第二章+大气环境(4).ppt

1、第五节大气污染影响因素与大气扩散,一个区域的大气污染程度取决于,该区域内排放污染物的源参数、,气象条件,和近地层下垫面的状况。,源参数包括排放污染物的数量、组成、排放方式等。但同一污染源排放所造成地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍。这主要是由于大气对污染物的稀释扩散能力随气象条件的不同而发生巨大变化的缘故。因此，在源参数一定的情况下，气象条件和下垫面状况决定了大气对污染物的稀释扩散速率和迁移转化途径。历史上发生过的重大空气污染危害事件，都是在不利于污染物扩散的气象条件下发生的。为了掌握污染物的扩散规律，必须了解气象条件对大气扩散的影响，以及局部气象因素与地形地貌状况之间的关系。,一、大气边界

2、层的温度场,1.气温垂直递减率在对流层内，气温垂直变化的总趋势是，随高度的增加气温逐渐降低。气温随高度的变化称为气温垂直递减率，可用参数表示。上式中，负号表示气温随高度而降低。,干绝热递减率d,干气团在绝热垂直运动过程中，升降单位距离(通常取l00m)的温度变化值称为干空气温度的绝热垂直递减率，简称干绝热直减率d,上式可见，在干绝热过程中，气团每上升或下降100m，温度约降低或升高1K，即d为固定值，而气温直减率则随着时间和空间变化，这是两个不同的概念。,2.大气的温度层结,气温随垂直高度的分布规律称为温度层结，因此坐标图上气温变化曲线也称为温度层结曲线。温度层结反映了沿高度的大气状况是否稳定

3、，其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。,r0，递减层结r=rd，中性层结;r=0，等温层结r0，逆温层结,温度层结类型,（1）递减层结。气温沿高度增加而降低，即0，如曲线1所示。递减层结属于正常分布，一般出现在晴朗的白天，风力较小的天气。地面由于吸收太阳辐射温度升高，使近地空气也得以加热，形成气温沿高度逐渐递减。（2）等温层结。气温沿高度增加不变，即0，如曲线2所示。等温层结多出现于阴天、多云或大风时，由于太阳的辐射被云层吸收和反射，地面吸热减少，此外晚上云层又向地面辐射热量，大风使得空气上下混合强烈，这些因素导致气温在垂直方向上变化不明显。（3）逆温层结。气温沿高度增加而

4、升高，即0，如曲线3所示。逆温层结简称逆温，其形成有多种机理。当出现逆温时，大气在竖直方向的运动基本停滞，处于强稳定状态。通常，按逆温层的形成过程又分为辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温、平流逆温、锋面逆温等类型。,3.大气稳定度,大气稳定度是是指在垂直方向上大气稳定的程度。污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切的关系。大气的稳定程度直接影响湍流活动的强弱，影响空气污染物的扩散。,大气的稳定度含义可以理解为，如果一空气块受到外部作用，获得了向上或向下的初始运动速度后，可能发生三种情况：(1)气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(2)气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；(3)

5、气块做等速直线运动，称这种大气是中性的。,判定近地面层稳定度的条件：用气温的垂直递减率r与干绝热递减率rd可以比较方便地判断气层的稳定度,当大气层处于不稳定层结时，会促使湍流运动的发展，使大气扩散稀释能力加强；反之则对湍流起抑制作用，减弱大气的扩散能力。,4.逆温与污染物的扩散,当出现逆温时，气温沿高度增加而升高，大气在竖直方向的运动基本停滞，处于强稳定状态。好像一个盖子一样阻碍它下面的污染物质扩散，对大气污染扩散影响极大，因此许多大气污染事件都发生在具有逆温层与静风的气象条件下。根据逆温生成的过程，可分为五种类型：辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温及湍流逆温。,夜晚地面向大气辐射白天吸收

6、的热量而逐渐冷却，近地面的气温随之降低。离地愈近，气温冷却愈快，离地愈远的空气受地面影响愈弱，降温愈慢，形成自地面开始的辐射逆温。辐射逆温随着地面的冷却逐渐向上扩展，到日出前逆温充分发展。日出后，地面吸收太阳的辐射逐渐升温，逆温层又逐渐自下而上消失。到上午九点钟左右，逆温全部消失。,辐射逆温为大陆上常年可见的逆温类型，是由于地面的快速冷却而形成，通常出现于晴朗无云或少云、风速不大的夜间。,实际上，大气中出现逆温可能由几种原因共同作用形成的。,下沉逆温是因高压区内某一层空气发生下沉运动时，导致下层空气被压缩升温而形成；,湍流逆温发生在绝热状态下的大气湍流运动时；,平流逆温是暖空气水平流至冷地表地

7、区上空所形成；锋面逆温为对流层中冷暖空气相遇时由于暖空气密度小，爬到冷空气上面所致。,二、大气水平运动和湍流,大气的无规则运动称为大气湍流。风速的涨落和风向的摆动就是湍流作用的结果。风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素，其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀释的。根据湍流形成的原因可分为两种：由机械或动力作用生成机械湍流，如近地面风切变，由于地表的非均一性和粗糙度产生；由各种热力因子诱生的湍流称为热力湍流，如太阳加热地表导致热对流泡向上运动，地表受热不均匀或气层不稳定等都可引起热力湍流。,风与大气扩散,进入大气的污染物的漂移方向主要受风向的影响，依靠风的输送作用

8、顺风而下在下风向地区稀释。因此污染物排放源的上风向地区基本不会形成大气污染，而下风向区域的污染程度就比较严重。风速是决定大气污染物稀释程度的重要因素之一。由高斯扩散模式的表达式可以看出，风速和大气稀释扩散能力之间存在着直接对应关系，当其它条件相同时，下风向上的任一点污染物浓度与风速成反比关系。风速愈高，扩散稀释能力愈强，则大气中污染物的浓度也就愈低，对排放源附近区域造成的污染程度就比较轻。,污染物浓度与地面风速u的关系曲线如右图所示：某城市11月份和12月份SO2浓度的观测数据。显然，随着风速的提高，SO2浓度值降低，但变化趋势有所不同。当u（23）m/s时，SO2浓度值随着风速的增加迅速减小

9、，而u（23）m/s后，SO2浓度值基本不变，表明此时的风速对污染物的扩散稀释影响甚微。,a仅有风存在的情况下，烟团仅仅靠分子扩散使烟团长大，速度非常缓慢；b有湍流存在下的烟团扩散，湍流扩散比分子扩散速率大105-106倍。（c）为烟团在与其尺度接近的湍涡中扩散，大幅度变形扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；（d）为烟团在远大于其尺度的湍涡中扩散，在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。,三、不同大气稳定条件下的烟流扩散,大气稳定度是直接影响大气污染物扩散的极重要因素。大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快；反之，则越慢。当近地面的大气处于不稳定状态时，由于上部气温低而密度大，下部气温高而密

10、度小，两者之间形成的密度差导致空气在竖直方向产生强烈的对流，使得烟流迅速扩散。大气处于逆温层结的稳定状态时，将抑制空气的上下扩散，使排向大气的各种污染物质因此而在局部地区大量聚积。当污染物的浓度增大到一定程度并在局部地区停留足够长的时间，就可能造成大气污染。烟流在不同气温层结及稳定度状态的大气中运动，具有不同的扩散型态。下图为烟流在五种不同的大气稳定度条件下，形成的典型烟云。,翻卷型（波浪型）：出现在温度层结不稳定情况下,rrd0;,平展型：逆温rrd1;,上升型（屋脊型）：下部稳定，rrd0，上部不稳定，rrd0;,三、影响大气污染的地理因素,1、地形和地物的影响气流与地形地物发生摩擦，使风

11、向风速及污染物的扩散稀释发生变化；山脉对风输送污染物的屏障、阻滞作用；封闭的山谷盆地，静风、小风频率大，不利于污染物扩散；城市高层建筑使平均风速减小，在建筑物背风区风速下降，局部地区产生涡流，不利于污染物扩散2、山谷风3、海陆风4、城市热岛环流,2、山谷风,山谷风与污染物扩散,山谷风会形成的局部区域的封闭性环流，不利于大气污染物的扩散。当夜间出现山风时，由于冷空气下沉谷底，而高空容易滞留由山谷中部上升的暖空气，因此时常出现使污染物难以扩散稀释的逆温层。若山谷有大气污染物卷入山谷风形成的环流中，则会长时间滞留在山谷中难以扩散。在山风与谷风的转换期，风向不稳定，由于风向摆动，污染物不易扩散。,如果

12、在山谷内或上风峡谷口建有排放大气污染物的工厂，则峡谷风不利于污染物的扩散，并且污染物随峡谷风流动，从而造成峡谷下游地区的污染。当烟流越过横挡于烟流途径的山坡时，在其迎风面上会发生下沉现象，使附近区域污染物浓度增高而形成污染，如背靠山地的城市和乡村。烟流越过山坡后，又会在背风面产生旋转涡流，使得高空烟流污染物在漩涡作用下重新回到地面，可能使背风面地区遭到较严重点污染。,3、海陆风,海陆风与污染物扩散,海陆风会形成的局部区域的环流，抑制了大气污染物向远处的扩散。白天，海岸附近的污染物从高空向海洋扩散出去，可能会随着海风的环流回到内地，这样去而复返的循环使该地区的污染物迟迟不能扩散，造成空气污染加重

13、。在日出和日落后，当海风与陆风交替时大气处于相对稳定甚至逆温状态，不利于污染物的扩散。大陆盛行的季风与海陆风交汇，两者相遇处的污染物浓度也较高，如我国东南沿海夏季风夜间与陆风相遇。有时，大陆上气温较高的风与气温较低的海风相遇时，会形成锋面逆温。,4、城市热岛环流,城市边界层及热岛环岛示意图,热岛环流与污染物扩散,城市热岛效应的形成与盛行风和城乡间的温差有关。夜晚城乡温差比白天大，热岛效应在无风时最为明显，从乡村吹来的风速可达2m/s。虽然热岛效应加强了大气的湍流，有助于污染物在排放源附近的扩散。但是这种热力效应构成的局部大气环流，一方面使得城市排放的大气污染物会随着乡村风流返回城市；另一方面，

14、城市周围工业区的大气污染物也会被环流卷吸而涌向市区，这样，市区的污染物浓度反而高于工业区，并久久不宜散去。,城市局部涡流,地面上的建筑物除了阻碍了气流运动而使风速减小，有时还会引起局部环流，这些都不利于烟流的扩散。当烟流掠过高大建筑物时，建筑物的背面会出现气流下沉现象，并在接近地面处形成返回气流，从而产生涡流。结果，建筑物背风侧的烟流很容易卷入涡流之中，使靠近建筑物背风侧的污染物浓度增大，明显高于迎风侧，如图519所示。,四、有界条件下的大气扩散模式（一）大气扩散高斯模式,实际污染物排放源多位于地面或接近地面的大气边界层，污染物在大气中的扩散必然会受地面影响，称为有界大气扩散。连续点源一般指排

15、放大量污染物的烟囱、放散管、通风口等。排放口安置在地面的称为地面点源，处于高空位置的称为高架点源。大量试验和研究证明，对于连续源的平均烟流，浓度分布符合高斯分布（正态分布），基于以上特点，建立连续点源大气污染的扩散模式，又称高斯模式。,坐标系高斯模式的坐标系为：以排放点(无界点源或地面源)或高架源排放点在地面的投影点为原点，平均风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴，y轴的正向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正方向。即为右手坐标系。在这种坐标系中，烟流中心或与x轴重合(无界点源)，或在xoy，面的投影为x轴(高架点源)。,高斯模式的四点假设,污染物在空间yoz平面中按高斯分布(正态分布)，

16、在x方向只考虑迁移，不考虑扩散；在整个空间中风速是均匀、稳定的，风速大于lms；源强是连续均匀的；在扩散过程中污染物质量是守衡的。对后述的模式只要没有特殊指明，以上四点假设条件都是遵守的。,如右下图，点源在地面上的投影点o作为坐标原点，有效源位于z轴上某点H。高架有效源的高度由两部分组成，即Hhh，其中h为排放口的有效高度，h是烟流抬升的一个附加高度。,高斯模式的推导,考虑地面对扩散的影响，根据前述假设可认为地面像镜面一样，对污染物起全反射作用。如右图所示，可以把P点的污染物浓度看成是两部分之和。一部分是不存在地面影响情况下P点所具有的污染物浓度（黑色）；另一部分是由于地面反射作用所增加的污染

17、物浓度（红色）。,Cp=C实+C虚,y、z为污染物在y、z方向（横向、铅直向上）的标准差（扩散系数m）；为平均风速ms；Q为源强（mg/s）。,高斯模型目的是要求源强为Q（mg/s），有效烟筒高度为H（m）的排放源在下风向空间点（x，y，z）处造成的浓度：C(x,y,z),高架连续点源正态分布假设下的扩散模式,C（x，y，z，H）源强为Q（mg/s），有效烟筒高度为H（m）的排放源在下风向空间点（x，y，z）处造成的浓度（mg/m3）；,由这一模式可求出下风向任一点的污染物浓度。按照这一普适公式，如果H=0，则对应于地面源的情况；如果z=0,则对应于连续点源作用下，地面处的污染物浓度情况；如果

18、z=0且y=0，则对应于点源作用下，正风向轴线上，地面处的污染物浓度情况；,地面源和高架源在下风向的地面轴线浓度,根据地面轴线浓度公式，z，y为0：,地面源轴线浓度随距源距离增加而降低高架源轴线浓度先随距离增加而急剧增大，在距源23公里处达到最大，以后逐渐减小。,应用大气扩散模式需解决有效源高度,有效源高度指烟囱实际高度Hs与烟气抬升高度H之和。即：烟流抬升高度的确定是计算有效源高的关键。热烟流从烟囱出口喷出多大体经过四个阶段：烟流的喷出阶段、浮升阶段、瓦解阶段和变平阶段。,烟流抬升高度受气象条件和地形状况的制约烟气出口速度us和ds烟囱内径。us大则初始动量大，抬升高度就大。烟气与周围空气的

19、密度差。烟气温度Ts与空气温度之差T，T越大，浮力就越大，易于抬升。烟口风速与湍流强度。风速大，湍流强，混合就越快，烟气抬升越小温度层结。rrd0的稳定层结抑制烟气抬升,rrd0的不稳定层结使烟气抬升增强。离地面距离近，地面粗糙度大，湍流强，不利抬升，离地面越高，对抬升越有利。,由于烟流抬升受诸多因素的相互影响，因此烟流抬升高度h的计算尚无统一的理想的结果。在30多种计算公式中，应用较广适用于中性大气状况的霍兰德(Holland)公式如下：,式中vS烟流出口速度，m/s；D烟囱出口内径，m；u烟囱出口的环境平均风速，m/s；Ts烟气出口温度，K；Ta环境平均气温度，K；Qh烟囱的热排放率，kW

20、。,第六节大气污染综合防治与管理,一.大气污染防治技术,1.烟尘控制技术：改变燃料构成：以气代煤，以核能代煤;采用设备在烟尘排入大气之前除尘。（1）颗粒状污染物除尘净化技术，包括：重力沉降；旋风除尘；袋式除尘；过滤法；湿式除尘；静电除尘等。,（2）气态污染物的净化,吸收法；吸附法；催化氧化；催化还原；生物净化；电子束照射；燃烧法；冷凝法；膜分离技术等。,二、大气污染综合防治,综合防治的含义：从全局出发，综合考虑生产生活等方面的诸因素，围绕经济社会发展目标，运用多科学、多途径、多种手段进行防治，达到经济效益和环境效益的统一。,综合防治的基本原则1）防与治相结合，以防为主。2）回收资源与净化处理相结合，以回收资源为主3）企业治理与区域治理相结合4）人工净化与自然净化相结合,综合防治途径,全面规则，合理布局（环境规划）选择有利排放方式（合理排放）区域集中供暖、供热改变燃料构成限制汽车拥有量绿化造林扩大水域和湿地面积发展大气污染控制技术,三、大气环境标准,三种类型：大气环境质量标准；大气污染物排放标准；大气污染控制标准；污染警报标准我国大气环境质量标准分为三级：一级标准：为保护自然生态和人群健康，在长期，接触情况下不发生任何危害性影响的空