大氣污染物擴(kuò)散模式

1、大氣污染控制工程講義第四章大氣擴(kuò)散濃度估算模式第一節(jié)湍流擴(kuò)散的基本理論一湍流1定義：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)2類型：按形成原因 熱力湍流：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）引起，取決于大氣穩(wěn)定度 “匚機(jī)械湍流：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度引起3 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 105106倍二湍流擴(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梯度輸送理論通過與菲克擴(kuò)散理論類比建立起來的（菲克定律：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位斷面上的物質(zhì)的數(shù)量與濃度梯 度呈正比）類比于分子擴(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率與負(fù)濃度梯度成正比式中，F(xiàn) 污染物的輸送通量 k

2、湍流擴(kuò)散系數(shù) C 污染物的濃度X 與擴(kuò)散截面垂直的空間坐標(biāo)（擴(kuò)散過程的長(zhǎng)度）濃度梯度:x要求得各種條件下某污染物的時(shí)、空分布，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 是在特定的條件下求出近似解，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。2湍流統(tǒng)計(jì)理論泰勒首先將統(tǒng)計(jì)理論應(yīng)用在湍流擴(kuò)散上圖4-1顯示：從原點(diǎn)0放出的粒子，在風(fēng)沿著 x方向吹的湍流大氣中擴(kuò)散。粒子的位置用y表示，則結(jié)論為： y隨時(shí)間變化，但其變化的平均值為零 若從原點(diǎn)放出很多粒子，則在x軸上粒子的濃度最高，濃席分布以x軸為對(duì)稱軸，并符合正態(tài)分布。薩頓實(shí)用模式：解決污染物在大氣中擴(kuò)散的實(shí)用模式高斯模式：應(yīng)用湍流統(tǒng)計(jì)理論得出正態(tài)分布假設(shè)下的擴(kuò)散

3、模式 3相似理論第二節(jié)高斯擴(kuò)散模式坐標(biāo)系的建立一右手坐標(biāo)系1原點(diǎn)0:無界點(diǎn)源或地面源， 0為污染物的排放點(diǎn)高架源，0為污染物的排放點(diǎn)在地面上的投影點(diǎn)補(bǔ)充：點(diǎn)源高架源連續(xù)源固定源線源地面源間歇源流動(dòng)源面源2. x軸：正向?yàn)槠骄L(fēng)向，煙流中心線與x軸重合3. y軸：垂直于x軸4. z軸：垂直于xoy平面y= y = z - 0 at base of stack2 - H chi plume ce uteri inc二高斯模式的有關(guān)假定1污染物濃度在 y、z軸上的分布為正態(tài)分布;f (y)二1二八2二exp(-22 2)2rf(z)二exp(匚 z 2 二3 12化合、分解及地面吸收、吸附& -x

4、f 丿，CX匚y ,匚z 分別為污染物在y和z方向上分布的標(biāo)準(zhǔn)差,2全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定，即風(fēng)速 U為常數(shù);3源強(qiáng)是連續(xù)均勻穩(wěn)定的，源強(qiáng)Q為定值；4擴(kuò)散中污染物是守恒的，不考慮轉(zhuǎn)化，即煙云在擴(kuò)散過程中沒有沉降、作用發(fā)生；=05在x方向上，輸送作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散作用，即U ex6.地面足夠平坦。三無界空間連續(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)C( x, y ,2z)的濃度分布函數(shù)為:c ( x , y , z) = A ( x )e _ay e _bz方差的表達(dá)式：源強(qiáng)積分式2(單位時(shí)間y物料守恒):2 z2cdz二 yZq J=cdJyJ uc d y d z cdz 0 . . 0聯(lián)立

5、以上各式，得到無界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式：C(x, y, z,0)=-exp -(z2四高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式一像源法高架連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散問題，必須考慮地面對(duì)擴(kuò)散的影響根據(jù)前述假定，可以認(rèn)為地面象鏡面一樣、 對(duì)污染物起全反射作用。按全反射原理，可以用像源法來處理這一問題。P點(diǎn)的污染物濃度可看成是兩部分貢獻(xiàn)之和： 不存在地面時(shí)P點(diǎn)所具有的污染物濃度，由源點(diǎn) 由地面的反射作用所增加的污染物濃度，由像點(diǎn)A (0, 0, H )造成A ( 0, 0, -H)造成P點(diǎn)在以源點(diǎn)A ( 0, 0, H )為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為C (x, y, z-H)P點(diǎn)在以像點(diǎn)A( 0, 0, -H)為原點(diǎn)坐標(biāo)系

6、中的坐標(biāo)為C (x, y, z+H)源點(diǎn)A的貢獻(xiàn)為:C1exp(z-H)22z像點(diǎn)A 的貢獻(xiàn)為:C2ex；-(2yc22；y則P點(diǎn)的實(shí)際濃度為：C （x, y, z, H） = C1+C2C(x, y,z,H) Q2 二 U；y；zexp(2 2) exp(z-H)2)exp(z+H)2)2匚；討論:1）地面濃度模式（公式中z=0）C(x, y,O,H)二: U；廿 z-exp -(2）地面軸線濃度模式（再取 y=0）C(x,O,O, H)二 exp(3）地面最大濃度模式考慮地面軸線濃度模式C(x,O,O, H)exp(H 2乏），隨x增大，y，z增大，第項(xiàng)減小,第二項(xiàng)增大，則必然在某x處有最

7、大值。二y/；z=const （實(shí)際中成立）dC(x,H) =0 求得,Cmax : uH 2eCyX%max4）地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式（H=0）C(x, y,z,0)二 UU-exp -(地面連續(xù)點(diǎn)源造成的濃度恰是無界連續(xù)點(diǎn)源造成濃度的兩倍第三節(jié)污染物濃度的估算煙氣抬升高度的計(jì)算大氣污染控制工程講義1 抬升高度有效源高 H =Hs .H式中：Hs 煙囪的幾何高度H 煙流的抬升高度煙氣抬升一一初始動(dòng)量：速度、內(nèi)徑煙氣溫度一浮力2 抬升高度計(jì)算式1) Holla nd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%).-： H 二 VsD (1.52.7 匸TD ) = (1.5

8、 vs D 9.610 -3 Q H )uT suQV3)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(1 )當(dāng) Q h - 2 1 0 0 k W 禾口(Ts Ta) _ 3 5 K 時(shí):H 二 n 0Qn 1HHn 21su:T.Q h = 0.35PaQA TVTTs(2 )當(dāng) 1 7 0 0 k WQ H2 1 0 0 k W 時(shí) : H= H 1(- H 2-H1 )Q H -17 0 04 0 0(3)當(dāng)Ah = 2 (1.5 VsD 二 0.0 1Q h ) _uQ H - 1 7 0 0 k W 或=T 21000kW時(shí)x:10 H s.：H=0

9、.362Q1/3H12/31xux10 H s.: H= 1.55Q H1/3H s2廠1當(dāng)Q H21000kW時(shí)x:3 x *H=0.362Q H1/31/31xux3 x *H=0.332Q H3/5H s2/5x *=0.33 Q H 3/5 H s 3/5 u二擴(kuò)散參數(shù)的確定1. P G 曲線法（Pasquill Gifford ）方法要點(diǎn)：首先根據(jù)常規(guī)氣象觀測(cè)資料，即太陽輻射情況（云量、云狀和日照）和離地面10m高度處的風(fēng)速（地面風(fēng)速），將大氣的擴(kuò)散稀釋能力劃分為A F六個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別.然后根據(jù)大量擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和理論上的考慮，用曲線來表示每一個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別的，Cy，二z隨距離x的變化.

10、這樣就可用前面導(dǎo)出的擴(kuò)散模式進(jìn)行濃度估算了。2. P G曲線法的應(yīng)用1）根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級(jí)別A-極不穩(wěn)定2）根據(jù)穩(wěn)定度和S4-3穗宦度級(jí)別劃分表地面鳳速了巾距地面10 m處）Inrs-1白天太陽輜射陰天的白天或夜間有云的夜間9中弱薄云遮天或 低云5/10 ；云量4/106CDDDD1DB 不穩(wěn)定 C 弱不穩(wěn)定D 中性 E 弱穩(wěn)定 F 穩(wěn)定20km內(nèi)的二y和二zX值，利用擴(kuò)散曲線確定二y和二z或由表3-5英國倫敦氣象局給出W-I-TTUH-4 F風(fēng)陽離和水平1T敝塞散的董系Ono000.110 10 2xd時(shí)，z向濃度混合均勻，y向正態(tài)分布，用下式計(jì)算地面軸線濃度Qy2C（x, y）二ex

11、p（ 2）uDcryU2 兀26（3）當(dāng)xd x 2xd）計(jì)算只是D應(yīng)換成逆溫層消失高度hf,源強(qiáng)Q只應(yīng)包括進(jìn)入混合層中的部分，所以計(jì)算公式改為：;?f (x, y,0, H )q J 刀=exp(-_：:2 n2 n uh f ；yf?P2)dP 43exp(大氣污染控制工程講義2.15 二 y Htg152.15hf逆溫層消失高度， m; cY 原大氣穩(wěn)定度級(jí)別下的 y方向擴(kuò)散參數(shù)，m匚Yf熏煙條件下的y方向擴(kuò)散參數(shù)，m諺 逝溫層消失到煙囪的有效離崖處hf =H2如禽宀95- 2=匚(x,O,O,H)Q2、2 uH j刪逆溫啟消失至0煙流上邊緣，即 II(x,O,O,H)Q-s/2teb球

12、-exp(Q2-uh yF嘲逆溫消失到H +2匹以上時(shí)，熏煙過程不復(fù)存在第五節(jié)煙囪高度的設(shè)計(jì)一煙囪高度的計(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)1精確計(jì)算法步驟：1 ）假定一個(gè)Hs, H -H H2）由氣象條件、地形條件、污染源條件選擇擴(kuò)散模式進(jìn)行計(jì)算得出地面濃度分布3） 將濃度分布數(shù)據(jù)與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)比較，若達(dá)不到則再取一較大的Hs，直到Hs在滿足地面濃度達(dá)標(biāo)的前提下為最小2按地面最大濃度計(jì)算max2qnuH在0.51.0之間取Hs 100m,；z /匚 y =0.52qHsV 100m, ；z / ；y 二 0.6 -1.0neu (C-Cb)4

13、7maxC 0-標(biāo)準(zhǔn)濃度C b 本底濃度3.按地面絕對(duì)最大濃度計(jì)算l (4-10) TC maxJu r-A H J tH JT(3 21)TC max 岀現(xiàn)極大值-：Cmax-：u=0得 Uc此時(shí).: Hq2 neHH2代入下式可得q2 neH sB-)2s u cyabsmHs2二eB(C。-Cb)4.按一定保證率的計(jì)算法方法1、2, Hs較小，在風(fēng)速小于 u時(shí)，地面濃度會(huì)超標(biāo)方法3的Hs,不論風(fēng)速大小，地面濃度皆不會(huì)超標(biāo)，但造價(jià)高對(duì)方法3中的u和穩(wěn)定度取一定保證率下的值（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)）,此法較合理。5. P 值法（國標(biāo) GB/T 13201-91 ）Q06-AH，P為點(diǎn)源排放控制系數(shù)二煙囪設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題在逆溫較強(qiáng)的地區(qū)，需要用封閉型（上1. 上述計(jì)算公式按錐形高斯模式，在溫度層結(jié)相同的條件下導(dǎo)出,部逆溫）或熏煙型（輻射逆溫）模式進(jìn)行校核；2. 煙氣抬升高度的選?。簝?yōu)先采用國家標(biāo)準(zhǔn)中的推薦公式;3防止煙流下洗、下沉現(xiàn)象第六節(jié)廠址選擇一廠址選擇需收集的氣候資料1. 風(fēng)向和風(fēng)速的氣候資料取多年平均值，繪成風(fēng)向頻率和風(fēng)速復(fù)合玫瑰圖：矢線長(zhǎng)度代表風(fēng)向頻率的大小，矢線末端的風(fēng)速羽代表 平均風(fēng)速的大小，每一羽