大气高斯扩散.

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1、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 第一节 湍流扩散的基本理论 w扩散的要素 n风：平流输送为主，风大则湍流大 n湍流：扩散比分子扩散快105106倍 n风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接因素。 w湍流的基本概念 n 湍流大气的无规则运动 w风速的脉动（上、下） w风向的摆动（左、右） w起因与两种形式 n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 湍流扩散理论 w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.

2、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 萨顿实用模式 高斯模式（应用最为广泛） w爱因斯坦在1905年发表了5篇划时代的论文，其中3篇论文 震撼了世界，掀起了一场影响百年的物理革命，分别为： 1、关于光的产生和转化的一个启发性观点，讨论了光量子以 及光电效应；这篇论文为构成量子力学基石的光的波粒二重性获得 广泛接受铺平了道路。 2、关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子 的运动，被认为是第二篇“对世界产生革命性影响”的论 文。该文是对现代统计力学的一项重大贡献，其导出的方 法可用于模拟空气污染物的行为或股票市场涨落走势

3、。 利 用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大DNA片段所需 用的时间，较之当前所用的方法，可省时2/3，而且更廉 价且设备更便携。 w3、物体的惯性是否决定其内能，建立在狭义相对论基础上， 表明质量和能量可互换，后来推出最著名的科学方程：E=mc2。 4.论动体的电动力学 w5.分子大小的新测定 2003年 1905年，年轻的阿尔伯特爱因斯坦改变了我们思考空间、时间和物质的方式。 2005年是阿尔伯特爱因斯坦关键性科学发现一百周年， 联合国大会于2004年6月通过了2005年为“国际际物理年”的决议 第二节 高斯扩散模式 n坐标系 右手坐标系（食指x轴；中指y轴；拇指z轴），原点：为 无界点

4、源或地面源的排放点，或者高架源排放点在地面上的投 影点；x为主风向；y为横风向；z为垂直向 n高斯模式的四点假设 wa污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 wb全部高度风速均匀稳定（大气湍流场是均匀的、定常的） wc源强是连续均匀稳定的 wd扩散中污染物是守恒的（不考虑转化） 一、 高斯模式的有关假定 高斯扩散模式 w高斯扩散模式的坐标系 二、无界空间连续点源扩散模式 平均风速，m/s； q源强， g/s； y侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，m； z竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，m； 三、高架连续点源扩散模式 高架源须考虑到地面对扩散的影 响。根据假设可认为地面就象

5、镜 子一样对污染物起全反射作用，按 全反射原理，可用 “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、以实源在地面的投影点为原点；P点 坐标为（x，y，z）； 2、以实源为原点；3、以像源为原点。 （1）实源贡献：P点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为 （z-H）。不考虑地面的影响，实源在P点形成的污染物浓度为 ： 1 （2）像源贡献：P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐 标为（z+H），像源在P点形成的污染物浓度为： 2 （x,y,z,H） 高架连续点源扩散模式 地面连续点源扩散模式 高架连续点源扩散模式 上式变为： 令=0 例题： 颗粒物扩散模式

6、 w粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算 w大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式 地面反射系数 无界空间连续点源扩散模式无界空间连续点源扩散模式 高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式 第三节 污染物浓度的估算 wq 源强 计算或实测 w 平均风速 多年的风速资料 wH 有效烟囱高度 w 、 扩散参数 烟云抬升的原因有两个： 是烟囱出口处的烟流具有一初始动量（使它们继续垂直上 升）；是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。 这两种动力引起的烟气浮力运动称烟云抬升，烟云抬升有利 于降低地面的污染物浓度。 1.烟气抬升高度的计算 初始动量： 速度、内径 浮力：烟温度 烟气抬升 烟气抬升高度的计算 （

7、1） Holland公式：当大气稳定度为中性，计算烟气抬升 高度时，经常使用霍兰徳公式： Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下。 在实际计算中，不稳定条件(A、B稳定度)，H 需增加1020； 稳定条件(D、E、F稳定度)， H 需减少1020。 kW 抬升高度计算式 （2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件 不稳定或中性大气下，布里格斯公式用来确定不同的热释放 率和下风向距离条件下的烟气抬升高度： （3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法” (GB/T13201-91)中的公式在没有特别要求时，应优先使用 国家标准规定的方法。 w例：某市远郊区电厂

8、烟囱高160m，烟囱排出口内径 5m，排烟速度12m/s。烟气温度135，周围大气 温度15 。大气稳定度C级，源高处风速6 12m/s。 试分别用霍兰德、布里格斯、国家标准公式计算烟气 抬升高度（假设下风向距离x=2km） 大气扩散参数（y，z）的确定 wPG曲线法 帕斯奎尔在1961年推荐一种仅需要常规气象观测资料就能估算 y，z的方法，吉福德(Gifford)进一步将它制成应用更方便的 图表。应用观测到的风速、云量、云状和日照等天气资料，将 大气扩散稀释能力分为6个等级： A 极不稳定，B 不稳定，C 弱不稳定，D 中性， E 弱稳定，F 稳定。若稳定级别为AB，则表示按A 、B级的 数

9、据内插。 该法的要点： 首先根据帕斯奎尔划分大气稳定度的方法来确定大气稳定度 级别；然后从图4-4和图4-5中查得（或表4-4用内插法求出 ）对应的扩散参数y和z；最后将y、z代入前面介绍的一 系列扩散模式中，就可估计出各种情况下的浓度值。 扩散参数是表征湍流扩散剧烈程度的物理量，是影响污染物浓度 的重要参数。 扩散参数的确定PG曲线法 wPG曲线的应用 n根据常规资料确定稳定度级别 扩散参数的确定PG曲线法 wPG曲线的应用 n利用扩散曲线确定 和 扩散参数的确定PG曲线法 wPG曲线的应用 n地面最大浓度估算 扩散参数的确定中国国家标准规定的方法 我国在修订P-T法基础上产生了国家标准法(

10、GB/T 13201-91)。 太阳高度角 （式4-29，地理纬度，倾角） 辐射等级 稳定度 云量 （加地面风速） 该方法的技术路线是：根据时间、地理位置确定日倾角、 太阳高度角，利用天气条件确定辐射等级，然后利用辐射 等级和风速确定大气稳定度，最后查扩散参数幂函数表， 确定扩散参数。 扩散参数的确定中国国家标准规定的方法 w扩散参数的选取 n扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算 ） n平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级 n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 n丘陵山区的农村或城市，同工业区 n取样时间大于0.5h， 不变， w例：某

11、冶炼厂烟囱高150m，烟气抬升高度75m， SO2排放量1000g/s 。估算风速3m/s，大气稳定度 C级时地面最大浓度是多少？发生在什么位置？ （ 分别用P-G法和国家标准方法计算） 第二步：确定出现地面最大浓度的下风向距离。 第一步：确定出现地面最大浓度的Z向扩散参数。 第三步：确定出现地面最大浓度的y向扩散参数。 第四步：计算地面最大浓度。 第四节 特殊气象条件下的扩散模式 在整层大气都具有同一稳定度（即温度层结构均一，实际 中难以实现）、平坦地形的条件下应用高斯模式计算污染 物浓度。 如果整个大气层不均匀，污染物扩散所涉及的温度层结不 止一个，或者地表粗糙度高，地势起伏大就需要特殊处

12、理 。 下面讨论两种特殊情况：封闭型扩散和熏烟型扩散。 一、封闭型扩散模式有上部逆温层的扩散模式 所谓封闭型扩散就是指在上部存在逆温层的气象条件下， 污染物受到上部逆温层限制，只能在地面和逆温层之间扩 散的情况 第四节 特殊气象条件下的扩散模式 在封闭型扩散中，假定： n污染物完全不向逆温层扩散； n上部逆温层对污染物起全反射作用，可用像源法处理； n污染源在地面和逆温层之间形成无穷多个像对，污染物 浓度是实源和无穷多虚源的贡献之和。 由式4-9 得：地面轴线上的污染物浓度为 ： D D-H D-H 2D-H 封闭型扩散模式 w简化计算： 例：位于北纬40，东经117 的某化工厂烟囱高50m，

13、 H2S排放量9kg/h ,排放筒直径0.5m，烟气出口温度50 。出口气速12m/s。距地面10m处风速为4m/s，早春2 月上午8时，天气晴朗，环境气温15，距地面500m处 出现逆温，试问在下风向5000m、8000m处H2S浓度有 多大？ 第二步：确定H计算QV、QH-计算50m处风速-计算 H。 第一步：确定大气稳定度查太阳倾角-计算太阳高度角 -确定辐射等级-查出大气稳定度 第三步：确定XD计算z，按远郊区查表4-8，反算XD。 第四步：按4-9计算5000m处H2S浓度。 第五步：按4-9计算XD 处H2S浓度；按4-36计算2XD 处 H2S浓度。然后内插，确定 5000m处H

14、2S 浓度。 熏烟型扩散模式 w熏烟过程：早晨太阳升起后，地面得到来自太阳的辐射 逐渐加热，夜间产生的逆温层逐渐抬升，当逆温破坏到 烟流下边缘以上时，使烟流发生向下的强烈混合，地面 污染物浓度增大，产生熏烟过程。熏烟过程一般多在早 晨发生，持续时间不超过2小时。 熏烟型扩散模式地面浓度 hf逆温层消失高度；yf熏烟条件下Y向扩扩散参数 即hf=H时 第五节 城市及山区扩散模式（自学） 线源扩散模式面源扩散模式 封闭山谷扩散示意图 山谷扩散 第六节 烟囱高度的设计 w烟囱高度的计算 n（1）达到大气污染物稀释扩散的作用； n（2）尽量节省投资（造价正比于H2 ）； n（3）地面浓度不超过环境空气

15、质量标准。 1、按地面最大浓度计算 2、按地面绝对最大浓度计算 代入到 410： 将烟气抬升公式简化为 代入到式 3、按一定保证率的计算法 由地面最大浓度计算法HS较矮，当u时，地面浓度可能超标 ； 由地面绝对最大浓度计算法HS较高，无论u多大，地面浓度不 超标，但烟囱造价高。 从环保和经济两方面来看，在选择一个可接受的保证率后，、稳 定度取一定值后代入上述公式，可得某一保证率的气象条件下 的烟囱高度，较前面较合理。 4 4、P P值法值法 根据“指定大气污染物排放标准的技术方法”GB/T13201-91中规 定的点源烟尘允许排放率计算式： 式中：Qe烟尘允许排放速率，t/h；Pe烟尘排放控制系数， t/(hm2)；H有效源高，m。 烟囱设计中的几个问题 w烟囱高度计算公式的校核 上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，需要用 封闭型或熏烟型模式校核 w烟气抬升高度的选取 n优先采用国