第04章 大气污染扩散模型

第四章大气污染物扩散模式,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.烟囱高度设计掌握大气扩散的理论和扩散模式学会估算污染物浓度、烟气抬升高度确定烟囱高度,第一节湍流扩散的基本理论,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,湍流对扩散的影响,a，大气中只有有规则的风而没有湍流运动，烟团仅仅靠分子扩散使烟团长大，速度缓慢；b，大气中存在剧烈的湍流运动，烟团与空气之间强烈混合和交换，大大加强了烟团的扩散湍流扩散比分子扩散速率快105106倍，湍流扩散的作用是很重要的。平均运动方向平流输送为主，,湍流对扩散的影响,在湍流扩散过程中，各种不同大小的湍涡，在扩散的不同阶段起到不同的作用：a，受小尺度湍流搅动，烟团缓慢扩散。b，烟团被大尺度湍流夹带，烟团本身截面尺度变化不大；c，烟团同时受到大、中、小三种尺度的湍流作用，所以扩散过程进行较快。,湍流扩散理论,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.梯度输送理论欧拉坐标，固定空间某一点为研究对象理论基础：质量守恒定律，把扩散类似分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比，脉动值用平均值代替。2.湍流统计理论拉格朗日方法，空间微团为研究对象理论基础：解决扩散参数时用二元相关理论：方差、概率泰勒公式；萨顿实用模式；高斯模式3.相似理论,第二节高斯扩散模式,高斯模式的有关假定坐标系右手坐标，原点为排放点或高架点源的投影点，x为风向，y为横风向，z为垂直向四点假设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）,高斯扩散模式,高斯扩散模式的坐标系,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）未知数：浓度c，待定函数A（x），待定系数a，b积分，可以解出四个未知数：得到高斯模式,高斯烟流的形态,高架连续点源扩散模式,镜像全反射-像源法实源：像源：,实源的贡献,像源的贡献,实际浓度,z,z,高斯烟流的浓度分布,高斯烟流中心线上的浓度分布,例,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，污染源距峭壁的距离为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点源的扩散模式。,L,北,峭壁,y,x,P(x,y,z,H),P(x,y+2L,z,H),高架连续点源扩散模式,地面浓度模式：取z0代入上式，得,地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式,高架连续点源扩散模式,地面源高斯模式,令H0,颗粒物扩散模式,粒径小于15um的颗粒物可按气体扩散计算大于15um的颗粒物：倾斜烟流模式,地面反射系数,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,烟流抬升,（1）喷出阶段依靠烟流初始动量向上喷射；（2）浮升阶段烟流的热力浮力而上升；（3）瓦解阶段烟流与空气混合，失去动量和浮力开始随风飘动（4）变平阶段烟流完全变平，随风飘动。,影响烟云抬升的因素,烟气本身的因素a）烟气出口速度（Vs）b）热排放率（QH）烟囱口排出热量的速率QH越高烟云抬升的浮力就越大，大多数烟云抬升模式认为，其中=1/41，常取为2/3。c）烟囱几何高度（看法不一）有人认为有影响：；有人认为无影响。环境大气因素a）烟囱出口高度处风速越大，抬升高度愈低。b）大气稳定度不稳时，抬升较高；中性时，抬升稍高；稳定时，抬升低。c）大气湍流的影响大气湍流越强，抬升高度愈低。下垫面等因素的影响,影响烟云抬升的因素,A:烟流喷出速度越高或烟气温度与周围空气温度之差越大，在低或中等风速下，则烟气抬升高度越大B：平均风速越大。湍流越强，空气及烟气的混合就越快，此时温度和动量就迅速减小，抬升就小C、d：逆温层及逆温层消散前后的不利气象因素阻止烟流的抬升，烟气向地面扩散E、F：不利的工厂因素和地形引起烟流下沉，不利于烟气抬升,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1020）,Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下,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,烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式（续）（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,某城市电厂有一座高100m的烟囱，烟囱出口内径5m，烟尘出口烟流速度17.42m/s，烟囱出口工况烟气流量342m3/s，烟气温度100，大气温度20，当地大气压力为1010hPa，烟囱出口处平均风速4m/s，试用Briggs、Holland及评价技术导则的烟气抬升公式，计算1.1km处阴天时的抬升高度,解：热释放率为：,例,风速、有效源高对地面最大浓度的影响,高架连续点源地面最大浓度计算式,风速对Cmax有两种作用结果：风速增大，地面最大浓度减小；从各种抬升公式看，风速增大时抬升高度减小，地面最大浓度增大。地面最大浓度Cmax不是随风速增加而单纯的减小，而是先随风速增加而增大，当Cmax达到最大值后再减小。地面绝对最大浓度Cabsm，相对此时的风速称为危险风速。,有效源高对地面最大浓度的影响,大多数烟流抬升公式可概括,对求导，令,当，Cmax达到极大值,扩散参数的确定,扩散参数确定的途径：现场测定风洞模拟实验经验公式或图表估算,扩散参数的性质随着扩散距离的加长，增大。随着水平和垂直湍流的强烈交换，大气处于不稳定状态，较大，即与稳定度密切相关。,扩散参数的确定,PG曲线法PG曲线:Pasquill常规气象资料估算；Gifford制成图表,方法要点,将大气稳定度分为6个等级：A极不稳定，B不稳定，C弱不稳定，D中性，E弱稳定，F稳定。,太阳辐射,稳定级别,下风距离,P-G曲线图,P-G表,扩散参数,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用利用扩散曲线确定和,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用浓度估算地面最大浓度估算,扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,稳定度分类方法改进的PT法,扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区取样时间大于0.5h，不变，,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,地面轴线浓度,烟流宽度和烟流高度,定义：浓度相当于烟流中心线浓度的1/10处两点间的距离,如果用y0表示烟流半宽度，z0表示烟流半高度，则有：,封闭型扩散模式,计算简化：,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,熏烟型扩散模式,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,风向与线源垂直时,边缘效应,城市大气扩散模式,2.面源扩散模式,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,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,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（IndustrialSourceComplexModel）光化学模式如EPA推荐的UAMV（UrbanAirshedModel）模式线源模式如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放,城市空气质量模式的发展,第一代模式,/scram001/tt22.htm,城市空气质量模式的发展,第二代模式,EulerianGridModels:UAM,RADM,REMSAD,ROM,/asmdnerl/modeling.htm,城市空气质量模式的发展,第三代模式（Models-3）OneAtmosphere的概念,山区扩散模式,封闭山谷中的扩散模式污染物在峡谷两壁之间扩散，由于壁的多次反射作用，可以认为在距离污染源一段距离之后，污染物在y向均匀分布，z向仍为正态分布。,高架源，有,山区扩散模式,ERT模式高斯模式，只对有效源高进行修正,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,第六节区域大气环境质量模型,箱式大气环境质量模型基本假设：在估算大气污染物浓度时，把所研究的区域看成是“箱子”的底，箱子的高度就是该区域的混合层高度，而污染物浓度在箱子内处处相等。单箱模式的污染物质量守恒方程：K0，大气污染源排放稳定时，可得：,第六节区域大气环境质量模型,箱式大气环境质量模型当t很长时，箱体内的大气污染物浓度趋向稳定，有平衡浓度K0，大气污染源排放稳定时，可得：,平衡浓度为：,第六节区域大气环境质量模型,多源大气环境质量模型