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第四章 大气污染物扩散模式

第四章 大气污染物扩散模式. 教学内容 : 1. 湍流扩散的基本理论 2. 高斯扩散模式 3. 污染物浓度的估算方法 4. 特殊气象条件下的扩散模式 5. 城市及山区的扩散模式 6. 烟囱高度设计和厂址选择 重 点 : 高斯扩散模式，污染物浓度的估算，烟囱高度的设计 教学目标 : 通过本节的内容的学习，使学生达到如下要求： （ 1 ）掌握高斯 扩散模式理论（ 2 ）学会污染物浓度的估算（ 3 ）掌握烟囱高度的设计（ 4 ） 熟悉厂址选择的程序. 第一节 湍流扩散的基本理论. 扩散的要素 风 ： 平流输送为主，风大则湍流大

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第四章 大气污染物扩散模式

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  1. 第四章 大气污染物扩散模式 教学内容: 1.湍流扩散的基本理论 2.高斯扩散模式 3.污染物浓度的估算方法 4.特殊气象条件下的扩散模式 5.城市及山区的扩散模式 6.烟囱高度设计和厂址选择 重 点: 高斯扩散模式，污染物浓度的估算，烟囱高度的设计 教学目标: 通过本节的内容的学习，使学生达到如下要求：（1）掌握高斯 扩散模式理论（2）学会污染物浓度的估算（3）掌握烟囱高度的设计（4） 熟悉厂址选择的程序

  2. 第一节 湍流扩散的基本理论 • 扩散的要素 • 风：平流输送为主，风大则湍流大 • 湍流：扩散比分子扩散快105～106倍 • 湍流的基本概念 • 湍流——大气的无规则运动 • 风速的脉动 • 风向的摆动 • 起因与两种形式 • 热力：温度垂直分布不均（不稳定） • 机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度

  3. 湍流扩散理论 • 大气扩散的基本问题主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 1.梯度输送理论 • 类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比 2.湍流统计理论 • 泰勒－>图4-1，正态分布 • 萨顿实用模式 • 高斯模式：高斯在大量实测数据的基础上，应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即高斯模式，也是目前应用较广的模式

  4. 第二节 高斯扩散模式 • 高斯模式的有关假定 • 坐标系 原点为高架点源排放点在地面的投影点，x轴正方向为平均风向，y为横风 向，在水平面上垂直于x轴，z轴垂直于水平面xoy，向上为正向。 • 四点假设 • a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 • b．全部高度风速均匀稳定 • c．源强是连续均匀稳定的 • d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）

  5. 高斯扩散模式 • 高斯扩散模式的坐标系

  6. 无界空间连续点源扩散模式 • 由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布 • 方差的表达式 • 由假定d 源强积分式 （单位时间物料守恒）

  7. 高斯烟流的浓度分布 高斯烟流中心线上的浓度分布

  8. 高架连续点源扩散模式 • 镜像全反射---->像源法 • 实源： • 像源：

  9. 高架连续点源扩散模式

  10. 高架连续点源扩散模式

  11. 地面反射系数 颗粒物扩散模式 • 粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算 • 大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式

  12. 烟气抬升 初始动量： 速度、内径 烟温度 －>浮力 第三节 污染物浓度的估算 • q源强 计算或实测 • 平均风速 多年的风速资料 • H有效烟囱高度 • 、 扩散参数 1.烟气抬升高度的计算

  13. 烟气抬升高度的计算 • 抬升高度计算式 （1）Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％） • Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下

  14. 烟气抬升高度的计算 • 抬升高度计算式（续） （2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件

  15. 烟气抬升高度的计算 （3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式

  16. 扩散参数的确定 • P－G曲线法 P－G曲线Pasquill常规气象资料估算 Gifford制成图表

  17. 扩散参数的确定－P－G曲线法 • P－G曲线的应用 • 根据常规资料确定稳定度级别 • 利用扩散参数确定水平和垂直方向上的标准差 • 浓度估算

  18. 扩散参数的确定 • 中国国家标准方法 • 稳定度的分类方法 先按太阳角和云量确定太阳辐射等级，（见P96表4-5），再由辐射等级和地面风速确定稳定度级别（见P96表4-6）。 • 扩散参数的选取 （见P98表4-8） 书中例4-1~4-4

  19. 第四节 特殊气象条件下的扩散模式 • 主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中难以实现） • 封闭型扩散模式 • 相当于两镜面之间无穷次全反射 • 实源和无穷多个虚源贡献之和 • n为反射次数，在地面和逆面 • 实源在两个镜子里分别形成n个像

  20. 封闭型扩散模式 • 计算简化：

  21. 熏烟型扩散模式 • 假设：D换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，则仍可用上面公式

  22. 熏烟型扩散模式

  23. 第五节 城市及山区扩散模式 • 城市大气扩散模式 1.线源扩散模式

  24. 城市大气扩散模式 • 2.面源扩散模式 • 大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量<0.04t/h

  25. 城市大气扩散模式 • 2.面源扩散模式（续） • 简化为点源的面源扩散模式（续） • 形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好与正方形宽度相等 • 烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍 • （正态分布： ） • 确定 、 之后即可按点源计算面源浓度

  26. 城市大气扩散模式 • 2.面源扩散模式（续） • 窄烟流模式 • 某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向两侧单元对其影响很小 • 某点的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定

  27. 常用城市空气质量模式 • 箱模式 • 单箱模式多箱模式——如目前用于我国城市空气污染指数预报的CAPPS模式 • 城市多源模式 • 如EPA推荐的ISC模式（Industrial Source Complex Model） • 光化学模式 • 如EPA推荐的UAM－V（Urban Airshed Model）模式 • 线源模式 • 如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放

  28. 山区扩散模式 • 山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立 • 对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多 • NOAA和EPA模式 NOAA－以高斯模式为基础，对有效源高进行修正 EPA－与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正 • ERT模式 高斯模式，只对有效源高进行修正

  29. 第六节 烟囱高度的设计 • 烟囱高度的计算 要求： • （1）达到稀释扩散的作用 • （2）造价最低，造价正比于H2 • （3）地面浓度不超标 • 按地面最大浓度计算

  30. 烟囱高度的计算 • 按地面绝对最大浓度计算

  31. 烟囱高度的计算 • 按一定保证率的计算法 • 取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数 • P值法 • 国标GB/T 13201-91

  32. 烟囱设计中的几个问题 • 上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，需要用封闭型或熏烟型模式校核 • 烟气抬升高度的选取 • 优先采用国家标准中的推荐公式 • 烟流下洗、下沉现象

  33. 厂址选择 • 厂址选择中所需的气候资料 • 1、风向和风速的气候资料 • 2、大气稳定度的气候资料 • 3、混合层高度：气块作绝热上升的上限，即污染物在垂直方向上的扩散范围。大范围内的平均污染浓度，可以认为与混合层高度D和混合层内的平均风速u的乘积成反比，定义其乘积为通风系数，表示单位时间内通过与平均风向垂直的单位宽度混合层截面的空气量，通风系数越大，污染物浓度越小。 • 厂址选择 • 理想建厂位置：污染物本底浓度小，大气扩散稀释能力强，排放的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方。 • 1、本底浓度：该地区已有的污染物浓度水平 • 2、风向、风速：污染系数 • 3、温度层结： • 地形

  34. 例题讲解 • 污染源的东侧为峭壁，其高度比污染源高得多，设有效源高为H，污染源到峭壁的距离为L，峭壁对烟流扩散起全反射作用。试推导吹南风时高架连续电源的扩散模式，当吹北方时，这一扩散又变为何种形式。 • 某污染源排放的SO2量为80g/s，有效源高为60m，烟囱出口处平均风速为6m/s。在当时的气象条件下，正下风方向500m处的,试求正下风方向500m处SO2的地面浓度？ • 某一工业锅炉烟囱高度30m，直径0.6m，烟气出口速度为20m/s，烟气温度405K，大气温度295K，烟囱出口4m/s， 排放的SO2量为10mg/s.试计算中性大气条件下SO2的地面最大浓度和出现的位置。 • 某工厂位于北纬40℃，东经120℃的某市。该厂烟囱排放某大气污染物的速率为7.6kg/h,烟囱高度40m，直径0.5m，烟气温度323K,废气出口速率10m/s，8月15日下午2时天空云量5/4，气温303K,地面风速2.8m/s，1000m以下存在明显逆层，求此时下风向距离地面轴线上距1000m,5000m,8000m处的污染物浓度（假定该地区没有其他污染物）。

  35. 例题讲解 • 1、解：首先建立模式的坐标系。以污染源在地面的投影点为原点；风向为轴方向，y轴在水平面上，垂直于风向，指向远离峭壁方向，z轴垂直向上。不存在峭壁时，这个点源的高斯扩散模式为： • 现存在对烟流起全反射作用的峭壁，参考高架点源地面全反射的处理方法，将全反射增加的浓度看作位于点（0，-2L，0）的虚拟像源的贡献，因此像源的贡献： • 因而总浓度：

  36. 例题讲解 • 当吹北方时，x轴改变方向，y轴在水平面上，垂直于风向，指向峭壁方 向，z轴垂直向上。全反射增加的浓度可以看作位于点（0，2L，0）的虚拟像源 的贡献，因此，像源的贡献浓度分别为： 总浓度：

  37. 例题讲解 2、解：用地面轴线浓度扩散模式： 3、解：首先，利用Holland公式计算烟气抬升高度： 因此有效烟囱高度： 地面最大浓度 出现在 查表4-4得到对应的最大下风距离 因此地面最大浓度为： 出现在下风745.6m。

  38. 例题讲解 4、解：1）首先确定大气稳定度 由表4-7确定太阳倾角δ=14℃，求太阳高度 角： 由太阳角高度和云量角查表4-5得当时太阳辐射等级为+2，查表4-6稳定度等级 为B类。 2）计算烟囱出口处的平均风速，查表3-3得m=0.15,由指数律公式得： 3）计算有效高度 由holland公式计算烟气抬升高度： B类稳定度时，需要校正计算结果，取校长因子，得： 则烟囱有效高度为： 4)计算xD: 由B类稳定度查表4-4得：

  39. 例题讲解 5）求地面轴线浓度： 因为 ，查表4-4， 因此该点的质量浓度： 因为 ，查表4-4， 处， 。因 此该点的质量浓度： 因为 ，查表4-4， 处， 。因此该点 的质量浓度： 内插得到 处的质量浓度：：

  40. 例题讲解 因为 ，查表4-4， 。因此该点的质量浓度：

  41. 课后复习与思考 • 高斯扩散模式立足于哪种湍流扩散理论，它的主要假设是什么？ • 什么是烟囱的有效高度，烟气抬升的主要原因是什么，影响因素有哪些？ • 确定大气稳定度级别的方法有哪些，如何计算扩散参数的值？ • 烟囱高度的计算方法有哪几种，各自的特点是什么？

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