4 大气扩散浓度估算模式

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1、,第四章 大气污染物浓度估算模式,2,本章主要内容,大气污染物扩散的基本描述 箱子模式 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区扩散模式 烟囱高度设计 空气质量模式的新进展,湍流扩散,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：温度垂直分布不均 机械：风速分布不均匀及地面粗糙度 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105106倍,一、大气污染物扩散的基本描述,3,湍流扩散的基本理论,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，将浓度梯度作为物质扩散的驱动力

2、应用欧拉法研究每一空间位置上运动质点的特征量 基本参数：湍流扩散系数K；气象资料：风速及K的垂直廓线 限制条件：小尺度湍涡,一、大气污染物扩散的基本描述,欧拉方法：把某瞬时通过流场各个固定点的流体质点运动状态综合起来，反映某时刻流体在流场内的运动状况,4,湍流扩散的基本理论,主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 2.湍流统计理论 应用拉格朗日法研究每一质点不同时刻的运动状态 大气湍流场是均匀、定常流场；单个质点的运动是随机的；无数个具有随机运动的质点作为一个整体，具有稳定的概率分布 基本参数：风速脉动速度均方差 湍流能谱：不同频率湍流速度涨落对湍流动能的贡献的函数 限制条件：均匀湍

3、流,一、大气污染物扩散的基本描述,拉格朗日方法(质点系法)：跟踪并研究每个流体质点的运动情况，把它们综合起来以掌握整个流体运动的规律。,5,大气污染物浓度估算模式 概念：模拟大气污染物的输送、扩散、迁移过程，预测在不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度时空分布的数学模型，是大气中污染物迁移和扩散规律的、简单化的数学描述。 应用：城市、区域、全球的气象、气候和大气污染研究 作为法规模型支持空气质量评估和大气污染控制规划制定 作为研究工具识别大气输送与扩散机理,一、大气污染物扩散的基本描述,6,一、大气污染物扩散的基本描述,大气污染物浓度估算模式的基本原理,7,8,本章主要内容,大气污

4、染物扩散的基本描述 箱子模式 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区扩散模式 烟囱高度设计 空气质量模式的新进展,箱子模式的基本假定,二、箱子模式( Fixed-box models),9,(6-7),二、箱子模式( Fixed-box models),箱子模式的推导,10,如何降低城市的污染物浓度？,如何计算污染物的年平均浓度？,二、箱子模式( Fixed-box models),箱子模式的含义及应用,减排比例：,11,12,本章主要内容,大气污染物扩散的基本描述 箱子模式 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区扩散模式 烟

5、囱高度设计 空气质量模式的新进展,三、高斯扩散模式,高斯扩散模式的坐标系 右手坐标，x为下风向， y为横风向，z为垂直向,烟羽,13,污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 全部高度风速均匀稳定 源强是连续均匀稳定的 扩散中污染物质量守恒（不考虑转化）,三、高斯扩散模式,高斯扩散模式的假定,14,X方向的扩散通量 k: 湍流扩散系数, m2/s,三、高斯扩散模式,高斯扩散模式的推导(1),15,高斯扩散模式的推导(2),气团中污染物浓度随时间的变化：,三、高斯扩散模式,16,高斯扩散模式的推导(3),Solution for instantaneous release of X g of po

6、llutant at t = 0 and x = y = z = 0 :,2 dimensional dispersion, X=Q/u,三、高斯扩散模式,17,水平和垂直扩散参数，m,将t=x/u、 、 带入高斯扩散模式中，得到:,无界空间连续点源扩散模式,(4-6),三、高斯扩散模式,高斯扩散模式的推导(4),18,高斯烟羽模式的基本方程,三、高斯扩散模式,19,高架连续点源扩散模式(1),主要假定： 地面如同镜面，对污染物全反射； 下风向任一点P处的污染物浓度等于不存在地面时该处浓度，加上地面反射增加的浓度； 地面对污染物的反射造成某处污染物浓度的增加，与一个大小相同、位置相反的虚像点源

7、产生的效果相同。 镜像全反射-像源法,三、高斯扩散模式,实源： 像源：,20,高架连续点源扩散模式(2),实源： 像源：,像源的贡献,实际浓度,三、高斯扩散模式,下风向P点处的污染物浓度：,21,实源的贡献,高架连续点源扩散模式(3),地面浓度模式：z0,地面轴线浓度模式：y=0，z0,三、高斯扩散模式,英文教材图6.9,22,高架连续点源扩散模式(4),地面最大浓度模式（续）：,设 （实际中成立）,由此求得,三、高斯扩散模式,23,颗粒物扩散模式(1),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,区别在于沉降!,三、高斯扩散模式,24,第一步，确定颗粒物的沉

8、降速度：,第二步，实源造成的颗粒物扩散地面浓度方程：,c,颗粒物扩散模式(2),三、高斯扩散模式,25,第三步，确定虚源造成的颗粒物浓度：,第四步，实源造成的颗粒物扩散地面浓度：,地面反射系数(不是完全镜像),c,c,26,本章主要内容,大气污染物扩散的基本描述 箱子模式 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区扩散模式 烟囱高度设计 空气质量模式的新进展,四、污染物浓度的估算,q 源强计算或实测 平均风速风速观测资料 H 有效烟囱高度 、 扩散参数,利用高斯扩散模式计算污染物浓度,主要参数：Q、 、H、x、y、z、,27,四、污染物浓度的估算,烟气抬升高度的计

9、算(1),有效源高,Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小、不稳时增加1020）,Holland公式比较保守，特别在烟囱高、温差比较大的情况下,vs烟囱出口流速，m/s；D烟囱出口内径，m；,烟囱出口处的平均风速，m/s；Ts气压，mb； Ts烟囱出口处的烟流温度，K；Ta环境大气温度，K,28,烟气抬升高度的计算(2),Briggs公式：不稳定及中性大气条件,当QH 21000 kW时,x3x*，,四、污染物浓度的估算,29,烟气抬升高度的计算(3),环境影响评价技术导则-大气环境(HJ/T2.2-93),四、污染物浓度的估算,30,（4） 当10m高处的年平均风速小于或等于1.

10、5m/s时,排放源高度以上气温直减率,四、污染物浓度的估算,烟气抬升高度的计算(3),我国“环境影响评价技术导则-大气环境”(HJ/T2.2-93),31,扩散参数的确定(1),PG曲线法,方法要点 大气分成AF共六个稳定度等级 云、日照、风速 A为强不稳定，B为不稳定，C为弱不稳定，D为中性，E为较稳定，F为稳定曲线(六条)，对应A、BF稳定度级,K值与风速为一次线性关系，K/u为常量,扩散参数与下风向距离的平方根成正比,四、污染物浓度的估算,32,根据常规资料确定稳定度级别,城市地区地面粗糙度大，热岛效应不大可靠,强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于60o的条件； 弱太阳辐射相当于碧空下

11、太阳高度角为15o35o。 在中纬度地区，仲夏晴天的中午为强太阳辐射，寒冬晴天中午为弱太阳辐射。 云量将减少太阳辐射，云量应与太阳高度一起考虑。,四、污染物浓度的估算,扩散参数的确定PG曲线法(2),33,利用扩散曲线确定 和,斜率=0.894,P-G 曲线是帕斯奎尔根据地面源的实验结果总结出来的，图中 1km之外的曲线来自外推结果。,四、污染物浓度的估算,扩散参数的确定PG曲线法(3),34,P-G曲线的应用,四、污染物浓度的估算,扩散参数的确定PG曲线法(4),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）查 由式（4-10）求出,在D、C级稳定度时误差较小，在

12、E、F级时误差较大。 H越大，误差越小。,35,扩散参数的确定国家标准规定的方法(1),稳定度分类方法 改进的PT法,确定太阳倾角：太阳倾角可以通过当日在一年中的日期序数求得，或者可以按当月和时间查表4-7,四、污染物浓度的估算,36,扩散参数的确定国家标准规定的方法(2),稳定度分类方法 改进的PT法,确定太阳高度角：由太阳倾角、当地纬度和经度计算：,四、污染物浓度的估算,37,扩散参数的确定国家标准规定的方法(3),稳定度分类方法 改进的PT法,确定太阳辐射等级：取决于太阳高度角和当日云量，夜间辐射等级只与云量有关,四、污染物浓度的估算,38,扩散参数的确定国家标准规定的方法(4),稳定度

13、分类方法 改进的PT法,确定大气稳定度：通过太阳辐射等级和地面风速确定,四、污染物浓度的估算,39,扩散参数的确定国家标准规定的方法(5),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,四、污染物浓度的估算,40,扩散参数的确定国家标准规定的方法(6),污染物浓度与取样时间的关系 取样时间大于0.5h， 不变，,四、污染物浓度的估算,41,在长时间内，不同风速和稳定度影响浓度的权重并不相等，应按照每一种风向、风速和稳定度的频率

14、加权平均，此时的浓度公式为：式中：k、m、l风向、稳定度和风速等级的下标；ck、m、l在每一个给定风向、稳定度和风速时的浓度；k、m、l 风向、稳定度和风速的相对联合频率：,长期污染物浓度计算,四、污染物浓度的估算,42,43,本章主要内容,大气污染物扩散的基本描述 箱子模式 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区扩散模式 烟囱高度设计 空气质量模式的新进展,五、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 上部存在逆温层的气象条件 相当于两镜面之间无穷次全反射 实源在两个镜子里形成n个像 n为在地

15、面和逆面间反射次数 实源和无穷多个虚源贡献之和,44,封闭型扩散模式(2),推导：,五、特殊气象条件下的扩散模式,45,封闭型扩散模式(3),五、特殊气象条件下的扩散模式,46,封闭型扩散模式(4),计算简化：,1. 当 （尚未到封闭阶段）（烟流半宽度） 查PG曲线 ,2. 当 ，z向浓度混合均匀，z分布函数为,五、特殊气象条件下的扩散模式,47,熏烟型扩散模式(1),假设： D 换成hf（垂向均匀分布）；Q 只包括进入混合层部分， 则,五、特殊气象条件下的扩散模式,48,熏烟型扩散模式(2),逆温层消失到烟流上边缘，即,逆温消失到 以上时，熏烟过程不复存在,逆温层消失到烟囱的有效高度处,五、

16、特殊气象条件下的扩散模式,49,50,本章主要内容,大气污染物扩散的基本描述 箱子模式 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区扩散模式 烟囱高度设计 空气质量模式的新进展,六、城市及山区扩散模式,城市大气污染特点 污染源种类多：点源、线源、面源 下垫面粗糙度大 城市热岛效应,城市大气扩散模式,51,六、城市及山区扩散模式,1.线源扩散模式,无限长线源：较长街道或公路上行驶的车辆密度大，可在街道两侧形成连续稳定长度的线源 主要假定： 污染物连续排放，形成无线长线源； 风向与线源垂直； 在横风向上，污染物浓度处处相同。,城市大气扩散模式,52,六、城市及山区扩散模式,