第04章 大气污染浓度估算模式

1、1.湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论2.高斯扩散模式高斯扩散模式3.污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法4.特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式5.城市及山区的扩散模式城市及山区的扩散模式6.烟囱高度设计烟囱高度设计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

2、（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2.2.湍流统计理论湍流统计理论 泰勒泰勒图图4-1，正态分布，正态分布 萨顿实用模式萨顿实用模式 高斯模式高斯模式 3.3.相似理论相似理论 高斯模式的有关假定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

3、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布为正态分布wb全部高度风速均匀稳定全部高度风速均匀稳定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d 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） 22( , , )( )eeaybzc x y zA x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z222

4、2( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 2222( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 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：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的贡献像源的贡献2222

5、()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的贡献像源的贡献222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实际浓度实际浓度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实际浓度实际浓度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

6、度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得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 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()

7、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 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

8、,)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，

9、源强加倍）粒径小于粒径小于15m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15m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()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp18tdgvq 源强源强 计算或实测计算或实测 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

10、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抬升高度计算式抬升高度计算式 （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 H1

11、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 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu抬升高度计算式抬升高度计算式 （续）（续）（ 3 3 ） 我 国） 我 国 “ 制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方法法”(GB/T13201-91)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0

12、HsHaVasHH121sH12100kW()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 DQHuTHQz(3)当或时(4)当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时PG曲线法曲线法PG曲线曲线Pasquill常规气象资料估算常规气象资料估算Gifford制成图表制成图表PG曲线的应用曲线的应

13、用n根据常规资料确定稳定度级别根据常规资料确定稳定度级别PG曲线的应用曲线的应用n利用扩散曲线确定利用扩散曲线确定 和和yzPG曲线的应用曲线的应用n地面最大浓度估算地面最大浓度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出w由由曲线（图曲线（图4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出w由由曲线（图曲线（图4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出y稳定度分类方法

14、稳定度分类方法n改进的改进的PT法法 太阳高度角太阳高度角 （式（式4-29，地理纬度，倾角），地理纬度，倾角） 辐射等级辐射等级 稳定度稳定度 云量云量（加地面风速）（加地面风速） 扩散参数的选取扩散参数的选取n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，按表4-8查算）查算）n平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级向不稳定方向提半级n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向不稳定方向向不稳定方向提一级提一级n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n取样时间大于取样时间大于0.

15、5h， 不变，不变，1221,aayzxx2121()qyyz主要指气象条件与高斯模式不一样主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中温度层结构均一，实际中难以实现）难以实现） 封闭型扩散模式封闭型扩散模式n相当于两镜面之间无穷次全反射相当于两镜面之间无穷次全反射n实源和无穷多个虚源贡献之和实源和无穷多个虚源贡献之和 nn为反射次数，在地面和逆面为反射次数，在地面和逆面n实源在两个镜子里分别形成实源在两个镜子里分别形成n个像个像22(2)exp2zyzqHnDCu 计算简化：计算简化：1.当当（尚未到封闭阶段）（尚未到封闭阶段）w（烟流半宽度）（烟流半宽度）w查查PG曲线曲线w4-

16、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）w（烟流半宽度）（烟流半宽度）w查查PG曲线曲线w4-9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分布函数为分布函数为

17、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值插值值插值假设：假设： D 换成换成h hf f（垂向均匀分布）（垂向均匀分布）；q q只包括进入混合层部分，只包括进入混合层部分， 则仍可用上面公式则仍可用上面公式 22211exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH城市大气扩散模式城市大气扩散模式1.

18、线源扩散模式线源扩散模式w无限长线源无限长线源n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()22sinzzqHxHuw无限长线源无限长线源n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()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源2122L21( ,

19、0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源2.面源扩散模式面源扩散模式w大气排放规范里规定条件：烟囱高大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量单个排放量 O3SOx or NOx + NH3 + OH - (NH4)2SO4 or NH4NO3SO2 + OH - H2SO4NO2 + OH - HNO3VOC + OH -Orgainic PM OH Air Toxics(POM, PAH, Hg(II), etc.) Fine PM(Nitrate, Sulfate, Organic PM) NOx + SOx + OH (Lake Aci

20、dification, Eutrophication) MeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVE/asmdnerl/models3/n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常的假定难以成立n对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起

21、伏不大的地区，浓对风向稳定、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烟囱高度的计算烟囱高度的计算要求：要求：n（1）达到稀释扩散的作用达到稀释扩散的作用n（2）造价最低，造价最低， 造价正比于造价正比于H H2 2n（3 3）地面浓度不超标）地面浓度不超标 n按地面最大