工业园区边界污染气体定量分析及来源研究

工业园区中边界污染气体的浓度不仅受工业园区无组织污染源的排放影响,也受园区道路机动车尾气的扩散影响。利用AG-FTIR-DA3000型开放光程傅里叶变换红外光谱(Open-FTIR)测量系统,对厂区边界污染气体进行实时在线测量,确定污染气体厂界实测浓度。同时,针对机动车尾气扩散影响厂区边界污染气体浓度的问题,通过AG-FTIR-DX4000型便携式傅里叶变换红外光谱(FTIR)测量系统,确定不同排放标准下机动车尾气污染源浓度。利用便携式FTIR测量结果、风速风向、大气稳定度、车流量等变量因素建立参考坐标,给出了高斯扩散的数理模型。并结合Open-FTIR,对Open-FTIR的测量路径进行积分计算并构建点线源扩散模型,从而建立各种排放标准的烟团线源扩散表。将Open-FTIR实测浓度与构建的点线源扩散模型模拟浓度相结合,分析工业园区边界污染气体的来源。结果表明：厂区边界污染气体主要包括一氧化碳、甲烷、乙烯、乙醛、丙烯、甲醇、丙醛、异丁烯、甲醛、二氧化硫,其中一氧化碳、甲烷、乙烯浓度受机动车尾气的扩散影响。早晚高峰期时,机动车尾气的扩散对边界污染气体浓度影响较大;非高峰期,在1:00时与...     

SOF-FTIR在化工厂区氨气排放通量测量中的应用

介绍了一种化工厂区污染气体排放通量实时监测的新方法,即太阳掩星法傅里叶变换红外光谱技术(SOF-FTIR),提出了复杂条件下的背景谱、测量谱和污染区域周边大气透过率谱获取模型。通过对欲监测的污染源区域周边做闭合环路连续测量以获得测量光谱,最终应用非线性最小二乘拟合算法对污染源区域污染气体的柱浓度信息进行反演,并结合实验时气象参数以及GPS信息得到该区域污染气体的排放通量。运用此方法实际遥测了某化工厂区氨气的排放情况,并对氨气气体浓度分布及排放通量进行了定量分析。相对于传统的FTIR监测方法,该方法操作简单、机动性强,在污染气体区域监测以及其他污染源污染排放应急监测等应用领域具有良好的应用前景。     

LNG泄漏气体浓度和温度扩散过程计算

利用高斯烟羽模型进行LNG泄漏过程模拟,得到LNG泄漏后扩散浓度场和温度场分布。参考天然气燃烧下限0.035 8 kg/m~3与低温温度规定291 K确定了气体浓度场和温度场的危险区域范围,分析了环境风速和大气稳定度参数与泄漏扩散的关系,得出环境参数对浓度场、温度场及危险区域的影响规律:设置参数为泄漏量5 kg/s,泄漏源高度20 m,泄漏孔径50 mm,大气稳定度C级,环境风速2、3、4、5 m/s。随着环境风速的增加,泄漏源高度处下风向轴线上最大浓度分别为0.397 8、0.265 5、0.199 2、0.159 4 kg/m~3,最低温度分别为153.9、168.3、180.1、189.9 K,浓度场和温度场沿下风向和横风向扩散加剧,危险区域减小;设置环境风速2 m/s,大气稳定度A、B、D、E级,随着大气稳定度的增加,泄漏源高度处下风向轴线上最大浓度分别为0.212 4、0.254 4、0.261 5、0.391 3 kg/m~3,最低温度分别为177.4、170、169、154.3 K,浓度场和温度场沿下风向和横风向扩散减缓,危险区域增加。     

基于红外掩日通量法(SOF)污染源排放气体浓度时空分布反演算法研究

介绍了在傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术基础上发展起来的一种监测污染源有害气体排放率的新方法——红外掩日通量(solar occultation flux,SOF)法.在理论上建立了太阳辐射两层传输模型,根据比尔定律阐述了计算污染物透过率的方法.详细介绍了如何从HITRAN,NIST和QAsoft三种红外数据库中提取气体标准吸收截面.介绍了基于Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法反演污染气体柱浓度的算法和污染源气体排放率计算算法.介绍了整套装置的组成部分和太阳跟踪装置的结构.对合肥某一化肥厂的氨气排放进行了测量,从实验结果可以看出,测量的柱浓度分布准确地反应了污染物排放和扩散情况,证明了污染源排放气体浓度时空分布反演算法的正确性.     

机载成像差分吸收光谱技术测量区域NO2二维分布研究

本文主要介绍了一种快速测量区域大气痕量气体二维分布的方法——机载成像差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)技术. 该技术基于成像光谱仪, 利用DOAS算法, 对痕量气体大范围分布快速扫描成像, 可实现污染源扩散趋势的可视化观测, 应用于污染源定位、污染源排放率监测、污染物传输演化等研究. 文中详细介绍了研制的机载成像DOAS系统, 并利用该系统开展飞行实验, 快速获取了飞行轨迹上空的NO₂浓度分布. 实验中针对重点关注区域进行扫描测量, 成功获取了高分辨率的NO₂二维分布图, 分析了污染扩散趋势, 并结合风场数据, 估算污染点源的NO₂排放率为1570 kg/h.     

电厂烟羽中SO2柱浓度的紫外非色散二维成像

鉴于近年来突发事故和雾霾等污染现象时有发生,其危害范围广、危害程度深,因此迫切需要掌握污染影响的区域、范围、强度以及污染扩散的趋势。而污染源、污染气体的二维快速成像分布在确定气体泄漏源定位、鉴别突发事件以及鉴定污染范围和污染影响的过程中占绝对优势。基于面阵CCD探测器,利用紫外滤光片分光的成像技术实现了对丰台电厂烟囱排放的烟羽进行快速成像测量;采用烟气在线监测技术获取的SO2实时浓度作为参考浓度,经转换之后标定成像系统,标定结果表明SO2斜柱浓度与光学厚度呈线性关系,相关系数0.958,满足成像理论可被解析的先决条件;考虑到成像系统视场角小,使镜头在上风向偏离烟羽区域拍摄的图片作为背景,任取背景图上的一行像素,这些像素的光学强度表明上风向强度均匀,无其他干扰影响;测量过程中,为了减小烟羽变化带来的误差,鉴别目标气体的310 nm滤光片与祛除气溶胶影响的330 nm滤光片对烟羽交替成像;最后根据线性最小二乘拟合获取了2017年5月20日12点30分左右的SO2斜柱浓度的二维分布及其时序图。测量结果显示在烟囱出口附近出现SO2斜柱浓度高值,SO2斜柱浓度高值约为1.7×1017 molec·cm^-2;SO2斜柱浓度分布图直观显示SO2浓度的扩散趋势,表明下风向SO2斜柱浓度沿着烟羽的扩散轴减小缓慢,在大气浮力、烟羽流体动力学以及风向共同作用下,垂直于烟羽扩散轴的方向上,扩散轴上方的SO2斜柱浓度小于其下方浓度,但基本趋势是垂直于扩散轴的两侧SO2斜柱浓度衰减很快;在下风向距离烟囱中心28米的区域,取SO2斜柱浓度与高斯曲线进行拟合,拟合系数0.747,表明风向方向:SO2斜柱浓度扩散遵循高斯扩散;根据SO2斜柱浓度时序图,获得了烟羽的传播速度约为1.2 m·s^-1;为了验证紫外非色散成像系统测量结果的可靠性,在已知烟羽SO2排放量(9.2 g·s^-1)、烟羽速度(1.2 m·s^-1)、烟羽高度(约140 m)及周边环境的情况下,采用高斯烟羽扩散模型进行理论预测,成像系统的测量结果与烟羽模型的模拟结果对比表明:SO2斜柱浓度的测量值及扩散趋势与理论预测基本一致。利用基于滤光片的快速成像方法实现了对固定点源排放的污染气体SO2斜柱浓度的成像测量,最终成功获取了烟羽中SO2斜柱浓度的分布及扩散的趋势,测量结果与模型模拟的一致性表明该成像方法有望为定量、定性评估污染危害提供测量依据。     

基于页岩气返排液中甲烷浓度及排放速率的红外光谱反演研究

随着页岩气的开发,传统的手持式甲烷测量仪无法继续应对复杂的开采工况。针对页岩气开发过程中温室气体甲烷的浓度及排放速率难以实时在线监测的问题,利用自主设计并搭建的开放光程傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量系统,对页岩气开采过程中各种工况下返排液进行实时在线测量。其中FTIR分辨率为1 cm-1, 光程为50 m,红外光源通过返排液正上方被光谱仪接收。对测量所得的红外光谱进行多次平均,提高光谱质量并进行反演计算。从HITRAN数据库中提取甲烷特征吸收截面,考虑环境与仪器等影响,对测量温度进行修正,选取合适的吸收波段,与水汽的吸收截面进行吸收峰叠加,合成标准光谱。使用最小二乘法对实测光谱与标准光谱进行拟合,从而反演出甲烷浓度。并根据返排液排放速率,结合光路通过返排池的距离及红外光谱反演浓度,对页岩气开采过程中甲烷排放速率进行计算。结果表明：不同开采工况下,光谱反演浓度呈明显起伏变化。更换三项分离器时,甲烷浓度有明显上升;在点燃火炬时,甲烷浓度持续低值;其红外光谱反演浓度符合页岩气开采过程中甲烷排放情况。改变测量光谱平均次数,对返排液甲烷进行单位小时和连续80小时测量并分析。在单位小时内,甲烷浓度在100～800 μmol·mol-1范围内呈现明显起伏变化;甲烷的排放速率在50～300 m3·h-1内波动。对返排液进行80小时连续测量,甲烷浓度最大值为936.4 μmol·mol-1,其最大排放速率达到535.1 m3·h-1;最低值为36.82 μmol·mol-1最小排放速率为18.63 m3·h-1。反演数据结果说明：在页岩气开发过程中,其返排液为一个无组织甲烷排放源,且排放速率在短时间内变化十分明显。红外光谱反演浓度和传统手持式甲烷测量仪测量结果具有较好一致性,相关系数为0.743 6。相对于传统手持式甲烷测量仪器,红外光谱反演法具有响应速度更快,非接触远距离,实时在线测量等优势。     

车载被动DOAS的污染气体柱浓度分布重构方法

大气污染的综合防治需要从不同尺度的区域出发,充分研究区域的环境特点,需要对空气质量有作用的多种因素进行全面系统的分析,获取大气污染物浓度时空分布是了解区域污染特征的重要途径。获取高空间分辨的大气污染物柱浓度分布情况是掌握区域污染程度的重要前提。由大气扩散模型,排放源周边的大气污染物的柱浓度服从高斯分布。将车载被动差分光学吸收光谱（DOAS）获取的对流层污染气体垂直柱浓度空间分布信息结合序贯高斯模拟方法重构了高空间分辨率的区域污染物柱浓度分布及其误差分布。分别选取工业园区（钢铁企业）、城市区域（北京市怀柔城区、北京市通州城区）等典型区块进行走航观测,获取观测路径上的NO₂和HCHO柱浓度,结合地理信息网格化车载观测数据,利用序贯高斯模拟获取了观测区域的NO₂和HCHO柱浓度分布以及污染物柱浓度误差分布,重点分析了该方法在排放特征不同的区域柱浓度分布模拟重构的可行性及重构结果的不确定性。某钢铁企业、怀柔城区、通州城区内污染源依次减少,气态污染物分布的结构复杂性依次降低。由半方差分析结果,某钢铁企业由于NO₂排放源多,污染物柱浓度空间依赖性略弱,城市区域污染物柱浓度表现出强烈的空间相关性,并且整体呈现出了区域污染源越复杂,空间相关性的范围越小的特点。基于立体监测数据获取了观测区域百米空间分辨的污染物垂直柱浓度分布及误差分布,在不依赖下垫面数据、源清单数据或人口分布数据的基础上基于实测数据低成本地获取了重点工业区或城市区域气态污染物的分布细节,同已有的卫星遥感等方法获取污染气体垂直柱浓度分布相比,空间分辨率提高了2～3个数量级,同时通过柱浓度误差分布定量评估了模拟重构的准确性。针对不同排放特征的重点区域大气污染状况,提供了新的准确性可评价的实测手段,该方法对了解区域污染状况、污染控制对策及控制效果的评估具有重要作用。     

FTIR被动遥测热烟羽中污染气体

文章介绍和讨论了傅里叶变换红外光谱法(FTIR)在大气环境下被动遥测热烟羽中污染气体的原理及相关技术;提出了辐射光谱、测量区域内大气透过率谱的算法模型,以及应用非线性最小二乘拟合算法实现气体浓度反演的方法。实际遥测了工厂燃煤锅炉烟囱排放的污染气体,对SO₂和CO₂气体浓度进行了定量分析。实验结果表明该技术在工业烟囱及其他燃烧源污染排放的应急监测方面具有极大的应用前景。     

基于成像差分吸收光谱技术测量电厂SO_2排放方法研究

介绍了一种测量烟羽污染气体二维分布的方法——成像差分吸收光谱(IDOAS)技术。该技术基于成像光谱仪,结合旋转平台实现对目标区域的二维扫描测量,获取目标区域的高光谱数据;采用差分吸收光谱(DOAS)算法对光谱进行处理,获取扫描区域内污染气体的二维分布图,进而对污染气体的分布及扩散趋势进行分析。对地基IDOAS系统及其测量原理进行了介绍,并开展外场实验,成功获取了电厂烟羽中的SO2二维分布图,实现电厂污染排放的可视化;对SO2排放率及平均浓度估算方法进行了分析,结合风速,利用获得的二维数据计算得到电厂SO2排放率及平均浓度分别为210 kg/h、6.7 mg/m3。     

北京冬季大气污染物的DOAS监测与分析

基于差分光学吸收光谱(different optical absorption spectroscopy,DOAS)技术于2007年1月19日～2月8日期间对位于北京市北四环附近的北京大学校园进行了大气污染物SO2,NO2,HONO和HCH的连续监测.并对SO2典型日变化趋势、主要污染源以及气象条件对污染物浓度分布的影响进行了分析.结果表明,在天气状况较为稳定的情况下,SO2具有"V"字型日变化特征,即除下午浓度较低外,其余时间浓度均较高.研究发现北京冬季采暖期间燃煤对大气各污染物的浓度均具有显著贡献.结合风速等气象要素对污染物扩散、传输和清除进行的分析可知,监测期间风速对污染物浓度分布起主导作用,气压等其它气象.状况对污染物浓度分布也有一定的影响.     

超光谱成像差分吸收光谱系统烟羽测量研究

研究一种测量污染气体(如SO2,NO2)二维分布的光学遥感方法,即采用超光谱成像差分吸收光谱(DOAS)系统在扫描转台上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分吸收光谱处理方法对采集到太阳散射光谱进行处理获得柱浓度,结合转台扫描,最终实现污染气体的二维成像解析.着重描述了基于成像差分吸收光谱仪、紫外镜头及扫描转台的超光谱成像差分吸收系统,并利用该系统对热电厂烟羽排放进行了外场测量,该技术为污染源实时成像测量提供了一种简便的方法.     

机载FTIR被动遥测大气痕量气体

介绍了以各种地物为背景的机载傅里叶变换红外光谱法(FTIR)被动遥测大气中痕量气体飞行测量试验,讨论了相应的被动下视遥测技术,复杂背景下大气痕量气体红外特征光谱信息获取方法和浓度反演算法模型,定量分析了飞行试验区域内高度1 000 m以下边界层内大气中痕量气体CO和N₂O的平均浓度。这种遥测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景辐射光谱的情况下对大尺度区域内大气痕量气体进行快速、机动遥感遥测,以及突发性大气污染事故的应急监测。     

被动差分吸收光谱法测量烟羽速度的方法研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)是利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量。被动DOAS以天顶太阳散射光为光源通过对污染源排放烟羽进行扫描测量能获取污染气体(如SO₂,NO₂)柱浓度的连续分部,再结合风场信息后可以估算出污染源污染气体的排放总量。在实际测量中由于无法准确获取烟羽速度这一重要参数使得排放总量的计算变得比较困难,并且这也成为估算总量中的主要误差来源。文章研究了被动DOAS测量污染源排放烟羽速度的原理和方法,两套系统以固定夹角在烟羽下方获取烟羽通过一定距离的时间差从而得到烟羽运动速度。通过两套被动DOAS系统对某电厂排放烟羽进行测量得到了两个时刻的烟羽速度3.6和5.4 m·s-1,并与单经纬仪测风法获取当时烟羽高度上的风速结果进行对比表明,这种基于被动DOAS光学遥测方法能够满足烟羽速度的测量。     

高架污染绕建筑对流扩散风洞实验与数值仿真

采用激光衍射瞬时浓度场测量系统和图像处理系统,对不同高架与周围建筑高度比下污染点源绕建筑对流扩散进行了风洞实验.Fluent双相耦合模型与实验进行了相互校核,得到了建筑的各个高度层面污染分布、不同高度比下的污染扩散及污染分布随时间变化的规律.不同高度比对污染对流扩散具有明显的影响,建筑各高度层面污染浓度分布也存在明显差别.当高度比较小时,污染将堆积在建筑物底层.污染分布随时间变化有助于了解污染对流扩散的时间效应.结果可以为高架与周围建筑规划提供参考与依据.     

激光雷达监测工业污染源颗粒物输送通量

PM10指能进入呼吸道的质量中值直径小于等于10μm的颗粒物,它是反应环境质量的重要指标,大气中过多的PM10会严重危害身体健康。激光雷达可以测量大气颗粒物消光系数,近地面颗粒物消光系数与颗粒物质量浓度是相关的,利用震荡天平(TEOM)测量近地面的PM10质量浓度,与雷达测量的消光系数建立经验关系,可以推算PM10质量浓度的垂直分布。风廓线雷达可以获得不同高度上的风向风速,将PM10质量浓度与风场数据二者结合可以计算不同高度上颗粒物向城区的输送通量,最终可以估算污染源向城区的输送总量。使用激光雷达技术对北京重要工业污染源进行了长时间的连续监测,获取了颗粒物输送通量等多种参数,给出了连续监测结果。     

傅里叶变换红外光谱法被动遥测大气中VOC

采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对大气中挥发性有机物(VOC)进行了被动遥测实验,提出了在复杂背景下定量遥测污染气体光谱的算法,讨论了被动FTIR的探测极限。这种测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景光谱的情况下得到目标气体柱数密度和目标气体等效辐射温度。     

基于卫星平台的全球大气一氧化碳柱浓度反演方法及结果分析

温室效应是全球气候变化的主要原因之一, 除温室气体外, 有毒气体一氧化碳(CO)作为一种非直接温室气体加剧了这种变化. 由于地基观测台站数量有限, 而大气化学模型的模拟又很大程度上依赖于模型假定, 因此, 卫星观测成为实时获取大气CO浓度分布信息的有效途径. Sciamachy是第一台搭载在卫星上, 利用观测到的近红外波段太阳反射光谱反演大气一氧化碳的仪器. 由于在近红外波段, 大气散射效应可以忽略, 所以Sciamachy观测数据能够很好地反演与人类活动息息相关的大气底层一氧化碳的时空变化信息. 本文基于迭代最大后验概率算法, 对Sciamachy的观测数据进行反演分析, 同时应用云效应校正与仪器本身问题校正方法, 得到了全球一氧化碳柱浓度时空分布结果; 通过与Atsr全球火点数据的比较, 分析了全球CO排放源的种类与时空分布; 最后选取中国地区CO柱浓度分布图, 并结合人口密度与煤田/煤矿分布, 对其排放源进行了初步推断.     

机载激光雷达探测京津冀地区气溶胶的空间分布

利用一台研制的机载双波长米氏散射激光雷达,对京津冀地区大气气溶胶的三维空间分布进行了探测。给出了其中一次较典型的观测实验,该架次航线与边界层内的气流方向垂直,有利于获取区域尺度上气溶胶分布的剖面信息。观测结果显示,京津冀腹地密集的污染排放源,结合气流对气溶胶的输送和扩散作用,导致观测期间该地区形成了大范围区域立体污染。通过分析典型污染源周边的气溶胶分布,研究了重污染源排放的气溶胶随气流扩散的过程。初步的飞行实验结果表明,该激光雷达性能稳定,可以为污染源的识别以及污染物传输路径的探测提供高空间分辨率的数据。     

基于波叠加法的近场声全息空间分辨率增强方法

提出一种基于波叠加法的近场声全息空间分辨率增强方法. 该方法在波叠加法的基础上,利用全息面声压信号求得布置在全息面附近的虚源面上的简单源源强,再根据求得的简单源源强实现对全息面声压的插值,进而利用插值后的全息面声压数据进行重建. 该方法可以提高近场声全息重建图像的空间分辨率,减少测量工作量,简化测量过程. 通过仿真对影响插值结果的参数进行了分析,给出了合理的选取范围;通过仿真和实验研究验证了该方法的有效性. 关键词： 波叠加法 近场声全息 空间分辨率