环境管理_大气污染扩散及浓度估算模式概述

大气污染扩散及浓度估算模式 第一节大气污染扩散过程 边界层大气是由大小不同的湍涡构成的 每个湍涡都有一定的运动速度和方向 一个大湍涡包含着很多较小的湍涡 而较小的湍涡又包含着很多更小的湍涡 这样湍涡套着湍涡构成了大气的湍流运动 大气中几乎时时处处存在着各种尺度的湍流运动 在近地面气流直接受下垫面的影响 湍流运动尤为剧烈 因此造成气体各部分之间的强烈混合 此时只要在流场中存在或出现某种属性 如动量 风速 热量 温度 水汽 湿度 等 的不均匀 就会因气体的湍流混合和交换作用将这种属性从它的高值区向低值区传输进行再分配 这种湍流混合和交换的结果造成污染物质从高浓度区向低浓度区输送 使它们逐渐被分散 稀释 我们称这样的过程为大气污染扩散过程 下面图 4 1 表示一个烟团在大小不同的湍涡中的扩散情况 一个烟团在大小不同的湍涡中的扩散情况 a 表示烟团处于比它尺度小的湍涡之中 烟团一方面随风向下风方向飘动 同时由于湍涡的搅拌边缘不断与周围空气混合 缓慢的膨胀 同时烟团浓度不断地降低 b 表示一个比烟团大的湍涡对扩散的作用 这时烟团主要被湍涡运动所挟带 本身增长不大 c 表示尺度与烟团大小相仿的湍流作用 这时 烟团被湍涡拉开撕裂而变形 这是一种比较快的扩散过程 从应用角度研究大气污染扩散 就是找出不同气象条件下 污染物在大气中的搬运规律 以求最大限度地减低空气污染的程度 利用这些规律可以解决下述一些问题 根据当地气象条件 对工艺设施的设计和布局提出合理建议 预防可能造成的污染 根据大气质量标准和当地大气的扩散能力 提出排放标准 排放量和排放高度 进行污染气象条件的预报 污染潜势预报 防止可能发生的严重污染事件 第二节连续点源高斯扩散模式 空气污染的形成和危害程度是以空气污染物的作用于受污染体的浓度和时间决定的 因此 尽管具体的空气污染问题多种多样 各不相同 但都必须解决一个基本问题 就是要正确推断各种条件下污染浓度的分布及其随时间的变化 高斯扩散模式 一个连续点源小尺度 10km 扩散模式 高斯扩散模式 高斯扩散模式是在假设污染物的浓度为正态分布的前提下导出的 通过大量的小尺度扩散试验 特别是在平原和比较平坦地区的试验表明 污染物质在大气中的扩散 其浓度分布基本接近正态分布 由湍流扩散梯度输送理论建立起来的扩散方程 在扩散系数为常数假定下 也可得到污染物浓度为正态分布形式的解 由湍流研究的统计理论出发 在平稳和均匀湍流的假定下 也可以证明扩散粒子位移的概念服从正态分布 无界条件下的高斯模式 假如排放源处于一个无界的 流场均匀的空间 这时我们以源为坐标原点 取x轴指向平均风速方向 以垂直于地面的方向为垂直向 即z轴 则y向称为横向 图 4 2 是连续高架点源无界 a 与有界 b 坐标示意图 在烟流横向和垂直向浓度为正态分布条件下 其空间分布可写成 式中C x y z 表示在空间某点 x y z 某一时段的平均浓度 A x 表示烟流中心轴线浓度 当y Z O时 则有下式 C x 0 0 A x 式中 y和 z分别表示此段时间内横向和垂直向浓度分布的标准差 即这两个方向的扩散参数 扩散参数是估算污染浓度最重要的参数之一 无界条件下的高斯模式 根据质量守恒原理 在任意一个与x轴垂直的烟流截面上取一个小面元dydz 单位时间通过小面元的污染物质为CUdydz 根据连续性原理 单位时间通过整个截面的污染物应该等于源的排放量 即源强Q 将 4 1 式代入 4 2 式并进行积分有 其中U是常数 A A x 与y Z无关 最后可得到 把 4 3 代回到 4 1 则可得到无界空间连续高架点源的高斯扩散公式 二 有界条件下的高斯模式 设源高为H 以源所在地面的投影作为坐标原点 x轴仍指向平均风速方向 如图 4 2 b图所示 这时空间某一点P x y z 的浓度可看成是两部分浓度的叠加 一部分相当于无界时P点具有的浓度 另一部分是由于地面反射作用增加的浓度 这相当于不存在地面时位置在 0 0 H 的实源在P点造成的浓度以及因地面反射造成的相当于位置在 0 0 H 的 虚源 在P点造成的浓度之和 如图 4 3 所示 实源的贡献是 实源的贡献是 虚源的贡献是 所以P x y z 点的浓度为 式中C x y Z H 为有效源高H的源在点P x y z 处造成的浓度 mg m3 Q为源强 mg s U为源高处平均风速 m s y z分别为横向 垂直向扩散参数 m 公式 4 5 是估算高架点源浓度分布常用的基本模式 需要说明的是模式中的H是指有效源高 有关有效源高的问题将在下面进行专门讨论 式中平均风速是指烟云扩散范围内的平均风速 通常可简单地取排放面高度处的风速 三 几个常用的大气扩散模式 1 高架连续点源 a 地面浓度C x y o H b 地面轴线浓度C x o o H c 地面最大浓度及出现位置 假设 z y的值不随下风向距离x变化 可以推得高架源地面最大浓度为 而且最大值出现在满足下列关系的距离上 当扩散参数表示成幂函数形式时 则地面最大浓度出现距离为 2 地面连续点源 a 地面浓度C x y 0 0 b 地面轴线浓度C x 0 0 0 高斯模式是应用得比较广泛的大气扩散模式 它适用的条件有以下几方面 下垫面开阔 平坦 性质均匀 扩散物质在扩散过程中不发生衰减 扩散物质与空气没有相对运动 地面对污染物起全反射作用 平均流场平直 稳定 平均风向和风速无显著的时间变化 平均风速通常要大于1 2米 秒 扩散过程是在同一种温度层结的气层中进行的 主要适用于小尺度扩散过程 以不超过10 20公里为宜 但目前高斯模式的应用已实际上超出了上述范围 在某些特殊条件下 发展了一些变型模式 第三节扩散参数的估计 上述高斯扩散中 欲计算出大气污染物浓度及其分布 则必须知道源强Q 平均风速U 有效源高H和大气扩散参数 y和 z 其中Q和U往往是通过测量或由工程设计给出 于是问题归结于如何给出有效源高和大气扩散参数 下面我们首先讨论扩散参数的估算方法 扩散参数 y z 是下风向距离x 大气稳定度 地面粗糙度等的函数 目前广泛使用的确定扩散参数的方法是根据大量扩散试验总结出来的经验方法和经验公式 P G扩散曲线法 帕斯奎尔 F Pasquill 在大量观测和研究的基础上 选择地面风速 云高 云量和太阳辐射状况 把大气的扩散稀释能力分为六个等级 A一极不稳定 B一不稳定 C一弱不稳定 D一中性 E一弱稳定 F一稳定 给出不同稳定度级别下的扩散参数 y z随距离x变化的曲线 见图 4 4 扩散曲线 根据常规气象观测的地面风速 云量 云高及太阳辐射状况 利用表 4 1 帕斯奎尔稳定度级别划分表来确定大气扩散稳定度级别后 再利用图 4 4 扩散曲线求出不同距离上的 y z值 或见 附表一 帕斯圭尔曲线的 y和 z吨值 二 P G扩散曲线的发展 1 特纳尔稳定度分类法 D B Turner 在P G扩散曲线法中 大气层结稳定度的划分虽然简单 但比较粗糙 例如辐射强弱缺乏客观标准 主观性较强 是用白天 夜间划分辐射 美国著名气象学家Turner于1964年提出根据太阳高度角和云高 云量确定辐射等级 然后参照地面风速划分隐定度的方法 其过程如下 首先计算太阳高度角h0 h0 arcsin sin sin cos cos cos 15t 300 式中 为当地的地理纬度 为太阳倾角 也称赤纬 可查附表二得到 t为观测时的地方时 为当地经度 太阳高度角确定后 参照云量 云高利用下面表 4 2 确定太阳辐射等级 根据太阳辐射等级和风速 利用下面表 4 3 确定大气层结稳定度级别 GB3840 83法 我国国家标准 制定地方大气污染物排放标准的技术原则和方法 代号GB3840 83 中 为了便于计算机计算 扩散参数曲线用幂函数形式表示为 式中 1 2 r1 r2是大气层结稳定度函数 对应于30分钟采样时间的 1 2 r1 r2值可查附表三 a 附表三 b 此标准中对大气扩散稳定度级别的划分采用特纳尔法 Turner 同时还考虑下垫面状况对扩散的影响 作了如下规定 平原地区的农村及城市远郊区 A B C级稳定度直接由附表二 a 附表二 b 扩散参数幂函数值查算 D E F级稳定度则需要向不稳定方向提半级后查算 工业区的城区 A B级不提 C级提到B级 D E F向不稳定方向提一级半 再按附表二 a b 查算 非工业区的城区 A B级不提 C级提到B C级 D E F向不稳定方向提一级后查算 丘陵山区的农村或城市 其扩散参数的选取方法同城市工业区 练习题 1 求以下污染气体的浓度单位换算关系 mg m3 ppm 在标准状态下 CO O3 NO2 NO 2大气中CO2的通量浓度为340ppm 问1Nm3空气中含CO2多少克 2 成人每次吸入的空气质量平均为500cm3 j假若每分钟呼吸15次 空气中颗粒物的浓度为200 g m3 试计算每小时沉积于肺胞中的颗粒屋质量 已知该颗粒物在肺胞中的沉降系数为0 12 4 据估计某平原城市远郊区燃烧的垃圾以每秒3克的速度向四周排放氢氧化物为主的的污染物 当时气象状况为 风速7m s 夜间 阴天 请问此垃圾堆正下风向3km处的污染物浓度是多少 此距离上偏离X轴线200m处浓度是多少 5 据估计某工 S业城市有一石油精炼厂 其平均有效源高60m烟囱高30m排放SO280g s 当时气象状况为 风速6m S 冬季 阴天 清晨八点 请问距离此精炼厂下风向500m处地面浓度是多少 第四节连续线源 面源扩散模式 连续线源扩散模式处理汽车尾气扩散问题 可以把一条繁忙的交通线看成是连续线源 按照高斯扩散模式体系 其浓度场是组成线源的所有点源浓度贡献之和 等于点源浓度公式沿着线源长度上的积分 对直线型的点源 可直接求出积分 得到计算线源浓度场的解析式 当线源形状很不规则时 只能用数值求和的方法解决 风向与线源垂直 取x轴与风向平行 线源作为地面源的y轴上 坐标源点通过线源的中心 源长为2y 源强Q1 在线源上取dy 0 那么dy在下风向浓度分布dc可用连续点源的高斯模式估算 此线源造成的下风向浓度分布是所有点源浓度贡献之和 等于上式在线源长度上的积分 二 风向与线源平行 仍取x轴与平均风向平行 这时 线源作为地面源的x轴上 设线源源长2x0 坐标原点与线源中心一致 线源源强为QL 在线源上取dx 0 dx在下风向的浓度分布为 那么该线源在下风向的浓度分布为 当X0 时 离源距离可见其浓度分布与顺风向位置无关 三 风向与线源成任意交角 当风向与线源成任意交角 90 可用简单的内插方法估算 C C 垂直 Sin2 C 平行 cos2 4 16 这里介绍的线源模式属于高斯扩散模式体系 运用条件与高斯烟流模式相同 城市街道两侧高大建筑物会产生动力效应 上述线源模式不能用来计算街面和街道两侧浓度分布 必须发展适当的子模式来模拟城市街道和建筑物对扩散的影响 另外 在公路附近 排放的污染物的初始散布尺度对污染浓度有很大影响 必须给扩散参数加上适当的初始量以免对近距离估计过高 二 连续面源扩散模式 城市中还有低矮的大气排放源以及千家万户生活中的燃烧排放源 这些源的特点是分布广而数量多 单个源源强不大 排放高度不高 在研究城市大气污染问题时 常把它们归纳为面源来处理 一 箱 模式 这是流行的一种气箱模式 其出发点是把污染物迁移变化的空间看成是一个或一些 气箱 研究的是箱内平均浓度随时间的变化 而不是讨论箱内污染物浓度分布和变化的细节 箱模式有单箱模式和多箱模式之分 这里 我们根据箱模式的基本出发点 作最简单的考虑 把整个城市作为一个气箱 讨论箱内平均浓度的变化 根据质量守恒定律 单位时间内箱内污染物变化的量应等于单位时间内污染物排放量与单位时间内平流输出量之差 设城市顺风边长x 迎风边宽Y 混合层厚H 面源源强Q 混合层内平均风速 则平衡方程为 当t 时 其平衡浓度 可称为通风系数 它表示混合层内空气输送速率 城市内汽车尾气扩散也可以用简单箱模式处理 假设汽车排气均匀分布在街道 峡谷 中 尼科尔森 Nicholson s 1975 采用下列模式研究过芝加哥法兰克福等城市的汽车排气中CO在街道中的分布 1 当风与街道平行时 2 当风与街道垂直时 式中C 高度h以下整个街道中污染物浓度 QA 源强 取决于汽车密度和速度 L 有效街道长度 平均风速 W 屋顶部上举速度 它是屋顶上水平风速的函数 箱模式虽然简单粗糙 作为污染浓度的概量估算 有其简单易行的优点 但假定整个气箱内浓度均匀分布的不合理性 往往使得地面浓度估计过低 二 简化为点源或线源模式 1 简化为点源假设面源单元与正上风向某一虚点源造成的污染状态等效 此等效点源的烟云扩散至面源单元时 在面源的中心处的宽度 云宽2y 等于面源的宽度 L 在面源中处的厚度 半云高Z0 等于面源的平均高度 H设等效点源至面源中心距离上的扩散参数为 y0