Matlab在高架點源大氣污染擴散模式中的應用

李惠民 王 濤 姚 娜

(江西省環境保護科學研究院，江西 南昌 330077)

在大氣污染環境影響預測評價中，高斯煙羽擴散模型常用于企業高架點源下風向的污染濃度預測［1－2］。根據模型，可計算出高架點源下風向地面某一點的濃度，也可以計算出污染物的最大落地濃度［3－4］，但這種計算不能充分反映下風向的地面濃度分布。如繪制高架點源下風向的地面濃度分布，則需要在下風向隨機選取若干點進行計算，根據計算出的各點的濃度繪制濃度等值線圖，此過程不僅繁瑣，而且帶有較大的主觀性。

Matlab 是矩陣(Matrix)和實驗室(Laboratory)的組合，不僅自帶有強大的函數庫，實現各種運算，而且還允許用戶進行自編程，實現特定的功能。Matlab 以其強大的數值運算與處理能力，在環境污染預測及環境管理中得到了廣泛的應用［5－7］。本文基于Matlab R2011b，以某企業高架點源Pb 污染擴散為例，采用高斯點源地面濃度模式預測下風向的地面濃度分布，以期為Matlab在高架點源大氣污染擴散中的應用提供范例。

1 研究區概況

本研究選取的某高架點源污染企業位于長江沿岸，其東南方向為密集的村莊。該區域的主導風向為北風，因此，企業排放的污染物對下風向區域的居民具有潛在影響。

2 研究方法

2.1 模型建立

2.1.1 坐標系

本研究選用高斯點源地面濃度模式預測關注污染物的地面濃度分布，該模式采用右手坐標系，即原點為高架點源排放點在地面上的投影點;x 為主風向;y 為橫風向;z 為垂直向。

2.1.2 幾點假設

高斯大氣污染擴散模式有以下四點假設［4］:①污染物在煙羽或煙團的各個斷面上呈正態分布;②假定大氣流動是有主導風向的，且是均勻穩定的;③假定源強是連續均勻的，在預測范圍內沒有其他同類的源或匯;④假定污染物在大氣中只有物理運動，無化學或生物變化，即在污染物遷移、擴散過程中，污染物質是守恒的。

2.1.3 模型結構

高斯點源地面濃度模式如下式所示［4］:

式中:c 為關注污染物的地面濃度，g/m3;u 為平均風速，m/s;q 為關注污染物的源強，g/s;σy為側向擴散參數，即污染物在y 方向分布的標準偏差，m;σz為豎向擴散參數，即污染物在z 方向分布的標準偏差，m;H 為高架點源的有效排放高度，m。

本研究中，以Pb 污染物的地面濃度分布為例，高斯點源地面濃度模式主要參數選擇如表1 所示。

表1 本研究中高斯點源地面濃度模式參數選取

σy和σz參考以下經驗公式進行計算［8］:

σy=0.0048+280.73x0.9311－72.03x1.074

σz=433.54+463.66y2.1－443.91y0.04

式中:x 和y 分別為擬預測的地面濃度點的橫坐標和縱坐標，m。

2.2 方法思路

本研究在Matlab 中采用隨機數生成函數，在x，y方向上生成隨機數并組成一對坐標值，然后將該組坐標帶入高斯點源地面濃度模式中，計算該坐標值對應的地面濃度。模擬次數選擇100 次，模擬距離為高架點源下風向1000m 范圍內，Matlab 源代碼自行編制(略)。

2.3 數據處理

將Matlab 中生成的隨機坐標值及其對應的濃度值導入Surfer 10，在Surfer 10 中生成地面濃度等值線圖，然后將該圖導出并疊加于區域范圍圖之上，即可得出預測范圍內的地面濃度等值線分布圖。

3 結果與分析

采用以上方法，對高架點源下風向1000m 范圍內的地面濃度進行了預測，并制作了濃度等值線分布圖，結果如圖1 所示。由圖可見，高架點源下風向地面軸線濃度出現了兩個峰值，分別位于坐標系x 方向200m 左右和900m 左右處，其中在地面軸線200 m 左右處出現最大落地濃度;在主風向兩側，距污染源越遠處，污染物的地面濃度越低。在高架點源東南方向近200m 處有一村莊，位于污染物最大落地濃度附近，受到該高架點源的潛在影響最大;此外，在主風向上，距污染源約730m 處亦有一村莊，該村莊位于污染物次最大落地濃度附近，受高架點源的潛在影響也較大。

圖1 高架點源下風向1000mPb 地面濃度等值線分布

根據《環境空氣質量標準》(GB 3095－2012)，空氣中Pb 的濃度限值要求年平均為0.5μg/m3，季平均為1μg/m3。由此可見，本研究中，位于高架點源下風向計算距離內的兩個村莊，均受到該高架點源排放的污染物的潛在影響，且其地面濃度均超過GB 3095－2012 中年平均濃度限值要求。因此，應加強對該高架點源污染物排放的深度處理，降低排放源強;此外，還應結合區域總體規劃，對計算范圍內受影響較大的兩個村莊實施搬遷。

4 結 語

Matlab 具有強大的數值運算與處理能力，在高架點源大氣污染擴散模式中可用于預測下風向污染物的地面濃度分布，借助Surfer 等制圖軟件可繪制高架點源下風向區域的地面濃度等值線圖，從而為大氣環境影響預測評價及污染防治措施制定等提供科學依據。本文基于Matlab，采用高斯擴散地面濃度模式繪制了某高架點源下風向區域的地面濃度等值線分布圖，并根據繪制的濃度等值線分布圖，識別出了該高架點源下風向區域內受影響的村莊，為Matlab 在高架點源污染擴散模式中的應用提供了范例。

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