工学环境工程导论大气污染扩散王树众

第五章大气污染扩散第一节大气结构与气象

一、大气的结构

1.对流层

2.平流层3.中间层

4.暖层二、气象要素1.气压2.气温3.气湿

4.云

5.能见度

6.风三、大气温度的垂直分布

1.气温直减率

2.大气的温度层结3.干绝热直减率四、大气的稳定度

1.大气稳定度

2.大气稳定度的分类第二节大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论1.湍流2.湍流扩散与正态分布的基本理论二、高斯扩散模式（一）连续点源的扩散1.大空间点源扩散

2．高架点源扩散3.地面点源扩散（二）连续线源的扩散（三）连续面源的扩散三、扩散参数及烟流抬升高度的确定1.扩散参数σy、σz的估算2.烟流抬升高度Δh的计算第三节影响大气扩散的若干因素一、气象因子影响1.大气稳定度2.风二、地理环境状况的影响1.地形状况2.地面物体三、污染物特征的影响第四节烟囱高度及厂址

一、烟囱高度的设计方法1.烟囱高度对烟气扩散的影响2.烟囱高度的设计方法3.影响烟囱设计高度的因素二、厂址的选择1.本底环境浓度2.风向和风速3.温度层结4.地形第一节大气结构与气象

一、大气的结构大气层：地面→1200km的空气层。质量98.2％集中在30km以下。大气结构：根据竖直方向大气密度、温度、组成的分布状况可分为：对流层、平流层、中间层、暖层。

①对流层。＜10km，大气质量75％，几乎全部水蒸气、微尘杂质，主要天气现象。地表吸热，H↑，t↓，0.65℃/100m，垂直混合较强烈。大气边界层（摩擦层），＜1.5km，污染物扩散稀释主要层；＞1.5km，自由大气。②平流层。10~55km，大气质量24.9％，稀薄，干燥。＜22km为同温层，H↑，t=C。22～25km臭氧层，吸热，H↑，t↑，竖直混合微弱，处于平流运动。③中间层。＜80km，质量10-3。H↑，t↓，对流强烈，垂直方向混合明显。④暖层（电离层）。＜800km，质量10-5。强烈紫外线下，H↑，t↑↑，昼夜变化大。电离层。二、气象要素气象要素：气压、气温、气湿、云、风、能见度以及太阳辐射等。风和湍流运动直接影响污染物扩散，气温垂直分布又制约着风场与湍流结构。1.气压大气压强，Pa（mbar、Pa）。273K，450海平面，p0=1013.25hPa为标准大气压。H↑，p↓。2.气温

1.5m处百叶窗内测量到的大气温度。3.气湿大气湿度，空气水蒸气含量。绝对湿度、水蒸气分压、露点、相对湿度和比湿。4.云

微小水滴或冰晶构成的汇集物质。云吸收或反射太阳的辐射，反映了气象要素的变化和大气运动的状况。云量：云遮蔽天空的份额。我国将视野天空分10等分，阴天为10；晴天为0。云高：云底距地面的高度。低云＜2500m；中云2500～5000m；高云＞5000m。5.能见度正常视力，从水平方向中能够看到或辨认出目标物的最大距离。反映大气混浊/透明的程度。10个级别，0级＜50m，9级＞50km。6.风空气在水平方向的运动。风向：风的来向。用16或8个方位表示。用角度表示，北风为0o，顺时针方向夹角称为风向角。风速：单位时间水平运动的距离。距地10m，一定时间内观测到的平均值。自由大气为水平匀速运动。大气边界层，H↑，u↑

n—与大气稳定度有关。中性，开阔平坦，n＝1/7。

①日变化。日出：地面吸热，大气上升运动，上下混合强烈，下层风大，高层风小；夜间：地面冷却，湍流停止，下层风小，高层风大。

②海陆风。陆地和海洋差异产生的热力效应，日变化。陆地热容量＜海水，地温升、降快。

海风：白天，陆地气温＞海洋，陆地空气上升，低层气压＜海上。下层空气从海面→陆地，高层空间由陆地→海洋，形成闭合环流；陆风：夜间，陆地气温＜海洋，海洋空气上升，低层气压＜陆地。下层空气从陆地→海洋，高层空间由海洋→陆地，形成闭合环流。③季风：海、陆差异热力效应，四季周期变化的大气环流，影响范围比海陆风大得多。夏季：大陆气温＞海洋，低层空气从海洋→大陆，高层相反流动，类似于白天海风环流。东南风（太平洋高压控制）冬季：大陆气温＜海洋，低层空气从大陆→海洋，类似于夜间陆风环流。西北风（蒙古高压控制）。④峡谷风：气流从开阔地区进入流动截面积缩小的狭窄峡谷口，气流加速而形成的强风。⑤山谷风：山区地理差异产生热力作用，日变化。谷风：白天，山坡吸热强，气温高，空气上升，从谷底沿山坡向上流动。谷底上空气流下降，形成热力循环。（阴风）山风：夜间，山坡冷却快，气温低，空气密度大，沿山坡向谷底流动。三、大气温度的垂直分布

1.气温（垂）直（递）减率实际大气的气温沿垂直高度的变化率

2.大气的温度层结气温随垂直高度的分布规律。坐标图上为温度层结曲线。反映沿高度的大气状况是否稳定，直接影响空气的运动，以及污染物质的扩散过程和浓度分布。①递减层结。H↑，t↓，

0。晴朗白天，风力较小。空气团降温速度慢，加速上升，不稳定。②等温层结。H↑，t＝C，

＝0。阴天、多云、大风。空气团降温速度快，上升运动将减速并转而返回，趋于稳定。③逆温层结。

H↑，t↑，

0。大气在竖直方向基本停滞，强稳定状态。对大气污染扩散影响极大，有辐射逆温：地面快速冷却形成。晴天夜间，地面冷却，离地近，气温冷却快，离地远，降温慢，自地面向上形成辐射逆温，日出前充分发展。日出后，地面吸热，逆温层又自下而上消失，上午九点钟全部消失。下沉逆温：高压区，某层空气下沉，使下层空气被压缩升温。湍流逆温：绝热状态下的大气湍流；平流逆温：暖空气水平流至冷地表上空；锋面逆温：冷暖空气相遇，暖空气爬到冷空气上面。上层逆温：离地面数十米至数千米的高空。干绝热直减率（干空气温度绝热垂直递减率）:干空气团在绝热升降过程中，其温度随高度的变化值。

干空气团绝热上升时，因周围气压减小而膨胀，内能用于膨胀做功，而使其温度降低；反之，当气团绝热下降时，由于外界压力增大，外部压力对其压缩做功，使其内能增加，因而气团温度上升.根据热力学第一定律：状态方程：压力分布：

推导得到：四、大气的稳定度

1.大气稳定度

大气在垂直方向上的稳定程度。外力作用，空气团加速上升或下降。到某一位置时消除外力：①继续加速向前运动，不稳定大气；②匀速运动，中性大气；③逐渐减速返回，稳定大气。大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快。

①

＞0：

＞

d，a＞0，气团加速，不稳定；

＝

d，a＝0，中性；

＜

d，a＜0，气团减速，弱稳定②

≤0：等温、逆温，强稳定

＜

d—大气稳定性判据。2.

大气稳定度的分类

与天气现象、时空尺度、地理条件密切相关.帕斯奎尔（Pasquill）法：根据风速、太阳辐射、夜间云量状况，将稳定度分为A～F六个级别（极不稳定、不稳定、弱不稳定，中性、弱稳定、稳定）。常规气象资料确定，简单易行，但没有确切描述太阳辐射强度，云量的确定也不准确，粗略。特纳尔(Turner)法：根据太阳高度角θh和云量(10分制)，确定太阳辐射等级，再由太阳辐射等级和风速确定大气稳定度的级别。第二节大气污染物的扩散

一、湍流与湍流扩散理论

1.湍流：风的强度与方向随时间不规则的变化。

特征尺度（高度）大，湍涡发展不受空间限制，较小速度下就有很高的雷诺数。

机械湍流－地面摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，地面障碍物使风向与风速突然改变。

热力湍流－地表受热不均匀、大气温度层结不稳定，在垂直方向产生温度梯度而造成的。烟气在大气中的扩散:（a）无湍流，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，扩散速率缓慢；（b）烟团尺度>湍涡边缘受小湍涡扰动，与周边空气混合，缓慢膨胀，烟流呈直线向下风运动；（c）烟团尺度≈湍涡，烟团被迅速撕裂，大幅度变形，快速膨胀，扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；（d）烟团尺度＜湍涡，受大湍涡卷吸扰动影响较弱，本身膨胀有限，在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。2.湍流扩散与正态分布的基本理论

大气处于湍流状态。污染物排入大气后，一方面；（1）随大气整体飘移；（2）另一方面，从高浓度区向低浓度区扩散、稀释。大气扩散理论就是在各种气象、下垫面条件下，用数理方法模拟不同的大气污染扩散过程，预报污染物浓度时空变化规律。

扩散理论：梯度输送理论、相似理论、统计理论（都有较大局限性）

（湍流统计理论体系的）高斯扩散模式：

排放源：地面源(Z＝0)、高架源(Z=H)。风向平行于x轴。

假定：①源强q均匀连续；②风速u均匀恒定；③污染物在y,Z轴符合正态分布；④污染物在扩散中质量守恒。二、高斯扩散模式1.连续点源的扩散（1）大空间点源

假设：①流场稳定，风速均匀，风向平直；②浓度在y、z轴符合正态分布③污染物质量守恒；④源强均匀、连续。图：源于坐标原点o，风向与x轴平行、正向同向。扩散具有y与z两个方向的二维正态分布，分布密度为一维分布函数的乘积。

由正态分布②，得浓度分布函数为：C—浓度；A（x）—待定系数；σy、σz—水平、垂直方向的扩散系数。由质量守恒③和连续④，在任一垂直于x轴的烟流截面上有：

q—源强，单位时间内排放的污染物；u—平均风速。

（5－19）

C代入,由风速稳定①，A与y、z无关，考虑到③和④，积分得A（x）σy、σz—与大气稳定度有关，随x增大而增加。当y＝0，z＝0时，A（x）即为x轴上的浓度，为垂直于x轴横截面上的最大浓度Cmax。当x→∞时，σy及σz→∞，则C→0，完全扩散。（2）高架点源地面o为原点，有效源在z轴上，

H＝h（烟囱几何高度）＋Δh（抬升高度）①地面全反射时：像源法求解k点

(0，0，H)实源在k点扩散和地面反射浓度的叠加。反射视为与实源对称的位于(0，0，－H)像源扩散到k点浓度。实源：坐标沿z轴向下平移距离H，(z-H)（5－20）

像源：坐标沿z轴向上平移距离H，(z＋H)（5－21）K点的浓度：

C＝Cs＋Cx

（5－22）

②地面全吸收时：Cx＝0，C＝Cs式（5－20）

③地面浓度（假定为全反射时）：最关心地面，尤其是最大浓度值和离源头距离。在式（5－22）中，令z＝0：x轴线上浓度分布：再令y＝0，则

（5－23）（5－24）x轴：排放源附近C＝0，顺风向C↑，某处达到Cmax，以后C↓。H↑，→σz↑、xmax↑，则Cmax点离源越远。H和u↑，则Cmax值↓，防止污染物在某一局部聚积。假定σy/σz＝常数，式（5－24）求导可得：（3）地面点源

①全反射：全反射高架源扩散式（5－22）中H＝0，则C＝2C大空间式（5－19）②全吸收：式（5－20）H＝0，C＝C大空间式（5－19）

高斯扩散模式的一般适用条件是：①地面开阔平坦，下垫面以上大气湍流稳定；②扩散处于同一大气温度层结中，范围＜10km；③扩散中无化学反应，地面全反射；④平均风向和风速平直稳定，且u＞1～2m/s。2.连续线源的扩散（自学）3.连续面源的扩散（自学）三、扩散参数σy、σz及抬升高度Δh的确定

公式应用效果依赖于各参数的准确性。u取常规气象数据；源强q计算或测定，σy、σz、Δh与气象条件和地面状况密切相关。1.扩散参数σy、σz的估算σy、σz实验确定。帕斯奎尔(Pasquill)和吉福特(Gifford)的P－G扩散曲线：先由气象资料得到稳定度等级，然后即可确定σ。规律：①离源距离↑，σ↑；②大气湍流↑，σ↑；③σ（粗糙地面）＞σ（平坦地面）。

P－G曲线简便实用。但由观测资料及理论分析得到，应用具有一定的经验性和局限性。较适用于近地源的小尺度扩散和开阔平坦的地形。也可采用经验公式确定σy、σz。2.烟流抬升高度Δh的计算①喷出阶段：本身的初始动量垂直向上喷射；②浮升阶段：密度差形成浮力，渐趋于水平方向；③瓦解阶段：大气湍流加强，烟体结构瓦解；④变平阶段：随风飘移。

热力抬升：由于浮升力作用；动力抬升：由于烟气出口动量。热烟流从烟囱中喷出直至变平，可分为以下阶段：烟流抬升的发展受到气象条件和地形状况的制约：①浮升力取决于烟流与环境的温差；初始动量与烟囱内径有关。温差和vs↑，Δh↑。（但vs过大，Δh↓。）②大气湍流强度↑，Δh↓；③u↑，湍流↑，Δh↓；④地面粗糙度↑，近地层湍流↑，Δh↓。Δh的计算尚无统一的理想公式。应用较广的有霍兰德(Holland)公式：我国采用自己的计算式。

第三节影响大气扩散的若干因素

一、气象因子（大气稳定度、风）1.大气稳定度

与气温层结有关。越不稳定，扩散越快。稳定度不同，扩散型态也不一样，从而形成以下5这种典型烟云：①波浪型：不稳定。即

＞0，

＞

d。湍流强烈，左右剧烈翻卷的波浪状，晴朗白天。地面落地浓度较高，最大浓度点距排放源较近。②锥型：中性或弱稳定。

＞0，

＜

d。扩散能力弱于波浪型，圆锥形扩散，阴白天/强风夜间。输送距离较远，落地浓度较低。③带型（扇型）：逆温稳定。

＜0，

＜

d。无湍流，水平缓慢扩散，弱风晴朗夜晚和早晨。不易扩散，输送较远。地面污染与源高有关。④爬升型（屋脊型）。上不稳定，

＞0；下稳定，

＜0。有辐射逆温日落前后，地面浓度小。⑤熏烟型（漫烟型）。上稳定，

＜0；下不稳定，

＞0。日出之后，辐射逆温消失时。地面污染最严重。2.风

污染源下风向的污染程度较严重。∵C∝1/u，u↑，C↓，污染轻。某城市SO2浓度观测数据：u＞2～3，SO2↓↓；u＜2～3，SO2基本不变，风速扩散影响甚微。二、地理环境的影响

（地形状况、地面物体）地形状况陆地、海洋、平地、山地扩散产生不同影响。局部地形的热力作用促使形成地方风，最终影响污染物扩散。①海陆风：形成局部环流，抑制向远处扩散。例如白天（海风），海岸附近的污染物从高空向海洋扩散出去，随着海风环流回到内地；日出、日落后，海风与陆风交替，大气相对稳定，甚至逆温；季风与海陆风交汇，东南沿海夏季风，夜间与陆风相遇，污染物浓度也较高。②山谷风：形成局部环流，污染物在环流中长时间滞留。③峡谷风：不利于污染物的扩散，并造成峡谷下游地区的污染。2.地面物体①热岛效应：城市人口、工业集中。消耗燃料成为热源，建筑材料热容量高，白天吸收热不宜冷却，成为蓄热体。∴t城市＞t郊区，夏季～1.5℃，冬季～7℃。城市热气流上升，乡村冷空气侵入，形成城乡环流。加强湍流，有助于源附近的扩散，但环流使周围污染物回流。②街道和建筑吸放热不均匀，形成小型环流。如白天屋顶吸热强，街道受热弱，屋顶热空气上升，街道上冷空气下降，构成谷风式环流。晚上反向形成山风式环流。影响街道扩散能力（汽车）。③源附近高大建筑物。建筑物使风速减小，还会引起局部环流的扩散。如建筑物背面气流下沉，并在地面处形成返回气流，产生涡流。三、污染物特征的影响

除扩散外，不同性质污染物还存在沉降、化合分解等净化作用。干沉积、湿沉积、放射性衰变。①干沉积。重力沉降：粒子d↑，沉降v↑，应考虑＞l0μm颗粒的沉降速度；下垫面清除作用：＜l0μm污染物碰到下垫面的地面、水面、植物与建筑物等，因碰撞、吸附、静电吸引或动物呼吸等作用被逐渐从烟流中清除出来(计算时可不考虑)。②湿沉积。水汽凝结物与降水的净化作用。③放射性衰变。放射物质可能产生的衰变现象。可能减少某种污染物，但也可能增加新的污染物。非常复杂，尚未掌握它们对污染物浓度变化的规律性。

第四节烟囱高度及厂址一、烟囱高度的设计方法高烟囱的作用：克服流动Δp（自然通风）；污染散逸到高空，降低浓度。1.烟囱高度对烟气扩散的影响

地面浓度Cmax与H2成反比。C(高h2)＜C(低h1)，长距离后逐渐接近。Xmax(h2)＞Xmax(h1)，Cmax(h2)＜Cmax(