放射性物质在大气中的行为课件

1、放射性物质在大气(dq)中的行为第一页，共九十页。 4.1放射性物质在大气(dq)中的化学行为 4.2放射性物质在大气中的输运和弥散 4.3放射性物质在大气中的沉积和再悬浮第二页，共九十页。放射性物质在大气中的化学(huxu)行为放射性物质在大气中的化学(huxu)行为形成(xngchng)气溶胶主要源于被大气中本身存在的固体微粒或雾所捕集发生化学反应氧化反应碳酸盐化反应光化学反应同位素交换反应第三页，共九十页。 1、什么是干绝热递减率什么是干绝热递减率干气团绝热上升或下降单位干气团绝热上升或下降单位(dnwi)高度高度(通常通常100m)的温度变化量的温度变化量称为干绝热递减率，用称为干绝热

2、递减率，用d表示，单位表示，单位K/100m 空气块空气块膨胀（做功）膨胀（做功）耗内耗内 能能 T定性定性空气块空气块压缩（外气对它做功）压缩（外气对它做功）T内能内能（由压力变化引起）（由压力变化引起）4.2放射性物质在大气中的输运(sh yn)和弥散第四页，共九十页。定量定量（单位（单位(dnwi)(dnwi)质量的环境空气）质量的环境空气）由热力学第一定律由热力学第一定律 gdZdPgdZdPRTPRTPVpCgdZdTmKKKgJsmCgdZdTdZdTPid100/98.0)./(1005/81.92又气压(qy)随高度变化规律： 又理想气体(l xin q t)状态方程：将代入，

3、则得：实际中Ti与环境温度T之差不超过10， Ti/T1。干空气气体常数287.0J/(Kg.K) 气温直减率dZdT表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）降）100m，温度降低（或升高）约温度降低（或升高）约1。第五页，共九十页。2 2、气温的垂直、气温的垂直(chuzh)(chuzh)分布（温度层结）分布（温度层结） dZdT气温气温(qwn)直减率直减率 （大气）（大气）（递减（递减(djin)(djin)层结）层结）逆温是大气温度随高度增加而升高的现逆温是大气温度随高度增加而升高的现象，逆温层结是强稳定的大气层结

4、，不象，逆温层结是强稳定的大气层结，不利于污染物的扩散。利于污染物的扩散。d正常分布层结正常分布层结，中性层结（绝热直减率）中性层结（绝热直减率）0 ，等温层结等温层结 0 ，逆温层结逆温层结d正常分布层结正常分布层结，中性层结（绝热直减率）中性层结（绝热直减率）0 ，等温层结等温层结第六页，共九十页。3、大气(dq)稳定度及其判据定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映(fnyng)其是否容易发生其是否容易发生对流对流 定性描述：定性描述： 外力使气块上升外力使气块上升(shngshng)或或下降下降气块去掉外力气块去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定气块减

5、速，有返回趋势，稳定气块加速上升或下降，不稳定气块加速上升或下降，不稳定气块停在外力去掉处，中性气块停在外力去掉处，中性不稳定条件下有利于污染物扩散不稳定条件下有利于污染物扩散第七页，共九十页。大气(dq)稳定度及其判据定量(dngling)判断 假设假设(jish)则有则有单位体积的气块所受的力单位体积的气块所受的力浮力：浮力：g重力：重力： ig准静力条件：准静力条件：P=Pi第八页，共九十页。气块加速度与其位移方向(fngxing)相同，气块加速运动气块加速度与其位移方向(fngxing)相反，气块减速运动第九页，共九十页。有关有关(yugun)辐射逆温辐射逆温在晴朗无云或少云、风力不大

6、的夜晚，地面辐射冷却很快，贴近地在晴朗无云或少云、风力不大的夜晚，地面辐射冷却很快，贴近地面的大气温度下降最多，而高层大气冷却慢，造成温度自下而上面的大气温度下降最多，而高层大气冷却慢，造成温度自下而上的增加，称为的增加，称为(chn wi)辐射逆温。辐射逆温。 辐射逆温层的产生是有规律的，一般只在夜间形成，早晨随着太阳不辐射逆温层的产生是有规律的，一般只在夜间形成，早晨随着太阳不断加热地表，地面温度上升，逆温自下而上逐渐消失，一般在上午完断加热地表，地面温度上升，逆温自下而上逐渐消失，一般在上午完全消失。全消失。 下午下午日落前日落前1h夜间夜间日出日出上午上午10h第十页，共九十页。烟流形

7、状烟流形状(xngzhun)(xngzhun)与大气稳定度的关系与大气稳定度的关系 波浪波浪(blng)型（不稳）型（不稳） d 锥型（中性锥型（中性(zhngxng)or弱稳）弱稳） d爬升型（下逆，上不稳）爬升型（下逆，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）漫烟型（上逆、下不稳） 扇型（逆温）扇型（逆温）60，弱太阳高度角15 35 ，同时应考虑云量的影响第四十三页，共九十页。4.11a4.11b第四十四页，共九十页。 PG曲线的应用 地面(dmin)最大浓度估算zxxzh2/12max由h和由zx曲线（图4.11b）反查出xxmax由yx曲线(qxin)(图4.11a）查y由式（4.19)计算(

8、j sun)最大浓度2/12max2,2maxheuhQxxxzyz第四十五页，共九十页。扩散参数的确定中国扩散参数的确定中国(zhn u)国家标准规定的方法国家标准规定的方法我国在修订我国在修订(xidng)P-T法基础上产生了国家标准法法基础上产生了国家标准法(GB/T 13201-91)。 太阳高度太阳高度(god)(god)角角 辐射等级辐射等级地面风速地面风速该方法的技术路线是：根据时间、地理位置、太阳倾角确定该方法的技术路线是：根据时间、地理位置、太阳倾角确定太阳高度角，利用天气条件确定辐射等级，然后利用辐射等太阳高度角，利用天气条件确定辐射等级，然后利用辐射等级和风速确定大气稳定

9、度，最后查扩散参数幂函数表，确定级和风速确定大气稳定度，最后查扩散参数幂函数表，确定扩散参数。扩散参数。 式式4.26，地理，地理纬度，倾角纬度，倾角稳定度稳定度云量云量表表4.4表表4.5表表4.6第四十六页，共九十页。第四十七页，共九十页。扩散参数的确定中国(zhn u)国家标准规定的方法扩散参数的选取扩散参数的选取 扩散参数的表达式为（取样时间扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表查算），按表查算） 平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向向不稳定方向(fngxing)提提半级半级 工业区和城市中心区，工业区和城市中心区，C提至提至B级，级，D、E、F向不稳

10、定方向不稳定方向提一级向提一级 丘陵山区的农村或城市，同工业区丘陵山区的农村或城市，同工业区 取样时间大于取样时间大于0.5h， 不变，不变，取样(qyng)时间时间稀释指数1ht100h,q=0.3, 0.5ht1h,q=0.2第四十八页，共九十页。烟云抬升的原因有两个：烟云抬升的原因有两个：是烟囱出口处的烟流具有是烟囱出口处的烟流具有(jyu)一初始动量（使它们继续垂直上升）一初始动量（使它们继续垂直上升）；是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。这两种动力引起的烟气浮力运动称这两种动力引起的烟气浮力运动称烟云抬升烟云抬升，烟云抬升有利于降低，烟云抬升有

11、利于降低地面的污染物浓度。地面的污染物浓度。2.烟气抬升高度烟气抬升高度(god)(god)的计算的计算 初始动量：初始动量： 速度、内径速度、内径浮力：烟温度浮力：烟温度烟气抬升主要影响因素烟气抬升主要影响因素有效源高有效源高hhhshs烟囱的几何高度 h烟气抬升高度第四十九页，共九十页。2.烟气抬升高度烟气抬升高度(god)的计算的计算4/14SFhmCDxuWDhisi3/13/2044. 1siuWDh03烟羽下沉修正烟羽下沉修正(xizhng)因子因子W0/us1.5时时C=0， W0/us1.5,C=3（1.5 W0/us ）De（1）高烟囱）高烟囱(yncng)的烟羽抬升高度的烟

12、羽抬升高度取较小值，适用于稳定度取较小值，适用于稳定度A-D3/16/15 . 1SFShm取较小值，适用于稳定度取较小值，适用于稳定度E,F2202imDWF稳定度参数，E级S=8.7104，F级S1.75103第五十页，共九十页。（2）低烟囱的烟羽抬升高度）低烟囱的烟羽抬升高度hs低于建筑物高度低于建筑物高度,按地面按地面(dmin)源考虑即源考虑即h=0建筑物高建筑物高 hs 2.5倍建筑物高倍建筑物高按混合源考虑虑或未知时，按地面源考按高位源考虑511, 5000sssuWuWuW100（1Et）时段为高位）时段为高位(o wi)源源100100（1Et）时段为地面）时段为地面(dmi

13、n)源源sstsstuWuWEuWuWE/5 . 1),/(06. 03 . 05 . 11/),/(58. 158. 20000夹带系数第五十一页，共九十页。练习：碘练习：碘-131以平均排放速率以平均排放速率10Bq/s从高从高60m的烟囱排出，烟囱的烟囱排出，烟囱排出口内径排出口内径0.5m，外径，外径0.6m，排烟速度，排烟速度12m/s。对其有影响的最。对其有影响的最近建筑物高近建筑物高30m。大气稳定度。大气稳定度C级，源高处风速级，源高处风速6 m/s。试求排放。试求排放点下风向点下风向(fngxing)1km处碘处碘-131的轴线浓度（不考虑尾流效应）的轴线浓度（不考虑尾流效应

14、）CDxuWDhisi3/13/2044. 1siuWDh03建筑物高建筑物高 hs 2.5倍建筑物高，应分情况倍建筑物高，应分情况(qngkung)考虑考虑20suw按混合按混合(hnh)源考虑源考虑100（1Et）时段为高位源）时段为高位源Et时段为地面源时段为地面源0 . 5/5 . 1),/(06. 03 . 05 . 11/),/(58. 158. 20000sstsstuWuWEuWuWE18. 0206. 03 . 0tE第五十二页，共九十页。zyuQyx)0 , 0 ,(地面轴线(zhu xin)浓度)2exp(), 0 , 0 ,(22zzyhuQhx地面(dmin)源高架源

15、稳定度C，x=1km处y= 99.1 z=61.4sBq/107 . 84 .611 .99614. 310)0 , 0 , 0 , 1 (5第五十三页，共九十页。4 .140200025 . 044. 144. 13/13/23/13/20CDxuWDhisi325 . 0330siuWDh抬升高度(god)sBqhuQhzzy/1015. 5)4 .61263exp(1 .994 .61614. 310)2exp(), 0 , 0 , 1 (52222有效(yuxio)高度60+3=63加权平均(pngjn)浓度sBq/108 . 5%18107 . 8%821015. 5555第五十四页

16、，共九十页。3、有效源释放高度、有效源释放高度(god)的平均风速的平均风速 幂函数风速(fn s)扩线模式mhhuu1010第五十五页，共九十页。 某核电厂烟囱高150m，烟气(yn q)抬升高度75m，核素的排放量200Bq/s 。估算烟囱出口风速3m/s，大气稳定度C级时地面最大浓度是多少？发生在什么位置？ （用P-G法）2/122,2maxheuhQxxxzyz第五十六页，共九十页。第二步：确定出现地面最大浓度的下风向第二步：确定出现地面最大浓度的下风向(fngxing)距离。距离。第一步：确定出现地面第一步：确定出现地面(dmin)最大浓度的最大浓度的Z向扩散参数。向扩散参数。第三步

17、：确定出现地面最大浓度的第三步：确定出现地面最大浓度的y向扩散向扩散(kusn)参数。参数。第四步：计算地面最大浓度。第四步：计算地面最大浓度。第五十七页，共九十页。一工厂一工厂(gngchng)在源高在源高H=30m处以处以100Bq/s的速度排放污染物质，的速度排放污染物质，风速为风速为3m/s，在下风向距离，在下风向距离1000m处，扩散系数分别取处，扩散系数分别取y=30m ，z=20 m。计算烟流中心线上污染物的浓度；中心线以左。计算烟流中心线上污染物的浓度；中心线以左60 m 、以下以下20 m处处 污染物的浓度。污染物的浓度。第五十八页，共九十页。3、长期平均浓度的估算、长期平均

18、浓度的估算气象部门提供的风向资料是按气象部门提供的风向资料是按16方位给出的，每个方位相当于一方位给出的，每个方位相当于一个个22.5的扇形。因此，可按每个扇形计算长期平均浓度。推导时作以的扇形。因此，可按每个扇形计算长期平均浓度。推导时作以下假定：下假定：（1）同一扇形内各角度的风向频率相同。扇形区内污染物的浓度只随距离）同一扇形内各角度的风向频率相同。扇形区内污染物的浓度只随距离x变化，同一距离的圆弧上浓度分布变化，同一距离的圆弧上浓度分布(fnb)均匀均匀（2）当吹某一扇形风时，全部污染物都落在这个扇形）当吹某一扇形风时，全部污染物都落在这个扇形里。步骤(bzhu)：风向(fngxing

19、)资料每一风向出现频率pi每一风向每一级风速出现频率pik确定各类大气稳定度出现频率pi，j,k即风向风速、稳定度联合频率利用式4.25计算浓度第五十九页，共九十页。4.25 特殊气象条件下的扩散(kusn)模式在整层大气都具有同一稳定度（即温度层结构均一，实际中难以在整层大气都具有同一稳定度（即温度层结构均一，实际中难以实现）、平坦地形的条件下应用高斯模式计算污染物浓度。实现）、平坦地形的条件下应用高斯模式计算污染物浓度。如果整个大气层不均匀，污染物扩散所涉及的如果整个大气层不均匀，污染物扩散所涉及的温度层结温度层结不止一个，或不止一个，或者地表粗糙度高，地势起伏大、存在者地表粗糙度高，地势

20、起伏大、存在(cnzi)建筑物的遮挡时就需要特殊建筑物的遮挡时就需要特殊处理。处理。一、封闭型扩散一、封闭型扩散(kusn)模式模式有上部逆温层的扩散模式有上部逆温层的扩散模式所谓封闭型扩散就是指在上部存在逆温层的气象条件下，污染所谓封闭型扩散就是指在上部存在逆温层的气象条件下，污染物受到上部逆温层限制，只能在地面和逆温层之间扩散的情况物受到上部逆温层限制，只能在地面和逆温层之间扩散的情况第六十页，共九十页。在封闭型扩散中，假定：在封闭型扩散中，假定： 污染物完全不向逆温层扩散；污染物完全不向逆温层扩散； 上部逆温层对污染物起全反射作用，可用像源法处理；上部逆温层对污染物起全反射作用，可用像源

21、法处理； 污染源在地面污染源在地面(dmin)和逆温层之间形成无穷多个像对，污染和逆温层之间形成无穷多个像对，污染物浓度是实源和无穷多虚源的贡献之和。物浓度是实源和无穷多虚源的贡献之和。 第六十一页，共九十页。HmHm-h2 Hm -hhHm-h第六十二页，共九十页。封闭型扩散封闭型扩散(kusn)模式模式15. 2hHmmz15. 2smzmhH )2exp(2) , 0 ,(222/1yymyHuQyx1、当、当xxm，烟羽未接触，烟羽未接触(jich)到逆温层到逆温层查查P-G曲线曲线 xm按按4.17计算地面空气污染浓度计算地面空气污染浓度(nngd)或时间积分浓度或时间积分浓度(nn

22、gd)2、当、当x2xm，Z向浓度混合均匀向浓度混合均匀简化计算：简化计算：3、当xmx2xmmmxxxx2内插（假定变化为线性内插（假定变化为线性）第六十三页，共九十页。例：例：某工厂位于北纬某工厂位于北纬40，东经，东经(dngjng)120的某市。该厂烟囱排放的某市。该厂烟囱排放某大气污染物的速率为某大气污染物的速率为760Bq/s,烟囱高度烟囱高度40m，内径，内径0.5m，外，外径径0.6m，废气出口速率，废气出口速率10m/s，8月月15日下午日下午2时天空云量时天空云量5/4，,地面风速地面风速2.8m/s，1000m以下存在明显逆层，求此时下风向距离地以下存在明显逆层，求此时下

23、风向距离地面面轴线上轴线上距距1000m,5000m,8000m处的污染物浓度（假定该地区处的污染物浓度（假定该地区没有其他污染物）没有其他污染物） ？15. 2smmzhH ymHuQx2/12)0 , 0 ,(1、当、当x2.5hB在偏移区，扩散不受影响h2.5A1/2扩散在尾流区0hhB， 0 x 0 2.5A1/2为空腔区第七十五页，共九十页。空腔区内空腔区内(q ni)污染物的最大时间积分浓度污染物的最大时间积分浓度uAQAc max、尾流效应尾流效应(xioyng)的的结果结果：气流速度亏损，湍流活动加剧，地面污染物质浓度降气流速度亏损，湍流活动加剧，地面污染物质浓度降低低(jin

24、gd)，必须考虑对地面浓度的修正，必须考虑对地面浓度的修正)44. 4() , 0 , 0 ,(ACuuQxWzyAc地面源地面源地面源长期释放时，对扩散系数进行修正地面源长期释放时，对扩散系数进行修正)45. 4(/5 . 0)()(2/12,2,zjzjxDxx第七十六页，共九十页。静风的影响(yngxing)46. 4(2exp5 . 01032. 2)(,2,6152,jzkjjkkjwkjicjijzaiahuPPxQx第七十七页，共九十页。4.2.6复杂地形对大气弥散的影响复杂地形对大气弥散的影响(yngxing)1、不平坦地形（山、谷风的影响）、不平坦地形（山、谷风的影响）烟羽下

25、沉，有效烟囱高度降低烟囱与山之间由于内循环污染物浓度增高(znggo)谷地外尾流效应加快烟羽的弥散烟羽的弥散程度或状态发生改变第七十八页，共九十页。4.2.6复杂复杂(fz)地形对大气弥散的影响地形对大气弥散的影响2、水陆交界地区、水陆交界地区水面与陆地下垫面粗造度不同使得水面与陆地下垫面粗造度不同使得(sh de)水面上烟羽扩散程度降低水面上烟羽扩散程度降低水与空气减的温差使扩散程度加强水与空气减的温差使扩散程度加强烟羽回流和熏烟烟羽回流和熏烟第七十九页，共九十页。某厂尾气烟囱有效高度70m，污染物的排放量为100Bq/s,夜间和上午地面风速为3m/s，夜间云量3/10，烟流全部发生熏烟现象

26、时，确定下风向(fngxing)10km处污染物的地面浓度。假设排放源持续排放时间为1h，该点的时间积分浓度是多少？从排放开始到排放30min这一时间段的积分浓度又是多少第八十页，共九十页。某一高架连续点源、沿轴线地面最大浓度模式中 u4.0m/s，排烟有效源高h=150m，排烟量8.0104m3/h,排烟中污染物浓度为5400Bq/m3，该高架源导致的最大地面浓度是多少甲乙两临近厂均排放同种含污染物的废气，甲厂的排放点位于(wiy)乙厂排放点上方偏东45度角1.2km处，甲厂排放烟囱有效高度100m，排放的污染物浓度为900Bq/s,乙厂排放烟囱有效高度80m，排放的污染物质的浓度为800B

27、q/s，如地面以上100m气层的盛行风向为北风，地面风速为1.0m/s,大气稳定度为B级，求乙厂下风向4km污染物质的浓度。在东经102.5、北纬29.8 的某平原地区，有一污染排放源，源高90m，烟囱出口内径0.5m，外径0.6m，污染物的排放量250kg/h，排放速率8m/s,在7月12日北京时间16h，当地的气象状况是：气温28，云量6/3，地面风速2m/s，试计算下风向1Km处的地面轴线浓度是多少？6 . 0/zy第八十一页，共九十页。4.3放射性物质在大气中的沉积放射性物质在大气中的沉积(chnj)和再悬浮和再悬浮ddVxWggVxWikjkjIIkjiiwyywuPxxQxWyux

28、QyxW,.222/1.)(8)()2exp(2)(),(年均单位时间湿沉积沉积(chnj)重力(zhngl)沉积干沉积湿沉积由颗粒物质自生的重力而引起的沉降颗粒的不规则运动导致与地面的碰撞、静电引力、吸附、化学作用等引起的沉积由降雨而导致的沉降沉积率：单位时间，单位面积上所沉积的物质的量，以W进行表示iiWxuCRxQxW)(8)(,I第八十二页，共九十页。4.3放射性物质在大气中的沉积放射性物质在大气中的沉积(chnj)和在悬浮和在悬浮2、地面(dmin)沉积物的再悬浮)(exp)(exp21tBtAKKCxG再悬浮(xunf)因子A、B快、慢组分的转移份额，转移速率第八十三页，共九十页。4.3放射性物质在大气放射性物质在大气(dq)中的沉积和在悬浮中的沉积和在悬浮)()(.xFQxQD122112ddVuVuFF)()(.xFQxQw3、烟羽耗减(ho jin)的修正干沉积(chnj)耗减因子，查表，计算湿沉积)exp()(uxxFW核衰变)()(.xFQxQR)exp()(uxxFrR第八十四页，共九十页。本章(bn zhn)小结干绝热递减率气温(qwn)直减率利用二者的关系(gun x)判断大气稳定度第八十五页，共九十页。烟流形状烟流形状(xngzhun)(xngzhun)与大气稳定度的关系与大气稳定度的关系 波