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1、第四章 理想条件下空气污染物散布的模式处理,2,主要内容,连续点源高斯扩散计算公式 连续线、面源和体源扩散计算公式 大气扩散参数 烟流抬升高度 非扩散过程的处理 特殊条件下的扩散,3,欧拉扩散方程假设K为常数（即斐克扩散），可得到正态分布形式的解 从统计理论出发，在平稳、均匀湍流的假定下，也可以证明粒子扩散位移的概率分布符合正态分布形式 对连续点源发出的烟流的大量试验研究和观测事实表明，尤其是对于平均烟流的情形，其浓度分布是符合正态（也称高斯）分布的,4,4.1 连续点源高斯扩散公式,5,一 无界情形（公式及物理意义）,湍流均匀定常，设源位于无界空间，取X轴与平均风向一致，则污染物浓度在y和z
2、方向符合高斯分布，可得：,6,物理意义,Q：源强，点、面、线、体源，影响直接、明显，影响大 大气稀释因子： 代表了不同气象条件和地形条件下物质散布的程度及其随空间距离的变化 正态分布形式项：在正态分布情况下，分布形式的影响不敏感,7,镜像全反射-像源法 实源： 像源：,二 有界情形（掌握）,8,总贡献：,源强,平均风速,扩散参数,有效源高,9,烟流有效源高：H=hs+h 归一化浓度：,10,三 地面源,取H0，,有界情形是无界情形地面浓度两倍,11,四 地面浓度和地面最大浓度,1 地面浓度 令 z=0，可得高架源的地面浓度,12,2 地面轴线浓度 令y=0,z=0 可得高架源地面轴线浓度,13
3、,高斯烟流的浓度分布,14,源高和稳定度的影响,15,（1） 与 之比为常数,3 地面最大浓度的估算,若稳定度不变，增加有效源高H，则会在更远处出现达到最大浓度qm 所需的扩散参数 。,16,（2） 若 与 之比是变化的,17,一 线源扩散公式 线源定义为呈线状分布的污染物排放源。如繁忙的公路和城市的街道通常被看作是线源 连续线源等价于连续点源沿着线源长度范围的积分，其浓度场是线上无数点源浓度贡献之和,4.2 连续线、面、体源扩散公式,18,对于直线型的线源，可直接积分求出；对于很不规则的线源，只能用数值求和的方法解决 点源计算一般取x轴与风向一致，线源计算时需考虑风向与其交角以及线源的长度,
4、19,1 无限长线源,风向与其正交,为线源源强，mg/(sm),20,一般 不适用,风向与线源成交角 时,21,风向与其平行，只有上风向有贡献，浓度与顺风位置无关。,22,2 有限长线源,设线源长度为范围为 ，根据不同情况取积分有：,无界情形有限线源：,有界情形高架线源：,23,二 面源扩散公式,在水平方向呈面块状散布的污染物排放源, 称面源。如散布很集中而高度低源强小的居民区污染源，可视为面源。 面源扩散公式，原则上可由点源扩散公式沿x和y方向积分而得。 假设面源源强为 ，自整个上风方的半平面对x=0和 y=0点造成的浓度贡献可分为两种： 1.地面面源( 即H=0 )情形 2.近地层面源(即
5、H )情形,24,由点源沿x和y向积分给出，自上风向半平面 对x=0，y=0造成的浓度贡献,实际运用时，常处理积分并作源的编目和模式化处理。,25,这里有一个面源如何合理处理的技术问题。经验上采用“虚点源”法，此法大致分两步：1）把大块面源划分为若干较小的面源块情况下，可将面源化为点源来处理，即将每一面源块（又称面源单元）简化为一个等效的点源假定整个面源块的污染物排放集中在该点。这样就可用点源扩散公式来计算该面源所造成的污染物浓度。（2）由烟流半宽定义有,26,此时，我们能在上游方向确定出虚拟点源的位置。即在这一点上，使虚拟点源的扩散参数恰等于该面源的初始扩散参数 。 这样，可得高架源地面浓度
6、为,27,在应用上式时,常采用经验方法给出初始扩散参数 ，如图所示 。假设:图中面源方块边长为a,虚拟点源出发的烟流在抵达面源中心位置时的横风向宽度2y。=a，横向初始扩散参数为,28,于是上式变成：,29,面积较小的虚点源法,30,三 体源扩散公式（自学）,与面源类似,31,重点,理解记忆掌握点源高斯扩散公式 理解掌握线、面源高斯公式,32,早期大气扩散参数处理 稳定度扩散级别与扩散曲线法 扩散曲线讨论 风向脉动与扩散函数法 扩散参数的研究现状,4.3 大气扩散参数,33,一 早期的扩散参数模式,格雷厄姆萨顿，英国气象学家。1903年2月4日生于克温坎。毕业于威尔士大学、阿伯里斯威恩大学和牛
7、津大学。19261928年在威尔士大学、阿伯里斯威恩大学任讲师，19281941年任助理教授。第二次世界大战期间从事国防科研工作。19421943年任英国国防部防化实验所所长。19431945年任坦克实验所所长。19451947年任英国雷达研究发展中心主任。19501955年任英国大气污染研究委员会主席。1951年任英国陆军部科学顾问。19521953年任英国皇家军事科学院教务长。1953年任皇家气象学会主席。19531956年任世界气象组织常务理事。19601966年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主席。19651971年任英国自然环境研究委员会主席。在自然环境和气象研究方面取得了许多成
8、果。曾获世界气象组织颁发的奖金。著作：大气湍流（Atmos-pheric turbulence，1948）；微气象学（Micrometeoro-logy，1953）,34,具体步骤： 1 找出泰勒公式中的拉格朗日相关系数的具体形式，即寻找它与某些可测气象参量的关系，代入泰勒公式求扩散参数。 2 将扩散参数代入基本高斯扩散，得到萨顿扩散公式。,1 萨顿模式,35,3 基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征量，宏观黏滞度，时间间隔相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。,以y向为例：,n为由风速梯度观测确定的实验常数， m为风速廓线幂指数。,36,萨顿参数,最早，但有局限性,37,萨顿基于
9、拉氏相关函数和泰勒公式导出（萨顿）广义扩散参数; 他的功绩在于将大气扩散参数与可测量的气象参量联系起来； 经验系数N , n , m 需要通过风速梯度观测才能确定; 萨顿曾在平坦地形做了小尺度扩散观测实验, 直接利用这些数据计算高架连续点源的扩散浓度将比实际观测值偏高。数理推导也不严密，应用也很不方便。故目前已不大使用。,38,和 由双向风标测量，反映大气湍流扩散能力。,2 直接测量湍流特征量的方法,H. E. Cramer(1957)提出,p，g与稳定度、下风向距离及地表粗糙度相关,39,3 BNL模式（M.E.Smith,1951）,特征量：水平风向摆动角的范围 高架源（108m高塔施放油
10、雾）扩散试验 简便、合理、实用，美国机械工程师协会沿用至今,40,4 J. S. Hay & F. Pasquill(1959),出发点：统计理论，泰勒公式 方法：利用相关函数和湍流能谱关系，由湍流观测资料做谱分析，计算扩散参数。 总结：模型合理可取，反映湍流场本质，而且准确度较高，其探讨有一定理论意义，但应用尚不普遍，观测要求高，计算工作量大。,41,由大量扩散试验（含气象观测和示踪物浓度观测）资料分析及理论分析得出扩散参数随下风方距离x的变化曲线 P-G法，或者P-G-T法 英国气象学家帕斯奎尔(F. Pasquill，1961)基于大量扩散实验资料的分析, 建立了一套扩散参数计算方案,
11、后经美国核气象学家杰富德(F. Giffod, 1961)和 美国公共卫生局的气象学家特纳尔(D. B. , Turner, 1967)的改进与完善,构成了现今广为引用的P- G-T 扩散曲线系统。,二 稳定度扩散分级与扩散曲线法,42,1. P-G曲线法 方法要点 大气分成A-F共六个稳定度等级 （云，日照，风速。） xy曲线（六条） （对应A、BF稳定度级）,43,帕斯奎尔(1961)按表3.3给出划分6个稳定度扩散级别: A级极不稳定, B级中等不稳定, C级弱不稳定, D级中性, E级弱稳定, F级 中等稳定。,44,P-G曲线的应用 根据常规资料确定稳定度级别,Pasquill（19
12、61）表3.3,45,太阳高度角 云量,Turner(1961)引入太阳高度角判定日射强弱的定量办法，确定稳定度级别。,日射等级,风速,稳定度,46,表3.6 日射等级确定规则,47,表3.7 Turner的稳定度分级方法,48,PG曲线的应用（10分钟平均）图3.10 利用扩散曲线确定 和,水平扩散参数,垂直扩散参数,49,用P-G扩散曲线方法确定扩散参数的步骤是： 根据太阳高度角和云量确定日射等级(见表3.6) ； 根据日射等级和地面风速确定稳定度等级（见表3.7) ； 根据稳定度等级和距离x可查出扩散参数（见图3.10)。,50,P-G曲线的应用 地面最大浓度估算,51,三 扩散曲线法的
13、完善,1.国家标准中的修改应用（GB/T13201-91）,修正太阳高度角的计算方法 适应我国大量地面观测无云高观测的情况,52,53,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,中国国家标准规定的方法,54,2 不同稳定度分类方法,（1）风向脉动标准差（EPA，1990）,55,56,以风速做细致调整，观测数据在粗糙度z0=15cm，10m高度处测量得到。采样时间为15min。 如果风向发生转折，为了尽量减小风向转折的影响，应该将长时间段分成小段进行计算，例如将60min的时间划分为15m
14、in一段，最终小时量值：,57,（2）与温度递减率有关方法 以温度递减率，即以两层（10m、60m）的垂直温度梯度来表征水平和垂直向的湍流状况。国际原子能机构(1980)推荐,58,以温度递减率来表征大气稳定度的方法对于稳定大气的情形比较可靠，不稳定或者高架源的情形适宜用水平风向脉动标准差方法。,59,以温度递减率和风速相结合（同时考虑支配湍流活动的机械和热力因子）,60, 分别以温度梯度和 表征湍流的垂直和水平运动,61,EPA(1990)推荐在缺乏云量和云高资料时，采用表3.18替换原P-G-T方法,700350 35050,62,（3）边界层湍流参量法,63,64,注意：,除了使用公认的
15、已有统一规范的方案，例如P-G-T方案，国家标准给出的修改方案，采用其他任何方案都应当验证其可行性，提供充分的实验依据和例证，必要时还应做专门的论证,65,3 不同源高和不同下垫面的应用,P-G扩散曲线实验依据：平坦理想条件，大量低矮源扩散试验。 不同源高 不同下垫面,66,Briggs，1974内插完善,4 扩散曲线法的内插完善,67,四 风向脉动和扩散函数法,扩散曲线法试验基础存在较大的经验性，方案结果有许多不确定性 仅以宏观气象状况为判据，在稳定度级别和湍流特性之间缺少清晰关系 目前重要发展由风向脉动与扩散函数确定扩散参数的方法,68,(1)方法原理,按照湍流扩散理论，在均匀定常条件下，
16、粒子位移的总体平均由泰勒公式表示。,69,由泰勒公式可得,为拉格朗日时间尺度,f为普适函数，扩散参数，函数形式随源高和稳定度变化,70,方法原理与湍流统计理论基础一致 舍弃分离的稳定度级别，采用连续性稳定度，接近实际 考虑源高影响，认为f是稳定度状况函数 使用方便，可用于多种情况,(2) 特点,71,Pasquill (1976)给出试验资料所得的f(x)数据,由泰勒公式积分可得,(3) 扩散函数f 的确定,72,两者中间范围一致，近范围，理论值稍高，远距离相反。,73,由试验资料分析求取扩散函数的方法-自学（P93）,74,（4）几种扩散函数表达式,75,五 扩散参数的现状和发展,自学完成,76,重点,大气稀释因子、烟流有效源高、虚拟点源、 P-G-T方法 国家标准,77,一 烟
