大气污染物扩散模式

1、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.烟囱高度设计第一节 湍流扩散的基本理论扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大湍流：扩散比分子扩散快105106倍湍流的基本概念 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.梯度输送理论类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比2.湍流统计理论 泰勒图4-1，正态分布 萨顿实用模式 高斯模式 3.

2、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，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） 22( , , )( )eeaybzc x y zA x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z2222( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 高斯烟流的形态22

3、22( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 高斯烟流的浓度分布高架连续点源扩散模式镜像全反射-像源法实源： 像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像源的贡献像源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z

4、Hu 像源的贡献像源的贡献222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 实际浓度实际浓度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 实际浓度实际浓度高架连续点源扩散模式2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面浓度模式：取地面浓度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面浓度模式：取地面浓度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得22( ,

5、0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上式，上式，x增大，则增大，则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值地面最大浓度模式：地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上式，上式，x增大，则增大，

6、则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值yz上式，上式，x增大，则增大，则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值地面最大浓度模式：地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式高架连续点源扩散模式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqc

7、uH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H0 0）：）：相当于无界源的相当于无界源的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）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H0 0）：）：相当于无界源的相当于无界源的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）颗粒物扩散模式粒径小于15

8、m的颗粒物可按气体扩散计算大于15m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()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp18tdgv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uyz1.烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算 初始动量：初始动量： 速度、内径速度、内径烟温度烟温度 浮力浮力烟气抬升烟气抬升sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高烟气抬升高度的计算抬升

9、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） HollandHolland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu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 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 *

10、 =0.362 3 * =0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu烟气抬升高度的计算（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 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K =0.35 1700kW2100kW1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu (1)当和时(2)当时HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQ

11、HuTHQz(3)当或时(4)当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时扩散参数的确定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22(2)exp2zyzqHnDCu 封闭型扩散模式计算简化：1.当当（尚未到封闭阶段）（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）（烟流半宽度）查查PG

12、曲线曲线4-9式计算式计算 地面轴线浓度地面轴线浓度Dxx2.15zDHDx1.当当（尚未到封闭阶段）（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）（烟流半宽度）查查PG曲线曲线4-9式计算式计算 地面轴线浓度地面轴线浓度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.当当，z z向浓度混合均匀，向浓度混合均匀，z z分布函数为分布函数为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD011d1DzDD2.当当，z z向浓度混合均匀，向浓度混合均匀，z z分布函数为分布函数为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD2.当当，z z向浓度混合均匀，向浓度混合均匀，z z分布函数为分布

13、函数为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuDDD2xxx3. DxxD2xx内插（假定变化为线性），按内插（假定变化为线性），按z值插值值插值DD2xxx3. DxxD2xx内插（假定变化为线性），按内插（假定变化为线性），按z值插值值插值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 22211exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH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.线源扩散模式无限长线源无限长线源

14、风向和线源不垂直时风向和线源不垂直时 （交角（交角4545o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu无限长线源无限长线源风向和线源不垂直时风向和线源不垂直时 （交角（交角4545o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPu有限长线源有限长线源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHP

15、xHPu有限长线源有限长线源城市大气扩散模式2.面源扩散模式大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量0.04t/hqxuD1niiqxuD 箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）（划分为更小的面源单元）qxuD1niiqxuD 箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）（划分为更小的面源单元）简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式简化为点源的面源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

16、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：（正态分布： ） 确定 、 之后即可按点源计算面源浓度0024.30yy0yx0zx12222200000001/1/000121( , ,0,)exp2 ()() ()(), 4.32.15(), ()yyzzyyzzyzyzyzqyHx yHuWHxx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0qAu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

17、染指数预报的CAPPS模式城市多源模式如EPA推荐的ISC模式（Industrial Source Complex Model）光化学模式如EPA推荐的UAMV（Urban Airshed Model）模式线源模式如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放山区扩散模式山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多 ERT模式模式高斯模式，只对有效源高进行修正高斯模式，只对有效源高进行修正 NOAA和和EPA模式模式NOAA以高斯模式为基础，对有效源高进行

18、修正以高斯模式为基础，对有效源高进行修正EPA与与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正第六节 烟囱高度的设计烟囱高度的计算要求：（1）达到稀释扩散的作用（2）造价最低， 造价正比于H2（3）地面浓度不超标 按地面最大浓度计算 max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度0C标准浓度bC本底浓度烟囱高度的计算按地面绝对最大浓度计算maxCu（4-10）max(321)HHC出现极大值出现极大值maxCu（4-10）max(321)HHC出现极大值出现极大值1BHu（代入sBHHu2maxcsd0dCBuHu（危险风速危险风速危险风速危险风速）1BHu（代入sBHHu2maxcsd0dCBuHu（危险风速危