大气污染浓度估算模式

1、2022-7-411.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掌握大气扩散的理论和扩散模式，学会估算污染物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，确定烟囱高度和厂址浓度、烟气抬升高度，确定烟囱高度和厂址2022-7-42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

2、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2022-7-43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

3、，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 2022-7-44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 w1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w2全部高度风速均匀稳定全部高度风速均匀稳定w3源强是连续、均匀、稳定的源强是连续、均匀、稳定的w4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） 2022-7-45高斯扩散模式的坐标系高斯扩散模式的坐标系2022-7-46由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布由正态分

4、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 22)(),(bzayeexAzyx dydzuQ0022dzdzzz0022dydyyy未知数：浓度未知数：浓度，待定函数，待定函数A(x),待定系数待定系数a,b积分，可以解出四个未知数：得到高斯模式积分，可以解出四个未知数：得到高斯模式222222exp2),(zyzyzyuQzyx2022-7-47222222exp2),(zyzyzyuQzyx2022-7-48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： 实源的贡献：实源的贡献： 像源的贡献：像源的贡献： 实际浓度：实际

5、浓度：),(zHzyx),(zHzyx222222)(2exp2ZyzyHzyuQ222212)(2exp2ZyzyHzyuQ2222222)(exp2)(exp2exp2),(zzyzyHzHzyuQzyx2022-7-49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22222exp2exp) 0 ,(zyzyHyuQyx地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y=0y=0代入上式代入上式222exp)0 , 0 ,(zzyHuQxxyz上式，上式， 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

6、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 222exp)0 , 0 ,(zzyHuQx2022-7-410对对 求导求导 yzconstmax|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zdyzeHuQ2max2地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H0 0）：）：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）222222exp),(zyzyzyuQzyx2022-7-411粒径小于粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算的颗粒

7、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22222)(exp2exp2)1 ()0 ,(ziiyzyiiuxvHyuQyx182gdvppii2022-7-412Q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

8、抬升高度有效源高有效源高2022-7-413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 DQTuu2022-7-414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 1/32/3sH1 1/3

9、2/3sH21000kW 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QxxHQxuxxHQHxQHu2022-7-415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 nn0HsH

10、aVasHH121sH12100kW()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2022-7-416PG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2022

11、-7-417PG曲线的应用曲线的应用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2022-7-418PG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yz2022-7-419PG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

12、 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出y2022-7-420稳定度分类方法稳定度分类方法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） 2022-7-421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

13、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0.5h， 不变，不变，1221,aayzxx2121()qyyz2022-7-422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222)2(exp2)

14、 0 , 0 ,(zzynDHuQx2022-7-423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w4-9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Dxx2.15zDHDxDD2xxx3. 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)2

15、exp(2),(22yyyDuQyx2.当当Dxx2时，时，Z向浓度混合均匀向浓度混合均匀2022-7-424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 tgH2022-7-4252022-7-426城市大气扩散模式城市大气扩散模式1.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454

16、5o 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( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源2022-7-427

17、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0.04t/hqxuD1niiqxuD n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 n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）n简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式n简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式2022-7-4282.面源扩散模式（续）面源扩散模式（续）n简化为点源

18、的面源扩散模式（续）简化为点源的面源扩散模式（续）w形心上风向形心上风向距距x x0 0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好与正方形宽度相等与正方形宽度相等 w烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍 n（正态分布：（正态分布： ） w确定确定 、 之后即可按点源计算面源浓度之后即可按点源计算面源浓度0024.30yy0yx0zx12222200000001/1/000121( , ,0,)exp2 ()() ()(), 4.32.15(), ()yyzzyyzzyzyzyzqyHx yHuWHxx2022-7-4

19、292.面源扩散模式（续）面源扩散模式（续）n窄烟流模式窄烟流模式w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两侧单元对其影响很小w某点的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定某点的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定0qAu2022-7-430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按地面最大浓度计算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()ezyqCuHyz