大氣污染控制工程 第四章 大氣污染物擴散模式

1、第四章 大氣污染物擴散模式1.湍流擴散的基本理論2.高斯擴散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴散模式5.城市及山區(qū)的擴散模式6.煙囪高度設(shè)計第一節(jié) 湍流擴散的基本理論w擴散的要素風(fēng)：平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105106倍w湍流的基本概念 湍流大氣的無規(guī)則運動 w風(fēng)速的脈動w風(fēng)向的擺動w起因與兩種形式 熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度湍流擴散理論w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w1.梯度輸送理論類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負(fù)濃度梯度成正比2.湍流統(tǒng)計理論 泰勒圖4-1，正態(tài)分布 薩頓實用模式

2、高斯模式 3.相似理論 第二節(jié) 高斯擴散模式w高斯模式的有關(guān)假定坐標(biāo)系 右手坐標(biāo)，y為橫風(fēng)向，z為垂直向四點假設(shè) wa污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布wb全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定wc源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的wd擴散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化） 高斯擴散模式w高斯擴散模式的坐標(biāo)系無界空間連續(xù)點源擴散模式w由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點的濃度分布w方差的表達式w由假定d 源強積分式 （單位時間物料守恒） 22( , , )( )eeaybzc x y zA x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z2222( , )exp ()222yzyzqyzc x

3、y zu 高斯煙流的形態(tài)2222( , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 高斯煙流的濃度分布高架連續(xù)點源擴散模式w鏡像全反射-像源法實源： 像源：( , ,)c x y z Hz( , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 實實源源的的貢貢獻獻2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 實實源源的的貢貢獻獻2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像像源源的的貢貢獻獻2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyz

4、Hc x y z Hu 像像源源的的貢貢獻獻222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 實實際際濃濃度度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 實實際際濃濃度度高架連續(xù)點源擴散模式2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面濃度模式：取地面濃度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面濃度模式：取地面濃度模式：取z z0 0代入上式，得代入

5、上式，得22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地地面面軸軸線線濃濃度度模模式式：再再取取y y= =0 0代代入入上上式式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地地面面軸軸線線濃濃度度模模式式：再再取取y y= =0 0代代入入上上式式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上上式式，x增增大大，則則、 增增大大，第第一一項項減減小小，第第二二項項增增大大，必必然然在在某某x 處處有有最最大大值值地地面面最最大大濃濃度度模模式式：考考慮慮地地面面軸軸線線濃濃度度模模式式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上上式式，x增增大

6、大，則則、 增增大大，第第一一項項減減小小，第第二二項項增增大大，必必然然在在某某x 處處有有最最大大值值yz上上式式，x增增大大，則則、 增增大大，第第一一項項減減小小，第第二二項項增增大大，必必然然在在某某x 處處有有最最大大值值地地面面最最大大濃濃度度模模式式：考考慮慮地地面面軸軸線線濃濃度度模模式式高架連續(xù)點源擴散模式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czxxH地地面面最最大大濃濃度度模模式式（續(xù)續(xù)）：設(shè)設(shè)（實實際際中中成成立立）由由此此求求得得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx

7、xH地地面面最最大大濃濃度度模模式式（續(xù)續(xù)）：設(shè)設(shè)（實實際際中中成成立立）由由此此求求得得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相當(dāng)當(dāng)于于無無界界源源的的2 2倍倍（鏡鏡像像垂垂直直于于地地面面，源源強強加加倍倍）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相當(dāng)當(dāng)于于無無界界源源的的2 2倍倍（鏡鏡像像垂垂直直于于地地面面，源源強強加加倍倍）顆粒物擴散模式w粒徑小于15m的顆粒物可按氣體擴散計算w大于15m的顆粒物：傾斜煙流模

8、式 地面反射系數(shù)地面反射系數(shù)2222(1)(/ )( , ,0,)exp()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp18tdgv第三節(jié) 污染物濃度的估算wq 源強 計算或?qū)崪y w 平均風(fēng)速 多年的風(fēng)速資料 wH 有效煙囪高度 w 、 擴散參數(shù)uyz1.煙氣抬升高度的計算煙氣抬升高度的計算 初始動量：初始動量： 速度、內(nèi)徑速度、內(nèi)徑煙溫度煙溫度 浮力浮力煙氣抬升煙氣抬升sHHHsHH煙煙囪囪幾幾何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高sHHHsHH煙煙囪囪幾幾何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高煙氣抬升高度的計算w抬升高度計算式 （1） Holland公式：適

9、用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加1020） HollandHolland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下3ssaHs1(1.5 2.7)(1.59.6 10) svDTTHDvDQTuu煙氣抬升高度的計算w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 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55當(dāng)時sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *

10、=0.33當(dāng)時QxxHQxuxxHQHxQHu煙氣抬升高度的計算w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 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12 1 0 0 k W()3 5 K = 0 .3 5 1 7 0 0 k W2 1 0 0 k W1 7 0 0 =() 4 0 02 (1 .50 .0 1)0 .0 4 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu ( 1 ) 當(dāng)和時( 2 ) 當(dāng)時HHsH1 / 43 / 8aH8(1 7 0 0 )1 7 0 0 k W3 5 K2 (1 .

11、50 .0 1) = 1 0 m1 .5 m /s d = 5 .5(0 .0 0 9 8 )dQuQTv DQHuTHQz( 3 ) 當(dāng)或時( 4 ) 當(dāng)高 處 的 年 平 均 風(fēng) 速 小 于 或 等 于時擴散參數(shù)的確定wPG曲線法PG曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表擴散參數(shù)的確定PG曲線法wPG曲線的應(yīng)用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別擴散參數(shù)的確定PG曲線法wPG曲線的應(yīng)用利用擴散曲線確定 和yz擴散參數(shù)的確定PG曲線法wPG曲線的應(yīng)用地面最大濃度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲線（圖曲線（圖4-5）反查出）反查出w由由曲線（

12、圖曲線（圖4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲線（圖曲線（圖4-5）反查出）反查出w由由曲線（圖曲線（圖4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出y擴散參數(shù)的確定中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法w穩(wěn)定度分類方法改進的PT法 太陽高度角太陽高度角 （式（式4-29，地理緯度，傾角），地理緯度，傾角） 輻射等級輻射等級 穩(wěn)定度穩(wěn)定度 云量云量（加地面風(fēng)速）（加地面風(fēng)速） 擴散參數(shù)的確定中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法w擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的表達式為（取樣時間0.5h，按表4-8查

13、算）平原地區(qū)和城市遠郊區(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，1221,aayzxx2121()qyyz第四節(jié) 特殊氣象條件下的擴散模式w主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)） w封閉型擴散模式相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和 n為反射次數(shù)，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像22(2)exp2zyzqHnDCu 封閉型擴散模式w計算簡化：1.當(dāng)當(dāng)（尚尚未未到到封封閉閉階階段段）w（煙煙流流半半寬寬度度）w查查PG曲曲線線w4-9

14、式式計計算算 地地面面軸軸線線濃濃度度Dxx2.15zDHDx1.當(dāng)當(dāng)（尚尚未未到到封封閉閉階階段段）w（煙煙流流半半寬寬度度）w查查PG曲曲線線w4-9式式計計算算 地地面面軸軸線線濃濃度度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD011d1DzDD2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為D2xx22(

15、, )exp()22yyqyc x yuDDD2xxx3. DxxD2xx內(nèi)內(nèi)插插（假假定定變變化化為為線線性性），按按z值值插插值值DD2xxx3. DxxD2xx內(nèi)內(nèi)插插（假假定定變變化化為為線線性性），按按z值值插插值值熏煙型擴散模式w假設(shè)： D 換成hf（垂向均勻分布）；q只包括進入混合層部分， 則仍可用上面公式 22211exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH熏煙型擴散模式第五節(jié) 城市及山區(qū)擴散模式w城市大氣擴散模式1.線源擴散模式w無無限限長長線線源源風(fēng)風(fēng)向向和和線線源源不不垂垂

16、直直時時 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw無無限限長長線線源源風(fēng)風(fēng)向向和和線線源源不不垂垂直直時時 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有有限限長長線線源源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有有限

17、限長長線線源源城市大氣擴散模式w2.面源擴散模式w大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量 O3SOx or NOx + NH3 + OH - (NH4)2SO4 or NH4NO3SO2 + OH - H2SO4NO2 + OH - HNO3VOC + OH -Orgainic PM OH Air Toxics(POM, PAH, Hg(II), etc.) Fine PM，(Nitrate, Sulfate, Organic PM) NOx + SOx + OH (Lake Acidification, Eutrophication) 第三代模式（Models3）Meteorolo

18、gyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVE/asmdnerl/models3/山區(qū)擴散模式山區(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，只是擴散參數(shù)比平原地區(qū)大很多 ERT模式模式高斯模式，只對有效源高進行修正高斯模式，只對有效源高進行修正 NOAA和和EPA模式模式NOAA以高斯模式為基礎(chǔ)，對有效源高進行修正以高斯模式為基礎(chǔ)，對有效源高進行修正EPA與與NOAA相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正第六節(jié) 煙囪高度的設(shè)計w煙囪高度的計算要求：（1）達到稀釋擴散的作用（2）造價最低， 造價正比于H2（3）地面濃度不超標(biāo) 按地面最大濃度計算 max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu C