4大氣污染.ppt

1 第四章大氣擴(kuò)散濃度估算模式 教學(xué)內(nèi)容 1湍流擴(kuò)散的基本理論 2高斯擴(kuò)散模式 3污染物濃度的估算方法 4特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式 5城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式 6煙囪高度設(shè)計 7廠址選擇 2 第4章大氣擴(kuò)散濃度估算模式 1 教學(xué)要求要求了解湍流擴(kuò)散的基本理論 理解和掌握高斯擴(kuò)散模式 煙囪高度的設(shè)計和廠址的選擇 2 教學(xué)重點(diǎn)掌握影響污染物稀釋擴(kuò)散法控制的有關(guān)條件 污染物濃度估算的高斯模式 煙囪高度的設(shè)計方法 3 教學(xué)難點(diǎn)污染物稀釋擴(kuò)散法控制 污染物濃度估算的高斯模式 3 1湍流擴(kuò)散的基本理論 一 湍流概念簡介擴(kuò)散的要素風(fēng) 平流輸送為主 風(fēng)大則湍流大湍流 擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快105 106倍1 什么是湍流 除在水平方向運(yùn)動外 還會由上 下 左 右方向的亂運(yùn)動 風(fēng)的這種特性和擺動稱為大氣湍流 有點(diǎn)象分子的熱運(yùn)動 或者說湍流是大氣的無規(guī)則運(yùn)動 2 湍流與擴(kuò)散的關(guān)系把湍流想象成是由許多湍渦形成的 湍渦的不規(guī)則運(yùn)動而形成它與分子運(yùn)動極為相似 3 湍流起因有兩種形式 熱力 溫度垂直分布不均 不穩(wěn)定 機(jī)械 垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度 4 4 湍流運(yùn)動的判據(jù) 雷諾數(shù) 雷諾還找到了由層流運(yùn)動轉(zhuǎn)換到湍流運(yùn)動的判據(jù) 雷諾數(shù) Re 臨界雷諾數(shù)試驗(yàn) 圓管 表明 當(dāng)Re 2000時的流體流動是湍流當(dāng)Re0 1m s則Re 6000所以通常認(rèn)為大氣運(yùn)動都是湍流運(yùn)動 5 二 湍流擴(kuò)散理論簡介 主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系1 梯度輸送理論德國科學(xué)家菲克 在1855年發(fā)表了一篇題為 論擴(kuò)散 的著名論文 在這篇論文中 他首先提出了梯度擴(kuò)散理論 他把這個理論表述為 假定食鹽在其溶劑中的擴(kuò)散定律與在導(dǎo)體中發(fā)生的熱擴(kuò)散相同 是十分自然的 通過泰勒 G I Tayler 與菲克 A Fick 擴(kuò)散理論的類比建立起來的 菲克認(rèn)為分子擴(kuò)散的規(guī)律與傅立葉提出的固體中的熱傳導(dǎo)的規(guī)律類似 皆可用相同的數(shù)學(xué)方程式描述 湍流梯度輸送理論進(jìn)一步假定 由大氣湍流引起的某物質(zhì)的擴(kuò)散 類似于分子擴(kuò)散 并可用同樣的分子擴(kuò)散方程描述 為了求得各種條件下某污染物的時 空分布 必須對分子擴(kuò)散方程在進(jìn)行擴(kuò)散的大氣湍流場的邊界條件下求解 然而由于邊界條件往往很復(fù)雜 不能求出嚴(yán)格的分析解 只能在特定的條件下求出近似解 再根據(jù)實(shí)際情況修正 6 二 湍流擴(kuò)散理論簡介 2 湍流統(tǒng)計理論 泰勒 G I TaYler 首先應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法研究湍流擴(kuò)散問題 并于1921年提出了著名的泰勒公式 湍流統(tǒng)計理論假定 流體中的微粒與連續(xù)流體一樣 呈連續(xù)運(yùn)動 微粒在進(jìn)行傳輸和擴(kuò)散時 不發(fā)生化學(xué)和生物學(xué)反應(yīng) 微粒的大小和質(zhì)量不計 并將微粒運(yùn)動看作是相對于一定空間發(fā)生的 圖4 1表示從污染源釋放出的粒子 在風(fēng)沿著x方向吹的湍流大氣中擴(kuò)散的情況 假定大氣湍流場是均勻 穩(wěn)定的 從原點(diǎn)釋放出的一個粒子的位置用y表示 則y隨時間而變化 但其平均值為零 如果從原點(diǎn)放出很多粒子 則在x軸上粒子的濃度最高 濃度分布以x軸為對稱軸 并符合正態(tài)分布 7 圖4 1由湍流引起的擴(kuò)散 8 3 相似理論 湍流相似擴(kuò)散理論 最早始于英國科學(xué)家里查森和泰勒 后來由于許多科學(xué)家的努力 特別是俄國科學(xué)家的貢獻(xiàn) 使湍流擴(kuò)散相似理論得到很大發(fā)展 湍流擴(kuò)散相似理論的基本觀點(diǎn)是 湍流由許多大小不同的湍渦所構(gòu)成 大湍渦失去穩(wěn)定分裂成小湍渦 同時發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移 這一過程一直進(jìn)行到最小的湍渦轉(zhuǎn)化為熱能為止 從這一基本觀點(diǎn)出發(fā) 利用量綱分析的理論 建立起某種統(tǒng)計物理量的普適函數(shù) 再找出普適函數(shù)的具體表達(dá)式 從而解決湍流擴(kuò)散問題 我們把這種理論稱為相似擴(kuò)散理論 利用這些理論進(jìn)行研究時 常采用數(shù)值分析法 現(xiàn)場研究法和實(shí)驗(yàn)室模擬研究法三種方法 理論和方法的運(yùn)用不可分割 應(yīng)該將它們很好地結(jié)合在一起 得出與實(shí)際大氣污染擴(kuò)散相符合的計算模式 9 10 大氣湍流與污染物的擴(kuò)散 圖a表示煙團(tuán)在比它尺度小的湍渦作用下 一邊隨風(fēng)遷移 一邊受到湍渦的攪擾 邊緣不斷與周圍空氣混合 體積緩慢地膨脹 煙團(tuán)內(nèi)部的濃度也不斷地降低 圖8 3b表示煙團(tuán)受到大尺度湍渦的作用 這時煙團(tuán)主要被湍渦所挾帶 本身增長不大 圖8 3c表示煙團(tuán)受到大小尺度相當(dāng)?shù)耐臏u扯動變形 這是一種最強(qiáng)的擴(kuò)散過程 在實(shí)際大氣中同時存在著各種不同大小的湍渦 擴(kuò)散過程是上述幾種過程共同完成的 11 2高斯擴(kuò)散模式 一 高斯模式的有關(guān)假定1 坐標(biāo)系坐標(biāo)系取排放點(diǎn) 無界源 地面源或高架源排放點(diǎn) 在地面的投影點(diǎn)為原點(diǎn) 主風(fēng)向?yàn)閤軸 y軸在水平面內(nèi)垂直于x軸 正方向在x軸的左側(cè) z軸垂直于水平面 向上為正 即右手坐標(biāo)系 食指 x軸 中指 y軸 拇指 z軸 此坐標(biāo)系中 煙流中心與x軸重合或煙流在oxy平面的投影為x軸 2 四點(diǎn)假設(shè)a 污染物濃度在y z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布b 全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定c 源強(qiáng)是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d 擴(kuò)散中污染物是守恒的 不考慮轉(zhuǎn)化 12 高斯擴(kuò)散模式坐標(biāo)系 高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系 13 二 無界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式 14 上式中 平均風(fēng)速 Q 源強(qiáng)是指污染物排放速率 與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比 它是研究空氣污染問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 通常 瞬時點(diǎn)源的源強(qiáng)以一次釋放的總量表示 連續(xù)點(diǎn)源以單位時間的釋放量表示 連續(xù)線源以單位時間單位長度的排放量表示 連續(xù)面源以單位時間單位面積的排放量表示 y 側(cè)向擴(kuò)散參數(shù) 污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差 是距離x的函數(shù) m z 豎向擴(kuò)散參數(shù) 污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差 是距離x的函數(shù) m 未知量 濃度c 待定函數(shù)A x 待定系數(shù)a b 式 組成一方程組 四個方程式有四個未知數(shù) 故方程式可解 15 16 17 1 高斯煙流的形態(tài) 18 2 高斯煙流的濃度分布 高斯煙流中心線上的濃度分布 19 三 高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式高架源既考慮到地面的影響 又考慮到高出地面一定高度的排放源 地面對污染物的影響很復(fù)雜 根據(jù)假設(shè) 可認(rèn)為地面就象鏡子一樣對污染物起全反射作用 按全反射原理 可用 像源法 處理這類問題 可以把P點(diǎn)污染物濃度看成為兩部分作用之和 一部分不存在地面時P點(diǎn)所具有的污染物濃度 另一部分是由于地面反射作用所增加的濃度 這相當(dāng)于不存在地面時由位置在 0 0 H 的實(shí)源和在 0 0 H 的像源在P點(diǎn)所產(chǎn)生的濃度之和 1 實(shí)源作用 由于坐標(biāo)原點(diǎn)選在地面上 現(xiàn)移到源高為H處 相當(dāng)于原點(diǎn)上移H 即原式 中的Z在新坐標(biāo)系中為 Z H 不考慮地面的影響 則 20 21 22 23 24 以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于15 m的飄塵 對于大15 m的顆粒物 由于自身的沉降作用 濃度分布將有所改變 7 傾斜煙云模式在預(yù)測上述顆粒時 假設(shè)沉積和無沉積有相同的分布形式 但在整個煙云離開源以后 便以重力終端速度下降 ut 此時 只要將高斯模式中有效源高H用 來置換即可得到傾斜煙云模式 25 26 四 顆粒物擴(kuò)散模式 粒徑小于15 m的顆粒物可按氣體擴(kuò)散計算大于15 m的顆粒物 傾斜煙流模式 地面反射系數(shù) 27 3污染物濃度的估算 q源強(qiáng)計算或?qū)崪y平均風(fēng)速多年的風(fēng)速資料H有效煙囪高度 擴(kuò)散參數(shù) 一 煙氣抬升高度的計算 28 一 煙氣抬升高度的計算 抬升高度計算式1 Holland公式 適用于中性大氣條件 穩(wěn)定時減小 不穩(wěn)時增加10 20 Holland公式比較保守 特別在煙囪高 熱釋放率比較強(qiáng)的情況下 29 一 煙氣抬升高度的計算 抬升高度計算式 續(xù) 2 Briggs公式 適用不穩(wěn)定及中性大氣條件 30 一 煙氣抬升高度的計算 抬升高度計算式 續(xù) 3 我國 制訂地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法 GB T13201 91 中的公式 31 二 擴(kuò)散參數(shù)的確定 P G曲線法P G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表 32 1 擴(kuò)散參數(shù)的確定 P G曲線法 P G曲線的應(yīng)用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別 33 1 擴(kuò)散參數(shù)的確定 P G曲線法 P G曲線的應(yīng)用利用擴(kuò)散曲線確定和 34 1 擴(kuò)散參數(shù)的確定 P G曲線法 P G曲線的應(yīng)用地面最大濃度估算 35 2 擴(kuò)散參數(shù)的確定 中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法 穩(wěn)定度分類方法改進(jìn)的P T法 36 2 擴(kuò)散參數(shù)的確定 中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法 擴(kuò)散參數(shù)的選取擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)式為 取樣時間0 5h 按表4 8查算 平原地區(qū)農(nóng)村和城市遠(yuǎn)郊區(qū) D E F向不穩(wěn)定方向提半級工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū) C提至B級 D E F向不穩(wěn)定方向提一級丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市 同工業(yè)區(qū)取樣時間大于0 5h 不變 37 4特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式 主要指氣象條件與高斯模式不一樣 溫度層結(jié)均一 實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn) 封閉型擴(kuò)散模式 上部逆溫 相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射實(shí)源和無窮多個虛源貢獻(xiàn)之和n為反射次數(shù) 在地面和逆面實(shí)源在兩個鏡子里分別形成n個像 38 一 封閉型擴(kuò)散模式 計算簡化 39 二 熏煙型擴(kuò)散模式 假設(shè) D換成hf 垂向均勻分布 q只包括進(jìn)入混合層部分 則仍可用上面公式 40 二 熏煙型擴(kuò)散模式 41 5城市及山區(qū)擴(kuò)散模式 一 城市大氣擴(kuò)散模式1 線源擴(kuò)散模式 42 一 城市大氣擴(kuò)散模式 2 面源擴(kuò)散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件 煙囪高40m 單個排放量 0 04t h 43 一 城市大氣擴(kuò)散模式 2 面源擴(kuò)散模式 續(xù) 簡化為點(diǎn)源的面源擴(kuò)散模式 續(xù) 形心上風(fēng)向距x0處有一虛擬點(diǎn)源 其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等煙流寬度 中心線到濃度為中心處距離的兩倍 正態(tài)分布 確定 之后即可按點(diǎn)源計算面源濃度 44 一 城市大氣擴(kuò)散模式 2 面源擴(kuò)散模式 續(xù) 窄煙流模式某點(diǎn)的污染物濃度主要取決于上風(fēng)向面單元的源強(qiáng) 上風(fēng)向兩側(cè)單元對其影響很小某點(diǎn)的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強(qiáng)決定 45 二 山區(qū)擴(kuò)散模式 山區(qū)流場由于受到復(fù)雜地形的熱力和動力因子影響 流場均勻和定常的假定難以成立對風(fēng)向穩(wěn)定 研究尺度不大 地形較為開闊及起伏不大的地區(qū) 濃度基本上遵循正態(tài)分布規(guī)律 只是擴(kuò)散參數(shù)比平原地區(qū)大很多 ERT模式高斯模式 只對有效源高進(jìn)行修正 NOAA和EPA模式NOAA 以高斯模式為基礎(chǔ) 對有效源高進(jìn)行修正EPA 與NOAA相似 只是對所有穩(wěn)定度級別都進(jìn)行了地形高度修正 46 6煙囪高度的設(shè)計煙囪不單是一排氣裝置 也是控制空氣污染 保護(hù)環(huán)境的重要設(shè)備 煙囪高度 出口直徑 噴出速度等工藝參數(shù)應(yīng)滿足減少對地面污染的需要 增加煙囪高度可以減輕污染源對局部地區(qū)的污染 大體上C地面 1 H2 但超過一定高度后再增加高度 對地面濃度的影響甚微 而煙囪的造價卻隨高度增加而急劇增大 煙囪的造價 H2 所以并不是煙囪愈高愈好 設(shè)計煙囪高度的基本原則是既要保證排放物造成的地面最大濃度或地面絕對最大濃度不超過國家大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 又應(yīng)做到投資最省 一 煙囪高度計算煙囪高度的計算分為 精確計算法 簡化計算法 煙囪高度一般按錐型擴(kuò)散正態(tài)分布模式導(dǎo)出的簡化公式計算 據(jù)對地面濃度要求不同 有兩種計算法方法 一 保證地面最大濃度不超過國家標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值的計算方法 二 保證地面絕對最大濃度不超過允許濃度的計算方法 1 按地面最大濃度的計算方法以地面最大濃度不超過規(guī)定為依據(jù) 保證地面最大濃度不超過允許濃度的計算公式 47 48 一 煙囪高度的計算 2 按地面絕對最大濃度計算 49 3 根據(jù)一定保證率計算煙囪高度 由地面最大濃度計算法 HS較矮 當(dāng)u 時 地面濃度超標(biāo) 由地面絕對最大濃度計算法 HS較高 無論u多大 地面濃度不超標(biāo) 但煙囪造價高 在確定保證率后 穩(wěn)定度取一定值后代入上述公式 可得某一保證率的氣象條件下的煙囪高度 較前面較合理 4 根據(jù)點(diǎn)源煙塵允許排放率設(shè)計 P值法計算煙囪高度 根據(jù) 指定大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法 GB T13201 91中規(guī)定的點(diǎn)源煙塵允許排放率計算式 式中 Qe 煙塵允許排放速率 t h Pe 煙塵排放控制系數(shù) t h m2 H 有效源高 m 由此得煙囪高度為 50 二 煙囪設(shè)計中的若干問題1 分析擬建廠地區(qū)可能產(chǎn)生的煙型及頻率 正確選用煙囪高度計算公式 煙型不同產(chǎn)生的地面最大濃度不同 煙囪高度的計算公式不同 因此確定煙型很重要 常用兩種方法 1 選用最不利的煙型相應(yīng)的煙囪高度計算公式 2 選擇保證一定的地面最大濃度出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間的煙型及相應(yīng)的煙囪高度計算公式 波型 發(fā)生在天氣晴朗 風(fēng)速不大 比較緩和的日子里 近距離造成短時間的污染濃度比錐形高 近地層中 低矮煙囪發(fā)熱量小的污染源以此煙型為例 并應(yīng)校核逆溫層情況 錐型 100m左右的煙囪多發(fā)生此煙型 此煙型發(fā)生在溫度層結(jié)近中性或中等到大風(fēng)的情況 即發(fā)生在多云有風(fēng)的白天或有風(fēng)的夜晚 平展型和漫煙型 較大的發(fā)電廠以漫煙型為主 夜間多為平展型 日出后一段時間發(fā)生漫煙型 封閉型 大于200m的較高煙囪以此型為主 觀測發(fā)現(xiàn) 當(dāng)混合層厚度在760 1065m間時 它造成的地面最大濃度可達(dá)錐形的三倍 Cmax可持續(xù)2 4小時 常出現(xiàn)在早晨和中午 51 地面最大濃度與B H關(guān)系很大 在某一比值以后 污染濃度主要取決于B 煙囪高度只起次要作用 此時靠增加Hs減少污染濃度不經(jīng)濟(jì) 總之 目前Hs計算以錐形模式為主 對超高型煙囪無成熟可靠的方法 2 抬升公式很多 用何公式應(yīng)按具體情況而定 一般選霍氏公式3 公式中與氣象有關(guān)的參數(shù)取值有兩種方法 取多年平均值 取某一保障頻率的值 如已知 3m s的頻率為80 取3m s可保證有80 不超標(biāo) 而地面平均最大濃度可能比規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)更低 上述計算公式實(shí)際上會遇到許多問題 必須予以考慮 如上述模式僅適于錐形擴(kuò)散 實(shí)際是變化的 要根據(jù)建廠地區(qū)的氣象條件等來取值 52 53 7廠址選擇 一 選擇廠址所需的氣候資料氣候資料是指氣象資料的常年統(tǒng)計形式 1 風(fēng)向和風(fēng)速氣候資料 為了一目了然 常把風(fēng)資料畫成風(fēng)玫瑰圖 圖a是風(fēng)向玫瑰圖 圖b風(fēng)速玫瑰圖是各個風(fēng)向的平均風(fēng)速絕對值 圖c是風(fēng)速和風(fēng)向頻率復(fù)合圖 該圖矢線長度代表風(fēng)向頻率大小 矢線末端的風(fēng)速羽代表平均風(fēng)速 每一羽可表示0 5或1 0m s 風(fēng)向 風(fēng)速 玫瑰圖 在8個或16個方向上給出風(fēng)向 風(fēng)速 的相對頻率或絕對值 用線段表示 連接各端點(diǎn)即成 風(fēng)玫瑰圖可按多年 5 10年或更長 的平均值作 也可按某月或某季的多年平均值作 山區(qū)地形復(fù)雜 風(fēng)向 風(fēng)速隨地形和高度而變 可做出不同地點(diǎn)和高度的風(fēng)玫瑰圖 靜風(fēng) 風(fēng)速 1 0m s 或微風(fēng) 風(fēng)速為1 2m s 情況大氣通風(fēng)條件差 容易引起高濃度污染 尤其是長時間靜風(fēng)會使污染物大量積累 引起嚴(yán)重污染 因此 在空氣污染分析中不僅應(yīng)統(tǒng)計靜風(fēng)頻率 有條件還要統(tǒng)計靜風(fēng)持續(xù)時間 54 55 2 大氣穩(wěn)定度的氣象資料一般氣象臺沒有近地層大氣逆溫層結(jié)的詳細(xì)資料 但可據(jù)P T法利用已知的氣象資料進(jìn)行分類 統(tǒng)計出月 年 季 各穩(wěn)定度頻率 作出必要的圖表 3 混合層高度的確定混合層高度是影響混合物鉛直擴(kuò)散的重要參數(shù) 由于溫度層結(jié)的晝夜變化 混合層高度也隨時間變化 混合層高度可看作氣塊作干絕熱上升運(yùn)動的上限高度 即 干絕熱遞減率上限高度 混合層愈高 則污染物垂直擴(kuò)散的范圍越大 具體指出污染物在鉛直方向的擴(kuò)散范圍 受太陽輻射的影響 午后混合層高度最大 在溫度 高度圖上 從上午最大地面溫度作干絕熱線 與早晨溫度探空曲線的交點(diǎn)高度為午后混合層高度 即最大混合層高度 見下頁圖示 大范圍內(nèi)的平均污染濃度 可以認(rèn)為與混合層高度和混合層內(nèi)的平均風(fēng)速的乘積成反比 通常定義D 為通風(fēng)系數(shù) D 單位時間內(nèi)通過與平均風(fēng)向垂直的單位寬度混合層的空氣層 通風(fēng)系數(shù)越大 污染濃度越小 56 57 二 長期平均濃度的計算在廠址選擇和環(huán)境評價中 人們更關(guān)心的長期平均濃度的分布 下面討論長期平均濃度的計算方法 氣象隨提供的風(fēng)向資料是按16方位給出的 每個方位相當(dāng)于一個22 5 的扇形 因此 可按每個扇形計算長期平均濃度 推導(dǎo)時作以下假定 1 同一扇形內(nèi)各角度的風(fēng)向頻率相同 即在同一扇形內(nèi)同一距離上 污染物濃度在y方向是相等的 2 當(dāng)吹某一扇形風(fēng)時 全部污染物都落在這個扇形里 58 59 60 61 三 廠址選擇從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā) 理想的建廠位置是污染本底值最小 擴(kuò)散稀釋能力強(qiáng) 排出的污染物