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1、第四章 大气扩散浓度估算模式,第一节 湍流扩散的基本理论 第二节 高斯扩散模式 第三节 【重点】污染物浓度的估算 第四节 【了解】特殊气象条件下的扩散模式 第五节 【了解】城市及山区的扩散模式 第六节 【重点】烟囱高度的设计 第七节 厂址选择,课时 2,第一节 湍流扩散的基本理论,一、湍流概念的简介 1、大气湍流 大气的无规则运动称为大气湍流。 湍流大气的无规则运动。 风速的脉动（或涨落）和风向的摆动就是湍流作用的结果。 湍流扩散比分子扩散快105106倍。,2、湍流类型 按照湍流形成原因可分为两种： 一是由于垂直方向温度分布不均匀引起的热力湍流，其强度主要取决于大气稳定度； 二是由于垂直方向
2、风速分布不均匀及地面粗糙度引起的机械湍流，其强度主要决定于风速梯度和地面粗糙度。 实际的湍流是上述两种湍流的叠加。,3、湍流对污染扩散的作用 主风方向上，风对污染物的平流输送其主要作用。 风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度越快，污染物的浓度就越低。 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，其它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。,二、湍流扩散理论简介 大气扩散的基本问题，是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减的关系问题。 目前处理这类问题有三种广泛应用的理论： （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-
3、1，正态分布 萨顿实用模式 高斯模式 （3）相似理论 【补充】建模的基本类型：机理模型；统计模型。,1、梯度输送理论 假定由大气湍流引起的某种物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。不过由于边界条件很复杂，不能够求出严格的分析解。 2、湍流统计理论 应用统计学的方法研究扩散问题。 高斯在大量实测资料分析的基础上，应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，及通常所说的高斯模式。,第二节 高斯扩散模式,一、高斯模式的有关假定 1、坐标系：右手坐标系 2、四点假设【重点】 （1）污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布； （2）在全部空间中风速是均匀的、稳定的； （3）源强是
4、连续均匀的； （4）在扩散过程中污染物质的质量是守恒的。,X,Y,Z,二、无界空间连续点源扩散模式 【最基本公式】 注意：课本公式（41）中为末一个y2改为z2。 三、高架连续点源扩散模式 【最重要公式】见课本47。 1、地面浓度扩散模式：z=0 2、地面轴线浓度模式： y=0 ；z=0 3、地面最大浓度模式：取公式极值,四、地面连续点源扩散模式 即H=0的高架连续点源公式， 结果恰是无界空间连续点源所造成的浓度的两倍。 五、颗粒物扩散模式 1、粒径15m的颗粒物，考虑重力沉降作用。倾斜烟流模式,第三节 污染物浓度的估算,一、烟气抬升高度的计算 1、有效高度【重点】 具有一定速度的热烟气从烟囱
5、出口排除后，可以上升至很高的高度。这相当于增加了烟囱几何高度。 有效高度（H）几何高度（Hs）烟气抬升高度（H）,q 源强 计算或实测 平均风速 多年的风速资料 H 有效烟囱高度 、 扩散参数,2、产生烟气抬升的原因【重点】 （1）烟囱出口烟气具有一定的初始动量； （2）烟温高于周围气温而产生一定的浮力。 初始动量的大小决定于烟气出口流速和烟囱出口直径；浮力大小则主要取决于烟气与周围大气之间的温差。,3、常用的烟气抬升公式 （1）霍兰德公式.适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020） （2）布里格斯公式.适用不稳定及中性大气条件。 （3）【重点】中国国家标准规定公式，公式见课本。 【
6、注意】热释放率的计算；公式中系数的选用。,二、扩散参数的确定 1、P-G法的优点 简单的气象资料确定大气稳定度的级别。常规气象资料估算 【重点了解】中国国家标准规定的方法 要求：掌握国家方法的查图、表应用。 参考例题44。,扩散参数的确定,PG曲线法,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用 根据常规资料确定稳定度级别,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用 利用扩散曲线确定 和,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用 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,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
7、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，,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：,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,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,城市大气扩散模式,2.面源
8、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,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） 形心上风向距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
9、模式 如EPA推荐的ISC模式（Industrial Source Complex Model） 光化学模式 如EPA推荐的UAMV（Urban Airshed Model）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,http:/www.epa.gov/scram001/tt22.htm,城市空气质量模式的发展,第二代模式,Eulerian Grid Models : UAM, RADM, REMSAD, ROM,http:/www.epa.gov/asmdnerl/modeling.htm,城市空气质量模式的发展,第三代模式（Models
10、-3）One Atmosphere的概念,第三代模式（Models3）,http:/www.epa.gov/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，流场均匀和定常的假定难以成立 对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多,ERT模式 高斯模式，只对有效源高进行修正,NOAA和EPA模式 NOAA以高斯模式为基础，对有效源高进行修正 EPA与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正,第六节 烟囱高度的设计,一、烟囱高度计算 要求： （1）达到稀释扩散的作用
11、（2）造价最低， 造价正比于H2 （3）地面浓度不超标 按地面最大浓度计算 1、确定烟囱高度的原则 既要满足大气污染物扩散稀释的要求，又要考虑节省投资。 最终目的是：保证地面浓度不超过环境空气质量标准。,2、烟囱高度的计算方法 因最普遍的是高斯模式的简化公式，根据对地面浓度要求的不同，主要有如下几种计算方法。 （1）按地面最大浓度的计算方法 保证污染物的地面最大浓度不超过国家标准规定限值。（平均风速不变情况下导出）。 （2）按地面绝对最大浓度的计算方法 考虑风速对地面最大浓度的直接影响和因烟气抬升高度变化的间接影响。按照最恶劣风速计算烟囱高度。 （3）按一定保证率的计算方法：即在平均风速和扩散
12、参数取一定保证率下的值，结果为按一定保证率的气象条件下的烟囱高度。 （4）P值法：根据点源排放控制系数P计算。,3、烟囱设计中的几个问题 （1）所用公式的考虑，考虑大气稳定度与公式的匹配。 （2）烟气抬升高度优先选用国标公式。 （3）烟囱高度不得低于它所服从的建筑物高度的2倍。 （4）烟囱出口烟气流速不得低于该高度处平均风速的1.5倍。 （5）烟气出口出烟气流速不宜过低，一般在2030m/s。 （6）排烟温度宜在100以上。,第七节 厂址选择【自学】,本节仅从充分利用大气对污染物扩散稀释能力，防止大气污染的角度，对厂址选择应考虑的问题进行总结。 一、厂址选择中所需的气候资料 气候资料指的是：常
13、年统计形式的气象资料。 1、风向和风速的气候资料 注意掌握：风向频率、风速复合玫瑰图，矢线长度表示频率，风速羽表示风速大小。 静风（距地面10m处平均风速0.5m/s）和小风（距地面10m处0.5m/s 平均风速1.5m/s）要单独分析，因为通风条件差，最易引起大气污染。 2、大气稳定度的气候资料，特别是逆温的资料。 3、混合层高度的确定,二、长期平均浓度的估算 前述扩散模式都是在假定风向、风速和大气稳定度不变的条件下得到的。如果要计算某点的长期平均值，可以用叠加法。 1、长期平均浓度计算公式 2、按风向方位计算计算平均浓度 长期平均浓度计算模式均来源于正态分布烟流模式，所以仅适用于比较平坦的
14、开阔地区。,三、厂址选择 从防止大气污染的角度考虑，理想的建厂位置是：污染物本底浓度小，大气扩散稀释能力强，排放的污染物被输送到城市或居民区的可能性小的地方。 1、本底浓度：该地区已有的污染物浓度水平。 2、风向、风速：工厂应设在居民区下风方向。 3、温度层结：最不利的是近地层逆温和上部逆温。 4、地形：注意谷地和海陆地区。,新老大气导则的9点不同,（1）评价工作的分级原来是按照等标排放量，估算；新导则要求用估算模式估算落地点浓度以及“地面浓度达标准限值 10%时所对应的最远距离 D10%”，然后对照导则中的表格确定。（2）评价范围的确定原来是参照确定的评价等级选取，分别在1620km、101
15、4km、46km范围内。新导则要求根据估算模式计算“污染物的地面浓度达标准限值 10%时所对应的最远距离 D10%”，然后以此为基础确定评价范围。（3）新导则对污染源调查、空气现状监测要求更详细。,（4）新导则对气象数据要求更高，且增加了“高空气象探测资料”要求。估计以后大家要增加购买气象数据的预算了。而且买来的气象数据能否符合模型的输入格式还是个问题（5）新导则对复杂地形，需要设置地形数据，一般是可下载到免费的数字高程模型（DEM），然后经过处理后参与大气预测。（6）新导则对于涉及周边建筑物的情况设置了下洗模式。（7）新导则中预测内容要求更多，而且提供了“常规预测情景组合”，使得预测工作量加大。,（8）新导则中用“大气环境防护&考试大&距离”代替原来的卫生防护距离，计算可通过基于估算模式开发的计算模式进行，环保部评估中心做了一个小软件专门计算该距离。（9）新导则对于预测模式提供了不同的选择：AERMOD（免费）、ADMS（收费）、CALPUFF（免费，适用于大尺度范围），其中EPA的AERMOD模式又衍生出一些界面化的商业软件。,
