第四章 大氣擴(kuò)散濃度估算模式

1、第四章 大氣擴(kuò)散濃度估算模式講授4學(xué)時(shí)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(jì)和廠址的選擇。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(jì)方法。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。教學(xué)內(nèi)容：§4-1湍流擴(kuò)散的基本理論§4-2高斯擴(kuò)散模式§4-3污染物濃度的估算方法§4-4特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式§4-5城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式§4-6煙囪高度設(shè)計(jì)§4-7廠址選擇§4-1湍流擴(kuò)散的基本理論一、湍流概念簡(jiǎn)介擴(kuò)散的要素風(fēng)：平

2、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1、什么是湍流？ 除在水平方向運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)由上、下、左、右方向的亂運(yùn)動(dòng)，風(fēng)的這種特性和擺動(dòng)稱為大氣湍流。（有點(diǎn)象分子的熱運(yùn)動(dòng)）或者說(shuō)湍流是大氣的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 。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(dòng)而形成它與分子運(yùn)動(dòng)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、湍流運(yùn)動(dòng)的判據(jù)雷諾數(shù)雷諾還找到了由層流運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到湍流運(yùn)動(dòng)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(shí)的流體流動(dòng)是 湍流當(dāng)Re<2000時(shí)的流體流動(dòng)

3、是層流數(shù)值Re2000叫臨界雷諾數(shù)大氣湍流臨界雷諾數(shù)對(duì)于大氣：V=1.5×10-5m2/s若取L=1m只要U>0.1m/s則Re>6000所以通常認(rèn)為大氣運(yùn)動(dòng)都是湍流運(yùn)動(dòng)二、湍流擴(kuò)散理論簡(jiǎn)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(guó)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(gè)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?！蓖ㄟ^泰勒（G.I.Tayler）與菲克（A. Fick）擴(kuò)散理論的類比建立起來(lái)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

4、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(shí)、空分布，必須對(duì)分子擴(kuò)散方程在進(jìn)行擴(kuò)散的大氣湍流場(chǎng)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。 2.相似理論湍流相似擴(kuò)散理論，最早始于英國(guó)科學(xué)家里查森和泰勒。后來(lái)由于許多科學(xué)家的努力，特別是俄國(guó)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(shí)發(fā)生了能量轉(zhuǎn)

5、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(jì)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(shí)，常采用數(shù)值分析法、現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算模式。3.研究湍流的主要方法目前研究湍流的主要方法有兩種：一種是半經(jīng)驗(yàn)理論方法，它是通過解運(yùn)動(dòng)方程等來(lái)研究邊界層大氣運(yùn)動(dòng)；是模仿氣體分子運(yùn)動(dòng)與氣體宏觀運(yùn)動(dòng)的理論處理方法，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，采用適當(dāng)?shù)膮?shù)。雖然這個(gè)理論本身還很粗糙，但能

6、夠解決一些實(shí)際問題(如物體在流體中運(yùn)行的阻力)，所以許多應(yīng)用科學(xué)家和工程技術(shù)人員對(duì)此比較感興趣另一種是湍流統(tǒng)計(jì)理論方法，即物理上把湍流視為大大小小不同尺度湍渦的迭加，用數(shù)學(xué)來(lái)描述則是把湍流看成無(wú)窮多個(gè)頻率各異的波迭加而成，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)途徑，來(lái)分析研究湍流內(nèi)部結(jié)構(gòu)。將流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)視為隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的集合，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)研究湍流內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，許多基礎(chǔ)理論科學(xué)家就致力于這方面的研究。4.三種理論的比較 這三個(gè)理論分別：考慮不同的物理機(jī)制，采用不同參數(shù)，利用不同的氣象資料，在不同的假定條件下建立起來(lái)的。它們具有不同的有缺點(diǎn)，只能在一定范圍內(nèi)使用湍流的概念（運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)的各種特性量是時(shí)間和空間的隨機(jī)變量

7、）大氣運(yùn)動(dòng)的湍流性（雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于下臨界數(shù)）雷諾數(shù)（特征尺度、流動(dòng)速度、分子動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù)）湍流的基本特征： （1）隨機(jī)性，（2）非線性，（3）擴(kuò)散性，（4）渦旋性，（5）耗散性熱力湍流和機(jī)械湍流（不穩(wěn)定、風(fēng)切變）大氣湍流與污染物的擴(kuò)散（快、各種湍渦）研究湍流的主要方法：一種是半經(jīng)驗(yàn)理論方法， 另一是湍流統(tǒng)計(jì)理論方法湍流擴(kuò)散的梯度輸送理論（歐拉方法）湍流擴(kuò)散的統(tǒng)計(jì)理論（拉格朗日方法）湍流擴(kuò)散的相似理論§4-2高斯擴(kuò)散模式 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(shí)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

8、位時(shí)間的釋放量表示； （）連續(xù)線源以單位時(shí)間單位長(zhǎng)度的排放量表示； （）連續(xù)面源以單位時(shí)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y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、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。§4-3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)一.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1020）抬升高度計(jì)算式（續(xù)）2.

9、Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件§4-4 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)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(wú)窮次全反射實(shí)源和無(wú)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)像一、封閉型擴(kuò)散模式二、熏煙型擴(kuò)散模式§5 城市及山區(qū)擴(kuò)散模式一、城市大氣擴(kuò)散模式1.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/h2.常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式單箱模式à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（

10、Industrial Source Complex Model）光化學(xué)模式如EPA推薦的UAMV（Urban Airshed Model）模式線源模式如CALINE模式，用于計(jì)算公路的污染物排放二、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§4-6 煙囪高度的設(shè)計(jì)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(duì)地面污染的需要。增加煙囪高度可以減輕污染源對(duì)局部地區(qū)的污染，

11、大體上C地面1/H2（見書P88圖3-24所示），但超過一定高度后再增加高度，對(duì)地面濃度的影響甚微，而煙囪的造價(jià)卻隨高度增加而急劇增大（煙囪的造價(jià)H2），所以并不是煙囪愈高愈好。設(shè)計(jì)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(duì)最大濃度不超過國(guó)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(jì)算煙囪高度的計(jì)算分為：精確計(jì)算法；簡(jiǎn)化計(jì)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(jiǎn)化公式計(jì)算，據(jù)對(duì)地面濃度要求不同，有兩種計(jì)算法方法：（一）保證地面最大濃度不超過允許濃度的計(jì)算方法；（二）保證地面絕對(duì)最大濃度不超過允許濃度的計(jì)算方法。1.按地面最大濃度的計(jì)算方法以地面最大濃度不超過規(guī)定

12、為依據(jù)，保證地面最大濃度不超過允許濃度的計(jì)算公式二、煙囪設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)間的煙型及相應(yīng)的煙囪高度計(jì)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(shí)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

13、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(shí)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(cè)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)混合層厚度在7601065m間時(shí)，它造成的地面最大濃度可達(dá)錐形的三倍，Cmax可持續(xù)24小時(shí)，常出現(xiàn)在早晨和中午。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(shí)靠增加Hs減少污染濃度不經(jīng)濟(jì)?？傊?，目前Hs計(jì)算以錐形模式為主，對(duì)超高型煙囪無(wú)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

14、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§4-7 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(jì)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(gè)風(fēng)向的平均風(fēng)速絕對(duì)值。圖c是風(fēng)速和風(fēng)向頻率復(fù)合圖，該圖矢線長(zhǎng)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(gè)或16個(gè)方向上給出風(fēng)向（風(fēng)速）的相對(duì)頻率或絕對(duì)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(zhǎng)）的平均值作；

15、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12m/s）情況大氣通風(fēng)條件差，容易引起高濃度污染，尤其是長(zhǎng)時(shí)間靜風(fēng)會(huì)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(jì)靜風(fēng)頻率，有條件還要統(tǒng)計(jì)靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間。 2.大氣穩(wěn)定度的氣象資料 一般氣象臺(tái)沒有近地層大氣逆溫層結(jié)的詳細(xì)資料，但可據(jù)pasquill或我們廢氣排放制定標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法。利用已知的氣象資料進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)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

16、度層結(jié)的晝夜變化，混合層高度也隨時(shí)間變化?；旌蠈痈叨瓤煽醋鳉鈮K作干絕熱上升運(yùn)動(dòng)的上限高度。（即：干絕熱遞減率上限高度?；旌蠈佑?，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(yáng)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(yè)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(shí)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。二、長(zhǎng)期平均濃度的計(jì)算在廠址選擇和環(huán)境評(píng)價(jià)中，人們更關(guān)心的

17、長(zhǎng)期平均濃度的分布。下面討論長(zhǎng)期平均濃度的計(jì)算方法。氣象隨提供的風(fēng)向資料是按16方位給出的，每個(gè)方位相當(dāng)于一個(gè)22.5º的扇形。因此，可按每個(gè)扇形計(jì)算長(zhǎng)期平均濃度。推導(dǎo)時(shí)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(shí)，全部污染物都落在這個(gè)扇形里。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(wú)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、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：某風(fēng)向污染系數(shù)小，表示該風(fēng)向吹來(lái)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)合書P86表3-19（某地風(fēng)向頻率及污染系數(shù)）分析。3.溫度層結(jié)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)