（流体力学专业论文）丘陵地形大气污染物输移扩散风洞实验.pdf

摘要 在风洞中对丘陵地形大气污染物输移扩散规律进行了模拟实验研究。在直流 抽吸式低速风洞中用发烟流动显示和粒子图像测量技术对单丘、纵列双丘地形下 大气污染物输移扩散规律进行了模拟实验。研究了不同气流自由来流速度1 米 秒、2 3 米秒、3 6 米秒下大气污染物在单丘、纵列双丘地形下的输移扩散规 律。 研究发现，( 1 ) 不同气流的自由来流速度下，大气污染物输移扩散具有不同 的规律。流速低时，烟雾在法向( 垂向) 高度方向上具有更宽的扩散范围；流速高 时，烟雾在法向( 垂向) 高度方向上的扩散范围较小；气流的自由来流速度影响污 染物的法向( 垂向) 扩散高度，不影响污染物的展向( 横向) 扩散范围；气流的自 由来流速度增大，使污染物浓度最大值位置向下游偏移。( 2 ) 在丘陵迎风面和背 风面，分别各有一个强烈的分离旋涡运动，使污染物的输移扩散作用更强烈，扩 散加剧，浓度较低，特别是山顶迎风面污染物的遮蔽效果较差。( 3 ) 在半山腰高 度，山峰前后浓度的变化受风速影响较大，风速为1 o m s 时，山峰前浓度要大 于山峰后浓度；风速为2 3 m s 时，山峰前浓度与山峰后浓度接近：风速为3 6 m s 时，山峰前浓度要小于山峰后浓度。山峰前1 o m s 风速下的污染物浓度大于 2 3 m s 风速下的污染物浓度；山峰后1 o m s 风速下的污染物浓度小于2 3 m s 风速下的污染物浓度。( 4 ) 由于山丘对气流的阻挡作用，在山后产生了周期性的 反对称卡门涡街结构，使污染物的浓度的变化具有一个周期大约为0 4 秒的大尺 度脉动周期。 关键词：丘陵地形，大气污染物，输移扩散，风洞实验 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t a ls t u d i e si nw i n dt u n n e lw e r ec a r r i e do u to nr u l e so fa i r p o l l u t a n tt r a n s p o r t a t i o na n dd i s p e r s i o nf o rh i l l yt e r r a i n w i t ht h r e eo n c o m i n gf l o w v e l o c i t y1m s ，2 3m sa n d3 6m s ，t h es i m u l a t i o nt e s t so fs i n g l eh i l la n dl e n g t h w a y s d u a lh i l l sw e r ec a r r i e do u ti nal o w s p e e db l o wd o w nw i n dt u n n e l ，i n w h i c h s m o k e s e e d i n gf l o wv i s u a l i z a t i o na n dp t e c h n o l o g yh a v eb e e nu s e d i ti sf o u n dt h a t ，( 1 ) t h et r a n s p o r t a t i o na n dd i s p e r s i o nr u l e so fa i rp o l l u t i o nh a v e d i f f e r e n ts t a t ea st h ef r e eo n c o m i n gf l o wv e l o c i t yc h a n g e s t h ed i s p e r s i o nr a n g eo f s m o k ei sm o r ew i d e ri nt h en o r m a l ( v e r t i c a l ) d i r e c t i o nw i t hl o wf r e eo n c o m i n gf l o w v e l o c i t y , w h i l et h er a n g ei sm o r es m a l l e rw h e n t h ev e l o c i t yi sh i g h e r ；t h ef r e es t r e a m v e l o c i t ya f f e c t st h ea i rp o l l u t i o n sn o r m a ld i s p e r s i o nh e i g h t ，b u th a v e n oa f f e c t i o nf o r t h es p a n w i s ed i s p e r s i o nr a n g e ；t h ep o s i t i o no fa i rp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n sm a x i m a l v a l u em o v e sd o w n s t r e a mw h e nt h ef r e eo n c o m i n gf l o wv e l o c i t yb e c o m e sh i g h e e ( 2 ) t h e r ei st w os e p a r a t e dv o r t e xm o v e m e n t o nt h ew i n d w a r ds i d ea n dl e e w a r ds i d eo f h i l l y , w h i c hm a k et h e e f f e c to ft r a n s p o r t a t i o na n dd i s p e r s i o nm o r es t r o n g e r ，t h e c o n s i s t e n c eb e c o m e sl o w e r , e s p e c i a l l ya tt h ew i n d w a r ds i d eo fh i l l yp e a k ( 3 ) a tt h e h a l fo fh i l l y , t h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g e sm o r ec l e a r l ya st h ev e l o c i t yc h a n g e s ，w h e nt h e v e l o c i t yi s 1 0m s ，t h ew i n d w a r dc o n c e n t r a t i o ni sh i g h e rt h a nl e e w a r dc o n c e n t r a t i o n ； w h e nt h ev e l o c i t yi s2 3m s ，t h ew i n d w a r dc o n c e n t r a t i o ni ss i m i l a rw i t hl e e w a r d c o n c e n t r a t i o n ；w h e nt h ev e l o c i t yi s3 6m s ，t h ew i n d w a r dc o n s i s t e n c ei sl o w e rt h a n l e e w a r d t h ew i n d w a r dc o n c e n t r a t i o ni sh i g h e ra tt h ev e l o c i t y1 0r r d st h a nt h a ta tt h e v e l o c i t y2 3m s ，t h el e e w a r dc o n c e n t r a t i o ni sl o w e r a tt h ev e l o c i t y1 0r n st h a nt h a ta t t h ev e l o c i t y2 3r r g s ( 4 ) b e c a u s eo ft h ee f f e c to fh i l l sb l o c kt oa i r f l o w ，ap e r i o d i c a n t i s y m m e t r i ck a r m a nv o r t e xa p p e a r s ，w h i c hm a k e s t h ec o n c e n t r a t i o n sc h a n g eh a sa b i gs c a l ef l u c t u a t i o nw i t ht h ep e r i o do f0 4 s k e yw o r d s ：h i l l yt e r r a i n ，a i rp o u u t i o 玛t r a n s p o r t a t i o na n dd i s p e r s i o n ，w i n dt u n n e l e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匀东弓 签字日期： 潮年9 月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：l 皆着 导师签名： 、- _ ， 签字日期：矽扔年7 月，日 签字日期：，多铡符9 月加日 第一章引言 第一章引言 环境是人类生存的基本条件，是社会生产得以稳定发展的物质基础。一个国 家或一个地区环境质量的好坏直接反映出该社会生产力的发展水平，标志着社会 的文明程度，所以促进社会经济和环境的持续协调发展是当今社会的一个重大战 略问题。自工业革命以来，大工业日益发展，生产力有了很大的提高，但环境问 题也随之逐步恶化。进入现代以来，环境问题更是日益严重，特别是在发展中国 家，环境污染日益加剧。目前，环境问题已经成为全球共同关注的问题，其中大 气污染是一个具有全球性的污染问题，直接关系到人类的生存和发展。资料表明， 全球每年排放到空气中的铅为2 0 0 万吨、砷7 8 0 0 0 吨、汞1 1 0 0 0 吨、镉5 5 0 0 吨， 超过自然背景值2 03 0 0 倍。因此，开展大气污染物的输移扩散规律研究具有重 要的现实意义和应用价值。 1 1 大气污染概述 1 1 1 大气基本概念 地球表面覆盖着由多种气体组成的大气，称为大气层。一般是将随地球旋转 的大气层称为大气圈。 根据大气温度垂直分布的特点，在结构上可将大气圈分为五个气层【l 】。即对 流层，平流层，中间层，暖层，散逸层。其中对流层中存在着极其复杂的气象条 件，各种天气现象也都出现在这一层。人类活动排放的污染物主要是在对流层中 聚集，大气污染物主要也是在这一层发生。因而对流层的状况对人类生活影响最 大，与入类关系最密切，是我们进行研究的主要对象。 大气是由多种成分组成的混合气体【2 】，该混合气体的组成通常认为应包括干 洁空气、水汽、悬浮颗粒三部分。 1 1 2 大气污染物 按照国际标准化组织( i s o ) 做出的定义【3 1 ：大气污染通常是指由于人类活动 和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间并 因此而危害了人体的舒适，健康和福利或危害了环境的现象。 这里指明了造成大气污染的原因是人类的活动和自然过程。人类活动包括人 第一章引言 类的生活和生产活动两个方面，而生产活动又是造成大气污染的主要原因。自然 过程则包括了火山活动，山林火灾，海啸，土壤和岩石的风化以及大气圈的空气 运动等内容。上述所讲的原因导致一些非自然大气组分如硫氧化物，氮氧化物等 进入大气，或使一些组分的含量大大超过自然大气中该组分的含量，如碳氧化物， 颗粒物等。 定义还指明了形成大气污染的必要条件，即污染物在大气中要含有足够 的浓度，并在此浓度下对受体作用足够的时间。在此条件下对受体及环境产生了 危害，造成了后果，称之为大气污染。由于大气的自净化作用，会使自然过程造 成的大气污染，经过一段时间后自动消除。 排入大气的污染物种类很多，依据不同的原则，可将其进行分类。依据污染 物存在的形态，可将其分为颗粒污染物和气态污染物 4 】。依据与污染物的关系， 可将其分为一次污染物与二次污染物【5 】【6 | 。 1 1 3 国内大气污染现状 我国是世界上大气污染最严重的国家之一，特别是在工业，人口集中的城市， 污染程度更为严重。自从我国改革开放以来，经济取得了高速发展。但是这种发 展并未摆脱传统的高投入，高消耗，高污染的增长模式。由于工业生产技术落后， 能源利用效率低，使得我国的产品能耗远高于发达国家水平。据计算，如果我国 国民产值单位能耗达到世界先进水平，每年就可节约3 亿吨标煤当量。虽然近十 几年来，各方面对提高生产的经济效益给予了很大重视，使得环境状况没有随着 经济发展而严重恶化，但是从总体上来看，污染仍很严重。据估计，我国目前的 环境状况与发达国家环境污染最严重的6 0 年代相仿，大气污染状况也不例外。 我国的能源以燃煤为主，大气污染是以烟尘和s o 。为主的烟煤型污染。根据 1 9 9 4 年中国环境年鉴统计，1 9 9 3 年全国废气排放量达1 1 万亿标立方米( 不包括乡 镇企业) ，其中工业废气为9 3 4 万亿标立方米，占废气排放总量的8 5 左右。工业 废气的排放仍然是我国大气污染的主要来源。烟尘排放量为1 4 1 6 万吨，与1 9 9 2 年基本持平；工业粉尘排放量为1 6 7 万吨，比1 9 9 2 年增长7 1 。二氧化硫排放量 为1 7 9 5 万吨，比1 9 9 2 年增长6 5 。 全国城市大气中总悬浮颗粒的年平均日均浓度范围为1 0 8 8 1 5 u g m 3 ，北方城 市的平均值为4 0 7 u g m 3 ，南方城市平均为2 5 1 u g m 3 ，北方的污染大于南方。在所 统计的7 4 个城市统计降尘年月均值的范围在4 o 一8 3 5 u g ( k m 2 ) 之间，大体比1 9 9 2 年有明显的增加，北方城市的污染大于南方。二氧化硫的污染情况大致与微粒污 染物相近，据对7 7 个城市统计，年月均值范围8 4 5 1 u g m 3 ，北方城市的年均为1 0 0 u g m 3 ，南方城市年均为9 6 u g m 3 ，北方略大于南方。 第一章引言 当前，环境污染和生态破坏己成为阻碍经济社会可持续发展、威胁人民群众 身体健康、制约社会主义和谐社会建设、影响人民真正享受发展成果的重要因素 和关键问题。社会的发展和进步、国民经济的可持续发展，要求人民群众的生活 质量得到全面改善和提高，不仅要实现经济上的富裕，更要实现在良好的环境中 生产和生活；不仅要保障人们的衣食住行、医疗、教育，更要保障人们能够健康 生活、长远发展；不仅要维护公众在个人物质财富上的合法权利，更要维护他们 依法享有生态环境等公共资源的权益。只有这样，才能真正实现经济社会的又好 又快发展。由此可见，对于实现国民经济的可持续发展，环境保护起着至关重要 的作用。 党的十七大提出了坚持科学的发展观和可持续发展战略，加强能源和资源节 约，改善生态环境，增强可持续发展能力是其中的重要内容。坚持节约资源和保 护环境的基本国策，关系到人民群众的切身利益和中华民族的生存发展，我们必 须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置， 进一步加强应对气候变化能力建设，为保护全球气候作出新贡献。 1 1 4 国外大气污染现状 目前在全球范围内都不同程度地出现了环境污染问题，具有全球影响的方面 有大气环境污染、海洋污染、城市环境问题等。随着经济和贸易的全球化，环境 污染也日益呈现国际化趋势。 各发达工业国家的大气污染，都有一个发生，发展和演变的过程。从1 8 世纪 末到2 0 世纪中，大气污染状况随着工业的发展而发展，主要污染物是烟尘，二氧 化硫等，这时候的大气污染主要是燃煤引起的所谓煤烟型污染 。7 1 。在2 0 世纪 5 0 至6 0 年代，由于工业高速发展，汽车数量倍增，使能源消耗特别是石油消耗剧 增，发展成所谓石油型污染。飘尘尤其是重金属，二氧化硫，氮氧化物，一 氧化碳等大气污染物普遍存在，造成了广域的复合污染。闻名世界的英国伦敦烟 雾，日本四日气喘病，美国洛杉矶烟雾等一系列大气污染典型事件，皆发生在这 一时期。 由于严重的环境污染而对人体健康造成的损害，对能源，资源，财力的破坏， 迫使各国政府和企业重视了环境污染的治理工作。自7 0 年代以来，各国花费了大 量人力，物力和财力，经过严格控制，综合治理，取得了显著成绩，环境质量明 显改善。近年来，随着煤炭在一次能源中所占比重的不断增长，烟尘，二氧化硫 的控制问题又重新引起了各国的注意，大气中微粒( 指小于3 u m 的尘粒) 的数量仍 在不断增加。由于排放二氧化硫和氮氧化物造成的酸雨污染，已成为一个重大的 国际污染问题。 第一章引言 1 2 大气污染与污染物的扩散 1 2 i 影响大气污染程度的因素 一个地区的大气污染程度与下列因素有关： 1 源参数 源参数是指污染源排放污染物的数量，组成，排放形式，排放源的密集程度 及位置等【8 1 。它是影响大气污染的主要因素，它决定了进入大气的污染物的量和 所涉及的范围。 2 气象条件 大气污染物自污染源排出后，在到达受体之前，在大气中要经过气象作用而 引起的输送和扩散稀释，要经过物理或化学变化过程。在许多变化过程，气象条 件将决定大气对污染物的稀释扩散速率和迁移转化的途径。在大气污染监测工作 中，常常会发现在相同源参数的同一个污染源的下风向，在不同时刻监测到的污 染物浓度不同，彼此可以相差几倍到几十倍。源参数不变的同一污染源，在有利 于扩散稀释的气象条件下，可以不造成多大的污染，而在不利于污染物扩散稀释 的气象条件下，就会造成严重的大气污染。除了恶性事故排放外，历史上发生的 许多严重的大气污染事件，都是与当时当地的气象条件不利于污染物的扩散稀释 有关。因此气象条件对大气污染状况是至关重要的。 3 下垫面状况 下垫面是指大气底层接触面的性质，地形及建筑物的构成情况。下垫面的状 况不同不仅会影响到气流的运动，同时也直接影响当地的气象条件，因此同样会 对大气污染物的扩散造成影响。 1 2 2 大气污染物的扩散与气象因子的关系 一个典型的大城市每天向大气中排放几千吨空气污染物，如果没有大气的自 然净化作用，空气会很快因污染而对人类及动植物造成致命伤害。大气的自然净 化过程包括：降水的洗涤作用；悬浮颗粒的重力沉降作用；污染物跟其他物质间 的化学反应等等。但在降低污染物的危害方面，最重要的还是大气本身的分散和 稀释作用。而大气的这种对污染物的稀释和分散作用的强弱又主要取决于风和大 气稳定度两个气象因素。 风是指水平的气流。风对一个地区的大气污染或大气环境质量的影响是显而 易见的，它包括风向和风速两个方面。风向决定污染物扩散的方向，风速决定污 染物扩散和稀释的快慢和程度。 4 第一章引言 大气稳定度反映的是大气在垂直方向上的运动状况。当一团空气在大气中上 升时，它受到周围大气的压力逐渐减小，它的体积随之发生膨胀。根据热力学原 理，气体膨胀会降低它的温度。对于干燥空气来说，如果没有外界热量输入的话， 它每上升1 0 0 米温度就会下降约lc ，而不论其所处的高度是多少。由于空气的热 传导作用很弱，当空气团上升时实际发生的膨胀过程近似于绝热膨胀。进入大气 中的污染物，由于大气的水平运动和湍流扩散运动，以及大气的各种不同尺度的 扰动运动而被输送，混合和稀释，因此，要研究污染物在大气中的扩散行为，首 先应研究大气的运动状况。 l 。风和湍流 大气运动包括了有规则的平直的水平运动和不规则的紊乱的湍流运动，实际 的大气运动就是这两种运动的迭加。 ( 1 ) 风 空气的水平运动称为风。描述风的两个要素为风向和风速，风在不同时刻都 有着相应的风向和风速。风对污染物的扩散有两个作用。第一个是整体的输送作 用，风向决定了污染物迁移运动的方向。污染物总是由上风方向被输送到下风方 向，在污染源的下风方向，污染总是要重一些。第二个作用是对污染物的冲淡稀 释作用，对污染物的稀释程度主要取决于风速。风速越大，单位时间内与污染物 混合的清洁空气量越大，冲淡稀释的作用就越好。一般来说，大气污染物的浓度 与污染物的总排放量成正比，而与风速成反比。 ( 2 ) 大气湍流 大气除了整体水平运动以外，还存在着不同于主流的各种不同尺度的次生运 动或旋涡运动，我们把这种极不规则的大气运动称为湍流。大气湍流运动造成湍 流场中各个部分之间的强烈混合。当污染物由污染源排入大气中时，高浓度部分 的污染物由于湍流混合，不断被清洁空气渗入，同时又无规则地分散到其它方向 去，使污染物不断地被稀释，冲淡。 2 大气的温度层结 大气的温度层结是指大气的气温在垂直方向上的分布，即指在地表上方不同 高度大气的温度分布情况，实际大气中可以出现三种层结：稳定层结、中性层结、 不稳定层结。大气湍流状况在很大程度上取决于近地表大气的垂直温度分布，因 而大气的温度层结直接影响大气的稳定程度，稳定的大气将不利于污染物的扩 散。对大气湍流的测量比相应垂直温度的测量要困难得多，因此常用温度层结作 为大气湍流状况的指标，从而判断污染物的扩散情况。 第一章引言 1 2 3 大气污染物扩散和下垫面的关系 污染物进入大气后，在风和湍流的作用下，会很快地扩散，稀释。风越大， 湍流越强，大气越不稳定，扩散稀释就越迅速。反之，污染物扩散就慢，特别是 在出现逆温时，污染物往往可以聚集到很高浓度，造成严重的污染。因此气象条 件对大气污染物的扩散有着极大的影响。地形或地面边界条件的不同，如地面温 度分布、导热能力、大气压力、湍流度、空气组分的不刚9 1 ，会影响到该地区的 气象条件，形成局部地区的热力环流，表现出独特的局地气象特征。除此以外， 下垫面本身的机械作用也会影响到气流的运动，如下垫面粗糙，湍流就可能较强， 下垫面光滑平坦，湍流就可能较弱。因此下垫面通过影响该地的气象条件影响着 污染物的扩散，同时也通过本身的机械作用，影响着污染物的扩散。 1 城市下垫面 城市下垫面以两种基本方式改变着局地的气象特征：一个是城市的热力效 应，即城市热岛效应；一个是城市粗糙地面的动力效应。 ( 1 ) 城市热岛效应 城市是人口、工业密度高度集中的地区，由于人的活动和工业生产，使城市 温度比周围郊区温度高，这一现象被称为城市热岛效应。由于城区气温比农村高， 特别是低层空气温度比四周郊区空气温度高，于是城市地区热空气上升，并在高 空向四周辐射，而四周郊区较冷的空气流来补充，形成了城市特有的热力环流一 一热岛环流。城市热岛环流使城乡近地层的温度层结也有了很大的不同。白天， 城乡的近地气温度较高，而夜晚，由于乡村地面辐射较强，冷却较快，因而形成 接地逆温层。而城市近地气层，由于受城市热源影响，温度较高。当乡村空气流 到温暖的城市上空时，与城市暖空气形成城市热岛混合层，混合层上方才是逆温 层，因此城市较少出现接地逆温。这种温度层结的差异，形成了不同的大气污染 日变化特征。在郊区的夜晚，逆温层内的垂直扩散微弱，高架源对地面污染很轻； 而在城市混合层内垂直扩散较强，处于混合层内的低矮源，会对城市地面造成较 大的污染。 ( 2 ) 动力效应 城市建筑物林立，地面凹凸不平，下垫面粗糙度很大，这种情况对气流产生 了阻挡作用，使得气流的速度和方向变得很复杂，产生了更强的湍流。城市热岛 使得城市上空大气趋于不稳定，增加了热力湍流，而粗糙的下垫面又增加了机械 湍流，这就使得城区的湍流程度比郊区高3 0 一5 0 。 2 山区下垫面的影响 山区地形复杂，日照不均匀，使得各处近地层大气的增热与冷却速度不同， 6 第一章引言 因而形成了山区特有的局地热力环流，它们对大气污染物的扩散影响很大。 ( 1 ) 过山气流 气流过山时，在山坡迎风面形成上升气流，山脚处形成反向分离旋涡；背风 面造成下沉气流，山脚处形成回流区。污染源在山坡上风侧时，对迎风坡会造成 污染，而在背风侧，污染物会被下沉气流带至地面，或在回流区内回旋累积，无 法扩散出去，很容易造成高浓度污染。 ( 2 ) 风和谷风 晴朗的夜晚，由于坡地辐射冷却快，贴近山坡的冷而重的空气顺坡滑向谷底， 形成下坡风。下坡风可将沉降物带至地面，或聚集谷底、低地，形成厚而重的逆 温层，阻滞污染物的扩散，形成严重的局地污染。 3 交界区对大气污染的影响 在水陆交界处( 沿海，沿湖地带) ，经常出现海陆风【1 0 1 。白天，地表受热后， 陆地增温比海面快，因此陆地上的气温高于海面上的气温。陆地上的暖空气上升， 并在上层流向海洋。而下层海面上的空气则由海洋流向陆地，形成海风。夜间， 陆地散热快，海洋散热慢，形成和白天相反的热力环流，上层空气由海洋吹向陆 地，而下层空气由陆地吹向海洋，即为陆风。海陆风的环状气流，不能把污染物 完全输送、扩散出去，当海陆风转换时，原来被陆风带走的污染物会被海风带回 原地，形成重复污染。 1 2 4 影响大气污染物在大气中扩散的非气象过程 污染物排入大气，大气的扩散稀释起决定性作用。但是随着污染物迁移距离 和滞留时间的增加，就必须将另外一些过程考虑进来。如：工业烟气排入大气后 会因为热力和动力作用上升，增加烟源高度，大颗粒的烟尘会产生重力沉降，污 染物在扩散稀释过程中还会发生干沉积过程、降水清洗过程和化学反应等过程。 这些过程不但影响污染物在大范围内的平衡和收支，还不断地改变着污染物的浓 度分布。有些过程会引起二次污染，光化学烟雾就是在大气中形成的二次污染物； 降水过程部分地清除了大气中有害物质，由此形成的酸雨却造成了水域和土壤的 污染。 以下将介绍影响污染物在大气中散布的非气象过程： 1 烟气抬升过程 直观上就可以发现，烟囱排出的烟气常常会继续上升，经过一段距离以后渐 变平，因此烟流最终的高度比烟囱更高。这种现象称为烟气抬升。其原因为：一 种是烟气在烟囱内向上运动具有的动能使它离开烟囱以后继续上升，称为动力抬 升；另一种原因是烟气温度比周围气温高，密度较小，因浮力而上升，称为热力 7 第一章引言 抬升。 2 污染物的干沉积过程 一般来说，污染物在密度、基本质点尺度等方面与空气有很大的差异。尤 其对于粒子污染物，通常都要比空气的密度和基本质点重而大。因此，在重力、 湍流运动、热运动、惯性力和静电力等因素的作用下，污染物在大气中输送和扩 散时随时都会被地表面阻留，并形成持续不断的污染物从大气向地表面作质量转 移的过程。我们把这种与降水无关的污染物从大气向地表面做质量转移的过程称 为干沉积过程。 重力沉降、湍流运动、布朗运动、惯性作用和静电作用是形成干沉积的主要 物理过程。化学反应、溶解、退吸等是形成干沉积的主要化学过程。对于植被那 样的生物沉积表面】，植被生长的形状特征( 如空间密度，被覆程度，叶子结构 等) ，生命过程( 渗出，分泌，气孔启闭，新陈代谢) 和静电性质是影响干沉积的 主要生物学特征。 造成污染物干沉积的物理学、化学、生物学过程，主要受到气象条件、污染 物性质和沉积表面性质三方面因素的影响。 ( 1 ) 气象条件 影响干沉积的气象因素主要有摩擦速度，粗糙高度等空气动力学特征量，还 有流场分布、大气稳定度、风、温度、湿度的平均场和湍流场结构参数、逆温层 高度等。 ( 2 ) 污染物性质 对于气体状污染物，有化学活泼性、溶解度、与沉积表面处于平衡状态时的 分压强等主要因素；对于粒子状污染物，粒子直径、密度、形状、状态、表面性 质、静电性质、化学成分等是主要的因素。无论对于气体污染物或者粒子污染物， 污染物本身的空气浓度是决定干沉积的最主要因素。 ( 3 ) 沉积表面性质 对于有植被的沉积表面，植物结构( 如叶子空间密度、叶面面积与形状、叶 子多孔性、叶孔阻力、叶子表面形状等) 、植被生长状况、植被表面液汁渗出情 况、植被的柔软性、植被本身所含的污染物本底等是影响干沉积大小的主要因素； 对于非生物性沉积表面，沉积表面的酸碱度、粗糙程度、多孔性、含水量以及污 染物本底大小是影响干沉积大小的主要因素。 气象条件与沉积表面物理性质之间的相互作用，决定了湍流运动、布朗运动、 撞击与拦截等惯性作用、热泳动及静电作用等过程对于沉积影响的强弱。污染物 与沉积表面的化学性质之间的相互作用，决定了化学反应、溶解、吸收、退吸等 化学过程对于干沉积影响的大小，而植被沉积表面的渗出、分泌、气孔启闭等新 第一章引言 陈代谢也影响这些化学过程对于干沉积贡献的大小。污染物的物理性质与沉积表 面的物理性质之间的相互作用也决定了如撞击与拦截等惯性作用、热泳动、静电 作用等过程对于干沉积的影响大小。对于粒子污染物，粒子的尺度、密度、形状 等性质直接决定了重力沉降对于干沉降的作用的大小。 3 大气污染物的降水清洗过程 由于雨、雪等各种形式降水的作用而使污染物从大气中清除到地表面的过 程，称为降水清洗或降水洗脱过程。有时，也把大气污染物的降水清洗过程称为 湿沉积过程。通常把降雨造成的大气污染物的清洗过程简称为雨洗，把降雪造成 的大气污染物的清洗过程简称为雪洗。如果在降水清洗过程中大气污染物所在的 高度在可见云层之下或之上，则又可将降水清洗划分为云下清洗或云中清洗。 大气污染物的降水清洗过程，是由作为清洗作用者降水现象与作为清洗对象 的大气污染物之间相互作用的演变过程所完成。因此，降水现象和大气污染物两 者的各种性质对于降水的发生，持续时间，位置，强度等均具有重要意义。雪和 降水的时间，位置，强度等宏观指标决定了降水清洗过程发生的可能性和强度； 云和降水中的卷夹，电荷，雪晶形状，雨滴谱等微观指标对于决定降水清洗的强 度有重要意义。一般而言，云和降水指标可以比较清楚地做出说明，但目前对其 微观指标还不易做出详细的说明。对云和降水现象的微结构和微物理过程的深入 研究，可以逐步对它们的微观指标做出更详尽的阐述。对于作为降水清洗对象的 大气污染物，其浓度的时间一空间分布与变化情况在估计降水清洗强度时有直接 意义。粒子状大气污染物的粒子尺度谱，粒子密度，带电荷状况，可湿性和可溶 性，以及凝聚，吸附等作用，对于降水清洗强度有重要作用。气体污染物在降水 基本构成单元( 雨滴或雪晶等) 中的溶解，吸收和退吸作用的速率，在水或冰晶中 溶解，吸收的饱和浓度，以及气体污染物被溶解，吸收后在降水基本构成单元中 的扩散，混合与可能发生的化学反应的性质等，对于气体污染物的降水清洗强度 都有决定性作用。 1 3 大气污染物扩散的研究 1 3 1 大气污染物扩散研究发展历程 大气扩散的研究最初是由于在战争中使用了毒气而引起重视的，2 0 年代开 始，随着一些严重的大气污染事件相继发生，人们对此类问题日益关注，对大气 污染物进行预测和控制的研究也越来越广泛，越来越深入。第一次世界大战以后， 英国首先在波顿( p o r t o n ) 设立了大气扩散的研究机构和实验场，气象学家萨顿参 9 第一章引言 加并领导了这方面的工作。二次世界大战之后，研究的重心转移到美国。从5 0 年代中n 6 0 年代初，仅美国空军就进行了七八项大规模野外大气扩散实验，实验 范围从几百米到几十千米。地形条件包括平坦草原，起伏丘陵和山地。一次实验 的示踪采样点达数百个之多，同时还进行多种特殊气象观测。这一时期的大规模 实验奠定了大气扩散领域实验基础。 我国的大气扩散研究工作开始于本世纪6 0 年代。1 9 6 4 年，中国科学院大气物 理研究所和南京大学气象系分别在我国西北和东北地区进行了大规模的野外扩 散实验。从7 0 年代开始，随着防止区域性污染问题的提出，我国的大气扩散研究 从几个点源和面源的近距离大气污染物的输送和扩散规律的研究，进入到复杂的 城市多边界层、多源的中距离( 1 0 l o o k m ) 的输送与扩散规律研究。此后，大气 污染扩散规律的研究在我国几个大城市和区域相继展开。 1 3 2 大气污染物扩散研究途径 大气污染扩散过程的研究主要通过三种手段：( 1 ) 现场大气扩散实验；( 2 ) 环境风洞( 水槽) 模拟实验；( 3 ) 理论计算( 或数值模拟) 。 现场大气扩散实验较能反映实际的大气扩散现象，是最早采用也是常被采用 的研究大气扩散的手段。但现场实验往往需要较多的人力和物力，实验周期也比 较长。因此，在现场实验中，人们比较注意收集利用已有的数据和资料，同时， 注意实验技术和方法的改进，尽可能地利用现代化手段和材料，提高实验测量的 自动化程度和准确性。作为现场大气扩散实验的辅助手段，用环境风洞进行大气 污染物扩散规律的研究也是行之有效的。它不仅消耗少，实验周期短，而且实验 条件易于控制，具有较好的重复性，便于多次测量和观察。水槽模拟类似于风洞 实验，可以定性研究污染物的散布规律，它比较直观，也可模拟大气的温度层结 现象，但不具备风洞灵活和易于定量测量的优点。 由现场大气扩散实验和风洞模拟实验相互比较印证，可以更准确地掌握大气 污染物的扩散规律，以确定更适用的计算模式和参数，尤其对于较复杂的山区地 形更是如此。1 9 8 5 年由中国辐射防护研究院开展的秦山核电厂现场大气扩散实验 和风洞模拟实验就是一个很好的例子。目前，国内已有大小几十座环境风洞，并 开辟了大量有意义的研究工作。但由于大气环境的复杂性等原因，环境风洞大都 有一个不足，即仅能模拟中性天气条件下的大气扩散现象，极少风洞具有模拟全 天气条件和大气温度层结的能力。另外，进行模拟实验时需要有很强的洞察力， 这进一步增加了物理模拟的复杂程度。最近，已有单位意在协同进行这方面的探 索，可望将环境风洞实验研究工作推进一步。 数值模拟是指通过求解湍流风场和扩散过程的控制方程来获得问题的解析 l o 第一章引言 解和数值解的方法。实际上，对于复杂地形上污染物扩散的问题，要得到解析解 十分困难，因此入们往往使用数值方法来进行计算，以获得问题的数值解。随着 计算机技术和数值算法的飞速发展，数值模拟已经成为一种有效的预测工具。但 是，如果没有实验的协助，仅仅靠数值方法来模拟复杂的真实情况，得到的结果 可能并不是可靠的。因此，数值分析中的初始条件或边界条件应该借鉴于野外测 量数据或风洞实验数据，而且由于无法对湍流扩散性质进行准确地描述，有必要 对控制方程作各种简化。 数值模拟方法由于可以模拟瞬变过程、易于改变流动条件和地形条件、模拟 结果直观易理解等诸多优点，已越来越多地应用到实际中。同时，数值模拟可以 通过计划实验、分析实验结果和验证实验等方式来协助提高物理模拟的准确程 度。 1 3 3 污染物扩散模式研究 美国环保署( e p a ) 提供了许多大气污染物扩散的数值模型，这些模型大多以 高斯烟羽模型为基础。高斯烟羽模型以统计理论为基础，并依赖于经验公式，这 使得其应用范围被限制在了平坦地形上的污染物扩散研究。自8 0 年代以来，美国 环保署投人了大量的资金用于开发适于复杂地形上扩散的数值模型。但是，开发 出的模型通常是在高斯烟羽模型的基础上，引入一个地形调整系数以作为地形对 浓度分布影响的考虑，而这个系数一般与地形的几何形状无关。这样，在这些模 型的预测结果中，就没有考虑地形所引起的风场变化对浓度分布的影响。因此， 要对复杂地形上大气污染物扩散进行可靠的预测，应该采用以流体力学原理中污 染物输送、扩散理论为基础的数值模型。 这样的模型可分为拉格朗日模型和欧拉模型。在早期的研究中，由于欧拉模 型需要大量的计算时间和存储空间，拉格朗日模型就显得更为优越一些；但是， 计算机技术的进步使得计算时间和存储空间不再受到诸多限制，欧拉模型的优点 也逐渐显现出来：与拉格朗日模型相比，欧拉模型易于同实验数据进行比较分析； 可以分析研究区域中所有的泄放源；研究区域覆盖几米到几公里的范围；考虑了 化学反应等过程。此外，欧拉模型可以对泄放条件、气象参数、初始条件和边界 条件随时间变化的浓度场进行预测。但在欧拉模型中，为使包含湍流扩散项的方 程组封闭，应该有一个适当的湍流子模型，基于梯度输送理论的k 模式是应用较 为广泛的一个湍流子模型。 第一章引言 1 3 4 湍流被动标量研究的最新进展 流动过程的传热和传质是自然环境和工程流动中常见的现象，湍流脉动强化 了流动过程的热能和物质输运。在不可压缩流体中的传热和传质过程，如果温差 较低或被输送物质浓度较小，那么流体的密度几乎不变，可以近似等于常数。而 且由于温差和浓度较小，它们的浮力也可以忽略，因此温度和浓度对于不可压缩 流动没有任何作用( 既不改变流体的密度，又不改变流体质点上的作用力) ，仅 仅是流体质点携带标量在流体过程中迁移，因此这种传热和传质问题称作被动标 量的输运过程。也就是说，流体运动是主动的，标量输运是被动的。一部分大气 和水环境流动中的传热和传质可以近似为被动标量的输运。大气污染物在风的作 用下的扩散过程，如果污染物的温度与周围空气的温度相近且污染物自身排放出 口速度不是很大时，污染物对流场影响很小，该过程可以看作是被动标量的输运 过程。 被动标量的输运方程是线性的，己知湍流速度场，并给定标量场的初始和边 界条件，不难用数值方法确定标量场。虽然标量输运方程是线性的，而且它和动 量输运方程相仿，主要包括对流和扩散过程；但是标量脉动场的性质和脉动速度 场有明显的差别。例如，具有高斯分布的均匀各向同性脉动速度场中的均匀脉动 温度场具有较大的间歇性。 对被动标量场的研究是当前湍流研究中的一个热剧1 2 儿u j ，它一方面有助于 加深对湍流问题本身的认识，另一方面，对于理解污染物的扩散机理、改进湍流 燃烧模型等工程应用领域中的实际问题也有重要的意义。因为标量输运方程是线 性的，早期的研究者们普遍认为，标量场只是从不同的侧面反映了湍流速度场的 性质而已。然而最近十几年的大量实验和数值模拟结果表明，标量场具有很多自 身的性质，而且这些性质并不依赖于速度场本身【1 2 】。这就促使人们对传统经典理 论进行重新认识、修正或者提出新的理论来替代。当前，对被动标量场的研究主 要集中在以下3 个方面：( 1 ) 对标量场统计性质的研究，例如，经典k o l m o g o r o v - - o b u k h o v - - c o r r s i n ( k o c ) 理论、标量结构函数的奇异标度律等；( 2 ) 对标量场细 微结构的拓扑形状和动力学的研究，例如强标量梯度和耗散的片状结构，标量耗 散与涡量和应变之间动力学性质的研究【1 3 】【1 4 】；( 3 ) 对标量输运过程和小尺度上的 分子混合模型的研究，这也是污染物扩散领域所关注的重剧1 5 】【1 6 】【1 7 】。 第一章引言 1 4 湍流风场研究简介 对复杂地形上污染物扩散进行研究、模拟的先决条件，是对局部湍流风场的 准确预测。若扩散模型( 比如高斯烟羽模型) 在对复杂地形上污染物的扩散作出 预测时，没有考虑局部湍流风场对扩散的影响，那么得出的结果就可能会有比较 严重的错误【2 1 1 。因此，对该课题的研究，一般分为湍流风场研究和污染物扩散研 究两个步骤，污染物扩散研究是在湍流风场研究的基础上进行的旧】。 污染物在大气中扩散的状态往往受局部风场和大气稳定度的影响很大，特别 是湍流风场的变化。因此，在进行复杂地形上污染物扩散问题的研究之前，通常 对扩散区域的湍流风场进行分析、模拟。实际上，由于地形的几何形状、气流条 件及大气状态是多种多样的，即使是在一个孤立的障碍物上的湍流风场也可能有 无数多种的情况。大多数的早期研究将研究范围限制在了简单地形和中性分层大 气的前提下，在t a y l o r 等人发表的文献【2 3 】中对早期的研究成果进行了归纳总结。 研究复杂地形上湍流风场的方法主要有理论研究、实验方法和数值方法。作 为理论研究代表的线性理论由j a c k s o n 提出，该理论用于二维地形上由于地形起 伏引起的流动扰动的研究。此后，m a s o n 将该理论进行扩展后，应用到了三维的 地形上；t a y l o r 等人在实际地形的应用中，通过引入修正值，也对线性理论作了 改进。此外，快速变形理论( r d t ) 也是使用较多的理论方法，该理论在二维山脊 上风场的研究中得到应用。但是，理论模型的根本假设，限制了理论方法在实际 应用中的使用范围。 在野外实验中测量得到的数据对风洞实验和数值模拟来说都是十分必要的， 但是由于野外测量、实验场地以及巨大的实验投入等问题，进行野外实验非常困 难。目前，可提供较为可靠数据的野外实验有b r e n tk n o l l 实验、k e t t l e sh i l l 实验、a s k e r v e i n 实验和n y l a n dh i i i 实验。在风洞中进行的实验大多数研究的是 中性分层风场的变化，这些实验为湍流风场的研究提供了可靠的数据，例女i h u n t 、 a r a y 以及l i m 等人对于二维和三维孤立地形；f e r r e i r a 以及g o n g 等人对于二维正 弦地形；a l m e i d a 等人对于二维地形上的分离流场以及s i e r p u t o w s k i 等人对于山 谷进行的风洞实验。比较著名的是e p a 的风洞实验，他们提供了关于各种孤立二 维地形上的中性分离流场的实验数据。b o w e n 等人对早期二维地形上的风洞实验 进行了汇总 2 3 1 。 近代电子计算机的规模与速度的飞跃发展给人们提供了一种解决湍流问题 的新途径。绝大多数人都普遍承认，包括脉动运动在内的湍流瞬时运动也服从 n - s 方程本来就是封闭的，不需要建立模型。由此提出一种想法，是否可以不引 入任何湍流模型，而电子计算机数值求解完整的三维非定常的n s 方程，对湍流 第一章引言 的瞬时运动进行直接的数值模拟，感兴趣的各种统计平均量可以通过再作平均运 算来得到。但是湍流的直接数值模拟一直受到计算机与容量的限制。主要困难在 于湍流脉动运动中包含着大大小小不同尺度的涡运动，其最大尺度l 可与平均运 动的特征长度相比，而最小尺度则取