大氣污染濃度估算模式

大氣污染濃度估算模式第一節(jié)湍流擴散的基本理論擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流：湍流擴散比分子擴散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運動

風速的脈動風向的擺動起因與兩種形式

熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）－大氣穩(wěn)定度機械：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度4.湍流運動的判據(jù)——雷諾數(shù)雷諾還找到了由層流運動轉(zhuǎn)換到湍流運動的判據(jù)——雷諾數(shù)（Re）臨界雷諾數(shù)試驗（圓管）表明：當Re>2000時的流體流動是湍流當Re<2000時的流體流動是層流數(shù)值Re＝2000叫臨界雷諾數(shù)大氣湍流——臨界雷諾數(shù)對于大氣：V=1.5×10-5m2/s若取L=1m只要U>0.1m/s則Re>6000所以通常認為大氣運動都是湍流運動湍流擴散理論主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關系1.梯度輸送理論類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比2.湍流統(tǒng)計理論泰勒－>圖4-1，正態(tài)分布薩頓實用模式高斯模式

3.相似理論二、湍流擴散理論簡介主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關系1.梯度輸送理論德國科學家菲克，在1855年發(fā)表了一篇題為“論擴散”的著名論文。在這篇論文中，他首先提出了梯度擴散理論。他把這個理論表述為：“假定食鹽在其溶劑中的擴散定律與在導體中發(fā)生的熱擴散相同，是十分自然的?！蓖ㄟ^泰勒（）與菲克（A.Fick）擴散理論的類比建立起來的。菲克認為分子擴散的規(guī)律與傅立葉提出的固體中的熱傳導的規(guī)律類似，皆可用相同的數(shù)學方程式描述。湍流梯度輸送理論進一步假定，由大氣湍流引起的某物質(zhì)的擴散，類似于分子擴散，并可用同樣的分子擴散方程描述。為了求得各種條件下某污染物的時、空分布，必須對分子擴散方程在進行擴散的大氣湍流場的邊界條件下求解。然而由于邊界條件往往很復雜，不能求出嚴格的分析解，只能在特定的條件下求出近似解，再根據(jù)實際情況修正。二、湍流擴散理論簡介2.湍流統(tǒng)計理論：泰勒(G．I．TaYler)首先應用統(tǒng)計學方法研究湍流擴散問題，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流統(tǒng)計理論假定：流體中的微粒與連續(xù)流體一樣，呈連續(xù)運動，微粒在進行傳輸和擴散時，不發(fā)生化學和生物學反應；微粒的大小和質(zhì)量不計，并將微粒運動看作是相對于一定空間發(fā)生的。圖4-1表示從污染源釋放出的粒子，在風沿著x方向吹的湍流大氣中擴散的情況。假定大氣湍流場是均勻、穩(wěn)定的。從原點釋放出的一個粒子的位置用y表示，則y隨時間而變化，但其平均值為零。如果從原點放出很多粒子，則在x軸上粒子的濃度最高，濃度分布以x軸為對稱軸，并符合正態(tài)分布。圖4-1由湍流引起的擴散3.相似理論湍流相似擴散理論，最早始于英國科學家里查森和泰勒。后來由于許多科學家的努力，特別是俄國科學家的貢獻，使湍流擴散相似理論得到很大發(fā)展。湍流擴散相似理論的基本觀點是，湍流由許多大小不同的湍渦所構成，大湍渦失去穩(wěn)定分裂成小湍渦，同時發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這一過程一直進行到最小的湍渦轉(zhuǎn)化為熱能為止。從這一基本觀點出發(fā)，利用量綱分析的理論，建立起某種統(tǒng)計物理量的普適函數(shù)，再找出普適函數(shù)的具體表達式，從而解決湍流擴散問題。我們把這種理論稱為相似擴散理論。利用這些理論進行研究時，常采用數(shù)值分析法、現(xiàn)場研究法和實驗室模擬研究法三種方法。理論和方法的運用不可分割，應該將它們很好地結合在一起，得出與實際大氣污染擴散相符合的計算模式。

大氣湍流與污染物的擴散圖a表示煙團在比它尺度小的湍渦作用下，一邊隨風遷移，一邊受到湍渦的攪擾，邊緣不斷與周圍空氣混合，體積緩慢地膨脹，煙團內(nèi)部的濃度也不斷地降低。圖8.3b表示煙團受到大尺度湍渦的作用。這時煙團主要被湍渦所挾帶，本身增長不大。圖8.3c表示煙團受到大小尺度相當?shù)耐臏u扯動變形，這是一種最強的擴散過程。在實際大氣中同時存在著各種不同大小的湍渦，擴散過程是上述幾種過程共同完成的。4.研究湍流的主要方法目前研究湍流的主要方法有兩種：一種是半經(jīng)驗理論方法，它是通過解運動方程等來研究邊界層大氣運動；是模仿氣體分子運動與氣體宏觀運動的理論處理方法，結合經(jīng)驗事實，采用適當?shù)膮?shù)。雖然這個理論本身還很粗糙，但能夠解決一些實際問題(如物體在流體中運行的阻力)，所以許多應用科學家和工程技術人員對此比較感興趣另一種是湍流統(tǒng)計理論方法，即物理上把湍流視為大大小小不同尺度湍渦的迭加，用數(shù)學來描述則是把湍流看成無窮多個頻率各異的波迭加而成，采用數(shù)理統(tǒng)計途徑，來分析研究湍流內(nèi)部結構。將流體的不規(guī)則運動視為隨機運動的集合，以數(shù)理統(tǒng)計學的方法來研究湍流內(nèi)部的結構，許多基礎理論科學家就致力于這方面的研究。第二節(jié)高斯擴散模式高斯模式的有關假定坐標系坐標系取排放點（無界源、地面源或高架源排放點）在地面的投影點為原點，主風向為x軸，y軸在水平面內(nèi)垂直于x軸，正方向在x軸的左側，z軸垂直于水平面，向上為正，即右手坐標系。食指—x軸；中指—y軸；拇指—z軸。此坐標系中，煙流中心與x軸重合或煙流在oxy平面的投影為x軸。

右手坐標，y為橫風向，z為垂直向四點假設

a．污染物濃度在y、z風向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．擴散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）

高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系無界空間連續(xù)點源擴散模式（坐標原點－排放點）由正態(tài)分布假定a，得下風向任一點的濃度分布方差的表達式由假定d源強積分式（單位時間物料守恒）

（4－6）（4－1）（4－2）（4－3）上式中：ū—平均風速；Q—源強是指污染物排放速率。與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎數(shù)據(jù)。通常：（?。┧矔r點源的源強以一次釋放的總量表示；（ⅱ）連續(xù)點源以單位時間的釋放量表示；（ⅲ）連續(xù)線源以單位時間單位長度的排放量表示；（ⅳ）連續(xù)面源以單位時間單位面積的排放量表示。δy—側向擴散參數(shù)，污染物在y方向分布的標準偏差，是距離y的函數(shù)，m；δz—豎向擴散參數(shù)，污染物在z方向分布的標準偏差，是距離z的函數(shù)，m；未知量—濃度c、待定函數(shù)A(x)、待定系數(shù)a、b；式①、②、③、④組成一方程組，四個方程式有四個未知數(shù)，故方程式可解。高斯煙流的形態(tài)（4－7）高架連續(xù)點源擴散模式

（坐標原點在地面）鏡像全反射---->像源法實源：像源：P點污染物濃度重要重點高架連續(xù)點源擴散模式:幾種特殊情況下的計算公式：高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布高架連續(xù)點源擴散模式

不隨距離x變化顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算大于15μm的顆粒物：重力沉降作用，傾斜煙流模式

地面反射系數(shù)第三節(jié)污染物濃度的估算q

源強計算或?qū)崪y

平均風速多年的風速資料

H

有效煙囪高度

、擴散參數(shù)1.煙氣抬升高度的計算

初始動量：速度、內(nèi)徑煙氣溫度－>浮力煙氣抬升第三節(jié)污染物濃度的估算煙氣抬升大體上分為以下四個階段。

①噴出階段

煙氣自煙囪口垂直向上噴出，因自身的初始動量繼續(xù)上升，此階段也稱為動力抬升階段。顯然煙囪出口處煙氣的垂直速度vs愈大，初始動量愈大，動力抬升的高度也越高。

②浮升階段

煙氣離開煙囪后，由于煙氣溫度Ts比周圍大氣溫度Ta高，則煙氣比周圍空氣密度小，從而產(chǎn)生浮力，溫差愈大，浮力上升愈高。初始動量的主導作用漸漸消失，隨后主要是煙氣本身的熱量在環(huán)境中造成的浮力抬升。對于熱煙氣來說，這是煙氣抬升的主要階段

③瓦解階段

在浮升階段的后期，煙氣在抬升過程中由于周圍空氣被卷夾進來使煙體膨大，內(nèi)外溫差和上升速度都顯著降低，煙流的浮升速度已經(jīng)很慢，環(huán)境湍流使煙氣體積進一步地增大，煙流自身的結構也在短時間內(nèi)瓦解，煙氣原先的熱力和動力性質(zhì)喪失殆盡，抬升結束。

④變平階段

在有水平風速u的情況下，空氣給煙氣以水平動量，隨著垂直速度迅速降低，煙云很快傾斜彎曲，環(huán)境湍流繼續(xù)使煙氣擴散膨脹，煙流逐漸趨于變平。因此通常認為抬升高度和風速成反比。第三節(jié)污染物濃度的估算影響煙云抬升現(xiàn)象的因素：煙囪出口處的煙氣流速vs、煙氣溫度TS、環(huán)境溫度即大氣溫度Ta、風速u、大氣穩(wěn)定度近地層下墊面的狀況等。煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式

（1）Holland公式：適用于中性大氣條件（修正：穩(wěn)定時減小10％～20％，不穩(wěn)時增加10％～20％）

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下2.68x10-5p9.79煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

抬升高度計算隨距離變化煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）（3）我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術方法”(GB/T13201-91)中的公式

排放源高度以上的氣溫直減率r擴散參數(shù)的確定P－G曲線法P－G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表（圖4－4，4－5）表4－4表4－3查圖4－4曲線查表4－5或查表4－4擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用利用擴散曲線確定和擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用地面最大濃度估算擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法改進的P－T法

太陽高度角

（式4-29，地理緯度，太陽傾角）

（查表4－5）輻射等級穩(wěn)定度云量（加地面風速）查表4－6

擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取（表4－8）擴散參數(shù)的表達式為（取樣時間0.5h，按表4-8查算）平原地區(qū)和城市遠郊區(qū)，A、B、C級按表中直接查，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，A、B級不提級，C提至B級，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)取樣時間大于0.5h，不變，思考題：什么是煙囪有效高度？煙囪抬升的主要原因是什么？抬升高度的影響因素有哪些？作業(yè)：4.2、4.3、4.6第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結構均一，實際中難以實現(xiàn)）

封閉型擴散模式相當于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和

n為反射次數(shù)，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像地面軸線濃度封閉型擴散模式計算簡化：2.15z處為煙流邊緣式4－36封閉型擴散模式計算簡化：對數(shù)內(nèi)插法熏煙型擴散模式假設：

D

換成hf（垂向均勻分布）；q只包括進入混合層部分，

則仍可用上面公式

hf穩(wěn)定煙流的邊界2z1502.15y2.15yfhf=H+2z4－36注意：y、z用穩(wěn)定層熏煙型擴散模式hf按封閉式擴散模型式4－36穩(wěn)定煙流的邊界2z1502.15y2.15yfhj=H+2zH式4－39第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式一、城市大氣擴散模式1.線源擴散模式Xy參照高架連續(xù)點源地面濃度公式4－8y橫風邊緣效應城市大氣擴散模式2.面源擴散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高<40m；單個排放量<0.04t/h面源源強指q=Q/S，S為城市面積，單位－g/㎡s。

xDWu城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）簡化為點源的面源擴散模式（續(xù)）形心上風向距x0處有一虛擬點源，其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等

煙流寬度：中心線到濃度為中心處距離的2.15倍

（正態(tài)分布：）

確定、之后即可按點源計算面源濃度用x+xy0,x+xz0查表4－8得到y(tǒng)＝1

（x+xy0）1，z＝1

（x+xz0）24－12城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）窄煙流模式某點的污染物濃度主要取決于上風向面單元的源強，上風向兩側單元對其影響很小某點M的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定城市邊緣x（式4－55）吉福德給出：A值不穩(wěn)定中性穩(wěn)定長期平均50200600225常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式單箱模式多箱模式——如目前用于我國城市空氣污染指數(shù)預報的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化學模式如EPA推薦的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式線源模式如CALINE模式，用于計算公路的污染物排放城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)ISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel光化學模式城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels:UAM,RADM,REMSAD,ROM歐拉格柵模式城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念AirToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere第三代模式（Models－3）氣象排放空氣質(zhì)量二、山區(qū)擴散模式山區(qū)流場由于受到復雜地形的熱力和動力因子影響，流場均勻和定常的假定難以成立對風向穩(wěn)定、研究尺度不大、地形較為開闊及起伏不大的地區(qū)，濃度基本上遵循正態(tài)分布規(guī)律，只是擴散參數(shù)比平原地區(qū)大很多山區(qū)擴散模式封閉山谷中的擴散模式：借鑒封閉型擴散模式求出y＝W/4.3時的XDx<XD

用高架連續(xù)點源擴散模式（4－7）或地面連續(xù)點源擴散模式（4－12）。當x>xD時，污染物在橫向近似為均勻分布。地面連續(xù)點源：

地面濃度：

高架源：

山區(qū)擴散模式NOAA和EPA模式對有效源高進行修正高架點源煙流受起伏地形的影響，NOAA－以高斯模式為基礎，僅對有效源高進行修正。修正方法如下：1）所有穩(wěn)定度的劃分仍用P-T法，僅適當修正了級別；2）在中性和不穩(wěn)定時，假設煙流中心線與地面始終平行，有效源高不作修正，地面軸線濃度仍用（4－9）；3）穩(wěn)定時，假定煙流中心線保持水平，地面軸線濃度：EPA－與NOAA相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正當hT>H時，用H－h(huán)T＝0山區(qū)擴散模式ERT模式高斯模式，只對有效源高進行修正H>hT時，用（H－h(huán)T/2），H<hT時，用（H/2）作有效源高。

采用平原的擴散系數(shù)，低估了山區(qū)的擴散速率第六節(jié)煙囪高度的設計煙囪高度的計算要求：（1）達到稀釋擴散的作用（2）造價最低，

造價正比于H2（3）地面濃度不超標

按地面最大濃度計算

風速不變化

煙囪高度的計算按地面絕對最大濃度計算實際風速是變化的

（4－22）由于風速所引起的稀釋和有效排放高度的作用達到了平衡，使地面最大濃度達到最大值。危險風速絕對最大濃度煙囪高度的計算按地面絕對最大濃度計算代入式4－10上QQQ煙囪高度的計算按一定保證率的計算法取上述兩種情況之間一定保證率下的平均風速和擴散參數(shù)P值法國標GB/T13201-91P-某種污染物點源排放控制系數(shù)t/hm2煙囪設計中的幾個問題上述計算公式按錐形高斯模式導出，在逆溫較強的地區(qū)，需要用封閉型或熏煙型模式校核煙氣抬升高度的選取優(yōu)先采用國家標準中的推薦公式為防止煙流下洗、下沉現(xiàn)象，煙氣出口速度高于平均風速1.5倍。一般宜在20～30m/s，排煙溫度宜在100℃以上。第七節(jié)

廠址選擇

一．

廠址選擇中所需的氣候資料1．風向和風速資料。風向頻率、風速復合玫瑰圖。靜風<0.5m/s單獨分析。2．大氣穩(wěn)定度的氣候資料。3．混合層高度的確定：平均濃度與通風系數(shù)（Du）成反比（式4－36）。

最高混合層高度D日最高地溫早晨溫度層結曲線干絕熱過程線第七節(jié)

廠址選擇

二長期平均濃度的估算1．

長期平均濃度計算公式：式4－68，fijk－有風時風向方位i、穩(wěn)定度j、風速段k發(fā)生的聯(lián)合頻率。Ρijk－聯(lián)合頻率為fijk時下風距離x處的平均濃度。fLijk－靜風或小風時風向方位i、穩(wěn)定度j、風速段k發(fā)生的聯(lián)合頻率。ΡLijk－聯(lián)合頻率為fLijk時下風距離x處的平均濃度。風向方位i一般取16，穩(wěn)定度j（穩(wěn)定、中性、不穩(wěn)定），風速段k大于3。

第七節(jié)

廠址選擇

2．按風向方位計算平均濃度按風向的16個方位分成16個扇型，吹某一扇型風時弧AB上的平均濃度：代入地面濃度公式4－8第七節(jié)

廠址選擇

三、廠址選擇。

1．本底濃度2．風向、風速污染系數(shù)＝風向頻率/平均風速污染系數(shù)玫瑰圖。第七節(jié)

廠址選擇

廠址選擇。

3．溫度層結：最不利情況是近地層逆溫和上部逆溫，靜風和小風，近地層逆溫：對高架源：一種是高架源出口位于逆溫層中，遠距離地面濃度高，附近濃度小，