环境系统分析教程之箱式大气质量模型

环境系统分析教程

第13讲环境系统分析教程之箱式大气质量模型第1页第三节箱式大气质量模型第六章大气质量模型环境系统分析教程之箱式大气质量模型第2页基本假设：在模拟大气污染物时能够把研究空间范围看成是一个尺寸固定“箱子”，高度就是从地面计算混合层高度，而污染物浓度在箱子内处处相等。能够分为单箱模型和多箱模型箱式大气质量模型混合层是因为温度层结不连续产生上下层间湍流不连续而形成。下层空气湍流强，上层空气湍流弱，这就造成不连续面以下能够发生强烈湍流混合，使得位温、水汽等要素随高度分布均匀。因为混合层是湍流受热对流控制近地面层以上大气边界层，所以它也常被称为自由对流层。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第3页一、单箱模型1.基本假设：箱子平面尺寸就是所研究区域或城市平面，箱子高度是由地面计算混合层高度h。推流通量uc0

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uc环境系统分析教程之箱式大气质量模型第4页一、单箱模型2.基本模型推流通量uc0

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ucC为箱内污染物浓度；l为箱长度；b为箱宽度；h为箱高度；C0为初始条件污染物本底浓度；k为污染物衰减速度常数；Q为污染源源强；u为平均风速；t为时间坐标环境系统分析教程之箱式大气质量模型第5页3.模型解一、单箱模型若K=0，则控制方程为

以上控制方程初始条件为：t=0时，C=C0；其解析解为：

当t=∞时，环境系统分析教程之箱式大气质量模型第6页若K≠0，则其解析解为：当t=∞时，环境系统分析教程之箱式大气质量模型第7页思索已知某工业基地位于一山谷地域，计算混合高度h=120m，该地域长45km，宽5km，上风向风速为2m/s，SO2当地浓度为0。该基地建成后计划燃煤量为7000t/d，煤含硫量为3%，SO2转化率为85%，试用单箱模型预计该地域SO2浓度。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第8页二、多箱模型在纵向和垂直向把单箱分为多箱，以考虑纵向和垂直向大气污染物不均匀分布，但横向还是作为一个箱体，不考虑横向浓度不均匀分布。多箱模型能够反应区域或城市大气质量空间差异，其精度要比单箱模型好，是模拟大气质量有效工具。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第9页第四节点源扩散模型第六章大气质量模型环境系统分析教程之箱式大气质量模型第10页大气污染物在大气中运动，普通呈三维运动，其基本运动方程为：忽略污染物扩散过程中本身衰减，即k=0，同时忽略y方向和z方向上流动，即uy=uz=o，上式能够简化为：环境系统分析教程之箱式大气质量模型第11页假定大气流场是均匀，Ex,Ey和Ez都是常数，C为湍流时平均浓度：各种高架点源模型基础环境系统分析教程之箱式大气质量模型第12页一、无边界点源模型1.瞬时单烟团正态扩散模型M为t=0时刻，由原点（0,0,0）瞬间排放量，即污染物源强瞬时释放单烟团正态扩散模型是一切正态扩散模型基础。假设点源位于坐标原点，释放时间为t=0，在无边界大气环境中，瞬间排出一个烟团将沿三维方向扩散。基于上述基本运动方程及对应假设条件，得空间任一点、任一时刻污染物浓度：环境系统分析教程之箱式大气质量模型第13页令三个坐标方向上污染物分布标准差为：1.瞬时单烟团正态扩散模型环境系统分析教程之箱式大气质量模型第14页2.无边界有风点源模型设风向平行于x轴，忽略y方向和z方向上流动，即uy=uz=0，则在空间任一点、任一时刻污染物浓度能够用下式计算。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第15页3.无边界无风瞬时点源模型在无风条件下，ux=0环境系统分析教程之箱式大气质量模型第16页连续稳定点源，∂C/∂t=0，在有风（ux≥1.5m/s）时，能够忽略扩散作用。4.无边界连续点源模型Q为在原点（0,0,0）连续稳定排放污染源源强，即单位时间排放污染物量环境系统分析教程之箱式大气质量模型第17页二、高架连续排放点源模型高烟囱产生地面污染物浓度比含有相同源强低烟囱要低。烟囱高度是大气污染控制主要变量之一。？烟囱高度？环境系统分析教程之箱式大气质量模型第18页烟囱有效高度=物理高度+烟气抬升高度；物理高度：烟囱实体高度；烟气抬升高度：烟气在排出烟囱口之后在动量和热浮力作用下能够继续上升高度，这个高度可达数十至上百米，对减轻地面大气污染有很大作用。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第19页烟云抬升原因有两个：①是烟囱出口处烟流含有一初始动量（使它们继续垂直上升）；②是因烟流温度高于环境温度产生静浮力。这两种动力引发烟气浮力运动称烟云抬升，烟云抬升有利于降低地面污染物浓度。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第20页高架源须考虑到地面对扩散影响。用“像源法”处理——把P点污染物浓度看成为两部分（实源和像源）作用之和。建立三个坐标系：1、以实源在地面投影点为原点；P点坐标为（x，y，z）；2、以实源为原点；3、以像源为原点。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第21页（1）实源贡献：P点在以实源为原点坐标系中垂直坐标为（z-H）。不考虑地面影响，实源在P点形成污染物浓度为：环境系统分析教程之箱式大气质量模型第22页（2）像源贡献：P点在以像源为原点坐标系中垂直坐标为（z+H），像源在P点形成污染物浓度为：高斯模型环境系统分析教程之箱式大气质量模型第23页思索已知烟囱物理高度为60m，烟气抬升高度为98m，计算平均风速为6m/s，SO2排放量为650g/s，试计算自地面至240m高处SO2浓度在下风向800m处轴线上垂直分布。（σy=2.06x0.61；σz=0.10x1.01）环境系统分析教程之箱式大气质量模型第24页1.高架连续点源地面浓度模型令z=0，得：环境系统分析教程之箱式大气质量模型第25页2.高架连续点源地面轴线浓度模型令y=0，z=0，得：环境系统分析教程之箱式大气质量模型第26页3.高架连续点源最大落地浓度模型当环境系统分析教程之箱式大气质量模型第27页4.烟囱有效高度估算假如给定地面污染物最大允许浓度，由上式能够估算烟囱有效高度He*环境系统分析教程之箱式大气质量模型第28页思索已知某工厂排放Nox速率为100g/s，平均风速为5m/s，假如控制Nox地面浓度增量为0.15mg/m3，试求所必须烟囱有效高度。（σy=0.237x0.691；σz=0.217x0.610）环境系统分析教程之箱式大气质量模型第29页环境系统分析教程之箱式大气质量模型第30页5.逆温条件下高架连续点源模型h表示从地面到逆温层底部高度应用条件是He≤h假如在烟囱排出口上空存在逆温层，从地面到逆温层底部高度为h，这时，烟囱排烟不但要受到地面反射，还要受到逆温层反射。逆温条件下高架连续点源地面轴线浓度：环境系统分析教程之箱式大气质量模型第31页三、高架多点源连续排放模型四、可沉降颗粒物扩散模型当颗粒物粒径小于10μm时，在空气中沉降速度小于1cm/s，因为垂直湍流和大气运动支配，不可能自由沉降到地面，颗粒物浓度分布仍可用前面所述各式计算；环境系统分析教程之箱式大气质量模型第32页地面颗粒物浓度计算模型：当颗粒物粒径大于10μm时，在空气中沉降速度在100cm/s左右，颗粒物除了随流场运动以外，还因为重力下沉作用，使扩散羽中心轴线逐步向地面倾斜，在不考虑地面反射情况下能够利用下述模型计算地面颗粒物浓度：环境系统分析教程之箱式大气质量模型第33页第五节线源和面源模型第六章大气质量模型环境系统分析教程之箱式大气质量模型第34页一、线源模型若污染源在空间呈连续线状分布，就组成线型污染源，污染物在此线上均匀排放到大气环境。比如：川流不息交通干线上汽车废气排放就可近似为一线源，线源能够看作是多点源求和。无限长线源模型有限长线源模型线源分段求和模式环境系统分析教程之箱式大气质量模型第35页二、面源模型污染物若在一平面上近似均匀地排放(如：一居民区生活废气排放、一分布密集小工厂区工业燃烧废气排放)，对周围环境污染影响需用面源扩散模型(用大量点源扩散模型计算求和不但不经济而且反而不准确)简化模型点源积分模型大气湍流与扩散试验室（ATDL）模型环境系统分析教程之箱式大气质量模型第36页第六节复杂边界层大气质量模型第六章大气质量模型环境系统分析教程之箱式大气质量模型第37页一、大气边界层边界层广义地讲是在流体介质中受边界相对运动以及热量和物质交换影响最显著那一层流体。大气中，对流层内贴近地表面约1-2km处大气，直接收到地面摩擦力影响，它厚度比整个大气层小得多，气流含有边界层性质，故称为大气边界层（ABL）。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第38页低层大气结构环境系统分析教程之箱式大气质量模型第39页二、小风、静风扩散模型当风速0.5m/s≤u10<1.5m/s时作为小风状态；当风速u10<0.5m/s时作为静风情形。模型（自学）前述扩散模型几乎都假定沿平均风向即x方向平均风速推流输移速率远大于湍流扩散速率，所以忽略x方向湍流扩散，但在小风和静风条件下，这一假设不能成立。环境系统分析教程之箱式大气质量模型第40页三、熏烟模型夜间下垫面辐射冷却形成贴地逆温层，日出后地面受太阳辐射增加温度，逆温层将逐步自下而上消失，形成一个不停增厚混合层。原来在逆温层中处于稳定状态烟羽进入混合层后，上部逆温使得扩散只能向下发展，由其本身下沉和垂直方向强扩散