大氣污染教案-第三章56節(jié)

1、第三章 氣象與大氣擴(kuò)散 大氣污染教案-第三章56節(jié) 3.6 大氣污染擴(kuò)散模式及污染物濃度估算方法大氣污染擴(kuò)散模式及污染物濃度估算方法 大氣污染擴(kuò)散的基本問(wèn)題是研究湍流與煙流大氣污染擴(kuò)散的基本問(wèn)題是研究湍流與煙流 傳播和物質(zhì)濃度衰減關(guān)系問(wèn)題，目前廣泛應(yīng)用的傳播和物質(zhì)濃度衰減關(guān)系問(wèn)題，目前廣泛應(yīng)用的 理論有三種：理論有三種： （1）梯度輸送理論：它是菲克用理論類比建立起梯度輸送理論：它是菲克用理論類比建立起 來(lái)的理論。菲克認(rèn)為分子擴(kuò)散規(guī)律和傅里葉提出來(lái)的理論。菲克認(rèn)為分子擴(kuò)散規(guī)律和傅里葉提出 的熱傳導(dǎo)規(guī)律類似。這個(gè)理論的中心思想是在單的熱傳導(dǎo)規(guī)律類似。這個(gè)理論的中心思想是在單 位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)經(jīng)過(guò)單位

2、面積輸送的通量與濃度梯位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)經(jīng)過(guò)單位面積輸送的通量與濃度梯 度成正比。度成正比。 大氣污染教案-第三章56節(jié) （2）湍流統(tǒng)計(jì)理論：泰勒首先用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法湍流統(tǒng)計(jì)理論：泰勒首先用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法 去研究湍流擴(kuò)散問(wèn)題。該理論的中心是闡述擴(kuò)去研究湍流擴(kuò)散問(wèn)題。該理論的中心是闡述擴(kuò) 散粒子關(guān)于時(shí)間和空間的概率分布，以便求出散粒子關(guān)于時(shí)間和空間的概率分布，以便求出 擴(kuò)散粒子的濃度的空間分布和隨時(shí)間的變化。擴(kuò)散粒子的濃度的空間分布和隨時(shí)間的變化。 高斯在大量實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高斯在大量實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用 湍流統(tǒng)計(jì)理論得到了正態(tài)分布假設(shè)下的擴(kuò)散模湍流統(tǒng)計(jì)理論得到了正態(tài)分布假設(shè)下的擴(kuò)散模 式

3、，即通常所說(shuō)的高斯模式，它是目前應(yīng)用最式，即通常所說(shuō)的高斯模式，它是目前應(yīng)用最 廣的模式。廣的模式。 大氣污染教案-第三章56節(jié) （3）相似理論：這是在量綱分析的基礎(chǔ)上發(fā)展相似理論：這是在量綱分析的基礎(chǔ)上發(fā)展 起來(lái)的理論。起來(lái)的理論。 利用這些理論進(jìn)行研究時(shí)，常采用數(shù)值分利用這些理論進(jìn)行研究時(shí)，常采用數(shù)值分 析法、現(xiàn)場(chǎng)研究法和實(shí)驗(yàn)室模擬研究法三種方析法、現(xiàn)場(chǎng)研究法和實(shí)驗(yàn)室模擬研究法三種方 法。理論和方法的應(yīng)用截然不可分，應(yīng)將它們法。理論和方法的應(yīng)用截然不可分，應(yīng)將它們 很好地結(jié)合在一起，得出與實(shí)際大氣污染擴(kuò)散很好地結(jié)合在一起，得出與實(shí)際大氣污染擴(kuò)散 模式相符合的計(jì)算模式。模式相符合的計(jì)算模式。

4、 大氣污染教案-第三章56節(jié) （一）點(diǎn)源擴(kuò)散模式 實(shí)際處理的大氣污染物排放源有點(diǎn)源、線源、面源實(shí)際處理的大氣污染物排放源有點(diǎn)源、線源、面源 和體源幾種形式，其中點(diǎn)源是最簡(jiǎn)單也是最常見(jiàn)的一種和體源幾種形式，其中點(diǎn)源是最簡(jiǎn)單也是最常見(jiàn)的一種 污染源形式。污染源形式。 1、坐標(biāo)系：大量的觀測(cè)事實(shí)表明，從點(diǎn)源排放的大、坐標(biāo)系：大量的觀測(cè)事實(shí)表明，從點(diǎn)源排放的大 氣污染物在開(kāi)闊平坦的地形條件下以煙流形式擴(kuò)散，并氣污染物在開(kāi)闊平坦的地形條件下以煙流形式擴(kuò)散，并 處在湍流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)中，其濃度分布通常符合在平均煙流處在湍流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)中，其濃度分布通常符合在平均煙流 軸兩側(cè)是正態(tài)分布，即高斯分布的規(guī)律。軸兩側(cè)是正態(tài)

5、分布，即高斯分布的規(guī)律。 高斯模型的坐標(biāo)系如下圖所示：高斯模型的坐標(biāo)系如下圖所示： 大氣污染教案-第三章56節(jié) 注：原點(diǎn)注：原點(diǎn)O為排放點(diǎn)或高架源排放點(diǎn)在地面的投影。為排放點(diǎn)或高架源排放點(diǎn)在地面的投影。X軸的正方向?yàn)槠骄L(fēng)向；軸的正方向?yàn)槠骄L(fēng)向； Y軸在水平面上垂直于軸在水平面上垂直于X軸，指向紙里面為正；軸，指向紙里面為正；Z軸通過(guò)原點(diǎn)軸通過(guò)原點(diǎn)O垂直于垂直于XOY平面，平面， 向上為正。向上為正。 大氣污染教案-第三章56節(jié) 2、正態(tài)分布的幾點(diǎn)假設(shè) 由于煙流濃度分布按高斯模型符合正態(tài)分布， 因此可作出下述假設(shè)： （1）污染物濃度在）污染物濃度在Y、z軸上的分布為正態(tài)分布；軸上的分布為正態(tài)

6、分布； （2）在空間中風(fēng)只在一個(gè)方向上做均勻的穩(wěn)定的運(yùn)）在空間中風(fēng)只在一個(gè)方向上做均勻的穩(wěn)定的運(yùn) 動(dòng)；動(dòng)； （3）污染物在擴(kuò)散的過(guò)程中沒(méi)有衰減和增生，遵守）污染物在擴(kuò)散的過(guò)程中沒(méi)有衰減和增生，遵守 質(zhì)量守恒定律；質(zhì)量守恒定律； （4）源強(qiáng)連續(xù)均勻；）源強(qiáng)連續(xù)均勻； （5）地表面足夠平坦；）地表面足夠平坦； （6）在）在X軸方向上，污染物平流輸送作用（平均通量）軸方向上，污染物平流輸送作用（平均通量） 遠(yuǎn)大于該方向上的湍流擴(kuò)散作用。遠(yuǎn)大于該方向上的湍流擴(kuò)散作用。 大氣污染教案-第三章56節(jié) 3、無(wú)限空間中的擴(kuò)散模式 當(dāng)污染源位于無(wú)限空間中，當(dāng)污染源位于無(wú)限空間中，X軸與煙流軸線重軸與煙流軸線重

7、合，在上述假設(shè)的條件下，可以導(dǎo)出無(wú)限空間連續(xù)合，在上述假設(shè)的條件下，可以導(dǎo)出無(wú)限空間連續(xù) 點(diǎn)源擴(kuò)散的模式點(diǎn)源擴(kuò)散的模式: 大氣污染教案-第三章56節(jié) 式中 y ,z污染物在y, z方向的標(biāo)準(zhǔn)差,m q源強(qiáng)，mg/s 平均風(fēng)速，m/s x, y ,z污染物在x，y， z方向的坐標(biāo),m C: mg/m3 ) 22 (exp 2 ), 2 2 2 2 zy zy z yq zyxC 大氣污染教案-第三章56節(jié) 4、高架連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散模式 高架連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散，心須考慮地面對(duì)擴(kuò)散的影高架連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散，心須考慮地面對(duì)擴(kuò)散的影 響，可以認(rèn)為地面象鏡子響，可以認(rèn)為地面象鏡子 一樣對(duì)污染物全反射。這一樣對(duì)污染

8、物全反射。這 樣根據(jù)全反射原理，利用樣根據(jù)全反射原理，利用“像源法像源法” 來(lái)處理這一問(wèn)來(lái)處理這一問(wèn) 題。所以空間任一點(diǎn)的污染物濃度可以看成是兩部題。所以空間任一點(diǎn)的污染物濃度可以看成是兩部 分之和：一部分分之和：一部分 是不考慮地面影響時(shí)該點(diǎn)所具有的是不考慮地面影響時(shí)該點(diǎn)所具有的 污染物濃度；另一部分是地面全反射時(shí)該點(diǎn)增加的污染物濃度；另一部分是地面全反射時(shí)該點(diǎn)增加的 污染物濃度。也就是說(shuō)，空間任一點(diǎn)的污染物濃度，污染物濃度。也就是說(shuō)，空間任一點(diǎn)的污染物濃度， 都是由實(shí)源和虛源在該點(diǎn)造成的濃度之和。據(jù)此可都是由實(shí)源和虛源在該點(diǎn)造成的濃度之和。據(jù)此可 得到高架連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散模式。得到高架連續(xù)點(diǎn)

9、源的擴(kuò)散模式。 大氣污染教案-第三章56節(jié) O O O H-Z 0 H+Z 0 大氣污染教案-第三章56節(jié) 實(shí)源的供獻(xiàn)：實(shí)源的供獻(xiàn)：P 點(diǎn)在以實(shí)源為原點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)在以實(shí)源為原點(diǎn)的坐標(biāo) 系中的垂直坐標(biāo)（距離煙流中心線的垂直距離）系中的垂直坐標(biāo)（距離煙流中心線的垂直距離） 為（為（Hz）。當(dāng)不考慮地面影響時(shí)，它在）。當(dāng)不考慮地面影響時(shí)，它在P 點(diǎn)點(diǎn) 所造成的污染物濃度為所造成的污染物濃度為 ) 22 (exp 2 ), 2 2 2 2 )( zy zy Hzy q zyxC 大氣污染教案-第三章56節(jié) 虛源的供獻(xiàn)：虛源的供獻(xiàn)：P 點(diǎn)在以像源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系點(diǎn)在以像源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系 中的垂直坐標(biāo)（距離像

10、源的煙流中心線的垂直距中的垂直坐標(biāo)（距離像源的煙流中心線的垂直距 離）為（離）為（z+H）。它在）。它在P 點(diǎn)所造成的污染物濃度點(diǎn)所造成的污染物濃度 為為 ) 22 (exp 2 ), 2 2 2 2 )( zy zy Hzy q zyxC 大氣污染教案-第三章56節(jié) 式中：式中：H污染源離地面的高度，污染源離地面的高度， m。 C=C實(shí) 實(shí)+C虛虛，即 ，即 又稱高斯擴(kuò)散模式又稱高斯擴(kuò)散模式 2 2 2 2 2 2 2 exp 2 exp) 2 (exp 2 ), )()( zzy zy HzHzy q zyxC 大氣污染教案-第三章56節(jié) 2 2 2 2 2 exp) 2 exp(), 0

11、 , zy zy H yq HyxC （1）地面濃度模式：）地面濃度模式： 高架連續(xù)點(diǎn)源模式在幾種特殊情況下的形式高架連續(xù)點(diǎn)源模式在幾種特殊情況下的形式 大氣污染教案-第三章56節(jié) ) 2 exp(), 0 , 0 , 2 2 z zy H q HxC （2）地面軸線濃度模式：）地面軸線濃度模式： 大氣污染教案-第三章56節(jié) （3）高架連續(xù)點(diǎn)源地面最大軸線濃度：高架連續(xù)點(diǎn)源地面最大軸線濃度： 由于由于 y ，z 是距離是距離x的函數(shù)，而且隨的函數(shù)，而且隨x的增大的增大 而增大，但而增大，但q/（ y z ）又隨又隨x的增大而減小，的增大而減小， exp -H 2 /（2 z2 ）隨隨x增大而增

12、大，這兩項(xiàng)共同增大而增大，這兩項(xiàng)共同 作用的結(jié)果，必然在某一距離作用的結(jié)果，必然在某一距離x處出現(xiàn)濃度的最大處出現(xiàn)濃度的最大 值。在最簡(jiǎn)單的情況下，假設(shè)比值值。在最簡(jiǎn)單的情況下，假設(shè)比值y/ z 不隨距離不隨距離 x而變化，此時(shí)得到地面最大軸線濃度及離污染源而變化，此時(shí)得到地面最大軸線濃度及離污染源 相應(yīng)的距離公式：相應(yīng)的距離公式： 大氣污染教案-第三章56節(jié) 2 2 max max 2 H C x e q C x H z y z 大氣污染教案-第三章56節(jié) (4)地面連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散模式：地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)地面連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散模式：地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò) 散模式可由高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散散模式可由高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散

13、 模式中令模式中令H=0而而 得到：得到： ) 22 (exp), 2 2 2 2 zy zy z yq zyxC 比較：地面連續(xù)點(diǎn)源造成的污染物濃度與無(wú)界空間連續(xù)點(diǎn)源所比較：地面連續(xù)點(diǎn)源造成的污染物濃度與無(wú)界空間連續(xù)點(diǎn)源所 造成濃度有何關(guān)系？造成濃度有何關(guān)系？ ) 22 (exp 2 ), 2 2 2 2 zy zy z yq zyxC 大氣污染教案-第三章56節(jié) *使用高斯擴(kuò)散模式時(shí)的注意事項(xiàng)使用高斯擴(kuò)散模式時(shí)的注意事項(xiàng) 高斯模式的成功運(yùn)用是有一定的假設(shè)前提的，使用時(shí)應(yīng)注意以高斯模式的成功運(yùn)用是有一定的假設(shè)前提的，使用時(shí)應(yīng)注意以 下問(wèn)題：下問(wèn)題： （1）該模式較適用于估算較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均濃

14、度，不能真）該模式較適用于估算較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均濃度，不能真 實(shí)地估算非平穩(wěn)狀態(tài)下的或短期的污染物濃度的漲落；實(shí)地估算非平穩(wěn)狀態(tài)下的或短期的污染物濃度的漲落； （2）該模式本身沒(méi)有計(jì)入風(fēng)向和風(fēng)速的變化，也未包括由風(fēng)）該模式本身沒(méi)有計(jì)入風(fēng)向和風(fēng)速的變化，也未包括由風(fēng) 切變引起的湍流影響切變引起的湍流影響 （3）該）該 公式適用于平均風(fēng)速大于公式適用于平均風(fēng)速大于2m/s時(shí)的情況。時(shí)的情況。 (4) 在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)需要考慮污染物在大氣中比較復(fù)雜的在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)需要考慮污染物在大氣中比較復(fù)雜的 實(shí)際散布過(guò)程和各種非理想情況時(shí)，應(yīng)將高斯擴(kuò)散的基本模式實(shí)際散布過(guò)程和各種非理想情況時(shí)，應(yīng)將高斯擴(kuò)散的基本

15、模式 給以適當(dāng)修正，以擴(kuò)大其適用范圍，如在較遠(yuǎn)距離時(shí)的修正、給以適當(dāng)修正，以擴(kuò)大其適用范圍，如在較遠(yuǎn)距離時(shí)的修正、 在靜風(fēng)和很穩(wěn)定條件下的修正、以及城市、水上、不規(guī)則地形在靜風(fēng)和很穩(wěn)定條件下的修正、以及城市、水上、不規(guī)則地形 條件下的修正等（結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行）。條件下的修正等（結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行）。 大氣污染教案-第三章56節(jié) 5、有上部逆溫時(shí)的擴(kuò)散模式、有上部逆溫時(shí)的擴(kuò)散模式 （1）上部逆溫的氣象特點(diǎn)：）上部逆溫的氣象特點(diǎn)：上部逆溫是經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。 上部逆溫層就象一個(gè)蓋子使污染物的鉛直擴(kuò)散受到限制，擴(kuò)散 只能在地面和逆溫層之間進(jìn)行。所以又稱為封閉型擴(kuò)散封閉型擴(kuò)散。 （2）高斯擴(kuò)散模式的適

16、用條件：）高斯擴(kuò)散模式的適用條件：只適用于整層大氣具有同一 穩(wěn)定度的擴(kuò)散，對(duì)于不接地逆溫層（逆溫層接地幾百米到2千 米）的情況并不適合。 （3）有上部逆溫時(shí)的擴(kuò)散模式：）有上部逆溫時(shí)的擴(kuò)散模式：可在高斯擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上， 用反射原理反射原理來(lái)對(duì)其擴(kuò)散公式進(jìn)行推導(dǎo)，即此種情況下污染物的 濃度可看成是實(shí)源和無(wú)窮多對(duì)虛源作用之和?？臻g任一點(diǎn)濃度 如下： 大氣污染教案-第三章56節(jié) 2 2 2 2 2 2 2 exp 2 exp ) 2 exp( 2 ), 0 , )2()2( zz y zy nLHznLHz yq HyxC 式中：式中： L逆溫層底高度或混合層高度，逆溫層底高度或混合層高度，m；

17、n煙流在兩界面間的反射次數(shù)，一般取煙流在兩界面間的反射次數(shù)，一般取3或或4就可以了就可以了。 大氣污染教案-第三章56節(jié) 模式的簡(jiǎn)化：在實(shí)際工作中地面濃度可按如下方法進(jìn)行簡(jiǎn)化處模式的簡(jiǎn)化：在實(shí)際工作中地面濃度可按如下方法進(jìn)行簡(jiǎn)化處 理，設(shè)理，設(shè)xD為煙羽邊緣剛好到達(dá)逆溫層底時(shí)該點(diǎn)離煙緣的水平距為煙羽邊緣剛好到達(dá)逆溫層底時(shí)該點(diǎn)離煙緣的水平距 離，則有：離，則有： （1）當(dāng)）當(dāng)xxD時(shí)：煙流擴(kuò)散不受逆溫影響，擴(kuò)散采用以下公式時(shí)：煙流擴(kuò)散不受逆溫影響，擴(kuò)散采用以下公式 計(jì)算：計(jì)算： 2 2 2 2 2 exp) 2 exp(), 0 , zy zy H yq HyxC 大氣污染教案-第三章56節(jié) （

18、2）當(dāng)）當(dāng)x2xD時(shí)：污染物經(jīng)多次反射后，在時(shí)：污染物經(jīng)多次反射后，在Z方向濃度漸趨方向濃度漸趨 均勻，水平方向仍呈正態(tài)分布，地面濃度的計(jì)算公式為均勻，水平方向仍呈正態(tài)分布，地面濃度的計(jì)算公式為 ) 2 exp( 2 ), 0 , 2 2 y y y D q HyxC （3）當(dāng)）當(dāng)xD x2xD時(shí)：取時(shí)：取x=xD和和x=2xD兩點(diǎn)的濃度進(jìn)行線性兩點(diǎn)的濃度進(jìn)行線性 內(nèi)插。內(nèi)插。 xD確定方法如下：確定方法如下： Z0=2.15z D-H=2.15z 查圖得到一個(gè)查圖得到一個(gè)x，即即 xDz =（D-H）/2.15 Z0煙流在鉛直方向上的擴(kuò)散寬度煙流在鉛直方向上的擴(kuò)散寬度 大氣污染教案-第三章5

19、6節(jié) D xDxDxDDx CxCCxxC/ )(*)( 2 按照如下的公式進(jìn)行內(nèi)插：按照如下的公式進(jìn)行內(nèi)插： 式中：式中： CxD, C2xD: 分別是距離下風(fēng)向?yàn)?xD, 2xD距離處的污染物濃度, xD x 2xD . 大氣污染教案-第三章56節(jié) 例題例題：某電廠煙囪有效源高為某電廠煙囪有效源高為150m，SO2的排放量為的排放量為151g/s， 在夏季睛朗的下午，地面風(fēng)速為在夏季睛朗的下午，地面風(fēng)速為2.5m/s。由于上部鋒面逆溫將。由于上部鋒面逆溫將 使垂直混合限制在使垂直混合限制在1.5km以內(nèi)，以內(nèi)，1.2km高度的平均風(fēng)速為高度的平均風(fēng)速為5m/s。 試估算正下風(fēng)向試估算正下風(fēng)向3km和和11km處地面的處地面的SO2濃度。濃度。 解：夏季晴朗的下午，太陽(yáng)輻射為強(qiáng)輻射。在地面風(fēng)速為夏季晴朗的下午，太陽(yáng)輻射為強(qiáng)輻射。在地面風(fēng)速為 2.5m/s時(shí)，由表查得大氣穩(wěn)定度為時(shí)，由表查得大氣穩(wěn)定度為B級(jí)，因此：級(jí)，因此： z=（L-H）/2.15=（1500-150）/2