[工学]环境工程导论 第5章 大气污染扩散-王树众

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1、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

2、烟流抬升高度的确定 1. 扩散参数y、z的估算 2. 烟流抬升高度h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1200 km的空气层。质量98.2集中在30 km以下。 大气结构：根据竖直方向大气密度、温度、组

3、成的分布状况可分为：对流层、平流层、中间层、暖层。, 对流层。10 km，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），1.5 km，污染物扩散稀释主要层； 1.5 km，自由大气。 平流层。10 55 km，大气质量24.9 ，稀薄，干燥。22km为同温层，H，t =C。 2225km臭氧层，吸热， H，t ，竖直混合微弱，处于平流运动。 中间层。 80km，质量10-3。 H，t ，对流强烈，垂直方向混合明显。 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。,

4、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 1.5 m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。

5、低云 2500m；中云25005000m；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，n1/7。,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。

6、, 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。,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） 。 峡谷风：气流从开阔地区进入流动截面

7、积缩小的狭窄峡谷口，气流加速而形成的强风。,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。,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。 等温层结。H，t

8、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。,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

9、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： 继续加速向前运动，不稳定大气； 匀速运动，中性大气； 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。,0： d，a0，气团加速，不稳定； d，a0，中性； d，

10、a0，气团减速，弱稳定 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AF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h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

11、（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.

12、 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(Z0)、高架源(Z=H)。风向平行于x轴。 假定：源强q均匀连续；风速u均匀恒定；污染物在y,Z轴符合正态分布；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： 流场稳定，风速均匀，风

13、向平直； 浓度在y、z轴符合正态分布 污染物质量守恒； 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，得浓度分布函数为：,C浓度； A（x）待定系数；y、z水平、垂直方向的扩散系数。 由质量守恒和连续，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。,（519）,C代入,由风速稳定，A与y、z无关，考虑到和，积分得A（x）,y、z与大气稳定度有关，随x增大而增加。 当y0，z0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，y及z，

14、则C0，完全扩散。,（2）高架点源 地面o为原点，有效源在z轴上， Hh（烟囱几何高度）h（ 抬升高度） 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),（520）,像源：坐标沿z轴向上平移距离H，(zH),（521）,K点的浓度： CCsCx （522）,地面全吸收时：Cx0， CCs 式（520）,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（522）中，令z0：,x轴线上浓度分布：再令y0，则,（523）,（524）,x轴

15、：排放源附近C0，顺风向C，某处达到Cmax，以后C。,H， z 、 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y/z常数，式（524）求导可得：,（3）地面点源,全反射：全反射高架源扩散式（522）中H0，则C2C大空间式（519） 全吸收：式（520）H0， CC大空间式（519） 高斯扩散模式的一般适用条件是： 地面开阔平坦，下垫面以上大气湍流稳定； 扩散处于同一大气温度层结中，范围10km； 扩散中无化学反应，地面全反射； 平均风向和风速平直稳定，且u12m/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y、z及抬升高度h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，y、z、h与气象条件和地面状况密切相关。 1. 扩散参数y、z的估算 y、z实验确定。帕斯奎尔(Pasquill) 和吉福特(Gifford) 的PG扩散曲线：先由气象资料得到稳定度等级，然后即可确定。 规律： 离源距离，； 大气湍流，； （粗糙地面）（平坦地面）。,PG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