第四章大气扩散浓度估算模式

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105～106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

热力湍流：温度垂直分布不均（不稳定）机械湍流：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，正态分布萨顿使用模式高斯模式

3.相似理论WhatisAirpollutantConcentrationModels?

Theperfectpollutantconcentrationmodelswouldallowustopredicttheconcentrationsthatwouldresultfromanyspecifiedsetofpollutantemissions,foranyspecifiedmeteorologicalconditions,atanylocations,foranytimeperiod,withtotalconfidenceinourprediction.WhatisAirpollutantConcentrationModels?Allofthemodelsisderivedaccordingtomaterialsbalances.Thepurposeofairpollutantconcentrationmodelsistopredicttheconcentrations.Allmodelsaresimplificationsofreality,alotofassumptionsarepresented.第二节高斯扩散模式高斯模式的有关假定坐标系——右手坐标系，x为风向，y为垂直于x轴，z为垂直于xoy面四点假设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图4-1浓度正态分布的高斯烟云扩散输送图

(x,-y,0)(x,0,0)ozyxH(x,-y,z)HsΔH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（单位时间污染物守恒）

未知数：浓度c，待定函数A（x），a,b,积分可以解出四个未知数,得到高斯模式高斯烟流的形态高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上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：

实源的贡献

像源的贡献

实际浓度高架连续点源扩散模式地面浓度模式：取z＝0代入上式，得地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式上式，增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：

考虑地面轴线浓度模式高架连续点源扩散模式

地面源高斯模式（令H＝0）：相当于无限源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得Gaussianplume,two-dimensionalspreadingequation高斯烟羽二维扩散方程①Assumingnegligiblenettransferofmaterialinthexdirection.

horizontaldispersioncoefficientverticaldispersioncoefficientGaussianDiffusionModels②downwinddistance,woulddependonwindspeed,andonthedegreeofatmosphericturbulence,degreeofsolarheating.Gaussianplume,two-dimensionalspreadingequation高斯烟羽二维扩散方程Thefirsttermistheconcentrationonthecenterlineoftheplume.③threetermsofGussianplumeequation

Firsttermwheny=0,(z–H)=0,soexp0=1Withtheincreaseofdownwinddistance(x),concentrationonthecenterlineisdecreasing.GaussianDiffusionModelsSecondterm<1cThesecondtermshowshowtheconcentrationdecreasesaswemoveinthehorizontal.

Diffusioninydirection.③threetermsofGussianplumeequationThirdterm

Diffusioninzdirection.Thesameasthesecondterm.yZx107687yZ③threetermsofGussianplumeequation颗粒物扩散模式粒径小于15um的颗粒物可按气体扩散计算大于15um的颗粒物：倾斜烟流模式

地面反射系数ExampleAfactoryemits20g/sofSO2atheightH.Windspeedis3m/s.Atadistanceof1kmdownwind,thevaluesofσyandσzare30mand20m,respectively.WhataretheSO2concentrationsatthecenterlineofplume,andatapoint60meterstothesideofthecenterlineand20metersbelowthecenterline.

Atcenterline,x=1000m,y=0,z=Hσy=30m,σz=20mu=3m/s,Q=20g/sExample=1770μg/m3ExampleAtthepointawayfromcenterline=145μg/m3ReviewTheGaussianplumediffusionmodeltherearethreeimportantequationsforGaussianplume,two-dimensionalspreading.（1）BasicGaussianplumeequation无界空间连续点源扩散模式（不考虑地面反射）(2)BasicGaussianplumeequationmodifiedbyeffectoftheground高架连续点源扩散模式

(3)Ground-levelconcentrationequation地面浓度模式

ReviewNotworkin:①Mountainouscountry②Norforlongdistance③NorattimeswhenthemeteorologyiscomplexGaussianplumemodelsareappliedin:①Flatterrain②Theinstantaneousmeteorologyissimple

Review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有效源高、扩散参数1.烟气抬升高度的计算

1.烟气抬升高度的计算(续）

初始动量：速度烟温度：浮力烟气为什么会抬升?――烟囱几何高度,m

――抬升高度,m

有效源高1.烟气抬升高度的计算(续）（1）Holland公式：适用于中性大气条件

注：Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下误差较大（修正：稳定时减小10%-20%，不稳定时增加10－20％）1.烟气抬升高度的计算（续）（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件

1.烟气抬升高度的计算（续）（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

QH/kW地表状况（平原）n0n1n2QH≥21000农村或城市远郊区1.4271／32／3城市及近郊区1.3031／32／32100≤QH＜21000且△T≥35K农村或城市远郊区0.3323／52／5城市及近郊区0.2923／52／5例题：某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟气的流速12.7m/s，温度140℃，流量250m3/s。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度20℃，当地气压为978.4hPa，试确定烟气的抬升高度及有效源高。2.扩散参数的确定P－G曲线法P－G曲线Pasquill常规气象资料估算Giffard制成图表方法要点

大气分成A－F共六个稳定度等级（云、日照、风速……）曲线（六条）（对应A、B……F稳定度级）

P－G曲线的应用首先根据常规资料确定大气稳定度级别P－G曲线的应用利用扩散曲线确定和中国国家标准规定的方法确定稳定度改进的P－T法扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区取样时间大于0.5h，不变，P－G曲线的应用地面最大浓度估算由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）求由式（4-10）求出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个像封闭型扩散模式计算简化：1.当

（尚未到封闭阶段）

（烟流半宽度）

查P－G曲线

－>4-9式计算

地面轴线浓度2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为3.

－>内插（假定变化为线性），按z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

熏烟型扩散模式

逆温层消失到烟流上边缘，即

逆温消失到，熏烟过程不复存在

逆温层消失到烟囱的有效高度处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风向和线源不垂直时

（交角>=45o）

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/h

简化为点源的面源模式

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）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）正方形中心上风向距x0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

烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍

（正态分布：）

确定、之后即可按点源计算面源浓度城市大气扩散模式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染指数预报的CAPPS模式城市多源模式如EPA推荐的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化学模式如EPA推荐的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式线源模式如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放城市空气质量模式的发展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)ISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel/scram001/tt22.htm城市空气质量模式的发展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm城市空气质量模式的发展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念AirToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3

+OH

--->(NH4)2SO4

[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere第三代模式（Models－3）/asmdnerl/models3/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