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容量计算模型

附件二：

大气环境容量测算模型简介

说明：

本部分内容是“重点城市大气环境容量核定工作方案”中提到的各推荐模型的简介，主要目的是为了使各城市了解各模型的功能和基本原理，同时，了解如选用该模型，都需要准备哪些输入数据，以便各城市根据本市的实际情况，提前准备。

第一部分大气扩散烟团轨迹模型

1大气扩散烟团轨迹模型简介

该模型由国家环境保护总局环境规划院开发。

烟团扩散模型的特点是能够对污染源排放出的“烟团”在随时间、空间变化的非均匀性流场中的运动进行模拟，同时保持了高斯模型结构简单、易于计算的特点，模型包括以下几个主要部分。

1.1三维风场的计算

首先利用风场调整模型，得到各预测时刻的风场，由于烟团模型中释放烟团的时间步长比观测间隔要小得多，为了给出每个时间步长的三维风场，我们采用线性插值的方法，利用前后两次的观测风场内插出其间隔时间内各个时间步长上的三维风场，内插公式如下：

式中：

V（t1）、V（t2）—分别为第1和第2个观测时刻的风场值；

—烟团释放时间步长；

n—为t1、t2间隔内的时间步长数目；

Vi—表示t1、t2间隔内第i个时间步长上的风场值。

1.2烟团轨迹的计算

位于源点的某污染源，在t0时刻释放出第1个烟团，此烟团按t0时刻源点处的风向风速运行，经一个时间步长

后在t1时刻到达P11，经过的距离为D11，从t1开始，第一个烟团按P11处t1时刻的风向风速走一个时间步长，在t2时刻到达P12，其间经过距离D12，与此同时，在t1时刻从源点释放出第2个烟团，按源点处t1时刻的风向风速运行，在t2时刻到达P22，其经过的距离为D22，以此类推，从t0时刻经过j个

，到tj时刻共释放出了j个烟团，这时，这j个烟团的中心分别位于Pij，i=1，2，…j，设源的坐标为（Xs，Ys，Zs（t）），Zs（t）为t时刻烟团的有效抬升高度，Pij的坐标为（Xij，Yij，Zij），u、v分别为风速在X、Y方向的分量，则有如下计算公式：

　t1时刻：

t2时刻：

以此类推，到tj时刻，共释放出j个烟团，这些烟团最后的中心位置分别在Pij，Xij，Yij，Zij，i=1，2，…j，对于第i个烟团有：

为i个烟团从源点释放后到tj时刻所经过的距离。

1.3浓度公式

由前一个小节的计算，已找到由S点（Xs，Ys）的污染源释放出来的所有烟团在第j个时刻所处的位置，这样S处的污染源在第j个时刻在地面某接受点R（X、Y、0）处造成的浓度就是所有i个烟团的浓度贡献之和。

考虑中心位于Pij的烟团对R点的浓度贡献，则有：

式中：

Qs—源强，mg/s；

：

—X方向、Y方向、Z方向的大气扩散参数，m；

Cx、Cy、Cz：

—X、Y、Z方向扩散项，Cz在后面给出算式；

Cb为污染物转化项，b为转化率，1/s；

Cd为污染物沉降项，Vd为沉降速率，m/s。

由于考虑到烟团对混合层的穿透作用及混合层对烟团的反射作用，垂直扩散项分以下几种情况讨论：

当混合层高为零时（即无混合层时）有：

计算地面浓度时，Z=0，则有：

当混合层高度Zi不为零时，垂直扩散项分以下几种情况计算。

设排放源几何高度为hs，混合层高度为Zi，令

，设烟气抬升高为

（烟气抬升高度用“国标HJ/T2.2-93”推荐的模式计算），我们可定义烟气穿透率：

，按不同的P值，分别计算Cz。

当P=0，即

时，认为污染物全在混合层内，按封闭性扩散式计算，即污染物在混合层与地面间多次反射。

式中：

N－为反射次数，一般取为N=4即可。

当P＞1时，即

　时，认为污染物完全穿透混合层，并在混合层以上的稳定层中扩散，由混合层的阻挡而不能到达地面，这时令Cz=0。

当0

时认为是部分穿透情形，这时有部分污染物抬升到混合层以上，而（1-P）部分被封闭在混合层以内，Cz按下式计算：

许多文献认为穿透到混合层以上的污染物被阻挡后不能向地面扩散，当地区大气层结处于中性偏稳定结构时，混合层对污染物的阻挡作用并不是很强，这时可设计成让这部分烟团在

高度上向下扩散，则有：

而（1-P）部分的烟团在Zi处按封闭扩散：

1.4大气扩散参数

1.4.1有风时扩散参数σy、σz的确定（0.5h取样时间）

（1）平原地区农村及城市远郊区的扩散参数选取方法如下：

A、B、C级稳定度直接由表1.4-1和表1.4-2查算，D、E、F级稳定度则需向不稳定方向提半级后由表1.4-1和表1.4-2查算。

（2）工业区或城区中的点源，其扩散参数选取方法如下：

A、B级不提级，C级提到B级，D、E、F级向不稳定方向提一级，再按表1.4-1和表1.4-2查算。

表1.4-1横向扩散参数幂函数表达式数据

扩散参数

稳定度等级（P·S）

α1

下风距离，m

A

0.901074

0.850934

0.425809

0.602052

0~1000

>1000

B

0.914370

0.865014

0.281846

0.396353

0~1000

>1000

B~C

0.919325

0.875086

0.229500

0.314238

0~1000

>1000

C

0.924279

0.885157

0.177154

0.232123

0~1000

>1000

C~D

0.926849

0.886940

0.143940

0.189396

0~1000

>1000

D

0.929481

0.888723

0.110726

0.146669

0~1000

>1000

D~E

0.925118

0.892794

0.0985631

0.124308

0~1000

>1000

E

0.920818

0.896864

0.086001

0.124308

0~1000

>1000

F

0.929481

0.888723

0.0553634

0.073348

0~1000

>1000

表1.4-2垂直扩散参数幂函数表达式数据

扩散参数

稳定度等级

（P·S）

α2

下风距离，m

A

1.12154

1.5260

2.10881

0.0799904

0.00854771

0.000211545

0~300

300~500

>500

B

0.941015

1.09356

0.127190

0.0570251

0~500

>500

B~C

0.941015

1.00770

0.114682

0.0757182

0~500

>500

C

0.917595

0.106803

0

C~D

0.838628

0.756410

0.815575

0.126152

0.235667

0.136659

0~2000

2000~10000

>10000

D

0.826212

0.632023

0.555360

0.104634

0.400167

0.810763

1~1000

1000~10000

>10000

D~E

o.776864

0.572347

0.499149

0.104634

0.400167

1.03810

0~2000

2000~10000

>10000

E

0.788370

0.565188

0.414743

0.0927529

0.433384

1.73241

0~1000

1000~10000

>10000

F

0.78440

0.525969

0.322659

0.0620765

0.370015

2.40691

0~1000

1000~10000

>10000

（3）丘陵山区的农村或城市，其扩散参数选取方法同工业区。

1.4.2小风和静风（U10＜1.5m/s）时，0.5h取样时间的扩散参数按表1.4-3选取

表1.4-3小风和静风扩散参数的系数

、

稳定度（P·S）

U10＜0.5m/s

1.5m/s＞U10≥0.5m/s

U10＜0.5m/s

1.5m/s＞U10≥0.5/s

A

0.93

0.76

0.15

1.57

B

0.76

0.56

0.47

0.47

C

0.55

0.35

0.21

0.21

D

0.47

0.27

0.12

0.12

E

0.44

0.24

0.07

0.07

F

0.44

0.24

0.05

0.05

1.5烟气抬升公式

1.5.1有风时，中性和不稳定条件的烟气抬升高度△H（m）

（1）当烟气热释放率Qh大于或等于是2100KJ/s，且烟气温度与环境温度的差值△T大于或等于35K时，△H采用下式计算：

式中：

no——烟气热状况及地表系数，见表1.5-1；

n1——烟气热释放率指数，见表1.5-1；

n2——排气筒高度指数，见表1.5-1；

Qh——烟气热释放率，KJ/s；

H——排气筒距地面几何高度，m，超过去240m时，取H=240m；

Pa——大气压力，hPa；

Qv——实际排烟率，m3/s；

△T——烟气出口温度与环境温度差，K；

Ts——烟气出口温度，K；

Ta——环境大气温度，K；

U——排气筒出口处平均风速，m/s。

表1.5-1no、n1、n2的选取

Qh，KJ/s

地表状况（平原）

no

n1

n2

Qh，KJ/s

农村或城市远郊区

1.427

1/3

2/3

城市及近郊区

1.303

1/3

2/3

2100≤Qh＜21000

且△T≥35K

农村或城市远郊区

0.332

3/5

2/5

城市及近郊区

0.292

3/5

2/5

（2）当1700kJ/s＜Qh＜2100KJ/s时，

式中：

Vs——排气筒出口处烟气排出速度，m/s；

D——排气筒出口直径，m；

△H2——按

（1）方法计算，no、n1、n2按表1.5-1中Qh值较小的一类选取；

Qh，U——与

（1）中的定义相同。

（3）当Qh≤1700kJ/s或者△T＜35K时，

1.5.2有风时,稳定条件按下式计算烟气抬升高度△H（m）。

1.5.3静风和小风时，按下式计算烟气抬升高度△H（m）.。

但

取值不宜小于0.01K/m。

2模型运行所需数据

数据文件1：

共四行：

第1行：

X方向网格点的数目（MX），Y方向网格点的数目（MY），Z方向风的观测数据层数目（MZ），最大有效烟团数（NT，默认110），污染源数目（MSC），气象观测小时数目（NTimes），稳定度数目（NeleTa，默认24）；

第2行：

烟团的时间步长（分，默认30.0）

第3行：

X方向步长（m，默认1000.0），Y方向步长（m，默认1000.0），大气压力（hPa，默认1013.25），规划区类型（1农村，2城市）；

第4行：

化学转化率1/s，沉降速率m/s；

数据文件2：

网格点上的背景浓度值，单位mg/m3；

（（C1（I,J）,I=1,MX）,J=1,MY）

数据文件3：

网格点上的高程（地形值），单位m；

数据文件4：

共六部分。

第1部分：

污染源数据，共12列，MSC行；

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

说明

源类型：

1为点源，2为面源

污染源坐标

X，Y，Z

（m）

源强（mg/s）

烟囱几何高度

（m）

烟气温度（℃）

实际排烟率（m3/s）

烟囱出口内径（m）

烟气出口速度（m/s）

面源边长

（m）

面源平均高度

（m）

第2部分：

1500m高程以下各层风的高程，共MZ个；

例如：

10，50，100，150，200，300，400，500，700，900，1200,1500

第3部分：

1500m高程以下各温度层的高程，共NEleTa个；

例如：

0，50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800，900，1000，1100，1200，1300，1400，1500

第4部分：

取样时间（0~24），共Ntime个；

例如：

681114171921（第1天）

30323538414345（第2天）

54565962656769（第3天）

78808386899193（第4天）

102104107110113115117

134137139141（因下雨，有效时次减少）

150152155158161163165

174176179182185187189

198200203206209211213

222224227230233235237

246248251254257259261

270272275278281283285

294296299302305307309

318320323326329331333

342344346348350352354356358360

362364366368370372374376378380

（最后两天时次加密，故有10个数）

第5部分：

相对于各取样时间的稳定度，共Ntime个；

（以数字表示：

A=1，B=2，B～C=3，C=4，C～D=5，D=6，D～E=7，E=8，F=9）

例如：

8664666

9246666

9246666

6646666

6664666

6666

6442668

8424686

8646668

8446668

8426666

8466666

6666666

6666669

884426698

888664666

第6部分：

0-24小时平均逐时混合层高度（m），

例如：

317.2，285.5，253.8，222.1，190.4，158.7，127.0，227.0，327.0，455.7，584.3，713.0，733.0，753.0，773.0，695.0，617.0，539.0，507.3，475.6，443.9，412.2，380.5，348.8

数据文件5：

1500m高程以下各温度层的温度值（℃）：

共NEleTa列，NTimes行。

数据文件6：

1500m高程以下各层风的风速，共有NTimes个文件。

每个文件格式为：

第1行：

月，日，时；

第2行开始

N（风的层号）

U（风速在x方向上的分量，单位m/s，共MX列）

V（风速在y方向上的分量，单位m/s，共MX列）

U、V各MY行

N=1，2，……，MZ

第二部分A-P值法（GB/T3840-91）

1A-P值法简介

A-P值法为国家标准《制定大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T3840-91）提出的总量控制区排放总量限值计算公式；根据计算出的排放量限值及大气环境质量现状本底情况，确定出该区域可容许的排放量。

1.1总量控制区内大气污染物排放总量限值的计算方法

1.1.1总量控制区污染物排放总量的限值由式

（1）计算：

（1）

式中：

Qak----总量控制区某种污染物年允许排放总量限值，104t；

Qaki----第i功能区某种污染物年允许排放总量限值，104t；

n----功能区总数；

i----总量控制区内各功能分区的编号；

a----总量下标；

k----某种污染物下标。

1.1.2各功能区污染物排放总量限值由式

（2）计算：

（2）

（3）

式中：

Qaki----第i功能区某种污染物年允许排放总量限值，104t；

S----总量控制区总面积，km2；

Si----第i功能区面积，km2；

Aki----第i功能区某种污染物排放总量控制系数，104t·a-1·km-1，计算方法见1.1.3。

1.1.3各类功能区内某种污染物排放总量控制系数由式（4）计算：

（4）

式中：

Aki----第i功能区某种污染物排放总量控制系数，104t·a-1·km-1；

Cki----GB3095等国家和地方有关大气环境质量标准所规定的与第i功能区类别相应的年日平均浓度限值，mg·m-3；

A----地理区域性总量控制系数，104·km2·a-1，可参照表1.1-1所列数据选取。

Aki亦可按（GB/T3840-91）附录A2方法求取。

1.1.4总量控制区内低架源（几何高度低于30m的排气筒排放或无组织排放源）大气污染物年排放总量限值由式（5）计算：

（5）

式中：

Qbk----总量控制区内某种污染物低架源年允许排放总量限值，104t；

Qbki----第i功能区低架源某种污染物年允许排放总量限值，104t，其计算方法见1.1.5；

b----低架源排放总量下标。

1.1.5各功能区低架源污染物排放总量限值按式（6）计算。

（6）

式中：

Qbki----第i功能区低架源某种污染物年允许排放总量限值，104t；

Qaki----第i功能区某种污染物年允许排放总量限值，104t；

a----低架源排放分担率，见表1.1-1。

表1.1-1我国各地区总量控制系数A、低源分担率a、点源控制系数P值

地区序号

省（市）名

A

α

P

总量

控制区

非总量

控制区

1

新疆，西藏,青海

7.0-8.4

0.15

100-150

100-200

2

黑龙江,吉林,辽宁,内蒙古（阴山以北）

5.6-7.0

0.25

120-180

120-240

3

北京,天津,河北,河南,山东

4.2-5.6

0.15

100-180

120-240

4

内蒙古（阴山以南）,山西,陕西（秦岭以北）,宁夏,甘肃（渭河以北）

3.5-4.9

0.20

100-150

100-200

5

上海,广东,广西,湖南,湖北,江苏,浙江,安徽,海南,台湾,福建,江西

3.5-4.9

0.25

50-100

50-150

6

云南,贵州,四川,甘肃,（渭河以南）,陕西（秦岭以南）

2.8-4.2

0.15

50-75

50-100

7

静风区（年平均风速小于1m/s）

1.4-2.8

0.25

40-80

40-90

1.1.6总量控制区内点源（几何高度大于等于30m的排气筒）污染物排放率限值由式（7）计算：

（7）

式中：

Qpki----第i功能区内某种污染物点源允许排放率限值，t·h-1；

Pki----第i功能区内某种污染物点源排放控制系数，t·h-1·m-2，计算方法见1.1.7；

He----排气筒有效高度，m，计算方法见1.1.11。

1.1.7点源排放控制系数按式（8）计算：

（8）

式中：

Pki----第i功能区内某种污染物点源排放控制系数，t·h-1·m-2；

βki----第i功能区某种污染物的点源调整系数，计算方法见1.1.8；

βk----总量控制区内某种污染物的点源调整系数，计算方法见1.1.9；

Cki----见1.1.3定义，但使用日平均浓度限值，mg·m-3;

P----地理区域性点源排放控制系数，见表1.1-1。

1.1.8各功能区点源调整系数按式（9）计算：

（9）

式中：

βki----见1.1.7定义，若>1则取=1；

Qaki----见1.1.2定义;

Qbki----见1.1.4定义；

Qmki----第i功能区内某种污染物所有中架点源（几何高度大于或等于30m、小于100m的排气筒）年允许排放的总量,104t;

1.1.9总量控制区点源调整系数按式（10）计算：

（10）

式中：

βk----见1.1.7定义，若>1则取=1；

Qak----见1.1.1定义；

Qbk----见1.1.4定义；

Qmk----总量控制区内某种污染物所有中架点源（见1.1.8定义）年允许排放的总量，104t；

Qek----总量控制区内某种污染物所有高架点源（几何高度大于或等于100m的排气筒）年允许排放的总量,104t。

1.1.10实际排放总量超出限值后的削减原则是尽量削减低架源总量Qbk及Qbki，使得βk和βki接近或等于1，然后再按1.1.7的方法计算点源排放控制系数Pki。

1.1.11排气筒有效高度按式（11）计算：

（11）

式中：

H----排气筒距地面几何高度，m。

超过240m时取H=240m；

ΔH----烟气抬升高度，m。

计算公式见第一部分1.5烟气抬升公式。

1.1.12点源大气污染物排放浓度（1h平均）限值按式（20）计算：

（20）

式中：

Cpki----第i功能区内允许点源烟囱出口处排放的某种大气污染物（1小时平均）浓度限值，mg·m-3；

Qpki----见1.1.6定义；

Qv----实际排烟率，m3/s。

2所需的输入数据

1）总量控制区面积（主要指建成区，不包括大量农田和荒地，它们可作为非控制区，参考控制区执行）；

2）总量控制区内的功能分区的面积（若全市空气质量标准皆为二级标准，可按行政区）；

3）功能分区的空气质量控制浓度（国家空气质量SO2地面浓度标准年日平均浓度限值及日平均浓度限值）；

4）环境平均风速；

5）各点源的烟囱几何高度、出口内径、烟气温度、烟气出口速度、源强；

6）面源排放面积、平均高度、源强。

第三部分ADMS大气扩散模型软件简介

ADMS大气扩散模型软件是由英国剑桥环境研究公司开发的，分“ADMS-评价”、“ADMS-工业”、“ADMS-城市”等独立系统。

其中，“ADMS-城市”版是大气扩散模型系统（ADMS）系列中的最复杂的一个系统。

模拟城市区域来自工业，民用和道路交通的污染源产生的污染物在大气中的扩散，ADMS-城市模型用点源，线源，面源，体源和网格源模型来模拟这些污染源。

经设计，可以考虑到的扩散问题包括最简单的（例如，一个孤立的点源或单个道路源）到最复杂的城市问题（例如，一个大型城市区域的多个工业污染源，民用和道路交通污染排放）。

它对研究大气质量管理措施特别有用，例如计算先进技术的引进，低排污区对污染状况的影响，燃料的改变，限制车速的设计对空气质量的影响等。

ADMS-城市可以作为一个独立的系统使用，也可以与一个地理信息系统联合使用。

ADMS-城市与MapInfo以及ESRI的ArcView可以完全有机的连接。

我们推荐将ADMS