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放,它們具有量大面 廣、排 放高 度 低的 特 點(diǎn)。干式恒溫器農(nóng) 業(yè) 污染 源 主要 指 農(nóng) 藥噴 灑、 化肥施放、秸稈焚燒等對(duì)大氣環(huán)境的影響。 從科學(xué)研究和污染控制的需要出 發(fā),可按源 的排 放特點(diǎn) 劃分 為:固定源 和移動(dòng)源;高架源和 地面 源;連 續(xù) 源、間 斷源 以 及瞬 時(shí) 源。若 按 源的 幾 何形 狀分類,則有點(diǎn)源、面源、線源和體 源。煙囪 是排 放強(qiáng)度 大的 典型 點(diǎn)源,如工 廠里常見的高架連續(xù)排 放 點(diǎn)源;面 源常 在 一個(gè) 小 區(qū)域 內(nèi) 由許 多 低矮 的 小點(diǎn) 源組成;線源多指密集、連續(xù)的移動(dòng)污染 源,如繁 忙的 公路交 通和 飛機(jī) 航線; 污染物從低矮煙道排放 后 受附 近建 筑物 影響、或 工廠 無 組織 排 放和 泄 漏所 干式恒溫器。 有些化合物雖不會(huì)直接危害人 群健 康,但其 濃度不 斷增 加卻可 對(duì)全 球環(huán) 境 構(gòu)成潛在的威脅,如 CO2、CH4、CFCs等。大氣污染物的排放量越大、氣象條件越 不利于其稀釋擴(kuò)散、地形越閉塞,大氣污染 便越嚴(yán) 重。20世紀(jì)末,估計(jì) 全球約 有 13億人居住在懸浮顆粒物超 標(biāo)的 城 區(qū),每年 有 30~70萬人 因此 死于 呼吸 道 疾 病和癌癥;約有 10億人住在 SO2 超標(biāo)的城鎮(zhèn)。 ③ 空氣污染物的分類及特點(diǎn):主要空氣污染物一般可分為 8類(表 7 1)。 表 7 1 空氣污染物分類 污染物類別 主要空氣污染物 含硫化合物 SO2、H2S、CS2、SO3、硫酸霧、硫酸鹽、二甲硫、硫醇等 含氮化合物 NOx、NH3、HNO3、硝酸鹽、銨鹽等 有機(jī)化合物 醛、酮、PAHs、有機(jī)酸、焦油、有機(jī)鹵化物等 含碳化合物 CO、CO2、烷烴、炔烴、酯環(huán)烴、芳香烴等 鹵素化合物 Cl2 、F2、HF、HCl、CFCs等 氧化物 O3、CO、PAN、過氧化物等 懸浮顆粒物 CaCO3、ZnO、PbO2、碳粒、飛灰、
金屬粉末等 其他有毒、有害物質(zhì) 放射性物質(zhì)、二? 英、苯并[a]芘等 粉塵污染是人類健康的大敵。其中,直 徑 0.2~2μm之間的可 吸入 顆粒 物 (IP)對(duì)人群健康的危害 很 大,它可 以直 接 到達(dá) 肺泡 而沉 積在 上 面,進(jìn)而 通 過 血 166 第 7章 環(huán) 境 地 學(xué) 液輸送到全身。粉塵粒子表面常有各種有毒物質(zhì),進(jìn)入人體后可引起呼吸道、心 肺等方面的疾病。釋放到大氣中的 SO2 往往與 水汽 結(jié)合 變成硫 酸煙 霧,有很 強(qiáng) 的腐蝕性。例如少量 SO2 氣 體即 能 影響 植 物的 生 長。水 稻 揚(yáng)花 時(shí) 受到 一 次 熏 氣,產(chǎn)量就會(huì)大幅下降。工業(yè)和汽車排放的 CO是無色無 味的有 毒氣體,可在 大 氣中長期保持,是一種數(shù) 量大、累積 性強(qiáng) 的有 毒 氣體。汽 車 排放 的廢 氣中 70% 左右是 CO,此外還有 NOx、SOx、Pb等多種致癌、致畸、致突 變的物質(zhì)。 汽車和 工 廠排出的 NOx、HCs經(jīng)太陽紫外線照射后能生成一種有毒的光化 學(xué)煙霧,對(duì)眼 睛 和鼻、喉上呼吸道有強(qiáng)烈刺激作用。光 化學(xué) 煙霧 是一種 有刺 激性的 淺藍(lán) 色的 混 合型煙霧,其組成復(fù)雜,有 O3、NOx 和 PAN(過氧;跛狨ィ⒛承┤ 類和酮 類 等。它是不合理的燃燒所產(chǎn)生的 NOx 和 HCs等污染物在陽光照 射下,發(fā)生
光 化 學(xué) 反 應(yīng) 而 形 成 的 二 次 污 染 物。 被 排 放 到 大 氣 中 的 有 毒、有 害 物 質(zhì) 還包括許多有毒重金屬,如 Pb、Cd、Zn、Cr、Hg、As等,以及 二 ? 英、苯 并 [a]芘、 多環(huán)芳烴(PAHs)等。 它 們 進(jìn)入 人 體 后 可 引 起 心 血 管、中 樞 神 經(jīng)、呼 吸 系 統(tǒng) 等 方面的慢性 病 變 和 癌 癥。大 氣 污 染對(duì) 兒 童 的 身 心健 康 危 害 尤 其嚴(yán) 重,污 染 區(qū) 的兒童不僅發(fā)育 緩 慢,反應(yīng) 遲 鈍,智 力下 降,而 且 患病 率 比 正 常 地 區(qū) 的 兒 童 高 2~6倍。 此外,空氣污染還包括由病毒、細(xì)菌 等引起 的生 物性 污染,它會(huì) 引發(fā) 很多 疾 病。惡臭也是一種公害,是紙漿廠、人造纖維廠、皮革廠、橡膠廠,以及臭河溝、下 水道等散發(fā)出來的 H2S的臭雞蛋氣味,硫醇 類化合物 的爛 洋蔥氣 味,城市 公廁、 郊區(qū)的垃圾堆肥發(fā)出的陣陣令人 惡心 的吲哚 類的 糞臭。 惡臭不 僅難 聞,而且 對(duì) 人體的呼吸、循環(huán)、消化、內(nèi)分泌、神經(jīng)等系統(tǒng)都有影響,可引起惡心、嘔吐、頭痛、 咳嗽、厭食、神經(jīng)過敏等。2003年歲末,重慶市開縣天然氣 井噴釋放 出的 H2S就 曾造成了很多人員傷亡。 綠色卡片 影響環(huán)境空氣質(zhì)量的因子 空氣 污染發(fā) 展的 歷史 與 能 源 開 發(fā)利 用 有 密 不 可 分 的 關(guān) 系。 在 人 們 以 薪柴 等生 物質(zhì)為 燃料 的時(shí) 期,空氣 污染 物主要 是 CO2 和 煙塵 。到 16世紀(jì) , 煤炭 被大量 用作 能 源 后,煤 煙 型 污 染 使 得 空 氣 污 染 物 的 主 要 成 分 變 成 了 SO2 和 煙塵 。自 19世 紀(jì) 以 來,隨 著 石 油 在 交 通 運(yùn) 輸 上 的 廣泛 利 用 以 及 石 油冶 煉、石油 化學(xué) 工業(yè) 的 蓬勃 發(fā) 展,CO、NOx、光 化 學(xué) 污 染 開 始 出 現(xiàn)。 空 氣 污染 進(jìn)入了 汽車 尾氣 型污 染 時(shí) 期。 到 20世 紀(jì) 后 半 葉,核 能 開 發(fā) 利 用 造 成 的放 射性污 染給 人們 帶來 了 新 的威 脅 ,如 三 里 島事 件 ,切 爾 諾貝 利 核 電 站 事件 等。 7.2 人類 地球環(huán)境復(fù)合系統(tǒng) 167 影響近地層空氣質(zhì)量的因子主要有三類。 ① 污染源因子:污染源特點(diǎn)及其分布、排污設(shè)施的種類、燃料種類、單位 時(shí)間的燃料消耗 量、煙囪 高 度、煙 囪 出 口 直徑、
單 位 時(shí) 間 的 排 氣 量、煙氣 溫 度、煙氣出口速度、煙氣中的污染物含量、運(yùn)行方式、排放特點(diǎn)等。 ② 氣象因子:大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定度、對(duì) 流混 合層厚 度、水平 風(fēng)場(chǎng) (風(fēng)向、風(fēng) 速)、風(fēng)的垂直分布、水平溫度場(chǎng)、氣溫的 垂直分布、逆 溫的結(jié) 構(gòu)與 生消 規(guī)律、 降水、湍流、天氣形勢(shì)、特殊氣象條件等。 ③ 地形因子:下墊面粗糙度、地形地貌、局地環(huán)流、城市熱島等。 在進(jìn)行污染物濃度 估 算時(shí),正 確估 算 的重 要 前提 是 必須 在 充分 考 慮了 上述諸因子中具體條件的影響下,選 用恰當(dāng) 的數(shù) 學(xué)模型,或滿足 室內(nèi) 流體物 理模擬的各種邊界和相似條件要求。 ④ 污染物在大氣中的彌散及研究方法:主要包括大氣輸送和大氣擴(kuò)散,是空 氣污染氣象學(xué)的主要研究范疇。由于風(fēng)力搬運(yùn)、大氣湍流、分子運(yùn)動(dòng)等的作用,空 氣的屬性或組分時(shí)時(shí)刻刻從空間的任意一點(diǎn)彌散、遷移到另一點(diǎn)。廣義的大氣彌 散泛指進(jìn)入大氣的污染物通過風(fēng)、湍流、抬升、下沉、干濕沉降、化學(xué)轉(zhuǎn)化等過程在 空間逐漸分散、稀釋的現(xiàn)象。它雖有助于緩解局地大氣污染,但會(huì)擴(kuò)大污染物的影 響范圍,可能會(huì)導(dǎo)致二次污染的形成,或?qū)⑽廴巨D(zhuǎn)移到土壤及水體中去。 在不利于污染物 彌散 的天 氣情 況(小風(fēng)、逆 溫層 深厚、局 地 環(huán)流 明 顯、下 沉 氣流旺盛等)和閉 塞地 形條 件下,常出 現(xiàn)高 濃度 污 染。其研 究 方法 一般 分 數(shù) 學(xué) 模擬、室內(nèi)流體物理模擬(如風(fēng)洞、水 槽、對(duì) 流室模擬 )及現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)驗(yàn)。研究 大氣 擴(kuò) 散的理論有: 梯度 輸送理論(K理論):假設(shè)由 湍流 引起 的動(dòng)量 通量 與局地 風(fēng)速 梯度 間 呈線性關(guān)系,以湍流交換系數(shù) k為基礎(chǔ),用以平均速度表示湍流脈動(dòng)的半經(jīng)驗(yàn) 理 論來求解擴(kuò)散方程。其根本缺陷在于把湍流擴(kuò)散過程不合理地簡單模擬為分子 熱運(yùn)動(dòng)。但只要 ky 、kz 選 取 得合 適,在處 理 復(fù)雜 條件 下的 大 尺度 擴(kuò) 散問 題 時(shí) 仍 有其特有的優(yōu)點(diǎn)。 統(tǒng)計(jì)理論:根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì) 的原 理來 描述湍 流脈 動(dòng)隨機(jī) 變量 與其 統(tǒng) 計(jì)分布平均規(guī)律的關(guān)系,目前被廣泛用于解決小尺度擴(kuò)散問題。 相似理論:在量綱分析基礎(chǔ)上發(fā)展 起來 的一 種研究 近地 層擴(kuò)散 問題 的理 論 體系。 大氣擴(kuò)散研究是預(yù)測(cè)和估算大氣中的污染物濃度、進(jìn)行大氣環(huán)境評(píng)價(jià)、制定 環(huán)境規(guī)劃和城市布局、選擇大氣污染控制對(duì)策的基礎(chǔ)。為此,人們發(fā)展了各種模 擬大氣污染物的輸送、擴(kuò)散、遷移過程,預(yù)測(cè)在不同污染源條件、氣象條件及下墊 面條件下污染物濃度時(shí)空分布的 數(shù)學(xué) 模型。根 據(jù)不 同的 建
模理 論體 系、污染 物 遷移、擴(kuò)散過程以及不同的描寫對(duì)象,模式的形式也各不相同。在這些經(jīng)過簡單 168 第 7章 環(huán) 境 地 學(xué) 化后的、低層大氣中污染物彌散規(guī)律 的數(shù)學(xué) 描述 中,使用 得最廣 泛、適用 于小 尺 度、定常流場(chǎng)中高架連續(xù)點(diǎn)源污染物 濃度 估算 的為高 斯煙 流模式。 還有 普遍 使 用的適用于非定常流場(chǎng)和微風(fēng)條件 下的 煙團(tuán)模 式;適用 于區(qū) 域或某 些特 殊地 形 條件下的箱模式;把擴(kuò)散微分方程變換成差分形式求數(shù)值解,適用于有光化學(xué)反 應(yīng)和降水沖洗過程的原始模式;城市空氣污染多源模式;以及不依賴于物理擴(kuò)散 過程的統(tǒng)計(jì)學(xué)模式等。 然而實(shí)際大氣環(huán)境中,人們所遇到的往往是在多維、多尺度的復(fù)雜、互動(dòng)系統(tǒng) 中,包含物理、化學(xué)、生物、地理等過程的綜合問題。不恰當(dāng)?shù)暮喕约澳J奖旧淼?不確定性必然會(huì)造成模擬結(jié)果的誤差。20世紀(jì) 90年代 初以來,隨著高 性能電子 計(jì)算機(jī)的普及和邊界層氣象學(xué)研究的進(jìn)展,三維數(shù)值模擬技術(shù)得到了長足進(jìn)步,對(duì) 各種復(fù)雜條件下的大氣動(dòng)力學(xué)方程組進(jìn)行數(shù)值求解已逐漸成為空氣污染氣象學(xué)領(lǐng) 域的主流方法。新近涌現(xiàn)的各種湍流閉合技術(shù)或大渦模擬(LES)技術(shù),可用以直 接描述支配污染物彌散的湍流渦旋,減少模擬誤差。而通過中尺度氣象模式與污 染物輸送 擴(kuò)散模式、大氣化學(xué)模式的連接,完全突破了經(jīng)典的高斯理論 的框架, 從而可在更大的空間和時(shí)間尺度內(nèi)預(yù)測(cè)污染物在大氣中的物理、化學(xué)行為。 綠色卡片 空氣污染指數(shù)(API) 空氣污染指數(shù)是一種反映和評(píng)價(jià)環(huán)境空氣質(zhì)量的方法。即將常規(guī)監(jiān)測(cè)的 幾種空氣污染物的濃度簡化成為單一的概念性數(shù)值,并對(duì)應(yīng)于環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 和各項(xiàng)污染物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其對(duì)人體健康的影響,確定污染指數(shù)的分級(jí) 數(shù)值及相應(yīng)的污染物濃度限 值。其確定原 則為:空氣質(zhì)量的 好壞取決于 各種 污染物中危害最大的污染物的污染程度。一般有 SO2、CO、CO2、O3、可 吸入微 粒(IP)和總懸浮顆粒物(TSP)等。中國的空 氣污染指數(shù)范圍 為 0~500,其中 50、100、200分別為與國家空氣質(zhì)量日均值一、二、三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的污染物濃度 限值。500對(duì)應(yīng)于對(duì)人體健康產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害時(shí)的污染水平。據(jù)此,又將 污染指數(shù)分為五級(jí)空氣污染指數(shù)結(jié)果簡明、使用方便,適用于表示城市的短期 空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢(shì),易于為決策者和公眾服務(wù)。 表 7 2 空氣污染指數(shù)值及其對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量狀況 空氣污染指數(shù) 相對(duì)的環(huán)境空氣質(zhì)量級(jí)別 空氣質(zhì)量狀況 API≤50 一級(jí) 優(yōu),清潔 50<API≤100 二級(jí) 良,較清潔 100<API≤200 三級(jí) 中,輕度污染 200<API≤30
0 四級(jí) 差,中度污染 300<API≤500 五級(jí) 劣,嚴(yán)重污染 7.2 人類 地球環(huán)境復(fù)合系統(tǒng) 169 (3)空氣資源的價(jià)值及保護(hù) 空氣為人類生存及發(fā)展,工農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)所 提供 的物質(zhì) 條件 及潛力 即稱 為空 氣 資源 (airresources)。通過動(dòng)物的呼吸,新鮮空氣中含有的氧氣由血液輸送到體 內(nèi)各組織和細(xì)胞并參與各種生化 反應(yīng) 和代謝 過程,才 能使 生命得 以延 續(xù)? 氣 還是第一性生產(chǎn)者———植物的呼吸及正常生理反應(yīng)中必不可少的物質(zhì)。通過各 種固氮過程,空氣中的氮可被植物吸 收、轉(zhuǎn)化為 各種 有機(jī) 化合物 后,再被 動(dòng)物 所 攝取,轉(zhuǎn)變?yōu)樯幕A(chǔ)物質(zhì)———蛋白質(zhì)?諝膺\(yùn)動(dòng)除了能促進(jìn)物質(zhì)、熱量和水 汽的交換,產(chǎn)生形形色色的大氣現(xiàn)象、為 人類提 供清 潔的 風(fēng)能外,還 是植 物種 子 傳播的重要途徑。此外,地球大氣溫室效應(yīng)還大大抑制了地面溫度的劇烈變化; 保護(hù)了地球上的生物不受宇宙射線 和流 星的傷 害;為工 農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)提 供了 豐富 的 原料;支持燃燒,把一些燃料轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉础?但是,對(duì)于某個(gè)區(qū)域(如城 市、山谷、盆地 )來 說,大 氣對(duì) 人類 活動(dòng) 排放 于 其 中的污染物的自凈、稀釋能力是有限的。如果超過了其大氣環(huán)境容量的閾值,環(huán) 境空氣質(zhì)量將明 顯 惡化。 即 使 是 整個(gè) 大 氣 圈,對(duì) 許 多 有 害 物質(zhì) (如 CO2、CH4、 CFCs、SPM等)的容量 也 絕不 是 無 限 的。清 潔 空 氣 作為 一 種 資 源,在 生 命 的 形 成、維系和延續(xù)中不可或缺;在 生產(chǎn) 活動(dòng) 中構(gòu) 成 了必 備的 “投 入”并獲 得巨 大 的 效益;在社會(huì)生活中給人類帶來了福祉、文明和愉悅。它具有自然資源的基本屬 性。因而,現(xiàn)代科學(xué)觀點(diǎn)既認(rèn)為空氣是生命賴以存在的三要素之一,是極其重要 的自然資源,又強(qiáng)調(diào)保護(hù)空氣質(zhì)量的重要性。 圖 7 2 1980—1995年世界森林面積的變化 (引自 UNDP、UNEP、WB、WRI,2002) 空氣資源和一般商品相似,只是沒 有經(jīng) 過勞 動(dòng)加工 而改 變其原 有屬 性和 自 然形態(tài)而已。由于長期以來被人類 無償 使用,空 氣資源 的價(jià) 值并沒 有像 一般 商