第04章大氣污染濃度估算模式

第四章大氣污染物擴(kuò)散模式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(jì)第一節(jié)湍流擴(kuò)散的基本理論擴(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倍湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)

風(fēng)速的脈動(dòng)風(fēng)向的擺動(dòng)起因與兩種形式

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湍流擴(kuò)散理論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.梯度輸送理論類比于分子擴(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率與負(fù)濃度梯度成正比2.湍流統(tǒng)計(jì)理論泰勒－>圖4-1，正態(tài)分布薩頓實(shí)用模式高斯模式

3.相似理論第二節(jié)高斯擴(kuò)散模式高斯模式的有關(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(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．?dāng)U散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）

高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系無界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布

…………(1)由統(tǒng)計(jì)理論給出方差的表達(dá)式

…(2)

……..(3)

由假定d源強(qiáng)積分式（單位時(shí)間物料守恒）

…….(4)上式中：ū—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：（?。┧矔r(shí)點(diǎn)源的源強(qiáng)以一次釋放的總量表示；（ⅱ）連續(xù)點(diǎn)源以單位時(shí)間的釋放量表示；（ⅲ）連續(xù)線源以單位時(shí)間單位長(zhǎng)度的排放量表示；（ⅳ）連續(xù)面源以單位時(shí)間單位面積的排放量表示。δy—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y的函數(shù)，m；δz—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z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①、②、③、④組成一方程組，四個(gè)方程式有四個(gè)未知數(shù)，故方程式可解。高斯煙流的形態(tài)高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式鏡像全反射---->像源法實(shí)源：像源：高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式

顆粒物擴(kuò)散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴(kuò)散計(jì)算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式

地面反射系數(shù)第三節(jié)污染物濃度的估算q

源強(qiáng)計(jì)算或?qū)崪y(cè)

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)1.煙氣抬升高度的計(jì)算

初始動(dòng)量：速度、內(nèi)徑煙溫度－>浮力煙氣抬升煙氣抬升高度的計(jì)算抬升高度計(jì)算式

（1）

Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時(shí)減小，不穩(wěn)時(shí)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)的情況下煙氣抬升高度的計(jì)算抬升高度計(jì)算式（續(xù)）（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

煙氣抬升高度的計(jì)算抬升高度計(jì)算式（續(xù)）（3）我國(guó)的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—大氣環(huán)境(HJ/T2.2-93)中的公式

大氣擴(kuò)散參數(shù)（σy，σz）的確定1、擴(kuò)散參數(shù)的性質(zhì)①隨著擴(kuò)散距離的加長(zhǎng)，σ增大。②隨著水平和垂直湍流的強(qiáng)烈交換，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，σ較大，即σ與穩(wěn)定度密切相關(guān)。σ=f（穩(wěn)定度）。③穩(wěn)定度、擴(kuò)散距離一定時(shí)，σ與粗糙度有關(guān)。粗糙度越趨于穩(wěn)定，σ越小。2、確定σ的方法①示蹤實(shí)驗(yàn)法；②風(fēng)標(biāo)法；③經(jīng)驗(yàn)方法（應(yīng)用最廣泛）3、帕斯奎爾（F.Pasquill）—吉福特（F.A.Gifford）擴(kuò)散曲線法（簡(jiǎn)：P-G擴(kuò)散曲線法）帕斯奎爾在1961年首先提出應(yīng)用觀測(cè)到的風(fēng)速、云量、云狀和日照等天氣資料，將大氣擴(kuò)散稀釋能力分為6個(gè)等級(jí)：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A—極不穩(wěn)定，B—不穩(wěn)定，C—弱不穩(wěn)定，D—中性，E—弱穩(wěn)定，F(xiàn)—穩(wěn)定。若穩(wěn)定級(jí)別為A～B，則表示按A、B級(jí)的數(shù)據(jù)內(nèi)插。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(jí)別擴(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擴(kuò)散參數(shù)的確定－中國(guó)國(guó)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

太陽高度角

（式4-29，地理緯度，傾角）

輻射等級(jí)穩(wěn)定度云量（加地面風(fēng)速）

擴(kuò)散參數(shù)的確定－中國(guó)國(guó)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(shí)間0.5h，按表4-8查算）平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級(jí)工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至B級(jí)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級(jí)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)取樣時(shí)間大于0.5h，不變，第四節(jié)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)構(gòu)均一，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)）

封閉型擴(kuò)散模式相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射實(shí)源和無窮多個(gè)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(gè)鏡子里分別形成n個(gè)像封閉型擴(kuò)散模式計(jì)算簡(jiǎn)化：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

熏煙型擴(kuò)散模式第五節(jié)城市及山區(qū)擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式1.線源擴(kuò)散模式城市大氣擴(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(gè)排放量<0.04t/h城市大氣擴(kuò)散模式2.面源擴(kuò)散模式（續(xù)）簡(jiǎn)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(jì)算面源濃度城市大氣擴(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(duì)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)決定常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式單箱模式多箱模式——如目前用于我國(guó)城市空氣污染指數(shù)預(yù)報(bào)的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化學(xué)模式如EPA推薦的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式線源模式如CALINE模式，用于計(jì)算公路的污染物排放城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)/scram001/tt22.htmISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念A(yù)irToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH

--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere第三代模式（Models－3）/asmdnerl/models3/山區(qū)擴(kuò)散模式山區(qū)流場(chǎng)由于受到復(fù)雜地形的熱力和動(dòng)力因子影響，流場(chǎng)均勻和定常的假定難以成立對(duì)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(duì)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(duì)有效源高進(jìn)行修正EPA－與NOAA相似，只是對(duì)所有穩(wěn)定度級(jí)別都進(jìn)行了地形高度修正第六節(jié)煙囪高度的設(shè)計(jì)煙囪高度的計(jì)算要求：（1）達(dá)到稀釋擴(kuò)散的作用（2）造價(jià)最低，

造價(jià)正比于H2（3）地面濃度不超標(biāo)

按地面最大濃度計(jì)算

煙囪高度的計(jì)算按地面絕對(duì)最大濃度計(jì)算煙囪高度的計(jì)算按一定保證率的計(jì)算法取上述兩種情況之間一定保證率下的平均風(fēng)速和擴(kuò)散參數(shù)P值法國(guó)標(biāo)GB/T13201-91煙囪設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題上述計(jì)算公式按錐形高斯模式導(dǎo)出，在逆溫較強(qiáng)的地區(qū)，需要用封閉型或熏煙型模式校核煙氣抬升高度的選取優(yōu)先采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的推薦公式煙流下洗、下沉現(xiàn)象廠址選擇從環(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)，排出的污染物被輸送到城市或居民區(qū)的可能性最小的地方。1、本底濃度本底濃度超標(biāo)的地區(qū)不宜建廠，本底濃度雖未超標(biāo)，但加上擬建廠貢獻(xiàn)，短期內(nèi)又無法改進(jìn)的也不宜建廠，應(yīng)選擇本底濃度小的地區(qū)建廠。2、擴(kuò)散稀釋能力擴(kuò)散稀釋能力主要決定于該地區(qū)的氣象條件和地形。（1）風(fēng)向、風(fēng)速污染物危害的程度和受污染的時(shí)間及濃度有關(guān)，所以居住區(qū)、作物生長(zhǎng)區(qū)都希望能設(shè)在受污染時(shí)間短、污染濃度低的位置，因而確定工廠和居民區(qū)的相對(duì)位置時(shí)要考慮風(fēng)向、風(fēng)速兩個(gè)因素。污染系數(shù)表示風(fēng)向、風(fēng)速綜合作用對(duì)空氣污染物擴(kuò)散影響程度。其表達(dá)式為：污染系數(shù)=某風(fēng)向污染系數(shù)小，表示該風(fēng)向吹來的風(fēng)所造成的污染小，因此污染源可布置在污染源在污染系數(shù)最小風(fēng)向的上側(cè)。結(jié)合某地風(fēng)向頻率及污染系數(shù)分析。（2）穩(wěn)定度由于一般污染物擴(kuò)散是在距地面幾米高范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以離地面幾百米范圍內(nèi)的大氣穩(wěn)定度對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋過程有重要影響，選廠址必須注意收集逆溫層的強(qiáng)度、厚度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時(shí)間等資料，要特別注意逆溫同時(shí)出