第四章 大氣污染物擴散模式遼寧石油化工大學

1、第四章 大氣擴散濃度估算模式第一節(jié) 湍流擴散的基本理論一 湍流1定義：大氣的無規(guī)則運動 風速的脈動風向的擺動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)定度機械湍流：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度引起3擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105106倍二 湍流擴散理論（主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質濃度衰減的關系）1.梯度輸送理論通過與菲克擴散理論類比建立起來的（菲克定律：單位時間內通過單位斷面上的物質的數(shù)量與濃度梯度呈正比）類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比式中，F(xiàn) 污染物的輸送通量k 湍流擴散系數(shù)C 污染物的濃

2、度X 與擴散截面垂直的空間坐標（擴散過程的長度） 濃度梯度要求得各種條件下某污染物的時、空分布，由于邊界條件往往很復雜，不能求出嚴格的分析解，只能是在特定的條件下求出近似解，再根據(jù)實際情況進行修正。2.湍流統(tǒng)計理論泰勒首先將統(tǒng)計理論應用在湍流擴散上圖4-1顯示：從原點O放出的粒子，在風沿著x方向吹的湍流大氣中擴散。粒子的位置用y表示，則結論為：y隨時間變化，但其變化的平均值為零若從原點放出很多粒子，則在x軸上粒子的濃度最高，濃席分布以x軸為對稱軸，并符合正態(tài)分布。薩頓實用模式：解決污染物在大氣中擴散的實用模式高斯模式：應用湍流統(tǒng)計理論得出正態(tài)分布假設下的擴散模式3.相似理論 第二節(jié) 高斯擴散模

3、式一 坐標系的建立右手坐標系1原點O：無界點源或地面源，O為污染物的排放點高架源，O為污染物的排放點在地面上的投影點補充：點源 高架源 連續(xù)源 固定源線源 地面源 間歇源 流動源 面源2x軸：正向為平均風向，煙流中心線與x軸重合3y軸：垂直于x軸4z軸：垂直于xoy平面二 高斯模式的有關假定1污染物濃度在y、z軸上的分布為正態(tài)分布；， 分別為污染物在y和z方向上分布的標準差，m2全部高度風速均勻穩(wěn)定，即風速為常數(shù)；3源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的，源強Q為定值；4擴散中污染物是守恒的，不考慮轉化，即煙云在擴散過程中沒有沉降、化合、分解及地面吸收、吸附作用發(fā)生； 5在x方向上，輸送作用遠遠大于擴散作用，即

4、 ；6地面足夠平坦。三 無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布假定，得下風向任一點C（x，y，z）的濃度分布函數(shù)為：方差的表達式：源強積分式（單位時間物料守恒）： 聯(lián)立以上各式，得到無界空間連續(xù)點源擴散的高斯模式：四 高架連續(xù)點源擴散的高斯模式像源法高架連續(xù)點源的擴散問題，必須考慮地面對擴散的影響根據(jù)前述假定，可以認為地面象鏡面一樣、對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點的污染物濃度可看成是兩部分貢獻之和：不存在地面時P點所具有的污染物濃度，由源點A（0，0，H）造成由地面的反射作用所增加的污染物濃度，由像點A（0，0，-H）造成P點在以源點A（0，0，H）為原點的坐

5、標系中的坐標為C（x，y，z-H）P點在以像點A（0，0，-H）為原點坐標系中的坐標為C（x，y，z+H）源點A的貢獻為：像點A的貢獻為：則P點的實際濃度為：C（x，y，z，H）= C1+C2討論：1）地面濃度模式（公式中z=0）2）地面軸線濃度模式（再取y=0）3）地面最大濃度模式考慮地面軸線濃度模式，隨x增大，增大，第一項減小，第二項增大，則必然在某x處有最大值。設/=const（實際中成立）由求得， 4）地面連續(xù)點源擴散的高斯模式（H=0）地面連續(xù)點源造成的濃度恰是無界連續(xù)點源造成濃度的兩倍第三節(jié) 污染物濃度的估算一 煙氣抬升高度的計算 1抬升高度有效源高 式中： 煙囪的幾何高度 煙流的

6、抬升高度煙氣抬升初始動量： 速度、內徑煙氣溫度浮力2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1020），Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下，偏差較大2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件3）我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術方法”(GB/T13201-91)中的公式 二 擴散參數(shù)的確定1PG曲線法（PasquillGifford）方法要點：首先根據(jù)常規(guī)氣象觀測資料，即太陽輻射情況(云量、云狀和日照)和離地面10m高度處的風速(地面風速)，將大氣的擴散稀釋能力劃分為AF六個穩(wěn)定度級別然后根據(jù)大量擴散實驗的數(shù)據(jù)和理

7、論上的考慮，用曲線來表示每一個穩(wěn)定度級別的，隨距離x的變化這樣就可用前面導出的擴散模式進行濃度估算了。2PG曲線法的應用1）根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別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穩(wěn)定2）根據(jù)穩(wěn)定度和x值，利用擴散曲線確定和或由表3-5英國倫敦氣象局給出20km內的和3）地面最大濃度估算計算步驟：用有效源高H和計算出由x曲線（圖4-5）反算出由x曲線（圖4-4）反算出由求出Cmax例題：課本P96，例4-2；P99，例4-3。3中國國家標準規(guī)定的方法1）穩(wěn)定度分類方法（改進的PT法 ）a先由表4-7根據(jù)當時當?shù)氐臅r間和月份查出或由公式4-30計算出太陽傾角；b由太陽傾角

8、、當?shù)氐牡乩斫浂群途暥?、觀測時間按公式4-29計算出太陽高度角h0；c再由太陽高度角h0和云量查表4-5，得出太陽輻射等級；d最后由太陽輻射等級和地面風速查表4-6得出大氣穩(wěn)定度級別2）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查算）具體選取方法如下：a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b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c丘陵山區(qū)的農村或城市，同工業(yè)區(qū)例題：課本P99，例4-4。第四節(jié) 特殊氣象條件下的擴散模式一 封閉型擴散模式實際中經常出現(xiàn)這樣的溫度層結：低層為不穩(wěn)定大氣，在離地面幾百米到l2km的高空存在一個明顯的逆溫層，即通

9、常所說的有上部逆溫的情況它使污染物的垂直擴散受到限制，只能在地面和逆溫層底之間進行因此，有上部逆溫的擴散稱“封閉型擴散”。用“像源法”求解：任一點污染物的濃度可看成是實源和無窮多個像源在Z方向上的疊加貢獻之和1）把逆溫層底看成是和地面一樣能起全反射作用的鏡面2）相當于兩鏡面之間無窮次全反射3）任意一點的污染物濃度看成實源和無窮多個虛源貢獻之和 4）n為反射次數(shù)，在地面和逆溫層底之間5）實源在兩個鏡子里分別形成n個像則任一點污染物的濃度為：D混合層高度或逆溫層底高度，m則地面軸線上的污染物濃度為：計算簡化：（1）當xxD時，煙流擴散尚未受到上部逆溫的影響，用高架源擴散模式計算，用P-G曲線法或國

10、標法確定xD（2）當x2xD時，z向濃度混合均勻，y向正態(tài)分布，用下式計算地面軸線濃度（3）當xD <x<2xD時，情況介于兩者之間，較復雜用x=xD，x=2xD兩點的濃度內插（假設為線性變化）例題：課本P101，例4-5。二 熏煙型擴散模式在夜間發(fā)生輻射逆溫，清晨日出后，逆溫從地面開始破壞而逐漸向上發(fā)展，當逆溫破壞到煙流下邊緣以上時，便發(fā)生了強烈的向下混合作用，使地面污染物濃度增大，這個過程稱為熏煙(或漫煙)過程。為估算熏煙條件下的地面濃度，假設煙流原是排入穩(wěn)定層內的，當逆溫層消失到高度hf時，在高度hf以下濃度的垂直分布是均勻的則地面濃度仍可用封閉型擴散模式（x2xD）計算只是

11、D應換成逆溫層消失高度hf，源強Q只應包括進入混合層中的部分，所以計算公式改為：hf逆溫層消失高度，m； 原大氣穩(wěn)定度級別下的y方向擴散參數(shù)，m 熏煙條件下的y方向擴散參數(shù)，m hf =H第五節(jié) 煙囪高度的設計一 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 1精確計算法步驟：1）假定一個Hs，2）由氣象條件、地形條件、污染源條件選擇擴散模式進行計算得出地面濃度分布3）將濃度分布數(shù)據(jù)與規(guī)定的標準比較，若達不到則再取一較大的Hs，直到Hs在滿足地面濃度達標的前提下為最小2按地面最大濃度計算 Hs100m, Hs100m,3按地面絕對最大濃度計算

12、4按一定保證率的計算法方法1、2，Hs較小，在風速小于時，地面濃度會超標方法3的Hs，不論風速大小，地面濃度皆不會超標，但造價高對方法3中的和穩(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速和擴散參數(shù)），此法較合理。5P值法（國標GB/T 13201-91），P為點源排放控制系數(shù)二 煙囪設計中的幾個問題1上述計算公式按錐形高斯模式，在溫度層結相同的條件下導出，在逆溫較強的地區(qū)，需要用封閉型（上部逆溫）或熏煙型（輻射逆溫）模式進行校核；2煙氣抬升高度的選取：優(yōu)先采用國家標準中的推薦公式；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風向和風速的氣候資料取多年平均值，繪成風向頻率和風速復合玫瑰圖：矢線長度代表風向頻率的大小，矢線末端的風速羽代表平均風速的大小，每一羽代表0.5或1.0m/s