大氣污染濃度估算模式

1、2022-7-411.湍流擴(kuò)散的基本理論湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)煙囪高度設(shè)計(jì)掌握大氣擴(kuò)散的理論和擴(kuò)散模式，學(xué)會(huì)估算污染物掌握大氣擴(kuò)散的理論和擴(kuò)散模式，學(xué)會(huì)估算污染物濃度、煙氣抬升高度，確定煙囪高度和廠(chǎng)址濃度、煙氣抬升高度，確定煙囪高度和廠(chǎng)址2022-7-42擴(kuò)散的要素?cái)U(kuò)散的要素n風(fēng)風(fēng)：平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大n湍流：擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快湍流：擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快10105 510106 6倍倍湍流的

2、基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大氣的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)大氣的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) w風(fēng)速的脈動(dòng)風(fēng)速的脈動(dòng)w風(fēng)向的擺動(dòng)風(fēng)向的擺動(dòng)起因與兩種形式起因與兩種形式 n熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）n機(jī)械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度機(jī)械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度2022-7-43主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系1.1.梯度輸送理論梯度輸送理論類(lèi)比于分子擴(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率與負(fù)濃度梯度成正比類(lèi)比于分子擴(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率與負(fù)濃度梯度成正比2.2.湍流統(tǒng)計(jì)理論湍流統(tǒng)計(jì)理論 泰勒泰勒?qǐng)D圖4-1，正態(tài)分布

3、，正態(tài)分布 薩頓實(shí)用模式薩頓實(shí)用模式 高斯模式高斯模式 3.3.相似理論相似理論 2022-7-44高斯模式的有關(guān)假定高斯模式的有關(guān)假定n坐標(biāo)系坐標(biāo)系 右手坐標(biāo)，右手坐標(biāo)，y為橫風(fēng)向，為橫風(fēng)向，z為垂直向?yàn)榇怪毕騨四點(diǎn)假設(shè)四點(diǎn)假設(shè) w1污染物濃度在污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布風(fēng)向上分布為正態(tài)分布w2全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定w3源強(qiáng)是連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的源強(qiáng)是連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的w4擴(kuò)散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）擴(kuò)散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化） 2022-7-45高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系2022-7-46由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布由正態(tài)分

4、布假定，得下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布方差的表達(dá)式方差的表達(dá)式由假定由假定4 源強(qiáng)積分式源強(qiáng)積分式 22)(),(bzayeexAzyx dydzuQ0022dzdzzz0022dydyyy未知數(shù)：濃度未知數(shù)：濃度，待定函數(shù)，待定函數(shù)A(x),待定系數(shù)待定系數(shù)a,b積分，可以解出四個(gè)未知數(shù)：得到高斯模式積分，可以解出四個(gè)未知數(shù)：得到高斯模式222222exp2),(zyzyzyuQzyx2022-7-47222222exp2),(zyzyzyuQzyx2022-7-48鏡像全反射鏡像全反射-像源法像源法n實(shí)源：實(shí)源： n像源：像源： 實(shí)源的貢獻(xiàn)：實(shí)源的貢獻(xiàn)： 像源的貢獻(xiàn)：像源的貢獻(xiàn)： 實(shí)際濃度：實(shí)際

5、濃度：),(zHzyx),(zHzyx222222)(2exp2ZyzyHzyuQ222212)(2exp2ZyzyHzyuQ2222222)(exp2)(exp2exp2),(zzyzyHzHzyuQzyx2022-7-49地面濃度模式：取地面濃度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得22222exp2exp) 0 ,(zyzyHyuQyx地面軸線(xiàn)濃度模式：再取地面軸線(xiàn)濃度模式：再取y=0y=0代入上式代入上式222exp)0 , 0 ,(zzyHuQxxyz上式，上式， 增大，則增大，則 、 增大，第一項(xiàng)減小，第二增大，第一項(xiàng)減小，第二 項(xiàng)增大，必然在某項(xiàng)增大，必然在某x 處有最大值

6、處有最大值地面最大濃度模式：地面最大濃度模式： 考慮地面軸線(xiàn)濃度模式考慮地面軸線(xiàn)濃度模式 222exp)0 , 0 ,(zzyHuQx2022-7-410對(duì)對(duì) 求導(dǎo)求導(dǎo) yzconstmax|2czx xH地面最大濃度模式（續(xù)）：地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)設(shè) （實(shí)際中成立）（實(shí)際中成立） 由此求得由此求得zdyzeHuQ2max2地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H0 0）：）：相當(dāng)于無(wú)限源的相當(dāng)于無(wú)限源的2 2倍（鏡像垂直于地面，源強(qiáng)加倍）倍（鏡像垂直于地面，源強(qiáng)加倍）222222exp),(zyzyzyuQzyx2022-7-411粒徑小于粒徑小于15m的顆粒物可按氣體擴(kuò)散計(jì)算的顆粒

7、物可按氣體擴(kuò)散計(jì)算大于大于15m的顆粒物：傾斜煙流模式的顆粒物：傾斜煙流模式 地面反射系數(shù)地面反射系數(shù)22222)(exp2exp2)1 ()0 ,(ziiyzyiiuxvHyuQyx182gdvppii2022-7-412Q源強(qiáng)源強(qiáng) 計(jì)算或?qū)崪y(cè)計(jì)算或?qū)崪y(cè) 平均風(fēng)速平均風(fēng)速 多年的風(fēng)速資料多年的風(fēng)速資料 H 有效煙囪高度有效煙囪高度 、 擴(kuò)散參數(shù)擴(kuò)散參數(shù)uyz1.煙氣抬升高度的計(jì)算煙氣抬升高度的計(jì)算 初始動(dòng)量：初始動(dòng)量： 速度、內(nèi)徑速度、內(nèi)徑煙溫度煙溫度 浮力浮力煙氣抬升煙氣抬升sHHHsHH煙囪幾何高度煙囪幾何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高sHHHsHH煙囪幾何高度煙囪幾何高度抬升高度

8、抬升高度有效源高有效源高2022-7-413抬升高度計(jì)算式抬升高度計(jì)算式 （1） Holland公式公式：適用于中性大氣條件適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時(shí)減小，（穩(wěn)定時(shí)減小，不穩(wěn)時(shí)增加不穩(wěn)時(shí)增加1020） HollandHolland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強(qiáng)的情況下公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強(qiáng)的情況下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu2022-7-414抬升高度計(jì)算式（抬升高度計(jì)算式（續(xù)）續(xù)）（2 2）BriggsBriggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件 H1 1/32/3sH1 1/3

9、2/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55當(dāng)時(shí)sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33當(dāng)時(shí)QxxHQxuxxHQHxQHu2022-7-415抬升高度計(jì)算式抬升高度計(jì)算式 （續(xù)）（續(xù)）（ 3 3 ） 我 國(guó)） 我 國(guó) “ 制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方法法”(GB/T13201-91)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0HsH

10、aVasHH121sH12100kW()35K =0.35 1700kW2100kW1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu (1)當(dāng)和時(shí)(2)當(dāng)時(shí)HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)當(dāng)或時(shí)(4)當(dāng)高 處 的 年 平 均 風(fēng) 速 小 于 或 等 于時(shí)2022-7-416PG曲線(xiàn)法曲線(xiàn)法PG曲線(xiàn)曲線(xiàn)Pasquill常規(guī)氣象資料估算常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表制成圖表2022

11、-7-417PG曲線(xiàn)的應(yīng)用曲線(xiàn)的應(yīng)用n根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級(jí)別根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級(jí)別2022-7-418PG曲線(xiàn)的應(yīng)用曲線(xiàn)的應(yīng)用n利用擴(kuò)散曲線(xiàn)確定利用擴(kuò)散曲線(xiàn)確定 和和yz2022-7-419PG曲線(xiàn)的應(yīng)用曲線(xiàn)的應(yīng)用n地面最大濃度估算地面最大濃度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲線(xiàn)（圖曲線(xiàn)（圖4-5）反查出）反查出w由由曲線(xiàn)（圖曲線(xiàn)（圖4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲線(xiàn)（圖曲線(xiàn)（圖4-5）反查出）反查出w由由曲線(xiàn)（圖曲線(xiàn)（圖4 4- -4

12、 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出y2022-7-420穩(wěn)定度分類(lèi)方法穩(wěn)定度分類(lèi)方法n改進(jìn)的改進(jìn)的PT法法 太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角 （式（式4-29，地理緯度，傾角），地理緯度，傾角） 輻射等級(jí)輻射等級(jí) 穩(wěn)定度穩(wěn)定度 云量云量（加地面風(fēng)速）（加地面風(fēng)速） 2022-7-421擴(kuò)散參數(shù)的選取擴(kuò)散參數(shù)的選取n擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時(shí)間擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時(shí)間0.5h，按表，按表4-8查算）查算）n平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級(jí)向不穩(wěn)定方向提半級(jí)n工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至提至B級(jí)，級(jí)，D、E、F向不穩(wěn)定方向向

13、不穩(wěn)定方向提一級(jí)提一級(jí)n丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)n取樣時(shí)間大于取樣時(shí)間大于0.5h， 不變，不變，1221,aayzxx2121()qyyz2022-7-422主要指氣象條件與高斯模式不一樣主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實(shí)際中溫度層結(jié)構(gòu)均一，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)）難以實(shí)現(xiàn)） 封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式n相當(dāng)于兩鏡面之間無(wú)窮次全反射相當(dāng)于兩鏡面之間無(wú)窮次全反射n實(shí)源和無(wú)窮多個(gè)虛源貢獻(xiàn)之和實(shí)源和無(wú)窮多個(gè)虛源貢獻(xiàn)之和 nn為反射次數(shù)，在地面和逆面為反射次數(shù)，在地面和逆面n實(shí)源在兩個(gè)鏡子里分別形成實(shí)源在兩個(gè)鏡子里分別形成n個(gè)像個(gè)像222)2(exp2)

14、 0 , 0 ,(zzynDHuQx2022-7-423計(jì)算簡(jiǎn)化：計(jì)算簡(jiǎn)化：1.當(dāng)當(dāng)（尚未到封閉階段）（尚未到封閉階段）w（煙流半寬度）（煙流半寬度）w查查PG曲線(xiàn)曲線(xiàn)w4-9式計(jì)算式計(jì)算 地面軸線(xiàn)濃度地面軸線(xiàn)濃度Dxx2.15zDHDx1.當(dāng)當(dāng)（尚未到封閉階段）（尚未到封閉階段）w（煙流半寬度）（煙流半寬度）w查查PG曲線(xiàn)曲線(xiàn)w4-9式計(jì)算式計(jì)算 地面軸線(xiàn)濃度地面軸線(xiàn)濃度Dxx2.15zDHDxDD2xxx3. DxxD2xx內(nèi)插（假定變化為線(xiàn)性），按內(nèi)插（假定變化為線(xiàn)性），按z值插值值插值DD2xxx3. DxxD2xx內(nèi)插（假定變化為線(xiàn)性），按內(nèi)插（假定變化為線(xiàn)性），按z值插值值插值)2

15、exp(2),(22yyyDuQyx2.當(dāng)當(dāng)Dxx2時(shí)，時(shí)，Z向濃度混合均勻向濃度混合均勻2022-7-424假設(shè)：假設(shè)： D 換成換成h hf f（垂向均勻分布）（垂向均勻分布）；q q只包括進(jìn)入混合層部分，只包括進(jìn)入混合層部分， 則仍可用上面公式則仍可用上面公式 22211exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH2022-7-4252022-7-426城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式1.線(xiàn)源擴(kuò)散模式線(xiàn)源擴(kuò)散模式w無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)源無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)源n風(fēng)向和線(xiàn)源不垂直時(shí)風(fēng)向和線(xiàn)源不垂直時(shí) （交角（交角454

16、5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)源無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)源n風(fēng)向和線(xiàn)源不垂直時(shí)風(fēng)向和線(xiàn)源不垂直時(shí) （交角（交角4545o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限長(zhǎng)線(xiàn)源有限長(zhǎng)線(xiàn)源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限長(zhǎng)線(xiàn)源有限長(zhǎng)線(xiàn)源2022-7-427

17、2.面源擴(kuò)散模式面源擴(kuò)散模式w大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個(gè)排放量單個(gè)排放量0.04t/hqxuD1niiqxuD n箱模式：假定污染物濃度在混合層內(nèi)均勻分布箱模式：假定污染物濃度在混合層內(nèi)均勻分布（劃分為更小的面源單元）（劃分為更小的面源單元）qxuD1niiqxuD n箱模式：假定污染物濃度在混合層內(nèi)均勻分布箱模式：假定污染物濃度在混合層內(nèi)均勻分布（劃分為更小的面源單元）（劃分為更小的面源單元）n簡(jiǎn)化為點(diǎn)源的面源模式簡(jiǎn)化為點(diǎn)源的面源模式n簡(jiǎn)化為點(diǎn)源的面源模式簡(jiǎn)化為點(diǎn)源的面源模式2022-7-4282.面源擴(kuò)散模式（續(xù)）面源擴(kuò)散模式（續(xù)）n簡(jiǎn)化為點(diǎn)源

18、的面源擴(kuò)散模式（續(xù)）簡(jiǎn)化為點(diǎn)源的面源擴(kuò)散模式（續(xù)）w形心上風(fēng)向形心上風(fēng)向距距x x0 0處有一虛擬點(diǎn)源，其煙流在形心處寬度正好處有一虛擬點(diǎn)源，其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等與正方形寬度相等 w煙流寬度：中心線(xiàn)到濃度為中心處距離的兩倍煙流寬度：中心線(xiàn)到濃度為中心處距離的兩倍 n（正態(tài)分布：（正態(tài)分布： ） w確定確定 、 之后即可按點(diǎn)源計(jì)算面源濃度之后即可按點(diǎn)源計(jì)算面源濃度0024.30yy0yx0zx12222200000001/1/000121( , ,0,)exp2 ()() ()(), 4.32.15(), ()yyzzyyzzyzyzyzqyHx yHuWHxx2022-7-4

19、292.面源擴(kuò)散模式（續(xù)）面源擴(kuò)散模式（續(xù)）n窄煙流模式窄煙流模式w某點(diǎn)的污染物濃度主要取決于上風(fēng)向面單元的源強(qiáng)，上風(fēng)向某點(diǎn)的污染物濃度主要取決于上風(fēng)向面單元的源強(qiáng)，上風(fēng)向兩側(cè)單元對(duì)其影響很小兩側(cè)單元對(duì)其影響很小w某點(diǎn)的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強(qiáng)決定某點(diǎn)的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強(qiáng)決定0qAu2022-7-430煙囪高度的計(jì)算煙囪高度的計(jì)算要求：要求：n（1）達(dá)到稀釋擴(kuò)散的作用達(dá)到稀釋擴(kuò)散的作用n（2）造價(jià)最低，造價(jià)最低， 造價(jià)正比于造價(jià)正比于H H2 2n（3 3）地面濃度不超標(biāo)）地面濃度不超標(biāo) n按地面最大濃度計(jì)算按地面最大濃度計(jì)算 max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之間取0C標(biāo)準(zhǔn)濃度bC本底濃度max22()ezyqCuHyz