因素进行综合考虑，以更准确的方式预测空气质量。
质点扩散模型基于惯性纵向弥散的概念，通常用于分析短距离扩散过程。
质点扩散模型具有时间和空间尺度的约束，且适用于在强风或气流速度较快的环境中发生的污染物扩散。
中央空调系统中污染物扩散的模拟研究
中央空调系统中污染物扩散的模拟研究中央空调系统在建筑物中起着至关重要的作用，它能够确保室内空气的舒适度和质量。
随着建筑物使用年限的增加和环境污染的加剧，中央空调系统中的污染物扩散问题日益凸显。
对中央空调系统中污染物扩散的模拟研究显得尤为重要。
中央空调系统中污染物扩散的模拟研究是一项相对复杂的课题，它包括了多个方面的考量，如空气流动、温度变化、湿度变化、污染物排放源位置等。
建筑物内部的结构也对污染物扩散有着重要影响，比如空调风口的位置、建筑物内部的隔板结构等。
进行中央空调系统中污染物扩散的模拟研究需要综合考虑多种因素，涉及多个学科领域的知识。
中央空调系统中污染物的扩散受到建筑物内部的空气流动影响。
建筑物内部的空气流动通常由空调系统提供，其流动方向和速度对污染物的扩散具有重要影响。
空气流动还会导致温度和湿度的变化，进而影响室内空气的舒适度和质量。
模拟中央空调系统中污染物扩散需要考虑空气流动对污染物传播的影响。
污染物排放源的位置也是影响中央空调系统中污染物扩散的重要因素。
不同位置的污染物排放源会导致不同的扩散模式，进而对室内空气质量产生影响。
模拟研究需要考虑不同位置的污染物排放源对空气质量的影响，以便制定相应的防控措施。
为了进行中央空调系统中污染物扩散的模拟研究，需要借助计算流体力学（CFD）等数值模拟方法。
通过建立建筑物内部的三维模型，结合空调系统的工作原理和污染物的排放源位置，可以模拟出不同情况下的污染物扩散情况。
利用数值模拟还可以对不同的防控措施进行评估，为改善室内空气质量提供科学依据。
在模拟研究的基础上，可以制定相应的防控措施来改善中央空调系统中的污染物扩散问题。
通过调整空调系统的运行模式、优化空气流动方向、对污染物排放源进行合理布局等措施，可以有效减少污染物在室内的扩散，保证室内空气的质量和舒适度。
建筑物的设计和装修也可以考虑防污染物扩散的因素，从源头上减少污染物的排放。
大气污染物扩散的高斯模型模拟
9.2.2大气污染物扩散的高斯模型模拟：可视化模拟点源大气污染的扩散9.2.2 Gaussian Atmospheric Dispersion Model突发性大气污染事故时有发生，对大气污染扩散进行模拟和分析，有利于减小事故的危害，减轻人员伤亡和财产损失。
高斯扩散模型是国际原子能机构(IAEA)推荐使用于重气云扩散模拟的数学模型,该模型在非重气云扩散的应用日益广泛。
高斯扩散模型是描述大气对有害气体的输移、扩散和稀释作用的物理或数学模型,是进行灾害预测和救援指挥的有力手段之一。
9.2.2.1高斯扩散模型高斯模型又分为高斯烟团模型和高斯烟羽模型。
大气污染物泄漏分为瞬时泄漏和连续泄漏，瞬时泄漏是指污染物泄放的时间相对于污染物扩散的时间较短如突发泄漏等的情形，连续泄漏则是指污染物泄放的时间较长的情形。
瞬时泄漏采用高斯烟团模型模拟，而连续泄漏采用高斯模型烟羽模型模拟。
高斯模型适用于非重气云气体，包括轻气云和中性气云气体。
要求气体在扩散过程中，风速均匀稳定。
在高斯烟团模型中，选择风向建立坐标系统，即取泄漏源为坐标原点，x轴指向风向，y轴表示在水平面内与风向垂直的方向，z轴则指向与水平面垂直的方向，具体公式见式(9.1):…………(9.1)其中：为泄漏介质在某位置某时刻的浓度值；为污染物单位时间排放量(mg/s);、、分别x、y、z轴上的扩散系数，需根据大气稳定度选择参数计算得到(m)；x、y、z 表示x、y、z上的坐标值(m)；u表示平均风速(m/s)；t表示扩散时间(s)；H表示泄漏源的高度(m)。
同理，高斯烟羽模型的表达式如：………………………(9.2)9.2.2.2 技术方法若用高斯模型算出空间每一个点在一个时刻的污染浓度，这个计算量是很大的。
因此所设计的系统一般都是采用先进行图层网格化，由高斯模型计算出有限个网格点的上的污染物浓度，在进行空间内插得到面上每一个点的污染物浓度，并由此得到污染物浓度的等值线。
基于GIS的大气污染源扩散模拟的实现及应用
基于GIS的大气污染源扩散模拟的实现及应用关键词：扩散模型WEBGIS污染源扩散摘要：突发性的气体污染源泄露事件，由于其具有的突然性，会在短时间内排放出大量有毒有害的气体，对环境造成重大污染。
本文根据高斯模型，结合大气污染源扩散事件的特点，应用仿真技术，完成了GIS下大气污染源扩散的模拟，为突发性污染源事故的应急决策和指挥提供有力的支持。
关键词：扩散模型，WEBGIS，污染源扩散突发性环境污染事故是一种威胁人类安全和健康、破坏生态环境、危害性大的污染事故。
近年来，随着经济的发展，越来越多的突发环境事故暴发，造成严重的环境污染，不仅给国家人民财产造成了损失，同时还严重的危害了周边人民的健康。
因此，加强突发性环境污染事故应急监测，研究其处理技术，对污染物的扩散进行预报是环境监测和环境保护领域中一项非常重要的工作。
本文根据高斯理论，结合大气污染源扩散事件的特点，实现了基于GIS的大气污染源扩散模型，并在天津某区的环保监控与应急指挥系统得应用中取得了很好的效果。
1 大气扩散模型研究的意义突发性环境污染事故主要是由于高压容器、储罐、输送管道节门的破裂等诸多原因引起的，它可导致有毒有害气体外泄。
其特点是没有固定的排放方式和排放途径，突然发生、来势凶猛，在短时间内排放大量有毒有害的污染物，有毒气体外泄后，随大气弥散，中心位置浓度最高，向外逐步扩散稀释，下风向形成相应的时空浓度分布。
对于重大突发事故分析，目前国内外普遍采用仿真技术，通过建立数学模型进行分析，而且已建立了很多适用于不同条件的数学模型。
当前应用较为广泛的应急大气扩散模型有：SLAB，DEGADIS，ALOHA，ARCHIE，DEMRA和LPDM,其中比较著名的有RADM、ADOM、STEMD等模型、美国Sigma公司于八十年代中期建立的HPDM模型以及英国剑桥研究院开发的ADMS模型。
这些模型通过对早期的CRSTER的法规式模式做了一些改进和发展，从而产生新一代扩散模型。
大气污染扩散模型Calpuff
02
03
计算效率
AERMOD计算效率较高，适用于快速 评估，而Calpuff计算效率较低，但结 果更为精确。
与CAMx模型比较
空间分辨率
Calpuff具有较高的空间分辨率，可以更好地模拟污染物 的空间分布，而CAMx则空间分辨率较低。
化学机制
CAMx包含了详细的化学机制，可以模拟复杂的化学反应 过程，而Calpuff则简化了化学机制，主要关注物理传输 过程。
预警系统建立
基于浓度分布图和风险评估结果，可以建立大气污染预警 系统，及时向公众发布污染预警信息，提醒公众采取必要 的防护措施。
污染源贡献分析
污染源识别
通过分析浓度分布图和排放清单数据，可以 识别出主要的污染源及其排放特征。
污染源贡献量评估
利用模型模拟结果和相关分析方法，可以定量评估 不同污染源对污染物浓度的贡献量。
突发大气污染事件应急响应案例分析
案例背景
某地区发生突发大气污染事件， 需要快速响应并制定应急措施。
01
03 应急响应措施制定
基于模型模拟结果和实时监测数 据，制定针对性的应急响应措施 ，如疏散受影响人群、实施交通 管制等。
Calpuff模型应用
02 利用Calpuff模型模拟突发大气污 染事件的扩散情况，预测污染物 的浓度分布和影响范围。
03
Calpuff模型计算过程
气象场模拟
1 2
气象数据输入
读取地面观测站、探空气球、卫星遥感等多源气 象数据。
气象场插值
采用空间插值方法，生成高分辨率的气象场，包 括风速、风向、温度、湿度等参数。
3
气象场模拟
运用中尺度气象模型（如MM5或WRF）模拟大 气边界层结构，提供Calpuff模型所需的气象场 。
室内污染物扩散的数值模拟基本原理
常见的物理模型
式中R为散发率，hD为对流传质系数，Mo、M为初始散发量和剩余散发量，Cv 为初始蒸汽压；ρ为空气密度，Ca为污染物a的浓度，uj为速度分量，Sc是无量纲 的传质Schmidt数；ρCa为该污染物的质量浓度，Da为该污染物的扩散系数，Sa 为以整个室内作为一个系统时该系统内污染物a的生产率
直接把微分方程问题转化为代数方程问题的近似数值求解，对不规则 区域适应性很差且物理意义不明显
有限元法（finite element method，FEM）
可以对不规则形状的计算区域进行离散，但是计算时间长
有限体积法（finite volume method，FVM）
对任何一组控制体积都满足因变量积分守恒，计算速度快、效率高， 广泛应用于CFD等模拟计算软件
2.室内气流的控制方程
2.3通用方程
比较流体流动与传热基本方程中的各个控制方程可以看出，尽管方 程中的变量（温度、速度或浓度）不尽相同，但它们都反应在单位 时间内、单位体积下所引起相应的物理量的变化。为了运用同一程 序对不同控制方程组进行求解，建立了质量守恒方程组、动量守恒 方程组、能量守恒以及组分质量守恒方程组的通用微分方程形式：
3.控制方程的离散方法
3.2有限体积法
计算区域的离散方法
外节点法：先指定计算域的节点位置，然后再确定控制体的分界面
内节点法：先确定子区域控制体的分界面位置，然后根据控制体积的 中心点来指定节点的位置
内节点法的优势：一是在非均匀网格时内节点法的节点始终位于单元 格的中心位置，能很好的代表控制体的参数水平；二是在控制体积的 积分运算中，假设整个控制体里的参数分布均匀，而在边界处求解参 数不连续，内节点法可以避免因用边界节点代表控制体导致的偏差
土壤污染物迁移扩散模拟与评价方法
土壤污染物迁移扩散模拟与评价方法土壤污染是指由人类活动引起的土壤中存在有害化学物质，导致土壤功能受损或对生物环境造成危害的现象。
土壤污染物的迁移和扩散是土壤环境中的关键过程，对于评估土壤污染的风险和制定科学合理的治理方案至关重要。
为了准确评估土壤污染物的迁移扩散情况，科学家们发展了多种模拟和评价方法。
一、土壤污染物迁移扩散的模拟方法1. 方程模型：方程模型利用数学方程描述土壤中污染物的迁移和扩散过程。
其中最常用的模型是对流-弥散方程模型（Advection-Dispersion Equation，简称AD模型）。
AD模型假设污染物的迁移扩散主要受到对流和弥散两个过程的影响，通过求解该方程可以得到污染物在土壤中的浓度随时间和空间的变化规律。
2. 流域模型：流域模型将土壤作为一个整体，考虑土壤的水文特性和地形条件，模拟污染物在流域中的迁移扩散过程。
流域模型通常包括土壤水分传输模型、地表径流模型和地下径流模型等，通过模拟水文过程，间接模拟污染物的迁移与扩散过程。
3. 粒度模型：粒度模型利用土壤粒度分布参数来模拟土壤中污染物的迁移扩散。
土壤粒度参数直接影响土壤的水分传输和污染物的迁移扩散。
通过测定土壤的粒度分布参数，结合数学模型，可以预测土壤中污染物的迁移扩散行为。
二、土壤污染物迁移扩散的评价方法1. 污染物潜能评价：污染物潜能评价是评估土壤污染物迁移扩散风险的一种定量方法。
它通过分析土壤性质（如有机质含量、土壤颗粒组成等）以及污染物的特性（如溶解度、降解速率等），计算得到污染物在土壤中的潜在迁移和扩散能力。
2. 土壤污染指数评价：土壤污染指数是一种综合评价土壤污染程度的方法。
它利用化学分析数据，结合土壤环境质量标准和污染物排放标准，计算得到土壤污染指数值。
不同的污染物有不同的评价指标，可以用于定量分析和比较土壤污染的严重程度。
3. 土壤溶解模型评价：土壤溶解模型是评估土壤中污染物溶解度的一种方法。
通过测定土壤与污染物的相互作用及溶解速率，建立化学平衡和动力模型，预测土壤中污染物的迁移扩散情况。
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城市污染物扩散模拟
一、介绍
城市污染问题越来越严重，影响人类健康和环境质量。
城市污
染物扩散模拟是一种有效的方法，可以评估城市污染物的来源和
扩散情况，为污染防治和环境监测提供科学依据。
本文将介绍城
市污染物扩散模拟的原理、方法和研究进展。
二、扩散模拟原理
城市污染物扩散模拟的原理是基于空气动力学和物理化学原理，包括湍流扩散、稳定层扩散、大气化学反应等过程。
污染物的扩
散程度受到多种因素的影响，包括气象条件、地形地貌、建筑物
高度和排放源高度等。
在城市气象条件下，空气流场复杂，空气的湍流运动决定着污
染物的传播路径和扩散范围。
当空气稳定时，污染物扩散受到限制，会形成逆温层或层状结构，使得污染物向下扩散的速度减缓，甚至出现上升的情况。
因此，稳定层扩散是城市污染物控制的重
要目标。
大气化学反应是城市大气环境中一种重要的化学反应，会影响
到空气中氧化还原物质的浓度分布和化学特性。
例如，二氧化氮
与氧气发生反应生成臭氧，进一步造成PM2.5等污染物的生成和
增多。
三、扩散模拟方法
城市污染物扩散模拟需要使用数值模拟方法，其中最常用的是CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟方法和GIS （Geographic Information System）模拟方法。
1. CFD模拟方法
CFD模拟方法是使用数值方法对实际问题进行计算机模拟，从而得到空气流场、污染物浓度、温度等参数的分布和变化规律。
CFD模拟方法需要考虑空气动力学、物理化学和数值计算等多方面因素，以实现真实情况的模拟。
2. GIS模拟方法
GIS模拟方法是将城市的地理信息和空间数据引入模型中，通过数字高程模型、土地利用类型和建筑物等因素进行空间分析和模拟。
与CFD方法不同，GIS方法不需要求解空气流场和物理化学过程，可以快速得到空气质量的分布和变化趋势。
四、研究进展
城市污染物扩散模拟已经广泛应用于环境监测、污染源管理和环境规划等领域。
随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，城市污染物扩散模拟技术日益成熟，应用范围也不断扩大。
例如，一些城市在应对突发环境事件时，可以利用城市污染物扩散模拟技术迅速评估污染物的扩散范围和影响程度。
同时，也可以在城市规划和建设过程中，使用城市污染物扩散模拟技术对不同方案进行评估，明确污染物控制措施的优先级和效果。
此外，城市污染物扩散模拟技术还可以与其他技术相结合，例如卫星遥感技术、分子诊断技术和人工智能技术等，共同服务于城市环境治理和保护。
五、结论
城市污染物扩散模拟是评估城市污染物来源和扩散情况的有效方法。
在模拟过程中，需要考虑气象条件、地形地貌、建筑物高度和排放源高度等因素。
CFD模拟方法和GIS模拟方法是城市污染物扩散模拟的两种常用方法。
城市污染物扩散模拟技术已广泛应用于环境监测、污染源管理和环境规划等领域，将为城市环境治理和保护提供科学依据。