大氣污染擴(kuò)散模型剖析

1、第一節(jié)大氣污染物的擴(kuò)散一、湍流與湍流擴(kuò)散理論1. 湍流低層大氣中的風(fēng)向是不斷地變化，上下左右出現(xiàn)擺動(dòng)；同時(shí)，風(fēng)速也是時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，形成 迅速的陣風(fēng)起伏。風(fēng)的這種強(qiáng)度與方向隨時(shí)間不規(guī)則的變化形成的空氣運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為大氣湍流。 湍流運(yùn)動(dòng)是由無(wú)數(shù)結(jié)構(gòu)緊密的流體微團(tuán)一一湍渦組成，其特征量的時(shí)間與空間分布都具有隨 機(jī)性，但它們的統(tǒng)計(jì)平均值仍然遵循一定的規(guī)律。大氣湍流的流動(dòng)特征尺度一般取離地面的 高度，比流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)要大得多，湍渦的大小及其發(fā)展基本不受空間的限制，因此在 較小的平均風(fēng)速下就能有很高的雷諾數(shù)，從而達(dá)到湍流狀態(tài)。所以近地層的大氣始終處于湍 流狀態(tài)，尤其在大氣邊界層內(nèi)，氣流受下墊面影響，湍流運(yùn)動(dòng)更為

2、劇烈。大氣湍流造成流場(chǎng) 各部分強(qiáng)烈混合，能使局部的污染氣體或微粒迅速擴(kuò)散。煙團(tuán)在大氣的湍流混合作用下，由 湍渦不斷把煙氣推向周?chē)諝庵校瑫r(shí)又將周?chē)目諝饩砣霟焾F(tuán)，從而形成煙氣的快速擴(kuò)散 稀釋過(guò)程。;圖5 7 ( C)為煙團(tuán)在煙氣在大氣中的擴(kuò)散特征取決于是否存在 湍流以及湍渦的尺度(直徑)，如圖5-7所示。 圖57 (a)為無(wú)湍流時(shí)，煙團(tuán)僅僅依靠分子 擴(kuò)散使煙團(tuán)長(zhǎng)大，煙團(tuán)的擴(kuò)散速率非常緩慢， 其擴(kuò)散速率比湍流擴(kuò)散小 56個(gè)數(shù)量級(jí)；圖57(b)為煙團(tuán)在遠(yuǎn)小于其尺度的湍渦中擴(kuò)散，圖；_由于煙團(tuán)邊緣受到小湍渦的擾動(dòng)，逐漸與周邊(C)與團(tuán)絡(luò)I：空氣混合而緩慢膨脹，濃度逐漸降低，煙流幾乎呈直線向下風(fēng)運(yùn)動(dòng)

3、；圖 與其尺度接近的湍渦中擴(kuò)散，在湍渦的切入卷出作用下煙團(tuán)被迅速撕裂，大幅度變形，橫截面快速膨脹，因而擴(kuò)散較快，煙流呈小擺幅曲線向下風(fēng)運(yùn)動(dòng)；圖5 7 (d)為煙團(tuán)在遠(yuǎn)大于其尺度的湍渦中擴(kuò)散，煙團(tuán)受大湍渦的卷吸擾動(dòng)影響較弱，其本身膨脹有限，煙團(tuán)在大湍渦 的夾帶下作較大擺幅的蛇形曲線運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上煙云的擴(kuò)散過(guò)程通常不是僅由上述單一情況所 完成，因?yàn)榇髿庵型瑫r(shí)并存的湍渦具有各種不同的尺度。根據(jù)湍流的形成與發(fā)展趨勢(shì)，大氣湍流可分為機(jī)械湍流和熱力湍流兩種形式。機(jī)械湍流是因地面的摩擦力使風(fēng)在垂直方向產(chǎn)生速度梯度，或者由于地面障礙物(如山丘、樹(shù)木與建筑物等)導(dǎo)致風(fēng)向與風(fēng)速的突然改變而造成的。熱力湍流主要是由于

4、地表受熱不均勻，或因大氣溫度層結(jié)不穩(wěn)定，在垂直方向產(chǎn)生溫度梯度而造成的。一般近地面的大氣湍流總是機(jī)械湍流 和熱力湍流的共同作用，其發(fā)展、結(jié)構(gòu)特征及強(qiáng)弱決定于風(fēng)速的大小、地面障礙物形成的粗 糙度和低層大氣的溫度層結(jié)狀況。2. 湍流擴(kuò)散與正態(tài)分布的基本理論氣體污染物進(jìn)入大氣后，一面隨大氣整體飄移，同時(shí)由于湍流混合，使污染物從高濃度 區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散稀釋?zhuān)鋽U(kuò)散程度取決于大氣湍流的強(qiáng)度。大氣污染的形成及其危害程度 在于有害物質(zhì)的濃度及其持續(xù)時(shí)間，大氣擴(kuò)散理論就是用數(shù)理方法來(lái)模擬各種大氣污染源在定條件下的擴(kuò)散稀釋過(guò)程，用數(shù)學(xué)模型計(jì)算和預(yù)報(bào)大氣污染物濃度的時(shí)空變化規(guī)律。研究物質(zhì)在大氣湍流場(chǎng)中的擴(kuò)散理論主

5、要有三種：梯度輸送理論、相似理論和統(tǒng)計(jì)理論。針對(duì)不同的原理和研究對(duì)象，形成了不同形式的大氣擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)學(xué)模型建立時(shí)作 了一些假設(shè)，以及考慮氣象條件和地形地貌對(duì)污染物在大氣中擴(kuò)散的影響而引入的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)， 目前的各種數(shù)學(xué)模式都有較大的局限性，應(yīng)用較多的是采用湍流統(tǒng)計(jì)理論體系的高斯擴(kuò)散模 式。圖5-8所示為采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究污染物在湍流大氣中的擴(kuò)散模型。假定從原點(diǎn)釋放出一個(gè)粒子在穩(wěn)定均勻的湍流大氣中飄移擴(kuò)散，平均風(fēng)向與x軸同向。湍流統(tǒng)計(jì)理論認(rèn)為，由于存在湍流脈動(dòng)作用，粒子在各方向(如圖中y方向)的脈動(dòng)速度隨時(shí)間而變化，因而粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡也隨之變化。若平均時(shí)間間隔足夠長(zhǎng)，則速度脈動(dòng)值的代數(shù)和為

6、零。如果從原點(diǎn) 釋放出許多粒子，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間T之后，這些粒子的濃度趨于一個(gè)穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)分布。湍流擴(kuò)散理論(K理論)和統(tǒng)計(jì)理論的分析均表明，粒子濃度沿y軸符合正態(tài)分布。正態(tài)分布的密度函數(shù)f(y)的一般形式為：f (y)(5 15)式中b為標(biāo)準(zhǔn)偏差，是曲線任一側(cè)拐點(diǎn)位置的尺度;圖5 8中的f(y)曲線即為卩=0時(shí)的高斯分布密度曲線。它有兩個(gè)性質(zhì)，一是曲線關(guān)于 y = 卩的軸對(duì)稱(chēng)；二是當(dāng)y =卩時(shí)，有最大值 f 人2 C，即：這些粒子在 y=卩軸上 的濃度最高。如果 值固定而改變b值，曲線形 狀將變尖或變得平緩；如果b值固定而改變卩值,卩為任何實(shí)數(shù)。圖弓一百湍流擴(kuò)骰欖熨f(y)的圖形沿0y軸平移。不論

7、曲線形狀如何變化，曲線下的面積恒等于1。分析可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差b的變化影響擴(kuò)散過(guò)程中污染物濃度的分布，增加b值將使?jié)舛确植己瘮?shù)趨于平緩并伸展擴(kuò)大，這意味提咼了污染物在y方向的擴(kuò)散速度。高斯在大量的實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，應(yīng)用湍流統(tǒng)計(jì)理論得出了污染物在大氣中的高斯擴(kuò)散模 式。雖然污染物濃度在實(shí)際大氣擴(kuò)散中不能?chē)?yán)格符合正態(tài)分布的前提條件，但大量小尺度擴(kuò) 散試驗(yàn)證明，正態(tài)分布是一種可以接受的近似。二、高斯擴(kuò)散模式(一) 連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散連續(xù)點(diǎn)源一般指排放大量污染物的煙囪、放散管、通風(fēng)口等。排放口安置在地面的稱(chēng)為 地面點(diǎn)源，處于高空位置的稱(chēng)為高架點(diǎn)源。1.大空間點(diǎn)源擴(kuò)散高斯擴(kuò)散公式的建立有如下假設(shè)：風(fēng)的平均流場(chǎng)穩(wěn)

8、定，風(fēng)速均勻，風(fēng)向平直；污染物的濃度在y、z軸方向 符合正態(tài)分布；污染物在輸送擴(kuò)散中質(zhì)量守恒；污染 源的源強(qiáng)均勻、連續(xù)。圖5 9所示為點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式示意圖。有效源位于坐標(biāo)原點(diǎn)o處，平均風(fēng)向與x軸平行，并與x軸正向同團(tuán)59商斯擴(kuò)散模式示意圖向。假設(shè)點(diǎn)源在沒(méi)有任何障礙物的自由空間擴(kuò)散，不考慮下墊面的存在。大氣中的擴(kuò)散是具 有y與z兩個(gè)坐標(biāo)方向的二維正態(tài)分布，當(dāng)兩坐標(biāo)方向的隨機(jī)變量獨(dú)立時(shí)，分布密度為每個(gè) 坐標(biāo)方向的一維正態(tài)分布密度函數(shù)的乘積。由正態(tài)分布的假設(shè)條件，參照正態(tài)分布函數(shù)的 基本形式式（5 15）,取卩=0，則在點(diǎn)源下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布函數(shù)為：-C(x, y,z )=A(x)expmg

9、/m3；(5 16)式中C 空間點(diǎn)（x, y, z）的污染物的濃度,A （x）待定函數(shù);（T y、（T z分別為水平、垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差,即 y、x方向的擴(kuò)散參數(shù)，m=由守恒和連續(xù)假設(shè)條件和，在任一垂直于x軸的煙流截面上有:-be -beq = uCdydz(5 17)式中q 源強(qiáng)，即單位時(shí)間內(nèi)排放的污染物,卩 g/s ；u 平均風(fēng)速,m/s。將式（5 16）代入式（5 17）,由風(fēng)速穩(wěn)定假設(shè)條件, ；旳（一/2）dt =丟和，積分可得待定函數(shù)a（ x ）：A與y、z無(wú)關(guān)，考慮到(5 18)將式（5 18）代入式（5 16），得大空間連續(xù)點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式(5 19)式中，擴(kuò)散系數(shù)T y、T z

10、與大氣穩(wěn)定度和水平距離 x有關(guān)，并隨x的增大而增加。當(dāng)y = 0, z =0時(shí)，A （x） = C （x, 0,0 ）,即A （x）為x軸上的濃度，也是垂直于x軸截面上污染物的最大濃度點(diǎn) Gax。當(dāng)x T8, T y及T z fa,則 d 0，表明污染物以在大氣中得以完全擴(kuò)散。2 .高架點(diǎn)源擴(kuò)散在點(diǎn)源的實(shí)際擴(kuò)散中，污染物可能受到地面障礙物的阻擋，因此應(yīng)當(dāng)考慮地面對(duì)擴(kuò)散的 影響。處理的方法是，或者假定污染物在擴(kuò)散過(guò)程中的質(zhì)量不變，到達(dá)地面時(shí)不發(fā)生沉降或 化學(xué)反應(yīng)而全部反射；或者污染物在沒(méi)有反射而被全部吸收，實(shí)際情況應(yīng)在這兩者之間。（1）高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式。點(diǎn)源在地面上的投影點(diǎn)o作為坐標(biāo)原點(diǎn)，有效源

11、位于z軸上某點(diǎn)，z = Ho高架有效 源的高度由兩部分組成，即 H= h+ A h，其中h為排放口 的有效高度，Ah是熱煙流的浮升力和煙氣以一定速度豎 直離開(kāi)排放口的沖力使煙流抬升的一個(gè)附加高度，如圖510所示。當(dāng)污染物到達(dá)地面后被全部反射時(shí)，可以按照全反射 原理，用“像源法”來(lái)求解空間某點(diǎn)k的濃度。圖5 10中k點(diǎn)的濃度顯然比大空間點(diǎn)源擴(kuò)散公式（5 19）計(jì)算值仃效源/ 煙流屮應(yīng)線n11r q+1X圖i鑑翳嚴(yán)大，它是位于（0, 0, H）的實(shí)源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度和反射回來(lái)的濃度的疊加。反射濃度可視為 由一與實(shí)源對(duì)稱(chēng)的位于（0 , 0, H）的像源（假想源）擴(kuò)散到 k點(diǎn)的濃度。由圖可見(jiàn)，k點(diǎn)在以

12、實(shí)源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為（z-H），則實(shí)源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度為式（5 19）的坐Csq2 - U；y；zexp -2jj(5 20)k點(diǎn)在以像源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為（z + H）,則像源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度為式（5標(biāo)沿z軸向下平移距離H：19 ）的坐標(biāo)沿z軸向上平移距離 H:q2WyJexp -(5 21)由此，實(shí)源CS與像源Cx之和即為k點(diǎn)的實(shí)際污染物濃度:Cx,y，z，H 12m/s。高斯擴(kuò)散模式適應(yīng)大氣湍流的性質(zhì)，物理概念明確，估算污染濃度的結(jié)果基本上能與實(shí) 驗(yàn)資料相吻合，且只需利用常規(guī)氣象資料即可進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此使用最為普遍。（二）連續(xù)線源的擴(kuò)散當(dāng)污染物沿一水平方向連

13、續(xù)排放時(shí)，可將其視為一線源，如汽車(chē)行駛在平坦開(kāi)闊的公路 上。線源在橫風(fēng)向排放的污染物濃度相等，這樣，可將點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式對(duì)變量y積分,即可獲得線源的高斯擴(kuò)散模式。但由于線源排放路徑相對(duì)固定，具有方向性，若取平均風(fēng)向 為x軸，則線源與平均風(fēng)向未必同向。所以線源的情況較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)考慮線源與風(fēng)向夾角以 及線源的長(zhǎng)度等問(wèn)題。如果風(fēng)向和線源的夾角 3 45，無(wú)限長(zhǎng)連續(xù)線源下風(fēng)向地面濃度分布為:C(x,0,H)二(5 29)當(dāng)3 V 45時(shí)，以上模式不能應(yīng)用。如果風(fēng)向和線源的夾角垂直，即3 = 90，可得:C(x,0,H)二(5 30)對(duì)于有限長(zhǎng)的線源，線源末端引起的“邊緣效應(yīng)”將對(duì)污染物的濃度分布有很

14、大影響。隨著污染物接受點(diǎn)距線源的距離增加，“邊源效應(yīng)”將在橫風(fēng)向距離的更遠(yuǎn)處起作用。因此在估算有限長(zhǎng)污染源形成的濃度分布時(shí)，“邊源效應(yīng)”不能忽視。對(duì)于橫風(fēng)向的有限長(zhǎng)線源，應(yīng)以污染物接受點(diǎn)的平均風(fēng)向?yàn)?x軸。若線源的范圍是從 yi到y(tǒng)2,且yiv y2,則有限長(zhǎng)線源地 面濃度分布為：C(x,0,H)二H2ds(5 31)式中，S1 =屮/ （T y , S2= y2/ （T y，積分值可從正態(tài)概率表中查出。（三）連續(xù)面源的擴(kuò)散當(dāng)眾多的污染源在一地區(qū)內(nèi)排放時(shí)，如城市中家庭爐灶的排放，可將它們作為面源來(lái)處理。因?yàn)檫@些污染源排放量很小但數(shù)量很大，若依點(diǎn)源 來(lái)處理，將是非常繁雜的計(jì)算工作。常用的面源擴(kuò)散

15、模式為虛擬點(diǎn)源法，即將城市按污染源的分布和高低不同劃分為若干個(gè)正方形，每一正方形視為一個(gè)面源單元，邊長(zhǎng)一般在0.510km之間選取。 這種方法假設(shè)：有一距離為xo的虛擬點(diǎn)源位于面源單圖吐12虛擬點(diǎn)源模型元形心的上風(fēng)處，如圖5-12所示，它在面源單元中心線處產(chǎn)生的煙流寬度為2yo= 4.3 c yo,等于面源單元寬度B;面源單元向下風(fēng)向擴(kuò)散的濃度可用虛擬點(diǎn)源在下風(fēng)向造成的同樣的濃度所代替。根據(jù)污染物在面源范圍內(nèi)的分布狀況，可分為以下兩種虛擬點(diǎn)源擴(kuò)散模式：二 yo = B / 4.3(5 32)第一種擴(kuò)散模式假定污染物排放量集中在各面源單元的形心上。由假設(shè)可得:由確定的大氣穩(wěn)定度級(jí)別和上式求出的二

16、yo，應(yīng)用P G曲線圖（見(jiàn)下節(jié)）可查取 Xo。再由（xo+ x）分布查出c y和c Z,則面源下風(fēng)向任一處的地面濃度由下式確定：C q exp(5 33)二 U；jz上式即為點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式（5 24）,式中H取面源的平均高度，如果排放源相對(duì)較高，而且高度相差較大，也可假定z方向上有一虛擬點(diǎn)源，由源的最初垂直分布的標(biāo)準(zhǔn)差確定J 20，再由 20求出X%，由xzoX求出c z，由（X o+ x）求出c y,最后代入式（5 33）求出地面濃度。第二種擴(kuò)散模式假定污染物濃度均勻分布在面源的y方向，且擴(kuò)散后的污染物全都均勻分布在長(zhǎng)為n（Xo+ x） /8的弧上，如圖5-12所示。因此，利用式（5 3

17、2）求c y后，由穩(wěn)定 度級(jí)別應(yīng)用 P G曲線圖查出Xo,再由（Xo+ x）查出c z,則面源下風(fēng)向任一點(diǎn)的地面濃度由 下式確定：2 q : u；7： Xo x /8expH2(5 34)三、擴(kuò)散參數(shù)及煙流抬升高度的確定高斯擴(kuò)散公式的應(yīng)用效果依賴(lài)于公式中的各個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確程度，尤其是擴(kuò)散參數(shù)c y、cz及煙流抬升高度h的估算。其中，平均風(fēng)速 u取多年觀測(cè)的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)；源強(qiáng) q可以計(jì) 算或測(cè)定，而c y、c z及厶h與氣象條件和地面狀況密切相關(guān)。1.擴(kuò)散參數(shù)c y、c z的估算擴(kuò)散參數(shù)c y、c z是表示擴(kuò)散范圍及速率大小的特征量，也即正態(tài)分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。為了能較符合實(shí)際地確定這些擴(kuò)散參數(shù)，許

18、多研究工作致力于把濃度場(chǎng)和氣象條件結(jié)合起來(lái)，提出了各種符合實(shí)驗(yàn)條件的擴(kuò)散參數(shù)估計(jì)方法。其中應(yīng)用較多的由是帕斯奎爾（Pasquill） 和吉福特（Gifford） 提出的擴(kuò)散參數(shù)估算方法，也稱(chēng)為P- G擴(kuò)散曲線，如圖5 13和圖5 14所示。由圖可見(jiàn)，只要利用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)氣象觀測(cè)資料，由表5 1查取帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度等級(jí)，即可確定擴(kuò)散參數(shù)。擴(kuò)散參數(shù)b具有如下規(guī)律： b隨著離源距離增加而增大；不穩(wěn)定大氣狀態(tài)時(shí)的b值大于穩(wěn)定大氣狀態(tài)，因此大氣湍流運(yùn)動(dòng)愈強(qiáng)，b值愈大；以上兩種條件相因此P G擴(kuò)散曲線簡(jiǎn)便實(shí)用。但其應(yīng)用具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和局同時(shí)，粗糙地面上的b值大于平坦地面。由于利用常規(guī)氣象資料便能確定帕斯奎

19、爾大氣穩(wěn)定度， 是，P G擴(kuò)散曲線是利用觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)合理論分析得到的,b z是在近距離應(yīng)用限性。b y是利用風(fēng)向脈動(dòng)資料和有限的擴(kuò)散觀測(cè)資料作出的推測(cè)估計(jì),了地面源在中性層結(jié)時(shí)的豎直擴(kuò)散理論結(jié)果，也參照一些擴(kuò)散試驗(yàn)資料后的推算，而穩(wěn)定和 強(qiáng)不穩(wěn)定兩種情況的數(shù)據(jù)純系推測(cè)結(jié)果。一般，PG擴(kuò)散曲線較適用于近地源的小尺度擴(kuò)散和開(kāi)闊平坦的地形。 實(shí)踐表明，b y的近似估計(jì)與實(shí)際狀況比較符合，但要對(duì)地面粗糙度和取樣時(shí)間進(jìn)行修正；b z的估計(jì)值與溫度層結(jié)的關(guān)系很大，適用于近地源的lkm以?xún)?nèi)的擴(kuò)散。因此，大氣擴(kuò)散參數(shù)的準(zhǔn)確定量描述仍是深入研究的課題。估算地面最大濃度值 Cmax及其離源的距離Xmax時(shí)，可先

20、按式（5 25）計(jì)算出b z，并圖5-14 查取對(duì)應(yīng)的X值，此值即為當(dāng)時(shí)大氣穩(wěn)定度下的 Xmax。然后從圖5-13查取與Xmax對(duì)應(yīng)的b y值， 代如式（5 26）即可求出 Gax值。用該方法計(jì)算，在 E、F級(jí)穩(wěn)定度下誤差較大，在 D C級(jí)210*J0301 2 3 510: 23 5下鳳向距離圖弓一13敵曲圾巧E J、210s羽:0153210110*2 3 52 3 5 10* 2 3 5下風(fēng)向距需I/S15-11 P-G擴(kuò)敵曲線叭10時(shí)誤差較小。H越高，誤差越小。采用如下經(jīng)驗(yàn)公式確定擴(kuò)我國(guó)GB3840- 91制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法 散參數(shù)b y、b z :(5 35)x距離

21、內(nèi)為式中，y 1、a i、y 2及a 2稱(chēng)為擴(kuò)散系數(shù)。這些系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定，在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的 常數(shù)，可從GB3840- 91的表中查取。2.煙流抬升高度 h的計(jì)算煙流抬升高度是確定高架源的位置，準(zhǔn)確判斷大氣污染擴(kuò)散及估計(jì)地面污染濃度的重要 參數(shù)之一。從煙囪里排出的煙氣，通常會(huì)繼續(xù)上升。上升的原因一是熱力抬升，即當(dāng)煙氣溫 度高于周?chē)諝鉁囟葧r(shí)，密度比較小，浮升力的作用而使其上升；二是動(dòng)力抬升，即離開(kāi)煙 囪的煙氣本身具有的動(dòng)量，促使煙氣繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。在大氣湍流和風(fēng)的作用下，漂移一段距 離后逐漸變?yōu)樗竭\(yùn)動(dòng)，因此有效源的高度高于煙囪實(shí)際高度。熱煙流從煙囪中噴出直至變平是一個(gè)連續(xù)的逐 漸緩變過(guò)程一般可分為

22、四個(gè)階段，如圖5-15所示。先是煙氣依靠本身的初始動(dòng)量垂直向上噴射的噴出階 段，該階段的距離約為幾至十幾倍煙囪的直徑；其次 是由于煙氣和周?chē)諝庵g溫差而產(chǎn)生的密度差所形 成的浮力而使煙流上升的浮升階段，上升煙流與水平 氣流之間的速度差異而產(chǎn)生的小尺度湍渦使得兩者混 合后的溫差不斷減小，煙流上升趨勢(shì)不斷減緩，逐漸趨于水平方向；然后是在煙體不斷膨脹 過(guò)程中使得大氣湍流作用明顯加強(qiáng)，煙體結(jié)構(gòu)瓦解，逐漸失去抬升作用的瓦解階段；最后是 在環(huán)境湍流作用下，煙流繼續(xù)擴(kuò)散膨脹并隨風(fēng)飄移的變平階段。從煙流抬升及擴(kuò)散發(fā)展的過(guò)程可以看出，顯然，浮升力和初始動(dòng)量是影響煙流抬升的主 要因素，但使煙流抬升的發(fā)展又受到氣

23、象條件和地形狀況的制約。主要表現(xiàn)為：浮升力取 決于煙流與環(huán)境空氣的密度差，即與兩者的溫差有關(guān)；而煙流初始動(dòng)量取決于煙囪出口的煙 流速度，即與煙囪出口的內(nèi)徑有關(guān)。一般來(lái)講，增大煙流與周?chē)諝獾臏夭钜约疤岣邿熈魉?度，抬升高度增加。但如果煙流的初始速度過(guò)大，促進(jìn)煙流與空氣的混合，反而會(huì)減少浮力 抬升高度，一般該速度大于出口處附近風(fēng)速的兩倍為宜。大氣的湍流強(qiáng)度愈大，煙與周?chē)?空氣混合就愈快，煙流的溫度和初始動(dòng)量降低得也愈快，則煙流抬升高度愈低。大氣的湍流 強(qiáng)度取決于溫度層結(jié)，而溫度層結(jié)的影響不是單一的，如不穩(wěn)定溫度層結(jié)由于湍流交換活躍 能抑制煙流的抬升，但也能促進(jìn)熱力抬升，這取決于大氣不穩(wěn)定程度；平

24、均風(fēng)速越大，湍 流越強(qiáng)，抬升高度越低；地面粗糙度大，使近地層大氣湍流增強(qiáng)，不利于煙流抬升。由于煙流抬升受諸多因素的相互影響，因此煙流抬升高度h的計(jì)算尚無(wú)統(tǒng)一的理想的結(jié)果。在30多種計(jì)算公式中，應(yīng)用較廣適用于中性大氣狀況的霍蘭德(Holland)公式如下:；5 + 2.7TsTap _1.5VsDT.01QhTsum(5 - 36)式中 vs煙流出口速度，m/s;D 煙囪出口內(nèi)徑，m；u 煙囪出口的環(huán)境平均風(fēng)速，m/s ；T s煙氣出口溫度，K；T a環(huán)境平均氣溫度，K；Q煙囪的熱排放率，kW上式計(jì)算結(jié)果對(duì)很強(qiáng)的熱源（如大型火電站）比較適中甚至偏高，而對(duì)中小型熱源（QhV6080 MW）的估計(jì)偏

25、低。當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定或穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可在上式計(jì)算的基礎(chǔ)上分別增加 或減少10%20%。根據(jù)GB7T3840 91制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法和GBI322396火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，按照煙氣的熱釋放率Q、煙囪出口煙氣溫度與環(huán)境溫度的溫差（Ts Ta）及地面狀況，我國(guó)分別采用下列抬升計(jì)算式。(1 )當(dāng) Q2100kW并且(Ts Ta) 35 K 時(shí):u mQh V0（Ts-Ta）式中no、門(mén)八n2 地表狀況系數(shù)，可從V 0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣排放量，(5 37)kW( 5 38)GB/ T384091 查取；m/s ；CP標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣平均定壓比熱，Cp= 1.38kJ/（m 3 - K

26、）;Ta取當(dāng)?shù)刈罱?年平均氣溫值，K;煙囪出口的環(huán)境平均風(fēng)速 u按下式計(jì)算:U=u0（z/Z0）m/s（5 39）u 0煙囪所在地近5年平均風(fēng)速，m/s，測(cè)量值；z 0, z分別為相同基準(zhǔn)高度時(shí)氣象臺(tái)（站）測(cè)風(fēng)儀位置及煙囪出口高度，mm風(fēng)廓線幕指數(shù)，在中性層結(jié)條件下，且地形開(kāi)闊平坦只有少量地表覆蓋物時(shí)，n =1/7,其他條件時(shí)可從 GB/ T3840 91查取。（2）當(dāng) Qv 2100kW或（ Ts Ta）v 35 K 時(shí)：(5 40)，h =2 1步 .1QhI u上式為霍蘭德公式（5 36 ）的兩倍。第三節(jié) 影響大氣擴(kuò)散的若干因素大氣污染物在大氣湍流混合作用下被擴(kuò)散稀釋。大氣污染擴(kuò)散主要受

27、到氣象條件、地貌狀況及污染物的特征的影響。一、氣象因子影響影響污染物擴(kuò)散的氣象因子主要是大氣穩(wěn)定度和風(fēng)。1.大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度隨著氣溫層結(jié)的分布而變化，是直接影響大氣污染物擴(kuò)散的極重要因素。大氣越不穩(wěn)定，污染物的擴(kuò)散速率就越快；反之，則越慢。當(dāng)近地面的大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由于上部氣溫低而密度大，下部氣溫高而密度小，兩者之間形成的密度差導(dǎo)致空氣在豎直方 向產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流，使得煙流迅速擴(kuò)散。大氣處于逆溫層結(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將抑制空氣的上 下擴(kuò)散，使得排向大氣的各種污染物質(zhì)因此而在局部地區(qū)大量聚積。當(dāng)污染物的濃度增大到 一定程度并在局部地區(qū)停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，就可能造成大氣污染。煙流在不同氣溫層結(jié)及

28、穩(wěn)定度狀態(tài)的大氣中運(yùn)動(dòng)，具有不同的擴(kuò)散型態(tài)。圖5- 16為煙流在五種不同條件下，形成的典型煙云。(1)波浪型。這種煙型發(fā)生在不穩(wěn)定大氣中,即 0, d。大氣湍流強(qiáng)烈，煙流呈上下左右劇烈翻卷的波浪狀向下風(fēng)向輸送，多出現(xiàn)在陽(yáng)光 較強(qiáng)的晴朗白天。污染物隨著大氣運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方 向迅速擴(kuò)散，地面落地濃度較高，最大濃度點(diǎn)距 排放源較近，大氣污染物濃度隨著遠(yuǎn)離排放源而 迅速降低，對(duì)排放源附近的居民有害。(2)錐型。大氣處于中性或弱穩(wěn)定狀態(tài)，即 0, v d。煙流擴(kuò)散能力弱于波浪型，離開(kāi)排 放源一定距離后，煙流沿基本保持水平的軸線呈 圓錐形擴(kuò)散，多出現(xiàn)陰天多云的白天和強(qiáng)風(fēng)的夜 間。大氣污染物輸送距離較遠(yuǎn)，落地濃

29、度也比波圖5-16蠅型煙云勺大氣穩(wěn)定度關(guān)系(a)波浪型Mb)貳型Me)帶型：01)謨幵型：(小廠惻型浪型低。(3) 帶型。這種煙型出現(xiàn)在逆溫層結(jié)的穩(wěn)定條長(zhǎng)直的帶子，而呈扇形在水平方向緩慢擴(kuò)散，也稱(chēng)為扇型，多出現(xiàn)大氣中，即 v 0, v d。大氣幾乎無(wú)湍流發(fā)生, 煙流在豎直方向上擴(kuò)散速度很小，其厚度在漂移 方向上基本不變，像 于弱風(fēng)晴朗的夜晚和早晨。由于逆溫層的存在，污染物不易擴(kuò)散稀釋?zhuān)斔洼^遠(yuǎn)。若排放 源較低，污染物在近地面處的濃度較高，遇到高大障礙物阻擋時(shí)，會(huì)在該區(qū)域聚積以致造成 污染。如果排放源很高時(shí)，近距離的地面上不易形成污染。(4) 爬升型。爬升型為大氣某一高度的上部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，

30、即 0, d,而下部為.口.冋穩(wěn)定狀態(tài)，即 V 0, V d時(shí)出現(xiàn)的煙流擴(kuò)散型態(tài)。如果排放源位于這一高度，則煙流呈下側(cè) 邊界清晰平直，向上方湍流擴(kuò)散形成一屋脊?fàn)?，故又稱(chēng)為屋脊型。這種煙云多出現(xiàn)于地面附 近有輻射逆溫日落前后，而高空受冷空氣影響仍保持遞減層結(jié)。由于污染物只向上方擴(kuò)散而 不向下擴(kuò)散，因而地面污染物的濃度小。(5) 熏煙型。與爬升型相反，熏煙型為大氣某一高度的上部處于穩(wěn)定狀態(tài)，即V 0, Vd,而下部為穩(wěn)定狀態(tài)，即 0, d時(shí)出現(xiàn)的煙流運(yùn)動(dòng)型態(tài)。若排放源在這一高度附近，上部的逆溫層好像一個(gè)蓋子，使煙流的向上擴(kuò)散受到抑制，而下部的湍流擴(kuò)散比較強(qiáng)烈，也 稱(chēng)為漫煙型煙云。這種煙云多出現(xiàn)在日

31、出之后，近地層大氣輻射逆溫消失的短時(shí)間內(nèi)，此時(shí) 地面的逆溫已自下而上逐漸被破壞，而一定高度之上仍保持逆溫。這種煙流迅速擴(kuò)散到地面，在接近排放源附近區(qū)域的污染物濃度很高，地面污染最嚴(yán)重。上述典型煙云可以簡(jiǎn)單地判斷大氣穩(wěn)定度的狀態(tài)和分析大氣污染的趨勢(shì)。但影響煙流形 成的因素很多，實(shí)際中的煙流往往更復(fù)雜。2.風(fēng)圖坊17 S(h恠旋與鳳辿的關(guān)泵曲線進(jìn)入大氣的污染物的漂移方向主要受風(fēng)向的影響，依 靠風(fēng)的輸送作用順風(fēng)而下在下風(fēng)向地區(qū)稀釋。因此污染物 排放源的上風(fēng)向地區(qū)基本不會(huì)形成大氣污染，而下風(fēng)向區(qū) 域的污染程度就比較嚴(yán)重。風(fēng)速是決定大氣污染物稀釋程度的重要因素之一。由 高斯擴(kuò)散模式的表達(dá)式可以看出，風(fēng)速

32、和大氣稀釋擴(kuò)散能 力之間存在著直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)其它條件相同時(shí)，下風(fēng)向 上的任一點(diǎn)污染物濃度與風(fēng)速成反比關(guān)系。風(fēng)速愈高，擴(kuò)散稀釋能力愈強(qiáng)，則大氣中污染物的濃度也就愈低，對(duì)排放源附近區(qū)域造成的污染程度就比 較輕。污染物濃度與地面風(fēng)速u(mài)的關(guān)系曲線如圖5- 17所示，該圖是某城市11月份和12月份SO濃度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。顯然，隨著風(fēng)速的提高，SO濃度值降低，但變化趨勢(shì)有所不同。當(dāng)u ( 23) m/s時(shí)，SO濃度值隨著風(fēng)速的增加迅速減小，而uv( 23) m/s后，SO濃度值基本不變，表明此時(shí)的風(fēng)速對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋影響甚微。二、地理環(huán)境狀況的影響影響污染物在大氣中擴(kuò)散的地理環(huán)境包括地形狀況和地面物體。1

33、.地形狀況陸地和海洋，以及陸地上廣闊的平地和高低起伏的山地及丘陵都可能對(duì)污染物的擴(kuò)散稀 釋產(chǎn)生不同的影響。局部地區(qū)由于地形的熱力作用，會(huì)改變近地面氣溫的分布規(guī)律，從而形成前述的地方風(fēng), 最終影響到污染物的輸送與擴(kuò)散。海陸風(fēng)會(huì)形成的局部區(qū)域的環(huán)流，抑制了大氣污染物向遠(yuǎn)處的擴(kuò)散。例如，白天，海岸附近的污染物從高空向海洋擴(kuò)散出去，可能會(huì)隨著海風(fēng)的環(huán)流回到內(nèi)地，這樣去而復(fù)返的循 環(huán)使該地區(qū)的污染物遲遲不能擴(kuò)散，造成空氣污染加重。此外，在日出和日落后，當(dāng)海風(fēng)與 陸風(fēng)交替時(shí)大氣處于相對(duì)穩(wěn)定甚至逆溫狀態(tài)，不利于污染物的擴(kuò)散。還有，大陸盛行的季風(fēng) 與海陸風(fēng)交匯，兩者相遇處的污染物濃度也較高，如我國(guó)東南沿海夏季

34、風(fēng)夜間與陸風(fēng)相遇。 有時(shí)，大陸上氣溫較高的風(fēng)與氣溫較低的海風(fēng)相遇時(shí)，會(huì)形成鋒面逆溫。山谷風(fēng)也會(huì)形成的局部區(qū)域的封閉性環(huán)流，不利于大氣污染物的擴(kuò)散。當(dāng)夜間出現(xiàn)山風(fēng) 時(shí)，由于冷空氣下沉谷底，而高空容易滯留由山谷中部上升的暖空氣，因此時(shí)常出現(xiàn)使污染 物難以擴(kuò)散稀釋的逆溫層。若山谷有大氣污染物卷入山谷風(fēng)形成的環(huán)流中，則會(huì)長(zhǎng)時(shí)間滯留 在山谷中難以擴(kuò)散。如果在山谷內(nèi)或上風(fēng)峽谷口建有排放大氣污染物的工廠， 則峽谷風(fēng)不利于污染物的擴(kuò)散, 并且污染物隨峽谷風(fēng)流動(dòng)，從而造成峽谷下游地區(qū)的污染。當(dāng)煙流越過(guò)橫擋于煙流途徑的山坡時(shí)，在其迎風(fēng)面上會(huì)發(fā)生下沉現(xiàn)象，使附近區(qū)域污染 物濃度增高而形成污染，如背靠山地的城市和鄉(xiāng)村

35、。煙流越過(guò)山坡后，又會(huì)在背風(fēng)面產(chǎn)生旋 轉(zhuǎn)渦流，使得高空煙流污染物在漩渦作用下重新回到地面，可能使背風(fēng)面地區(qū)遭到較嚴(yán)重點(diǎn) 污染。2.地面物體城市是人口密集和工業(yè)集中的地區(qū)。由于人類(lèi)的 活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)中大量消耗燃料，使城市成為一大熱 源。此外，城市建筑物的材料多為熱容量較高的磚石水泥，白天吸收較多的熱量，夜間因建筑群體擁擠而I汁廣-一右施R：心從屮不宜冷卻，成為一巨大的蓄熱體。因此，城市與周?chē)紖^(qū)的氣溫比周?chē)紖^(qū)氣溫高，年平均氣溫一般高于鄉(xiāng)村 11.5 C,冬季可高出68C。由于城市氣溫高，熱氣流不斷上升，鄉(xiāng)村 低層冷空氣向市區(qū)侵入，從而形成封閉的城鄉(xiāng)環(huán)流。這種現(xiàn)象與夏日海洋中的孤島上空形成 海風(fēng)

36、環(huán)流一樣，所以稱(chēng)之為城市“熱島效應(yīng)”。如圖5- 18所示。城市熱島效應(yīng)的形成與盛行風(fēng)和城鄉(xiāng)間的溫差有關(guān)。夜晚城鄉(xiāng)溫差比白天大，熱島效應(yīng) 在無(wú)風(fēng)時(shí)最為明顯，從鄉(xiāng)村吹來(lái)的風(fēng)速可達(dá)2m/s。雖然熱島效應(yīng)加強(qiáng)了大氣的湍流，有助于污染物在排放源附近的擴(kuò)散。但是這種熱力效應(yīng)構(gòu)成的局部大氣環(huán)流，一方面使得城市排放 的大氣污染物會(huì)隨著鄉(xiāng)村風(fēng)流返回城市；另一方面，城市周?chē)I(yè)區(qū)的大氣污染物也會(huì)被環(huán) 流卷吸而涌向市區(qū)，這樣，市區(qū)的污染物濃度反而高于工業(yè)區(qū)，并久久不宜散去。城市內(nèi)街道和建筑物的吸熱和放熱的不均勻性，還會(huì)在群體空間形成類(lèi)似山谷風(fēng)的小型環(huán)流或渦流。這些熱力環(huán)流使得不同方位街道的擴(kuò)散能力受到影響，尤其對(duì)汽車(chē)尾氣污染物 擴(kuò)散的影響最為突