第04章-大氣污染擴散模型-環(huán)境保護概論課件

第四章大氣污染物擴散模式1.湍流擴散的基本理論2.高斯擴散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴散模式5.城市及山區(qū)的擴散模式6.煙囪高度設(shè)計掌握大氣擴散的理論和擴散模式學(xué)會估算污染物濃度、煙氣抬升高度確定煙囪高度第一節(jié)湍流擴散的基本理論湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運動

風(fēng)速的脈動風(fēng)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）機械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度湍流對擴散的影響a，大氣中只有有規(guī)則的風(fēng)而沒有湍流運動，煙團僅僅靠分子擴散使煙團長大，速度緩慢；b，大氣中存在劇烈的湍流運動，煙團與空氣之間強烈混合和交換，大大加強了煙團的擴散湍流擴散比分子擴散速率快105～106倍，，湍流擴散的作用是很重要的。平均運動方向平流輸送為主，湍流對擴散的影響在湍流擴散過程中，各種不同大小的湍渦，在擴散的不同階段起到不同的作用：a，受小尺度湍流攪動，煙團緩慢擴散。b，煙團被大尺度湍流夾帶，煙團本身截面尺度變化不大；c，煙團同時受到大、中、小三種尺度的湍流作用，所以擴散過程進行較快。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(guān)系1.梯度輸送理論歐拉坐標(biāo)，固定空間某一點為研究對象理論基礎(chǔ)：質(zhì)量守恒定律，把擴散類似分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比，脈動值用平均值代替。2.湍流統(tǒng)計理論拉格朗日方法，空間微團為研究對象理論基礎(chǔ)：解決擴散參數(shù)時用二元相關(guān)理論：方差、概率泰勒公式；薩頓實用模式；高斯模式

3.相似理論第二節(jié)高斯擴散模式高斯模式的有關(guān)假定坐標(biāo)系右手坐標(biāo)，原點為排放點或高架點源的投影點，x為風(fēng)向，y為橫風(fēng)向，z為垂直向四點假設(shè)

a．污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．?dāng)U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(biāo)系無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)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）

未知數(shù)：濃度c，待定函數(shù)A（x），待定系數(shù)a，b積分，可以解出四個未知數(shù)：得到高斯模式高斯煙流的形態(tài)高架連續(xù)點源擴散模式鏡像全反射---->像源法實源：像源：

實源的貢獻

像源的貢獻

實際濃度zz高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布例

污染源的東側(cè)為峭壁，其高度比污染源高得多。設(shè)有效源高為H，污染源距峭壁的距離為L，峭壁對煙流擴散起全反射作用。試推導(dǎo)吹南風(fēng)時高架連續(xù)點源的擴散模式。L北峭壁yxP(x,y,z,H)P(x,y+2L,z,H)高架連續(xù)點源擴散模式地面濃度模式：取z＝0代入上式，得地面軸線濃度模式：再取y=0代入上式上式，增大，則、增大，第一項減小，第二項增大，必然在某x處有最大值地面最大濃度模式：

考慮地面軸線濃度模式

高架連續(xù)點源擴散模式

地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)（實際中成立）由此求得地面源高斯模式令H＝0相當(dāng)于無限源的2倍（鏡像垂直于地面，源強加倍）顆粒物擴散模式粒徑小于15um的顆粒物可按氣體擴散計算大于15um的顆粒物：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(fēng)速多年的風(fēng)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)徑煙溫度－>浮力煙氣抬升煙流抬升（1）噴出階段

依靠煙流初始動量向上噴射；（2）浮升階段

煙流的熱力浮力而上升；（3）瓦解階段

煙流與空氣混合，失去動量和浮力開始隨風(fēng)飄動（4）變平階段

煙流完全變平，隨風(fēng)飄動。影響煙云抬升的因素?zé)煔獗旧淼囊蛩?/p>

a）煙氣出口速度（Vs）b）熱排放率（QH）—煙囪口排出熱量的速率QH越高煙云抬升的浮力就越大，大多數(shù)煙云抬升模式認為，其中α=1/4～1，常取α為2/3。

c）煙囪幾何高度（看法不一）有人認為有影響：；有人認為無影響。

環(huán)境大氣因素

a）煙囪出口高度處風(fēng)速越大，抬升高度愈低。b）大氣穩(wěn)定度不穩(wěn)時，抬升較高；中性時，抬升稍高；穩(wěn)定時，抬升低。c）大氣湍流的影響大氣湍流越強，抬升高度愈低。下墊面等因素的影響影響煙云抬升的因素A:煙流噴出速度越高或煙氣溫度與周圍空氣溫度之差越大，在低或中等風(fēng)速下，則煙氣抬升高度越大B：平均風(fēng)速越大。湍流越強，空氣及煙氣的混合就越快，此時溫度和動量就迅速減小，抬升就小C、d：逆溫層及逆溫層消散前后的不利氣象因素阻止煙流的抬升，煙氣向地面擴散E、F：不利的工廠因素和地形引起煙流下沉，不利于煙氣抬升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（穩(wěn)定時減小，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

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(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法”(GB/T13201-91)中的公式

某城市電廠有一座高100m的煙囪，煙囪出口內(nèi)徑5m，煙塵出口煙流速度17.42m/s，煙囪出口工況煙氣流量342m3/s，煙氣溫度100℃，大氣溫度20℃，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?010hPa，煙囪出口處平均風(fēng)速4m/s，試用Briggs、Holland及評價技術(shù)導(dǎo)則的煙氣抬升公式，計算1.1km處陰天時的抬升高度解：熱釋放率為：公式BriggsHolland評價導(dǎo)則ΔH（m）24795.7208相對值1.20.461例風(fēng)速、有效源高對地面最大濃度的影響高架連續(xù)點源地面最大濃度計算式

風(fēng)速對Cmax有兩種作用結(jié)果：風(fēng)速增大，地面最大濃度減小；從各種抬升公式看，風(fēng)速增大時抬升高度減小，地面最大濃度增大。

地面最大濃度Cmax不是隨風(fēng)速增加而單純的減小，而是先隨風(fēng)速增加而增大，當(dāng)Cmax達到最大值后再減小。地面絕對最大濃度Cabsm，相對此時的風(fēng)速稱為危險風(fēng)速。

有效源高對地面最大濃度的影響大多數(shù)煙流抬升公式可概括對求導(dǎo)，令當(dāng)，Cmax達到極大值擴散參數(shù)的確定擴散參數(shù)確定的途徑：現(xiàn)場測定風(fēng)洞模擬實驗經(jīng)驗公式或圖表估算擴散參數(shù)的性質(zhì)①隨著擴散距離的加長，σ增大。②隨著水平和垂直湍流的強烈交換，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，σ較大，即σ與穩(wěn)定度密切相關(guān)。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制成圖表方法要點將大氣穩(wěn)定度分為6個等級：A—極不穩(wěn)定，B—不穩(wěn)定，C—弱不穩(wěn)定，D—中性，E—弱穩(wěn)定，F(xiàn)—穩(wěn)定。太陽輻射穩(wěn)定級別下風(fēng)距離P-G曲線圖P-G表擴散參數(shù)擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用濃度估算地面最大濃度估算擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)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，傾角）

輻射等級穩(wěn)定度云量（加地面風(fēng)速）

擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取擴散參數(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)，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)，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，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(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)）

封閉型擴散模式相當(dāng)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個像地面軸線濃度煙流寬度和煙流高度

定義：濃度相當(dāng)于煙流中心線濃度的1/10處兩點間的距離

如果用y0表示煙流半寬度，z0表示煙流半高度，則有：封閉型擴散模式計算簡化：熏煙型擴散模式假設(shè)：

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

熏煙型擴散模式第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式城市大氣擴散模式1.線源擴散模式風(fēng)向與線源垂直時邊緣效應(yīng)城市大氣擴散模式2.面源擴散模式城市大氣擴散模式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(fēng)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兩倍

（正態(tài)分布：）

確定、之后即可按點源計算面源濃度城市大氣擴散模式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(fēng)向面單元的源強，上風(fēng)向兩側(cè)單元對其影響很小某點的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定常用城市空氣質(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(yù)報的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceplexModel）光化學(xué)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)GaussianDispersionModelhttp://./scram001/tt22.htm城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROMhttp://./asmdnerl/modeling.htm城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念A(yù)irToxicsOzoneAcidRainVisibility

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山區(qū)擴散模式

封閉山谷中的擴散模式污染物在峽谷兩壁之間擴散，由于壁的多次反射作用，可以認為在距離污染源一段距離之后，污染物在y向均勻分布，z向仍為正態(tài)分布。高架源，有山區(qū)擴散模式ERT模式高斯模式，只對有效源高進行修正NOAA和EPA模式NOAA－以高斯模式為基礎(chǔ)，對有效源高進行修正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第六節(jié)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量模型箱式大氣環(huán)境質(zhì)量模型基本假設(shè)：在估算大氣污染物濃度時，把所研究的區(qū)域看成是“箱子”的底，箱子的高度就是該區(qū)域的混合層高度，而污染物濃度在箱子內(nèi)處處相等。單箱模式的污染物質(zhì)量守恒方程：K＝0，大氣污染源排放穩(wěn)定時，可得：第六節(jié)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量模型箱式大氣環(huán)境質(zhì)量模型當(dāng)t很長時，箱體內(nèi)的大氣污染物濃度趨向穩(wěn)定，有平衡濃度K0，大氣污染源排放穩(wěn)定時，可得：平衡濃度為：第六節(jié)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量模型多源大氣環(huán)境質(zhì)量模型區(qū)域內(nèi)大氣中某一點的污染物濃度等于背景濃度和各污染源對該點濃度的貢獻值之和：《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》中排放總量限值的計算方法圖a

風(fēng)向玫瑰圖

圖b

風(fēng)速玫瑰圖

NW

N

NE

E

S

SE

SW

W

S

SE

E

SW

W

NW

N

NE

第七節(jié)廠址的選擇和煙囪的設(shè)計選擇廠址所需的氣候資料氣候資料是指氣象資料的常年統(tǒng)計形式。（1）風(fēng)向和風(fēng)速氣候資料：風(fēng)玫瑰圖廠址的選擇圖c是風(fēng)速和風(fēng)向頻率復(fù)合圖該圖矢線長度代表風(fēng)向頻率大小，矢線末端的風(fēng)速羽代表平均風(fēng)速，每一羽可表示0.5或1.0m/s。靜風(fēng)（風(fēng)速<1.0m/s）或微風(fēng)（風(fēng)速為1～2m/s）情況大氣通風(fēng)條件差，容易引起高濃度污染，尤其是長時間靜風(fēng)會使污染物大量積累，引起嚴重污染。因此，在空氣污染分析中不僅應(yīng)統(tǒng)計靜風(fēng)頻率，有條件還要統(tǒng)計靜風(fēng)持續(xù)時間。廠址的選擇（2）大氣穩(wěn)定度的氣象資料一般氣象臺沒有近地層大氣逆溫層結(jié)的詳細資料，但可據(jù)pasquill或我們廢氣排放制定標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法。利用已知的氣象資料進行分類，統(tǒng)計出月（年、季）各穩(wěn)定度頻率，作出必要的圖表。（3）混合層高度的確定

混合層高度是影響混合物鉛直擴散的重要參數(shù)。由于溫度層結(jié)的晝夜變化，混合層高度也隨時間變化。混合層高度可看作氣塊作干絕熱上升運動的上限高度。（即：干絕熱遞減率上限高度?；旌蠈佑撸瑒t污染物垂直擴散的范圍越大。）廠址的選擇受太陽輻射的影響，午后混合層高度最大，在溫度—高度圖上，從上午最大地面溫度作干絕熱線，與早晨溫度探空曲線的交點高度為午后混合層高度，即最大混合層高度。大范圍內(nèi)的平均污染濃度，可以認為與混合層高度和混合層內(nèi)的平均風(fēng)速的乘積成反比。通常定義Dū為通風(fēng)系數(shù)。Dū－單位時間內(nèi)通過與平均風(fēng)向垂直的單位寬度混合層的空氣層。通風(fēng)系數(shù)越大，污染濃度越小。廠址的選擇長期平均濃度的計算氣象隨提供的風(fēng)向資料是按16方位給出的，每個方位相當(dāng)于一個22.5o的扇形。因此，可按每個扇形計算長期平均濃度。推導(dǎo)時作以下假定：（1）同一扇形內(nèi)各角度的風(fēng)向頻率相同，即在同一扇形內(nèi)同一距離上，污染物濃度在y方向是相等的。（2）當(dāng)吹某一扇形風(fēng)時，全部污染物都落在這個扇形里。廠址的選擇廠址的選擇廠址的選擇廠址的選擇從環(huán)境保護角度出發(fā)，理想的建廠位置是污染本底值最小，擴散稀釋能力強，排出的污染物被輸送到城市或居民區(qū)的可能性最小的地方。1、本底濃度本底濃度超標(biāo)的地區(qū)不宜建廠，本底濃度雖未超標(biāo)，但加上擬建廠貢獻，短期內(nèi)又無法改進的也不宜建廠，應(yīng)選擇本底濃度小的地區(qū)建廠。2、擴散稀釋能力擴散稀釋能力主要決定于該地區(qū)的氣象條件和地形。廠址的選擇（1）風(fēng)向、風(fēng)速污染物危害的程度和受污染的時間及濃度有關(guān)，所以居住區(qū)、作物生長區(qū)都希望能設(shè)在受污染時間短、污染濃度低的位置，因而確定工廠和居民區(qū)的相對位置時要考慮風(fēng)向、風(fēng)速兩個因素。污染系數(shù)表示風(fēng)向、風(fēng)速綜合作用對空氣污染物擴散影響程度。其表達式為：污染系數(shù)=

某風(fēng)向污染系數(shù)小，表示該風(fēng)向吹來的風(fēng)所造成的污染小，因此污染源可布置在污染源在污染系數(shù)最小風(fēng)向的上側(cè)。廠址的選擇（2）穩(wěn)定度由于一般污染物擴散是在距地面幾米高范圍內(nèi)進行的，所以離地面幾百米范圍內(nèi)的大氣穩(wěn)定度對污染物的擴散稀釋過程有重要影響，選廠址必須注意收集逆溫層的強度、厚度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間等資料，要特別注意逆溫同時出現(xiàn)靜風(fēng)或微風(fēng)的情況。大型工廠：若排煙有效煙囪高度能突破經(jīng)常出現(xiàn)的逆溫層高度而在逆溫層以上擴散，對防止污染有利，若逆溫層出現(xiàn)在煙囪有效高度上部，往往易造成污染。中小工廠：距地面200~300米以下的逆溫層對中、小型工廠是不利的條件，高層逆溫對幾公里范圍內(nèi)的擴散影響不大。廠址的選擇（3）其它氣象資料：如降雨、云、霧等。（4）地形地形對空氣污染的影響很復(fù)雜，在復(fù)雜地形建廠，必須作具體分析，一般應(yīng)進行專門