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1、1998年 5月系统工程理论与实践第 5 期污染气体扩散模型的可视仿真?王红卫刘振元郑楚光(华中理工大学系统工程研究所,华中理工大学煤燃烧国家重点实验室,武汉 430074)摘要污染气体扩散模型的仿真在环境影响评价起着重要的作用,本文主要研究了污染气体的仿真模型及其参数计算方法,提出了仿真系统中的可视化形式及相应的算法,最终运用本仿真系统,对某市热电厂三期工程的扩建前后的 SO2长期平均浓度进行仿真。关键词气体扩散模型可视仿真仿真系统Visual Simulation ofthe Gaseous Pollutant Diffusing ModelsWang Hongw eiLiu Zhenyu
2、anZheng Chuguang(Huazhong University of Science and Techology,Wuhan430074)AbstractSimulation of gaseous pollutant diffusing models plays a key role in environ-mental impact assessment.In the paper,the simulating models of gaseous pollutant dif-fusing and its caculating methods of the related paramet
3、ers are studied,the content ofvisualization and its algorithms are also presented.At last,there is an example in whichlong-term average concentration SO2round about the third-term project extersion of aheat and power plant in some city is simulated.Keywordsgaseous diffusing model;visual simulating;s
4、imulating system1引言环境问题自 70年代提出以来,在过去的二、三十年里受到各国各组织的高度重视。1994 年 3 月我国政府发表了“中国二十一世纪人口、环境与发展”白皮书,环境保护正式被列入我国的一项基本国策,但目前因为各方面的原因,在环境问题上现状和趋势仍十分严峻。环境影响评价制度作为工程建设的一项重要制度,在一些西方发达国家已实行多年。在每一项大型工程开工之前,均要经过严格的环境评价,这些环境评价包括污染气体、噪声和水等的综合评价。我国因经济相对落后,环境保护也落后于西方发达国家,近年来,虽在工程上马之前也进行环境评价,但所采用的支持环境评价的工具十分落后,大多只是一些功
5、能单一的计算软件包,无法做到对污染气体扩散的可视仿真及相应的环影响评价全过程的支持。本文从研究污染气体的仿真模型的选择及其参数计算方法出发,综合考虑实际工程中可能出现的各种因素和条件来预测污染气体对环境影响的程度,并将气象、地形、污染源等因素纳入仿真计算中,从而建立包括原始数据录入及分析、扩散模型的自动选择和仿真结果可视化的仿真系统,为探索一套完整的、合理的多因素综合评价方法提供依据和参考。2系统分析?本文于 1996 年 11 月 1 日收到华中理工大学煤燃烧国家重点实验室开放基金和国家青年自然科学基金(79400007)资助污染气体扩散的可视化仿真系统根据已有的气象资料(对过去气象观测的总
6、结)对某一地区的拟建工程进行大气环境影响的可视化仿真和预测。系统流程如图 1 所示。在仿真和预测中,涉及到气体扩散模型的选择、相关参数的计算、浓度值估算及可视化仿真输出等环节。图1系统流程图2.1气体扩散模式影响污染气体扩散的因素很多,不同地形有不同下垫面,造成风场、温度场不同,扩散模式及相关参数也就有较大差异。自然界逆温的产生、消失、微风及静风作用、危险风速、下垫面清洗作用以及污染气体相互间的化学作用等也会产生不同的扩散效果。在仿真计算中应根据具体的气象条件、地形条件及污染源因素来选择相应的模型。针对污染源排放特征常用的大气扩散模式有点、线、面三种模式,对分布较集中的高架污染群可近似作一个点
7、源来处理,对分布较开阔的低矮污染群采用面源模式处理。大气环境影响评测工作中用得最多的是高架连续点源模式,它假设地面无吸附作用,在有风(平均风速 u-?1m/s)时,有1,3:C-(x,y,z;H)=Q2?y?zu-exp-y22?2yexp(z-H)22?2z+exp-(z+H)22?2z其中:C-(x,y,z,H)为(x,y,z)处的一次性浓度;Q 为污染源源强;?y,?z为 y,z 方向的扩散系数(平均风向为 x 轴正向);H 为污染源有效源高;由此还可推出在污染气体对环境影响预测中常用的几个模型:1)地面浓度;2)地面上轴线的浓度;3)地面上最大浓度及对应的方位。除了上述有风点源扩散模型
8、外,仿真系统中还包括小风或静风点源扩散模型、熏烟扩散模型和无组织面源扩散模型,由于篇幅有限,在此不作详细介绍。2.2 扩散相关参数的计算在实际工程应用,扩散模式中的?y、?z、H一般由经验(公式或统计图表)或实验测定来获取,本文采用经验方法来计算。1)有效源高 H 的计算烟气扩散有效源高 H:H=Hs+H其中:H为烟囱实体高度,H为烟气抬升高度。在污染气体排放过程中,烟气的抬升受烟气本身的热力、动力性质及气象、地形条件的影响,故此H的确定要依据具体的条件来计算,不同的条件有不同的经验表示形式。48系统工程理论与实践1998 年 5 月2)扩散参数?y、?z的计算扩散参数?y、?z的确定有 Su
9、tton 扩散模式、P-G 扩散曲线法以及一些在此基础上补充和发展的方法。?y、?z的计算与气象因素、地形条件有关,依据实际情况确定其计算模型。2.3评价中需预测的浓度分布类型大气环境影响评价中常用到对两种类型浓度分布的预测:长期平均浓度分布和短期平均浓度分布。1)短期平均浓度分布:根据地域气象等条件由相应的模式计算主导风向、次主导风向下以及关心方位的一次性(采样时间)空间浓度分布、地面轴线浓度分布、地面浓度分布及最大地面、空间浓度等。2)长期平均浓度分布:由于长期时间(年、季、月)中大气稳定度、平均风速、风向等不同导致不同时期应采用不同的参数和扩散模式计算平均浓度。长期平均浓度是不同条件下短
10、期平均浓度的加权平均。C-(x,y,z;H)=?Ii=1?Jj=1?Kk=1C-i,j,k(x,y,z;H)?fi,j,k+CB其中:C-(x,y,z;H)为长期平均浓度;i,j,k为风向(I个风向)、风速等级(J级)、稳定度等级(K级);C-i,j,k(x,y,z;H)为气象条件为i,j,k时的短期平均浓度;fi,j,k为气象条件为i,j,k时的联合出现频率;CB为本底浓度。3系统仿真的可视化形式和相应算法污染气体对环境影响的预测涉及到气象、地形、污染源等多方面因素,系统中将它们的有关内容以及预测的结果以可视化的形式表现出来,为综合评价提供全面、直观的参考和依据。3.1可视化形式1)玫瑰图标
11、示各方位的指标数据大小,适用于风向频率、风速、污染系数等。图形可放缩,且坐标及标尺可任意选择,几种玫瑰图还可叠加在一起。2)统计图系统中污染物排放量、百分比或某气象参数对比等采用直方图的形式来表示。3)平面折线图可采用线性线性坐标、对数线性坐标、线性对数坐标、对数对数坐标等多种坐标形式。在本系统中应较广,适用于温度日(年)变化、风速线、温度层曲线等。4)平面曲线图适用于平面气温时间剖面图、风场时间剖面图、风温场时间剖面图、PG 曲线等。5)区域等值线图短长期浓度等值线图、布点图等均采用这种形式来表示,在图中可用鼠标拾起实体进行信息查询。3.2等值线生成算法等值线是把实际值在已定义的区域上用图形
12、表示的一种方法,它在可视仿真中得到广泛的应用,可表示各种指标如浓度、温度等的分布情况。下面给出浓度等值线图的生成算法:1)对评价区域作网格化处理,并根据仿真模型求出每个网格顶点的浓度值,从而实现浓度分布的离散化;2)根据浓度分布情况,确定等值线的阈值 W;3)因分布值沿网格边线线性分布,考察每个网格 EFGH 的左边的两条边线 EF 和 EH,如 f(E)-W f(F)-W 0,则边线 EF 存在等值点;如f(E)-W f(H)-W 0,则边线 EH 存在等值点。根据线性分布的原则,估算等值点的坐标。对于横轴边 EF 上的等值点的横坐标为 xW=xE+(xF-xE)W-f(E)/f(F)-W;
13、纵轴边EH上的等值点的纵坐标为yW=yE+(yH-yE)W-f(E)/f(H)-W。4)分析所有同一阈值的等值点,确定其起始点和终点,对这些等值进行追踪,用 Bezier 曲线法形成49第 5 期污染气体扩散模型的可视仿真较为光滑的等值线,并标注其阈值;5)确定其它等值线的阈值,重复步骤 3)和 4),直到所有等值线生成。4仿真实例某市热电厂经过一期、二期建设,现已形成了一定规模的发电和供热能力,根据该城市的发展需要,该热电厂需进行三期扩建工程建设。三期扩建工程的主要目的是实现对以轻纺工业为主体的、在该热电厂附近的工业区进行联片集中供热,以替代工业区内的分散锅炉群,联片集中供热单位包括以该热电
14、厂为中心半径为 5KM范围内的 87 家企、事业单位。为了分析该扩建项目建成运行后对环境的影响,对扩建前后SO2长期平均浓度进行了仿真。大气评价范围约为 70KM2,它是以热电厂为中心,向南、北方向各延伸 5KM,向东、西方向各延伸 3.5KM。为了仿真计算方便,同时以以热电厂为中心,对评价范围进行 500500M 网格化。为此,可知道各个污染源的坐标、源强参数和排 放参数,如表 1、表 2 和表 3 2所示。另外,根据历年的气象资料,也可得到该市全年的风向、风速、大气稳定度的联合频率。从而根据污染源的各种参数、大气稳定度、风速、气温及地形等,在不同时期选择不同的污染气体扩散模型,计算出各个时
15、期的短期浓度。最终,根据联合频率得到评价范围内的各个点长期浓度,并以可视化形式给出仿真结果。表 4 给出几个主要评价点的扩建前后SO2长期平均浓度对照情况,这些评价点的具体地理位置反映在图 2 和图 3 中。同时得到在评价区内的最大长期平均浓度,扩建前最大浓度点为(4150,1600),其最大长期平均浓度是 0.0923mg/m3;扩建后最大浓度点为(0,-85),其最大长期平均浓度是 0.0372mg/m3。图 2和图 3分别以可视化形式给出了评价区范围内扩建前后SO2长期平均浓度等值线分布图。从仿真结果来分析,扩建前的最大长期平均浓度远大于扩建后的最大长期平均浓度,并且扩建前SO2平均浓度
16、超过 0.01mg/m2的评价区范围也远大于扩建后,扩建后的环境污染情况优于扩建前。表 1热电厂点源源强参数工程名称坐标X(m)Y(m)烟囱高度(m)温 度(k)排放速度(m/s)SO2排放量(mg/s)一期工程0-10012033113.798056二期工程0-1351203319.165556三期工程0015040314.0150306表 2拟取代锅炉点源源强参数锅 炉编 号坐标X(m)Y(m)烟囱高度(m)温 度(k)排放速度(m/s)SO2排放量(mg/s)720001040384039.5423199604140403316.53047111560-4203532914.256333
17、1404015603540510.139563340402600403989.6431450系统工程理论与实践1998 年 5 月表 3拟取代锅炉群面源源强参数网络坐标锅炉编号烟囱高度(m)SO2排放量(mg/s)网络坐标锅炉编号烟囱高度(m)SO2排放量(mg/s)134,51850008412,24165133146181339854030967232168639911515320824318344923718148133131860399326151311433615789423,16,181882425483061399935189675617182917103393066472381
18、776410425,3415203373211565010730154447422,192039921142912161971141578911628253236821,201817414137322059368310153047图 2扩建前 SO2长期浓度分布图图 3扩建后 SO2长期浓度分布图(下转第 85页)51第 5 期污染气体扩散模型的可视仿真!(t)=+0A(x,t)f(x)dx+0#A(x)f(x)dx图 1因此R(t)=!(t)R(t)(6)特别地,当A A时,#A(x)A(x,t),于是!(t)1,因此我们可令公式(2)中的 Ai(R)=!(t),从而(6)式可变为R(t)=
19、Ai(R)R(t)所以公式(2)为公式(4)的特例。综上所述,系统模糊可靠度四种计算方法之间的关系如图 1。致谢本文是在崔创福教授的悉心指导下完成的,特此表示感谢。参 考 文 献1岑泳霆.模糊质量管理学.贵阳市:贵州科技出版社,19942李廷杰,高和.模糊可靠性.模糊系统与数学,1988,2(2):11-233蔡开元.模糊可靠性研究.北京航空航天大学博士论文,19904陈生宝.试论模糊可靠性.系统工程理论与实践,1991,11(6):42-505尹国举,张丽红.模糊可靠度随时间的变化规律.数理统计与管理,1993,(增刊):83-856何新贵.模糊知识处理的理论与技术.北京:国防工业出版社,1
20、994(上接第 51 页)表 4扩建前后评价点 SO2长期平均浓度对照表编号地理名称坐标 X(m)坐标Y(m)扩建前(mg/m3)扩建后(mg/m3)1#热电厂000.026700.036712#康复中心875-23750.007570.008213#三水厂1375-2500.019410.014684#电力局招待所62510000.036690.015995#污水处理站020000.012770.012516#曾家晒台-100016250.008900.011817#贾家港-87537500.004930.00545参 考 文 献1童志权.大气环境影响评价.北京:中国环境科学出版社,19912襄樊市热电厂三期扩建工程环境影响报告书.湖北省环境保护研究所,19953横山长之等,于春谱译.大气环境评价方法.北京:中国建筑工业出版社,19834王红卫等.三峡工程 MIS 中的可视化问题的探讨.决策与决策支持系统,1995,5(4)85第 5 期系统模糊可靠度四种计算方法之间的关系