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第四章 大气扩散浓度估算模式

第四章 大气扩散浓度估算模式. 教学内容 §1 湍流扩散的基本理论 §2 高斯扩散模式 §3 污染物浓度的估算方法 §4 特殊气象条件下的扩散模式 §5 城市及山区的扩散模式 §6 烟囱高度设计 §7 厂址选择. 第 4 章 大气扩散浓度估算模式. 1 、教学要求 要求了解湍流扩散的基本理论，理解和掌握高斯扩散模式、烟囱高度的设计和厂址的选择。 2 、教学重点 掌握影响污染物稀释扩散法控制的有关条件；污染物浓度估算的高斯模式，烟囱高度的设计方法。 3 、教学难点 污染物稀释扩散法控制，污染物浓度估算的高斯模式。. §1 湍流扩散的基本理论.

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第四章 大气扩散浓度估算模式

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  1. 第四章 大气扩散浓度估算模式 教学内容 §1湍流扩散的基本理论 §2高斯扩散模式 §3污染物浓度的估算方法 §4特殊气象条件下的扩散模式 §5城市及山区的扩散模式 §6烟囱高度设计 §7厂址选择

  2. 第4章 大气扩散浓度估算模式 • 1、教学要求 • 要求了解湍流扩散的基本理论，理解和掌握高斯扩散模式、烟囱高度的设计和厂址的选择。 • 2、教学重点 • 掌握影响污染物稀释扩散法控制的有关条件；污染物浓度估算的高斯模式，烟囱高度的设计方法。 • 3、教学难点 • 污染物稀释扩散法控制，污染物浓度估算的高斯模式。

  3. §1 湍流扩散的基本理论 • 一、湍流概念简介 • 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105～106倍 1、什么是湍流？ 除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动） 或者说湍流是大气的无规则运动。 2、湍流与扩散的关系 把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运 动而形成它与分子运动极为相似。 3.湍流起因有两种形式 ： • 热力：温度垂直分布不均（不稳定） • 机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度

  4. 4.湍流运动的判据——雷诺数 • 雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据——雷诺数（Re） • 临界雷诺数 • 试验（圆管）表明： • 当Re>2000时的流体流动是 湍流 • 当Re<2000时的流体流动是层流 • 数值Re＝2000叫临界雷诺数 • 大气湍流——临界雷诺数 • 对于大气： • V=1.5×10-5m2/s • 若取L=1m • 只要U>0.1m/s • 则Re>6000 • 所以通常认为大气运动都是湍流运动

  5. 二、湍流扩散理论简介 • 1.梯度输送理论 • 2.湍流统计理论

  6. 3.研究湍流的主要方法 • 目前研究湍流的主要方法有两种： • 一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研究边界层大气运动； • 是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法，结合经验事实，采用适当的参数。 • 虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学家和工程技术人员对此比较感兴趣 • 另一种是湍流统计理论方法，即物理上把湍流视为大大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统计途径，来分析研究湍流内部结构。 • 将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科学家就致力于这方面的研究。

  7. §2高斯扩散模式 • 一、高斯模式的有关假定 • 1.坐标系 • 坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴，正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。食指—x轴；中指—y轴；拇指—z轴。此坐标系中，烟流中心与x轴重合或烟流在oxy平面的投影为x轴。 • 2.四点假设 • a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 • b．全部高度风速均匀稳定 • c．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）

  8. 高斯扩散模式坐标系 • 高斯扩散模式的坐标系

  9. 二、无界空间连续点源扩散模式

  10. 上式中： ū — 平均风速； Q—源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常： （ⅰ）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示； （ⅱ）连续点源以单位时间的释放量表示； （ⅲ）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示； （ⅳ）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。 δy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m； δz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m； 未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b； 式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。

  11. 三、高架连续点源扩散模式 高架源既考虑到地面的影响，又考虑到高出地面一定高度的排放源。地面对污染物的影响很复杂，如果地面对污染物全部吸收，则⑧式仍适用于地面以上的大气，但根据假设④可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”处理这类问题。可以把P点污染物浓度看成为两部分作用之和，一部分实源作用，一部分是虚源作用。见下页图：相当于位置在（0，0，H）的实源和位置在（0，0，-H）的像源，当不存在地面时在P点产生的浓度之和。 （1）实源作用：由于坐标原点原选在地面上，现移到源高为H处，相当于原点上移H，即原式⑧中的Z在新坐标系中为（Z-H）,不考虑地面的影响，则：

  12. 以上模式适用于气态污染物和粒径小于10μm的飘尘，对于大10μm的颗粒物，由于自身的沉降作用，浓度分布将有所改变。以上模式适用于气态污染物和粒径小于10μm的飘尘，对于大10μm的颗粒物，由于自身的沉降作用，浓度分布将有所改变。 7、倾斜烟云模式 在预测上述颗粒时，假设沉积和无沉积有相同的分布形式，但在整个烟云离开源以后，便以重力终端速度下降（ut）,此时，只要将高斯模式中有效源高H用( ) ) 来置换即可得到倾斜烟云模式。

  13. →

  14. 地面反射系数 四、颗粒物扩散模式 • 粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算 • 大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式

  15. 烟气抬升 初始动量： 速度、内径 烟温度 －>浮力 §3污染物浓度的估算 一.烟气抬升高度的计算

  16. 一.烟气抬升高度的计算 • 抬升高度计算式 • 1. Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％） • Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下

  17. 一、烟气抬升高度的计算 • 抬升高度计算式（续） 2.Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件

  18. 一、烟气抬升高度的计算 • 抬升高度计算式 （续） 3.我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式

  19. 二、扩散参数的确定 • 1、P－G曲线法 • P－G曲线Pasquill常规气象资料估算 • Gifford制成图表

  20. 1.扩散参数的确定－P－G曲线法 • P－G曲线的应用 • 根据常规资料确定稳定度级别

  21. 1.扩散参数的确定－P－G曲线法 • P－G曲线的应用 • 利用扩散曲线确定 和

  22. 1.扩散参数的确定－P－G曲线法 • P－G曲线的应用 • 地面最大浓度估算

  23. 太阳高度角（式4-29，地理纬度，倾角） 辐射等级 稳定度 云量 （加地面风速） 2.扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法 • 稳定度分类方法 • 改进的P－T法

  24. 2.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，

  25. §4 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

  26. 一、封闭型扩散模式 • 计算简化：

  27. 二、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

  28. 二、熏烟型扩散模式

  29. §5 城市及山区扩散模式 • 一、城市大气扩散模式 1.线源扩散模式

  30. 一、城市大气扩散模式 • 2.面源扩散模式 • 大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量<0.04t/h

  31. 一、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

  32. 一、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

  33. 3.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 • 城市多源模式 • 如EPA推荐的ISC模式（Industrial Source Complex Model） • 光化学模式 • 如EPA推荐的UAM－V（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

  34. Gaussian Dispersion Model Photochemical Box Model OZIP/EKMA (for ozone) ISC3, CALPUFF, AERMOD (for primary pollutants) 城市空气质量模式的发展 • 第一代模式 http://www.epa.gov/scram001/tt22.htm

  35. 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

  36. PM2.5 SOx [or NOx] + NH3 + OH ---> (NH4)2SO4 [or NH4NO3] VOC + OH ---> Orgainic PM One Atmosphere Ozone Visibility One Atmosphere Fine PM (Nitrate, Sulfate, Organic PM) .OH NOx + VOC + OH + hv ---> O3 Acid Rain Water Quality SO2 + OH ---> H2SO4 NOx + SOx + OH (Lake Acidification, Eutrophication) NO2 + OH ---> HNO3 OH <---> Air Toxics (POM, PAH, Hg(II), etc.) Air Toxics 城市空气质量模式的发展 • 第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念

  37. 第三代模式（Models－3） http://www.epa.gov/asmdnerl/models3/

  38. 二、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 • 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 • ERT模式 高斯模式，只对有效源高进行修正

  39. §6 烟囱高度的设计 烟囱不单是一排气装置，也是控制空气污染、保护环境的重要设备。烟囱高度、出口直径、喷出速度等工艺参数应满足减少对地面污染的需要。增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染，大体上C地面∝1/H2，但超过一定高度后再增加高度，对地面浓度的影响甚微，而烟囱的造价却随高度增加而急剧增大（烟囱的造价∝H2），所以并不是烟囱愈高愈好。设计烟囱高度的基本原则是既要保证排放物造成的地面最大浓度或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准，又应做到投资最省。 一、烟囱高度计算 烟囱高度的计算分为：①精确计算法；②简化计算法。 烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算，据对地面浓度要求不同，有两种计算法方法：（一）保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算方法；（二）保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法。 1.按地面最大浓度的计算方法 以地面最大浓度不超过规定为依据，保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算公式

  40. 一、烟囱高度的计算 • 2.按地面绝对最大浓度计算

  41. 3.根据一定保证率计算烟囱高度 ∵由地面最大浓度计算法→HS较矮， 当u＜ū时， 地面浓度超标； 由地面绝对最大浓度计算法→HS较高，无论u多大，地面浓度不超标，但烟囱造价高。 ∴在确定保证率后，ū、稳定度取一定值后代入上述公式，可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度，较前面较合理。 4.根据点源烟尘允许排放率设计（P值法计算烟囱高度） 根据“指定大气污染物排放标准的技术方法”GB/T13201-91中规定的点源烟尘允许排放率计算式： 式中：Qe－烟尘允许排放速率，t/h； Pe－烟尘排放控制系数，t/(h·m2)； H－有效源高，m。 由此得烟囱高度为：

  42. 二、烟囱设计中的若干问题 1.分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度计算公式。 烟型不同产生的地面最大浓度不同，烟囱高度的计算公式不同，因此确定烟型很重要。常用两种方法： 1）选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式； 2）选择保证一定的地面最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱高度计算公式。 ①波型: 发生在天气晴朗，风速不大，比较缓和的日子里，近距离造成短时间的污染浓度比锥形高。近地层中，低矮烟囱发热量小的污染源以此烟型为例，并应校核逆温层情况。 ②锥型:100m左右的烟囱多发生此烟型。此烟型发生在温度层结近中性或中等到大风的情况，即发生在多云有风的白天或有风的夜晚。 ③平展型和漫烟型: 较大的发电厂以漫烟型为主，夜间多为平展型，日出后一段时间发生漫烟型。 ④封闭型: 大于200m的较高烟囱以此型为主。观测发现：当混合层厚度在760—1065m间时，它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍，Cmax可持续2—4小时，常出现在早晨和中午。

  43. 地面最大浓度与B/H关系很大，在某一比值以后，污染浓度主要取决于B，烟囱高度只起次要作用。此时靠增加Hs减少污染浓度不经济。总之，目前Hs计算以锥形模式为主，对超高型烟囱无成熟可靠的方法。地面最大浓度与B/H关系很大，在某一比值以后，污染浓度主要取决于B，烟囱高度只起次要作用。此时靠增加Hs减少污染浓度不经济。总之，目前Hs计算以锥形模式为主，对超高型烟囱无成熟可靠的方法。 2.抬升公式很多，用何公式应按具体情况而定，一般选霍氏公式 3.公式中与气象有关的参数取值有两种方法： ①取多年平均值；②取某一保障频率的值：如已知ū＞3m/s的频率为80%，取3m/s可保证有80%不超标，而地面平均最大浓度可能比规定标准更低。 上述计算公式实际上会遇到许多问题，必须予以考虑，如上述模式仅适于锥形扩散，实际是变化的，要根据建厂地区的气象条件等来取值。

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