大氣污染濃度估算模式

1、1.湍流擴(kuò)散的基本理論湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)煙囪高度設(shè)計(jì)擴(kuò)散的要素?cái)U(kuò)散的要素n風(fēng)風(fēng)：平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大n湍流：擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快湍流：擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快10105 510106 6倍倍湍流的基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大氣的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)大氣的無規(guī)則運(yùn)動(dòng) w風(fēng)速的脈動(dòng)風(fēng)速的脈動(dòng)w風(fēng)向的擺動(dòng)風(fēng)向的擺動(dòng)起因與兩種形式起因與兩種形式 n熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）熱力：溫度垂直分布不均

2、（不穩(wěn)定）n機(jī)械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度機(jī)械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度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1.1.梯度輸送理論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2.2.湍流統(tǒng)計(jì)理論湍流統(tǒng)計(jì)理論 泰勒泰勒?qǐng)D圖4-1，正態(tài)分布，正態(tài)分布 薩頓實(shí)用模式薩頓實(shí)用模式 高斯模式高斯模式 3.3.相似理論相似理論 高斯模式的有關(guān)假定高斯模式的有關(guān)假定n坐標(biāo)系坐標(biāo)系 右手坐標(biāo)，右手坐標(biāo)，y為橫風(fēng)向，為橫風(fēng)向，z為垂直向?yàn)榇怪毕騨四點(diǎn)假設(shè)四點(diǎn)假設(shè) wa

3、污染物濃度在污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布風(fēng)向上分布為正態(tài)分布wb全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定wc源強(qiáng)是連續(xù)均勻穩(wěn)定的源強(qiáng)是連續(xù)均勻穩(wěn)定的wd擴(kuò)散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）擴(kuò)散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化） 高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布方差的表達(dá)式方差的表達(dá)式由假定由假定d 源強(qiáng)積分式源強(qiáng)積分式 （單位時(shí)間物料守恒）（單位時(shí)間物料守恒） 22( , , )( )eeaybzc x y zA x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z222

4、2( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 2222( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 鏡像全反射鏡像全反射-像源法像源法n實(shí)源：實(shí)源： n像源：像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n實(shí)源的貢獻(xiàn)實(shí)源的貢獻(xiàn)2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n實(shí)源的貢獻(xiàn)實(shí)源的貢獻(xiàn)2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的貢獻(xiàn)像源的貢獻(xiàn)2222

5、()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的貢獻(xiàn)像源的貢獻(xiàn)222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n實(shí)實(shí)際際濃濃度度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n實(shí)實(shí)際際濃濃度度2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地地面面濃濃度度模模式式：取取z z0 0代代入入上上式式，得得2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地地面面濃濃度度模模式式：

6、取取z z0 0代代入入上上式式，得得22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面軸線濃度模式：再取地面軸線濃度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面軸線濃度模式：再取地面軸線濃度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式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(xiàng)項(xiàng)減減小小，第第二二項(xiàng)項(xiàng)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 xH

7、u yz上上式式，x增增大大，則則、 增增大大，第第一一項(xiàng)項(xiàng)減減小小，第第二二項(xiàng)項(xiàng)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(xiàng)項(xiàng)減減小小，第第二二項(xiàng)項(xiàng)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 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大濃度模式（續(xù)）：地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)設(shè)（實(shí)際中成立）（實(shí)際中成立）由此求得由此求得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH

8、emax|2czx xH地面最大濃度模式（續(xù)）：地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)設(shè)（實(shí)際中成立）（實(shí)際中成立）由此求得由此求得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(qiáng)強(qiáng)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(qiáng)強(qiáng)加加倍倍）粒徑小于粒徑小于15m的顆粒物可按氣體擴(kuò)散計(jì)算的顆粒物可

9、按氣體擴(kuò)散計(jì)算大于大于15m的顆粒物：傾斜煙流模式的顆粒物：傾斜煙流模式w 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)22(exp22222zyzyzyuQ)2)(2(exp22222zyzyHzyuQ)22(exp2222zyzyzyuQ2)(exp2)()exp2(exp2222222zzyzyHzHzyuQC)2(exp22yzyyuQ)22(exp2222zyzyHyuQzyuQ)2(exp22zzyHuQ 地面源 （H=0）高架源 （H0 ）無界(任一點(diǎn))C(x,y,z)半無界

10、(任一點(diǎn))C(x,y,z)地面點(diǎn)C(x,y,0)地面軸線上點(diǎn)C(x,0,0)q 源強(qiáng)源強(qiáng) 計(jì)算或?qū)崪y(cè)計(jì)算或?qū)崪y(cè) 平均風(fēng)速平均風(fēng)速 多年的風(fēng)速資料多年的風(fēng)速資料 H 有效煙囪高度有效煙囪高度 、 擴(kuò)散參數(shù)擴(kuò)散參數(shù)uyz1.煙氣抬升高度的計(jì)算煙氣抬升高度的計(jì)算 初始動(dòng)量：初始動(dòng)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抬升高度計(jì)算式抬升高度計(jì)算式 （1） Holland公式公式：適用于中性大氣條件適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時(shí)減小，（穩(wěn)定時(shí)減

11、小，不穩(wěn)時(shí)增加不穩(wěn)時(shí)增加1020） HollandHolland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強(qiáng)的情況下公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強(qiáng)的情況下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu抬升高度計(jì)算式（抬升高度計(jì)算式（續(xù)）續(xù)）（2 2）BriggsBriggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件公式：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(shí)sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.3

12、62 3 * =0.332 *=0.33當(dāng)時(shí)QxxHQxuxxHQHxQHu抬升高度計(jì)算式抬升高度計(jì)算式 （續(xù)）（續(xù)）（ 3 3 ） 我 國） 我 國 “ 制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方法法”(GB/T13201-91)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K =0.35 1700kW2100kW1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu (

13、1)當(dāng)和時(shí)(2)當(dāng)時(shí)HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)當(dāng)或時(shí)(4)當(dāng)高 處 的 年 平 均 風(fēng) 速 小 于 或 等 于時(shí)PG曲線法曲線法PG曲線曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表制成圖表PG曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級(jí)別根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級(jí)別PG曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n利用擴(kuò)散曲線確定利用擴(kuò)散曲線確定 和和yzPG曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n地面最大濃度估算地面最大濃度估算Hmax|2czx xzHzx

14、maxcxyxmaxCw由由和和w由由曲曲線線（圖圖4-5）反反查查出出w由由曲曲線線（圖圖4 4- -4 4）查查w由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲曲線線（圖圖4-5）反反查查出出w由由曲曲線線（圖圖4 4- -4 4）查查w由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出y穩(wěn)定度分類方法穩(wěn)定度分類方法n改進(jìn)的改進(jìn)的PT法法 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(jí)輻射等級(jí) 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(kuò)散參數(shù)的選取擴(kuò)散參數(shù)的選取n擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)

15、式為（取樣時(shí)間擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時(shí)間0.5h，按表，按表4-8查算）查算）n平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，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)向不穩(wěn)定方向提半級(jí)n工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至提至B級(jí)，級(jí)，D、E、F向不穩(wěn)定方向向不穩(wěn)定方向提一級(jí)提一級(jí)n丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)n取樣時(shí)間大于取樣時(shí)間大于0.5h， 不變，不變，1221,aayzxx2121()qyyz主要指氣象條件與高斯模式不一樣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)際中溫度層結(jié)構(gòu)均一，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)）難以實(shí)現(xiàn)） 封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式n相當(dāng)于兩

16、鏡面之間無窮次全反射相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射n實(shí)源和無窮多個(gè)虛源貢獻(xiàn)之和實(shí)源和無窮多個(gè)虛源貢獻(xiàn)之和 nn為反射次數(shù)，在地面和逆面為反射次數(shù)，在地面和逆面n實(shí)源在兩個(gè)鏡子里分別形成實(shí)源在兩個(gè)鏡子里分別形成n個(gè)像個(gè)像22(2)exp2zyzqHnDCu 計(jì)算簡(jiǎn)化：計(jì)算簡(jiǎn)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式式計(jì)計(jì)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(jì)計(jì)算算 地地面面軸軸線線濃濃度度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD

17、2.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( , )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值值插插值值假設(shè)：假

18、設(shè)： D 換成換成h hf f（垂向均勻分布）；（垂向均勻分布）；q q只包括進(jìn)入混合層部分，只包括進(jìn)入混合層部分， 則仍可用上面公式則仍可用上面公式 22211exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式1.線源擴(kuò)散模式線源擴(kuò)散模式w無無限限長長線線源源n風(fēng)風(fēng)向向和和線線源源不不垂垂直直時(shí)時(shí) （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw無無

19、限限長長線線源源n風(fēng)風(fēng)向向和和線線源源不不垂垂直直時(shí)時(shí) （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限長線源有限長線源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限長線源有限長線源2.面源擴(kuò)散模式面源擴(kuò)散模式w大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個(gè)排放量單個(gè)排放量 O3SOx or NOx + NH3 + OH

20、- (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) MeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmission

21、ProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVE/asmdnerl/models3/n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常的假定難以成立n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w ERT模式模式高斯模式，只對(duì)有效源高進(jìn)行修正高斯模式，只對(duì)有效源高

22、進(jìn)行修正w NOAA和和EPA模式模式NOAA以高斯模式為基礎(chǔ)，對(duì)有效源高進(jìn)行修正以高斯模式為基礎(chǔ)，對(duì)有效源高進(jìn)行修正EPA與與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)行了地形高度修正煙囪高度的計(jì)算煙囪高度的計(jì)算要求：要求：n（1）達(dá)到稀釋擴(kuò)散的作用達(dá)到稀釋擴(kuò)散的作用n（2）造價(jià)最低，造價(jià)最低， 造價(jià)正比于造價(jià)正比于H H2 2n（3 3）地面濃度不超標(biāo)）地面濃度不超標(biāo) n按地面最大濃度計(jì)算按地面最大濃度計(jì)算 max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之間取0C標(biāo)準(zhǔn)濃度bC本底濃度max22()

23、ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之間取0C標(biāo)準(zhǔn)濃度bC本底濃度0C標(biāo)準(zhǔn)濃度bC本底濃度n按地面絕對(duì)最大濃度計(jì)算按地面絕對(duì)最大濃度計(jì)算maxCu（4-10）max(321)HHC出出現(xiàn)現(xiàn)極極大大值值maxCu（4-10）max(321)HHC出出現(xiàn)現(xiàn)極極大大值值1BHu （ 代 入sBH Hu2maxcsd0d CBuHu（ 危危 險(xiǎn)險(xiǎn) 風(fēng)風(fēng) 速速危危 險(xiǎn)險(xiǎn) 風(fēng)風(fēng) 速速 ）1BHu （ 代 入sBH Hu2maxcsd0d CBuHu（ 危危 險(xiǎn)險(xiǎn) 風(fēng)風(fēng) 速速危危 險(xiǎn)險(xiǎn) 風(fēng)風(fēng) 速速 ）yzcHueQCuBH.2,2maxsHBuuddCu則：求導(dǎo)，令對(duì), 0maxbabsmyzsabsmCueHQC02.2yzbsueQH.)(20110212112121)