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1、第二章：大气环境化学Chapter 2 Atmospheric Environmental Chemistry第二节第二节 大气中污染物的迁移大气中污染物的迁移n大气中污染物的迁移大气中污染物的迁移是指从污染源排放出来的污染物是指从污染源排放出来的污染物由于空气的运动使其传输和分散的过程由于空气的运动使其传输和分散的过程.n污染物的污染物的迁移过程迁移过程可导致污染物浓度降低可导致污染物浓度降低.主要内容：主要内容：n辐射逆温层辐射逆温层 n大气稳定度大气稳定度 n大气污染数学模式大气污染数学模式n 影响大气污染物迁移的因素影响大气污染物迁移的因素 一、辐射逆温层一、辐射逆温层n对流层大气的对
2、流层大气的重要热源重要热源是来自地面的是来自地面的长波辐射长波辐射，故离，故离地面地面越近越近气温越高；离地面气温越高；离地面越远越远气温越低。气温越低。n随高度升高气温的降低率称为随高度升高气温的降低率称为大气垂直递减率大气垂直递减率：n在对流层中，在对流层中，0, 则则 dT/dz0，=0.6K/100m，即每升，即每升高高100m气温降低气温降低0.6。 n一定条件下出现反常现象：一定条件下出现反常现象： 当当=0 时，称为等温层；时，称为等温层； 当当an d: 干绝热垂直递减率。干绝热垂直递减率。n a：大气垂直递减率。：大气垂直递减率。n不稳定的大气：如果层结大气使气块趋于继续离开
3、原不稳定的大气：如果层结大气使气块趋于继续离开原来位置，则称层结是不稳定的，来位置，则称层结是不稳定的，dan中性的大气：介于上两者之间，中性的大气：介于上两者之间，d=an研究研究大气垂直递减率大气垂直递减率，可用于判断，气块稳定情况，可用于判断，气块稳定情况，气体垂直混合情况，考察污染物扩散情况。气体垂直混合情况，考察污染物扩散情况。2大气稳定度状况大气稳定度状况 基本假定基本假定:坐标系（见坐标系（见p50图图2-25） 右手坐标右手坐标，y为横风向，为横风向，z为垂直向为垂直向四点假设四点假设 a污染物浓度在污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布b全部高度风速均匀稳
4、定全部高度风速均匀稳定c源强是连续均匀稳定的源强是连续均匀稳定的d扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）1.高架连续点源大气污染模式高架连续点源大气污染模式（1）烟流模型基本公式）烟流模型基本公式三、大气污染数学模式三、大气污染数学模式c 污染物浓度，污染物浓度，g/m3Q源强，源强， g/s；指污染物排放速率指污染物排放速率,与空气中污染物质的浓度成正比。与空气中污染物质的浓度成正比。 烟囱高度处的平均风速，烟囱高度处的平均风速，m/s；y侧向扩散参数，污染物在侧向扩散参数，污染物在y方向分布的方向分布的标准偏差，是距离标准偏差，是距离y的函数，的函数，m；z竖
5、向扩散参数，污染物在竖向扩散参数，污染物在z方向分布的方向分布的标准偏差，是距离标准偏差，是距离z的函数，的函数，m；H烟囱的有效高度（烟轴高度，由烟囱几何高度烟囱的有效高度（烟轴高度，由烟囱几何高度Hs和烟流抬升高度和烟流抬升高度H组成，组成，即即H=Hs+H），），H：烟囱顶距烟轴的距离，随：烟囱顶距烟轴的距离，随x而变化的。而变化的。n依正态分布假定和地面对烟流的反射作用，由全反射原理推依正态分布假定和地面对烟流的反射作用，由全反射原理推导可得出下风向任一点的浓度分布。导可得出下风向任一点的浓度分布。(2) 有效源高计算有效源高计算nHolland公式：公式：n有效源高有效源高H H，系
6、指烟流中心线距地面的高度；为烟囱，系指烟流中心线距地面的高度；为烟囱高度高度HS与烟羽抬升高度与烟羽抬升高度 H之和，之和， H= HS+ H。n抬升高度抬升高度 H计算式：烟羽抬升主要取决于两个方面，计算式：烟羽抬升主要取决于两个方面，一是烟羽排出时的初始动量和浮力；二是周围大气的性质。一是烟羽排出时的初始动量和浮力；二是周围大气的性质。通常采用经验或半经验公式计算得到。通常采用经验或半经验公式计算得到。VsVs实际状态烟流出口速度，实际状态烟流出口速度，m/sm/s；d d烟囱出口直径烟囱出口直径,m,m；Ts TaTs Ta分别是烟气出口温度和环境大气温度，分别是烟气出口温度和环境大气温
7、度，K;K;P P大气压，大气压，PaPa；Q Qh h烟气热释放率，烟气热释放率，J/s,J/s,单位时间排出烟气的热量；单位时间排出烟气的热量； 烟囱口高度处的平均风速，烟囱口高度处的平均风速，m/sm/sn Holland Holland公式比较保守，公式比较保守，适用于中性大气条件，适用于中性大气条件，特特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下。别在烟囱高、热释放率比较强的情况下。 Holland建建议稳定时减小议稳定时减小1020 ，不稳时增加，不稳时增加1020。(3) 扩散参数的确定扩散参数的确定nPG曲线法曲线法 Pasquill根据常规气象资料：风速、云量、云状和日照等，根据常规
8、气象资料：风速、云量、云状和日照等，将大气扩散稀释能力分为将大气扩散稀释能力分为A、B、C、D、E、F六个稳定度六个稳定度等级。等级。nGifford建立了不同稳定度等级下，建立了不同稳定度等级下， 与下风向距离与下风向距离S的函数关系，并绘制成的函数关系，并绘制成PG曲线图。见曲线图。见P52图图2-26.方法要点：方法要点：n大气分成大气分成A-FA-F共六个稳定度等级共六个稳定度等级（依据气象参数：云、日照、风速（依据气象参数：云、日照、风速）nx-x-y y曲线（六条），（分别对应曲线（六条），（分别对应A A、B BF F稳定度级）稳定度级）扩散参数的确定扩散参数的确定PG曲线曲线法
9、法PG曲线的应用曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别根据常规资料确定稳定度级别扩散参数的确定扩散参数的确定P-G曲线法曲线法PG曲线的应用曲线的应用利用扩散曲线确定利用扩散曲线确定 和和4. 高架连续排放点源下风浓度计算实例高架连续排放点源下风浓度计算实例 例：某火力发电厂的烟囱高例：某火力发电厂的烟囱高20m，顶部直径顶部直径4 m，SO2 发生发生率为率为270g/s，烟囱出口处风速为烟囱出口处风速为3m/s，烟气温度烟气温度598K，地面风地面风速速2.1 m/s，风向为西南。如果烟囱顶部的气温为风向为西南。如果烟囱顶部的气温为283K，地面气地面气压为压为100103 pa，烟囱高度处
10、的风速为烟囱高度处的风速为4m/s ，问在清晨日出时，问在清晨日出时，距离烟囱距离烟囱600 m处，处，SO2 的浓度是多少？的浓度是多少？解：根据给定的条件，查表解：根据给定的条件，查表24, 得当时大气稳定度为得当时大气稳定度为E 级级, 由由图图226查得下风向查得下风向600m处的处的 y 为为34 m， z为为14 m ，由，由Holland 公式计算出烟羽升高度：公式计算出烟羽升高度： 由于稳定度为由于稳定度为E级，可将计算出的烟羽升高度值减少级，可将计算出的烟羽升高度值减少15，即：，即： H 2185 18 (m) 距烟囱下风向距烟囱下风向600m处处SO2 浓度（即高架连续点
11、源地面轴浓度（即高架连续点源地面轴线浓度，线浓度，y = 0 、z = 0)：四、影响大气污染物迁移的因素四、影响大气污染物迁移的因素n 大气污染迁大气污染迁移的影响因素移的影响因素风风: :是指空气水平方向的运动，风可使污染物向是指空气水平方向的运动，风可使污染物向下风向扩散；下风向扩散；湍流湍流: :是指空气不同与水平方向的次生运动，湍是指空气不同与水平方向的次生运动，湍流可使污染物向各方向扩散；流可使污染物向各方向扩散；浓度梯度浓度梯度: :可使污染物发生质量扩散。可使污染物发生质量扩散。影响影响特征特征大气中气块的两种不同性质的运动大气中气块的两种不同性质的运动n 摩擦层：摩擦层：在对
12、流层中（在对流层中（12km以下），空气的水平运动以下），空气的水平运动受地表的的机械摩擦、地表强烈的热力作用的影响而产生受地表的的机械摩擦、地表强烈的热力作用的影响而产生乱流，该层又称为乱流混合层，摩擦层顶以上的气层称为乱流，该层又称为乱流混合层，摩擦层顶以上的气层称为自由大气。自由大气。n动力乱流：动力乱流：有规律水平运动的气流遇到起伏不平的有规律水平运动的气流遇到起伏不平的地形地形扰扰动所产生的，也称为湍流；动所产生的，也称为湍流；n热力乱流：热力乱流：也称为对流，起因于地表面也称为对流，起因于地表面温度温度与地表面附近与地表面附近的温度不均一，近地面空气受热膨胀而上升，随之上面的的温度
13、不均一，近地面空气受热膨胀而上升，随之上面的冷空气下降，从而形成对流。冷空气下降，从而形成对流。n在摩擦层内，有时以动力乱流为主，有时动力乱流与热力在摩擦层内，有时以动力乱流为主，有时动力乱流与热力乱流共存，且主次难分。这些都是使大气中污染物迁移的乱流共存，且主次难分。这些都是使大气中污染物迁移的主要原因。主要原因。乱乱 流流动力乱流（动力乱流（湍流湍流）热力乱流（热力乱流（对流对流）乱流的形成乱流的形成： 大气中，一理想的处于平衡状态的气块，受到周围大气大气中，一理想的处于平衡状态的气块，受到周围大气温差带来的浮力作用，产生向上（或向下）的加速度运动，温差带来的浮力作用，产生向上（或向下）的
14、加速度运动，推导可得：推导可得：不同稳定度状况下的最大混合层高度不同稳定度状况下的最大混合层高度结论：结论： 受热气块不断向上运动，直到受热气块不断向上运动，直到T与与T相等，气块与周相等，气块与周围大气达到中性平衡。这时所相应的高度，定义为对流围大气达到中性平衡。这时所相应的高度，定义为对流混合层上限，或称为混合层上限，或称为最大混合层高度最大混合层高度（MMD)。不同稳定度状况下的最大混合层高度不同稳定度状况下的最大混合层高度实线：实际大气气温随高度的递变实线：实际大气气温随高度的递变虚线：干燥气块温度随高度的变化虚线：干燥气块温度随高度的变化a图：白天，正常大图：白天，正常大气中气块气中
15、气块沿干绝热线沿干绝热线膨胀而上升膨胀而上升，所达到，所达到的最大混合层高度；的最大混合层高度；b图：为夜间稳定大气图：为夜间稳定大气时的最大混合层高度，时的最大混合层高度，在这种情况下最大混在这种情况下最大混合层高度明显低；合层高度明显低；c图：是白天有逆图：是白天有逆温出现时的最大温出现时的最大混合层高度。混合层高度。2.天气形势与地理地势的影响天气形势与地理地势的影响天气形势对迁移扩散影响的几点说明：天气形势对迁移扩散影响的几点说明： n 天气形势天气形势是指大范围是指大范围气压分布气压分布的状况，局部地区的气象的状况，局部地区的气象条件总是受天气形势的影响；条件总是受天气形势的影响；n
16、 局部地区的扩散条件与大范围的天气形势互相关联；局部地区的扩散条件与大范围的天气形势互相关联；n 某些天气系统与区域性大气污染有密切联系，不利的天某些天气系统与区域性大气污染有密切联系，不利的天气形势和地形特征结合在一起常常可使某一地区的污染程气形势和地形特征结合在一起常常可使某一地区的污染程度加重。度加重。 在大气环流中，在北纬在大气环流中，在北纬30形成的下沉气流，常使其形成的下沉气流，常使其内部气温绝热升高，形成下沉逆温层。内部气温绝热升高，形成下沉逆温层。一个例子：一个例子：n 由于不同由于不同地形地貌地形地貌之间的物理性质存在着很大差异，之间的物理性质存在着很大差异，从而引起热辐射状
17、况在水平方向上分布不均匀；从而引起热辐射状况在水平方向上分布不均匀；n 上述上述热力差异热力差异在弱的天气系统条件下有可能产生局地在弱的天气系统条件下有可能产生局地环流。诸如海陆风、城郊风和山谷风等。环流。诸如海陆风、城郊风和山谷风等。地理地势对迁移扩散的影响地理地势对迁移扩散的影响n 海洋由于大量海水，其表面温度变化海洋由于大量海水，其表面温度变化缓慢缓慢，而大陆表，而大陆表面温度变化剧烈；面温度变化剧烈；n 受地表辐射的影响，白天陆地上空的气温增加得比海面受地表辐射的影响，白天陆地上空的气温增加得比海面上空快，在海陆之间形成指向大陆的气压梯度，较冷的空上空快，在海陆之间形成指向大陆的气压梯
18、度，较冷的空气从海洋流向大陆形成气从海洋流向大陆形成海风海风；n 夜间情况相反，陆地上空的空气流向海洋生成夜间情况相反，陆地上空的空气流向海洋生成陆风陆风。(1) (1) 海陆风海陆风 陆陆 地地海海 洋洋海陆风陆陆 地地海海 洋洋陆风海陆风海风陆陆 地地海海 洋洋海风海陆风陆风 海陆风对空气污染的影响：海陆风对空气污染的影响：一是循环作用；一是循环作用；处在局地环流之中的污染源，污染物有可处在局地环流之中的污染源，污染物有可能循环积累达到较高的浓度，直接排入上层反向气流的污能循环积累达到较高的浓度，直接排入上层反向气流的污染物，有一部分会随环流重新带回地面，提高了下层上风染物，有一部分会随环
19、流重新带回地面，提高了下层上风向的浓度。向的浓度。二是往返作用；在海陆风转换期间，随陆风输向海洋的污二是往返作用；在海陆风转换期间，随陆风输向海洋的污染物会被发展起来的海风带回陆地。染物会被发展起来的海风带回陆地。n 在城市中心，企、事业单位和居民燃烧大量燃料，使大量在城市中心，企、事业单位和居民燃烧大量燃料，使大量热能被排入到大气中，造成市区温度比郊区高，这个现象称热能被排入到大气中，造成市区温度比郊区高，这个现象称为城市热岛效应。为城市热岛效应。(2)城郊风城郊风 n 城市热岛上暖而轻的空气上升，四周郊区的冷空气向城市城市热岛上暖而轻的空气上升，四周郊区的冷空气向城市流动，便形成了城郊环流
20、；流动，便形成了城郊环流；n 在城郊环流作用下，城市和郊区排放的烟尘等污染物被聚在城郊环流作用下，城市和郊区排放的烟尘等污染物被聚积在城市上空，形成烟幕，导致市区大气污染加剧。积在城市上空，形成烟幕，导致市区大气污染加剧。n 山谷风山谷风是山区山坡和谷地受热不均而产生的一种是山区山坡和谷地受热不均而产生的一种局局地环流；地环流；n 白天受热的山坡把热量传递给其上面的空气，使坡白天受热的山坡把热量传递给其上面的空气，使坡上空气比同高度的谷中空气温度高，比重轻，产生上上空气比同高度的谷中空气温度高，比重轻，产生上升气流；同时，谷底中的冷空气沿坡爬升补充上升空升气流；同时，谷底中的冷空气沿坡爬升补充
21、上升空气流下的空间，便形成由谷底流向山坡的气流，称为气流下的空间，便形成由谷底流向山坡的气流，称为谷风谷风；n 夜间情况相反，山坡上的空气温度下降较谷底快，夜间情况相反，山坡上的空气温度下降较谷底快，山坡上的冷空气沿坡下滑形成山坡上的冷空气沿坡下滑形成山风山风。(3)山谷风山谷风山谷风山谷风山谷风山谷风：谷风：谷风山谷风山谷风：山风山风n 山区辐射逆温山区辐射逆温因地形作用而增强，夜间冷空气沿坡因地形作用而增强，夜间冷空气沿坡下滑，在谷底聚积，逆温发展的速度比平原快，逆温下滑，在谷底聚积，逆温发展的速度比平原快，逆温层更厚，强度更大。层更厚，强度更大。n 因地形阻挡因地形阻挡，河谷和凹地的风速很小，更有利于逆，河谷和凹地的风速很小，更有利于逆温的形成，因此山区全年逆温天数多，逆温层较厚，温的形成，因此山区全年逆温天数多，逆温层较厚，逆温强度大，持续时间也较长。逆温强度大，持续时间也较长。n 山区地形逆温山区地形逆温和和山谷风转换山谷风转换时往往造成山区严重空时往往造成山区严重空气污染重要因素。气污染重要因素。山区地形逆温的特点山区地形逆温的特点
