大气扩散课件

1、污染源污染源大气大气大气环大气环境质量境质量排放排放迁移扩散迁移扩散受体受体影响影响导读书目导读书目1.美美S.R.汉纳、汉纳、GA布里吉斯、布里吉斯、R.P.小霍斯克尔著，大气扩小霍斯克尔著，大气扩散手册散手册 蒋维楣等译。南京：水利电力部环境保护办公室，蒋维楣等译。南京：水利电力部环境保护办公室，1982.82.Howard E.Hesketh AIR POLLUTION CONTROL Traditional and Hazardous Pollutants,Technomic Publishing Company,Inc.19913.蒋维楣、曹文俊、蒋瑞宾编，空气污染气象学教程，北京：

2、蒋维楣、曹文俊、蒋瑞宾编，空气污染气象学教程，北京：气象出版社，气象出版社，1993.114.史宝忠编著，建设项目环境影响评价，北京：中国环境科学史宝忠编著，建设项目环境影响评价，北京：中国环境科学出版社，出版社，1993.15.郭英起、段英编著，大气环境影响评价实用技术，北京：气郭英起、段英编著，大气环境影响评价实用技术，北京：气象出版社，象出版社，1993.21.湍流扩散的基本理论简介湍流扩散的基本理论简介2.点源扩散的高斯模式点源扩散的高斯模式3.烟流抬升高度烟流抬升高度 4.扩散参数扩散参数y和和z的选择确定的选择确定5.特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式6.城市及山区的

3、扩散模式城市及山区的扩散模式扩散的要素扩散的要素n风风：平流输送为主，风大则湍流大平流输送为主，风大则湍流大n湍流：扩散比分子扩散快湍流：扩散比分子扩散快10105 510106 6倍倍湍流的基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大气的无规则运动大气的无规则运动 w风速的脉动风速的脉动w风向的摆动风向的摆动起因与两种形式起因与两种形式 n热力：温度垂直分布不均（不稳定）热力：温度垂直分布不均（不稳定）n机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.1.梯度输送理论

4、梯度输送理论 K理论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类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比固定空间某一点为研究对象固定空间某一点为研究对象2.2.湍流统计理论湍流统计理论 泰勒泰勒图图13-8，正态分布，研究对象流体的个别微团、质点，正态分布，研究对象流体的个别微团、质点 萨顿使用模式萨顿使用模式 高斯模式高斯模式 3.3.相似理论相似理论 2.2.湍流统计理论湍流统计理论研究手段研究手段1.1. 数学方法分析数学方法分析2.2.实测法实测法最基础方法最基础方法地形条件、气象手段、实测地形条件、气象手段、实测实验方法实验方法 1.示踪剂浓度测量法示踪剂浓度测量

5、法 2.光学轮廓法光学轮廓法 3.激光测烟法激光测烟法 4. “标记粒子标记粒子”轨迹法轨迹法一、高斯模式与大气扩散一、高斯模式与大气扩散1、为什么采用高斯模式、为什么采用高斯模式 1）与其它扩散模式（）与其它扩散模式（k模式、统计模式和相似模式）模式、统计模式和相似模式） 相比，数学运算简捷；相比，数学运算简捷； 2）物理概念与湍流的随机性相一致；）物理概念与湍流的随机性相一致； 3）计算结果与试验资料吻合度高；）计算结果与试验资料吻合度高； 4）高斯模式是）高斯模式是k和和u为常数时的菲克扩散方程的解；为常数时的菲克扩散方程的解； 5）其它的理论公式最后处理阶段，包含有很强的经）其它的理论

6、公式最后处理阶段，包含有很强的经验性。验性。 环境影响评价技术导则环境影响评价技术导则 第二单元：第二单元： 大气扩散参数与烟云抬升高度及有大气扩散参数与烟云抬升高度及有效源高计算；效源高计算； 专题讨论专题讨论“平均风速平均风速U U的不同取值对的不同取值对地面轴线浓度计算精度的影响地面轴线浓度计算精度的影响”。第三单元：第三单元： 专题讨论专题讨论 “ “静风条件下尘粒地面浓静风条件下尘粒地面浓度扩散模式度扩散模式” 使学生全面理解三使学生全面理解三类参数：（扩散参数类参数：（扩散参数y y和和z z，有效源高，有效源高H He e和平和平均风速均风速U U）的物理意义，）的物理意义，确保

7、计算精度。确保计算精度。 对现有教材内容的对现有教材内容的深化和扩展。深化和扩展。 要求学生理解掌握要求学生理解掌握高斯模式，会正确选用高斯模式，会正确选用模式模式第一单元：第一单元： 高斯模式的理论基础和各项假设的内高斯模式的理论基础和各项假设的内在含义；在含义； 高斯模式变形模式的推导；高斯模式变形模式的推导； 专题讨论专题讨论“高斯模式的适用条件高斯模式的适用条件”。三单元教学内容教学目的二、高斯模式的有关假定二、高斯模式的有关假定n坐标系坐标系 右手坐标，右手坐标，y为横风向，为横风向，z为垂直向为垂直向n四点假设四点假设 wa污染物浓度在污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布风向上分

8、布为正态分布wb风只在一个方向作稳定的水平流动，在风只在一个方向作稳定的水平流动，在x轴方向上，轴方向上，平流输送作用远大于扩散作用；平流输送作用远大于扩散作用； wc源强是连续均匀稳定的源强是连续均匀稳定的wd扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）扩散中污染物是守恒的（不考虑转化） 高斯扩散模式的坐标系高斯扩散模式的坐标系由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布方差的表达式方差的表达式由假定由假定4源强积分式源强积分式 （单位时间物料守恒）（单位时间物料守恒） 未知数：浓度未知数：浓度c，待定函数，待定函数A（x），待定系数），待定系数a，b（ ）积分，可

9、以解出四个未知数：得到高斯模式积分，可以解出四个未知数：得到高斯模式22)(),(bzayeexAzyxc2200yy cdycdy2200zz cdzcdzqucdydz 212)22(exp2),(2222zyzyzyuqzyxc)22(exp2),(2222zyzyzyuqzyxc三、高架连续点源扩散模式镜像全反射镜像全反射-像源法像源法n实源：实源： n像源：像源：n 实源的贡献实源的贡献n像源的贡献像源的贡献n实际浓度实际浓度( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp() exp222yyyzqyzHc x y z Hu

10、 222222()()( , , ,)exp() expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 2222()( , , ,)exp() exp222yzyzqyzHc x y z Hu n地面浓度模式：地面浓度模式：z z0 0 代入上式，代入上式， n地面轴线浓度模式：地面轴线浓度模式： z z0 0、再取再取y=0y=0代入上式代入上式n地面最大浓度模式：地面最大浓度模式： w考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式 w上式，上式， 增大，则增大，则 、 增大，第一项减小增大，第一项减小w第二项增大，必然在某第二项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值2222( , ,

11、,)exp()exp()22yzyzqyHc x y z Hu 22( , , ,)exp()2zyzqHc x y z Hu 22( ,)exp()2zyzqHc x y z Hu xyzn地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：w设设 （实际中成立）（实际中成立） 由此求得由此求得地面源高斯模式（地面源高斯模式（令令H H0 0）：）：n相当于无限源的相当于无限源的2 2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）倍（镜像垂直于地面，源强加倍） yzconst( ,0,0,)0zdc xHdmax22zyqcuH emax|2czx xH2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc

12、 x y zu 1. 是空间位置和有效源高的函数。是空间位置和有效源高的函数。是某一时段的平均值，其平均时段与是某一时段的平均值，其平均时段与u和和yz的相同。的相同。2.源强源强Q无论高架源还是地面源无论高架源还是地面源 连续排放稳定的点源，连续排放稳定的点源，源强源强Q为定值（为定值（g/s） mg/s 。)(eHzyxC、3.平均风速平均风速讨论题：讨论题：1）当风速）当风速=0的时候，高斯公式会怎么样？的时候，高斯公式会怎么样？2）假定（）假定（2）中风速是个常量）中风速是个常量 ? 实际上成立吗？实际上成立吗？高斯公式要求高斯公式要求1m/s,当当1m/s时就不用高斯模式而用其它模式

13、处理时就不用高斯模式而用其它模式处理 变量变量 实际计算时风速如何取实际计算时风速如何取 ?烟流抬升相对稳定后整个烟云垂直范围内的平均风速烟流抬升相对稳定后整个烟云垂直范围内的平均风速 4.污染物污染物 假定（假定（4）可以推知地面对污染物进行全反射，）可以推知地面对污染物进行全反射，高斯模式是一种正态分布假设条件下的湍扩散模式。高斯模式是一种正态分布假设条件下的湍扩散模式。因此该模式适用的污染物必须是气态污染物或粒径较小因此该模式适用的污染物必须是气态污染物或粒径较小的微粒。的微粒。对于对于dp5m的粒子在扩散时就有明显的重力沉降速的粒子在扩散时就有明显的重力沉降速度，并且尘粒一旦到达地面，

14、地面不能对其全反射。因度，并且尘粒一旦到达地面，地面不能对其全反射。因此，颗粒物扩散浓度计算时，在有风条件（此，颗粒物扩散浓度计算时，在有风条件（1m/s）下可采用考虑了重力沉降作用的下可采用考虑了重力沉降作用的“倾斜烟云模式倾斜烟云模式”。5.地形地形 不规则的地形不能应用高斯扩散模式。不规则的地形不能应用高斯扩散模式。 高斯模式适合的地形必须是平坦，并且尺度范围高斯模式适合的地形必须是平坦，并且尺度范围较小（较小（25km）。）。6其他其他 模式中的有效源高模式中的有效源高He 扩散参数扩散参数y、z，我们将在下面两节分别加以讨，我们将在下面两节分别加以讨论。论。q 源强源强计算或实测计算

15、或实测 平均风速平均风速多年的风速资料多年的风速资料 H 有效烟囱高度有效烟囱高度 、 扩散参数扩散参数 uyzsHHH粒径小于粒径小于15um的颗粒物可按气体扩散计算的颗粒物可按气体扩散计算大于大于15um的颗粒物：倾斜烟流模式的颗粒物：倾斜烟流模式地面反射系数地面反射系数2222(/ )(1)( , ,0,)exp()exp222tyzyzHv x ua Qyc x yHu 218pptdgv一、烟流抬升过程与影响烟流抬升高度的因素一、烟流抬升过程与影响烟流抬升高度的因素 n1.烟流抬升阶段烟流抬升阶段n（1）喷出阶段）喷出阶段 依靠烟流初始动量向上喷射；依靠烟流初始动量向上喷射；n（2）

16、浮升阶段）浮升阶段 烟流的热力浮力而上升；烟流的热力浮力而上升；n（3）瓦解阶段）瓦解阶段 烟流与空气混合，失去动量和浮力开始随烟流与空气混合，失去动量和浮力开始随风飘动；风飘动；n（4）变平阶段）变平阶段 烟流完全变平，随风飘动。烟流完全变平，随风飘动。n影响抬升因素影响抬升因素 烟流的热力和动力性质，气象条件和地形烟流的热力和动力性质，气象条件和地形条件条件 sHHH一、烟流抬升过程与影响烟流抬升高度的因素一、烟流抬升过程与影响烟流抬升高度的因素n 2. 影响烟流抬升高度的因素影响烟流抬升高度的因素n (1)排放源及排放烟气的性质排放源及排放烟气的性质n初始动量初始动量 流速和烟囱口内径流

17、速和烟囱口内径n温度差温度差 浮力项浮力项 n(2)环境大气的性质环境大气的性质n烟流与周围大气的混合速率烟流与周围大气的混合速率 n （3）下垫面性质与烟流抬升）下垫面性质与烟流抬升n动力效应动力效应ns2u二、抬升高度计算式二、抬升高度计算式 （1） Holland公式公式：适用于中性大气条件适用于中性大气条件（稳定时减小，（稳定时减小，不稳时增加不稳时增加1020）HollandHolland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下况下 31(1.52.7)(1.59.6 10)ssasHsv DTTHDv DQTuu抬升高度计算式（抬升高度计算式（续）续）（2 2）BriggsBriggs公式：适用不稳定及中性大气条件公式：适用不稳定及中性大气条件 1 1/32/3H1 1/32/3H1 1/31/3H21000 10 H=0.362Q 10 H=1.55Q21000 3 * H=0.362Q 3 * HsssHQkWxHxuxHHuQkWxxxuxx当时当时3/52/5H6/5 3/53/5H H=0.332Q *=0.33QssHxHu抬升高度计算式抬升高度计算