液的鼓泡、蒸发和转移等过程中,放射性物质扩散到空气中呈悬浮态而形成) 和凝集性的(放射性物质通过燃烧、升华和蒸汽凝结以及气体反应而形成) 2 种;放射性气溶胶对吸入者的危害程度,不仅取决于气溶胶的毒性、浓度、吸入时间及其化学形式,而且与气溶胶的分散度有关,因为气溶胶的粒度直接决定被吸入粒子在呼吸道中的沉积额。有研究者Hussein 等[4]研究了222Rn 在25 种不同真实生活条件下对健康危害的影响,由于放射性气溶胶的毒性较大且在空气中的停留时间较长,如不及时处理可造成更大范围的污染,对周围环境的影响难以控制和预测。
无论是那一种途径形成的放射性气溶胶,在大气中随气流而迁移,或在高空成为雨、雪的凝聚核心,或通过溶解和化学反应与水滴结合,降落到地面。沉降于地面的放射性物质又可通过水的蒸发、风的作用而重新进入大气,形成放射性气溶胶[5]。
2.2 放射性污染物在大气中的输运和扩散
作用于大气的各种水平力造成大气水平运动而形成风,对污染物在大气中的输运、扩散具有十分重要的影响。
只要大气水平方向上存在着气压差异,就有水平气压梯度力作用于空气质点上,使之沿该力的方向由高压区向低压区作加速运动,直至有其他力与之平衡为止,其大小与水平气压梯度成正比。因此,水平气压梯度力是导致空气水平运动的原动力。
地球的转动使之与大气之间产生相对运动而造成旋转效应,由此而产生的地球偏转力使大气的水平运动偏离气压梯度的方向,其大小与水平风速、地球自转角速度及地球纬度等因素有关。地球偏转力始终伴随着空气的运动而存在,风一旦停止,该力即随之消失,它与气压梯度力的共同作用决定了实际风向,但并不改变风速大小,其自身方向始终与实际风向相垂直。所以边界层大气中污染物随平流风向向下风向运移。
在底层大气中,空气的运动表现为连接不断的阵风起伏,其速度与方向随时间都在变化,呈现极端不规则的湍流运动。大气湍流是导致烟羽扩散的主要原因,其扩散速率比分子扩散大105~106倍.[6]
大气湍流的形成和发展取决于两个因素,由机械或动力因素形成的为机械湍流,如近地空气与静止地面的相对运动导致地面风的切变而形成的湍流,空气流经地面障碍物时风向、风速的突然改变而形成的局地湍流;热力湍流则主要是因地面受热不均匀或大气的不稳定气温层结构造成的。
大气湍流可视为是由无数个尺度大小不同的湍涡(漩涡)构成的,每一个湍涡都有不同的运动速度和方向,大湍涡中往往又包含许多大小不同的小湍涡,烟羽的扩散正是在这些湍涡的运动过程中完成的。当湍涡尺度比烟羽小得多时,烟羽在向下风向输运的过程中,小湍涡对其边缘的扰动作用使之与四周空气混合并缓慢膨胀,浓度逐渐降低,烟羽基本上以直线形状向下风向流动;当湍涡尺度比烟羽大得多时,烟羽基本上被湍涡夹带而整体转移,本身膨胀不大,烟羽呈长蛇形曲线运动;湍涡尺度与烟羽想当时,烟羽被湍涡拉开撕裂而强烈变形,其扩散最为迅速、有效。
2.3 ISC3模式与TAQM模式的比较
2.3.1 ISC3模式
ISC3(Industrial Source Complex 3)模式是美国环保局开发的一个为环境管理提供支持的复合工业源空气质量扩散模式, 是基于统计理论的正态烟流模式,使用的公式为目前广泛应用的稳态封闭型高斯扩散方程。ISC3 模式的模拟范围小于50 km, 模拟物质为一次污染物, 模式采用逐时的气象观测数据, 来确定气象条件对烟流抬升、传输和扩散的影响。
模式可处理各种烟气抬升和扩散过程, 如: 静风条件、风廓线指数、城/乡扩散、烟囱顶端尾流、城市建筑对点源排放的尾流效应、污染物转化、沉积和沉降等。可同时/分别对点源、面源、线源、体源、开放源等多种污染源进行模拟, 还可以根据需要对排放源进行分组, 以便对各源的(网学)贡献进行定量分析; 可选择多套规则和/或不规则极坐标、直角坐标下受点网格或离散受点进行计算, 网格距和模拟范围可变; 可输出多种污染物浓度以及颗粒物的沉积和干、湿沉降量等计算结果; 污染物可选取SO2, TSP, PM10, NOx和CO 等种类; 可选择逐小时、数小时、日、月及年等多种平均模拟时段。ISC3 模式在国内外的城市尺度上的空气质量管理工作中得到广泛的应用。
2.3.2 TAQM模式(Taiwan Air Quality Model)
台湾空气品质模式(TAQM)是指行政院环境保护署委托国力台湾大学环境工程学研究所郑福田教授引进发展之区域性空气品质模式。
TAQM系统可分为3个阶段说明:前处理阶段、TAQM模拟阶段、以及后处理阶段。在前处理阶段,TAQM模拟所必需之气象资料、排放资料、以及光解作用相关资料,皆于此阶段产生。欲成功地完成TAQM模拟,下列五种输入资料缺一不可:
(1)气象资料
(2)光解作用资料
(3)排放资料
(4)化学资料
(5)使用者操作参数
第1至4种输入资料皆由前处理程式产生,第5种资料是控制TAQM模拟的各项参数,此部分则由使用者自行设定。
2.3.3 ISC3模式与TAQM模式的比较
ISC3模式可以选取小时、日、月及年的时段为气象资料,TAQM必须读取大量的气象资料,可见,ISC3模式比较灵活多变。
ISC3模式可以处理各种烟气抬升和扩散过程, 如: 静风条件、风廓线指数、城/乡扩散、烟囱顶端尾流、城市建筑对点源排放的尾流效应、污染物转化、沉积和沉降等。比较TAQM使用范围更广。
ISC3模式输入文件格式简便快捷,输出文件易于分析说明。
通过比较选择ISC3模式比较适合核电站排放的模拟计算。
2.4 ISC3模式各条件下的处理方法
2.4.1点源小时浓度之估算式-高斯烟流公式
(2-1)
一般之V 表示如下
(2-2)
Q:污染物之排放速率(g/s)
K:单位转换系数(例1×106 可将Q 之排放单位g/s,计算成μg/m3 浓度单位)
D:消减项(decay term)
:水平方向之扩散系数,单位为m
:垂直方向之扩散系数,单位为m
us:排放高度之风速(m/s)
V:垂直项(vertical term)
注:垂直项与排放污染源高程、受体点高程、烟流上升、混合层高度、重力沉降与干沉降(微粒模拟时)等因素有关。
2.4.1.1坐标x 与y 之计算方法
程式内依方向,可自动定义污染源与受体点间之x、y 值(污染源与受体点之坐标必须先定义),另外污染源与受体点之坐标亦可用极坐标表示,程式会自动转成垂直之x-y 坐标。
2.4.1.2 us 求取
(2-3)
(us 必须>1.0m/s,否则视为静风)
其中
Uref:为Zref高度所得之风速(气象观测资料)
hs:为烟囱高度
p:为大气稳定度及土地使用状况之函数(1/7 最常使用)
2.4.1.3 扩散系数
点源扩散参数
(2-4)
(2-5)
(2-6)
其中
a、b、c 为大气稳定度之函数,X为下风距离(km)
2.4.1.4 垂直项之处理
无干沉降情形
(2-7)
其中
,
, (2-8)
Zr:受体点之高度
Zi:混合层高度
注:
... :是指混合层之反射及地表之反射效果
当he>Zi 时,模式之地面浓度为0
故对于高烟囱的评估,最低混合层高度不宜设太小,例如电厂之评估,理之最小混合层高度可为350m。
简单地形之垂直项(elevated simple Terrain)
定义:受体点地表高程高于烟囱基(底部)高程,但小于排放口的高度。)
he′= (2-9)
Zs:烟囱基部高程
:受体源(x, y)所在之地面高程
he′:有效烟囱高度之修正
he:平坦地形(ZS=Z∣(X,Y))假设下所求得之有效烟囱高度
含干沉降之垂直项表示法
悬浮微粒受重力作用,到达地面后沉积于地表上,在此情况下,烟流内之总质量会逐渐减少,且烟流之质心会逐渐下降。
(2-10)
其中
Vg :微粒之重力沉降速度
(2-11)
FQ:到达x 处烟
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