大氣污染擴(kuò)散ppt課件

1、 大氣污染分散及濃度估算方式第一節(jié) 大氣污染分散過(guò)程 邊境層大氣是由大小不同的湍渦構(gòu)成的，每個(gè)湍渦都有一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向。一個(gè)大湍渦包含著很多較小的湍渦，而較小的湍渦又包含著很多更小的湍渦。這樣湍渦套著湍渦構(gòu)成了大氣的湍流運(yùn)動(dòng)。 大氣中幾乎時(shí)時(shí)處處存在著各種尺度的湍流運(yùn)動(dòng)。在近地面氣流直接受下墊面的影響，湍流運(yùn)動(dòng)尤為猛烈，因此呵斥氣體各部分之間的劇烈混合。此時(shí)只需在流場(chǎng)中存在或出現(xiàn)某種屬性如動(dòng)量風(fēng)速、熱量溫度、水汽濕度等的不均勻，就會(huì)因氣體的湍流混合和交換作用將這種屬性從它的高值區(qū)向低值區(qū)傳輸進(jìn)展再分配。這種湍流混合和交換的結(jié)果呵斥污染物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)保送，使它們逐漸被分散、稀釋，我

2、們稱這樣的過(guò)程為大氣污染分散過(guò)程。下面圖41表示一個(gè)煙團(tuán)在大小不同的湍渦中的分散情況。一個(gè)煙團(tuán)在大小不同的湍渦中的分散情況。a表示煙團(tuán)處于比它尺度小的湍渦之中，煙團(tuán)一方面隨風(fēng)向下風(fēng)方向飄動(dòng)，同時(shí)由于湍渦的攪拌邊緣不斷與周圍空氣混合，緩慢的膨脹，同時(shí)煙團(tuán)濃度不斷地降低。b表示一個(gè)比煙團(tuán)大的湍渦對(duì)分散的作用，這時(shí)煙團(tuán)主要被湍渦運(yùn)動(dòng)所挾帶，本身增長(zhǎng)不大。 c表示尺度與煙團(tuán)大小相仿的湍流作用。這時(shí)，煙團(tuán)被湍渦拉開(kāi)撕裂而變形。這是一種比較快的分散過(guò)程。 從運(yùn)用角度研討大氣污染分散，就是找出不同氣候條件下，污染物在大氣中的搬運(yùn)規(guī)律，以求最大限制地減低空氣污染的程度。利用這些規(guī)律可以處理下述一些問(wèn)題： 根據(jù)

3、當(dāng)?shù)貧夂驐l件，對(duì)工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)和規(guī)劃提出合理建議，預(yù)防能夠呵斥的污染； 根據(jù)大氣質(zhì)量規(guī)范和當(dāng)?shù)卮髿獾姆稚⒉鸥?，提出排放?guī)范排放量和排放高度； 進(jìn)展污染氣候條件的預(yù)告污染潛勢(shì)預(yù)告，防止能夠發(fā)生的嚴(yán)重污染事件。 第二節(jié) 延續(xù)點(diǎn)源高斯分散方式 空氣污染的構(gòu)成和危害程度是以空氣污染物的作用于受污染體的濃度和時(shí)間決議的。因此，雖然詳細(xì)的空氣污染問(wèn)題多種多樣，各不一樣，但都必需處理一個(gè)根本問(wèn)題，就是要正確推斷各種條件下污染濃度的分布及其隨時(shí)間的變化。 高斯分散方式一個(gè)延續(xù)點(diǎn)源小尺度10km分散方式高斯分散方式。 高斯分散方式是在假設(shè)污染物的濃度為正態(tài)分布的前提下導(dǎo)出的。經(jīng)過(guò)大量的小尺度分散實(shí)驗(yàn)，特別是在平

4、原和比較平坦地域的實(shí)驗(yàn)闡明，污染物質(zhì)在大氣中的分散，其濃度分布根本接近正態(tài)分布。 由湍流分散梯度保送實(shí)際建立起來(lái)的分散方程，在分散系數(shù)為常數(shù)假定下，也可得到污染物濃度為正態(tài)分布方式的解。 由湍流研討的統(tǒng)計(jì)實(shí)際出發(fā)，在平穩(wěn)和均勻湍流的假定下，也可以證明分散粒子位移的概念服從正態(tài)分布。、無(wú)界條件下的高斯方式假設(shè)排放源處于一個(gè)無(wú)界的、流場(chǎng)均勻的空間。這時(shí)我們以源為坐標(biāo)原點(diǎn)，取x軸指向平均風(fēng)速方向，以垂直于地面的方向?yàn)榇怪毕蚣磟軸，那么y向稱為橫向。圖42是延續(xù)高架點(diǎn)源無(wú)界a與有界b坐標(biāo)表示圖。 在煙流橫向和垂直向濃度為正態(tài)分布條件下，其空間分布可寫(xiě)成：式中C(x，y，z)表示在空間某點(diǎn)x，y，z某一

5、時(shí)段的平均濃度，Ax表示煙流中心軸線濃度。當(dāng)yZO時(shí)，那么有下式： Cx，0，0= Ax 式中y和z分別表示此段時(shí)間內(nèi)橫向和垂直向濃度分布的規(guī)范差，即這兩個(gè)方向的分散參數(shù)。分散參數(shù)是估算污染濃度最重要的參數(shù)之一。、無(wú)界條件下的高斯方式根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在恣意一個(gè)與x軸垂直的煙流截面上取一個(gè)小面元dydz，單位時(shí)間經(jīng)過(guò)小面元的污染物質(zhì)為CUdydz，根據(jù)延續(xù)性原理，單位時(shí)間經(jīng)過(guò)整個(gè)截面的污染物應(yīng)該等于源的排放量，即源強(qiáng)Q：將4.1式代入4.2式并進(jìn)展積分有：其中U是常數(shù)，AAx與y、Z無(wú)關(guān)，最后可得到：把43代回到41那么可得到無(wú)界空間延續(xù)高架點(diǎn)源的高斯分散公式：二、有界條件下的高斯方式設(shè)源高為

6、H，以源所在地面的投影作為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸仍指向平均風(fēng)速方向如圖42b圖所示。這時(shí)空間某一點(diǎn)Px，y，z的濃度可看成是兩部分濃度的疊加：一部分相當(dāng)于無(wú)界時(shí)P點(diǎn)具有的濃度，另一部分是由于地面反射作用添加的濃度。這相當(dāng)于不存在地面時(shí)位置在0，0，H的實(shí)源在P點(diǎn)呵斥的濃度以及因地面反射呵斥的相當(dāng)于位置在0，0，H的“虛源在P點(diǎn)呵斥的濃度之和，如圖43所示。實(shí)源的奉獻(xiàn)是：實(shí)源的奉獻(xiàn)是： 虛源的奉獻(xiàn)是： 所以Px，y，z點(diǎn)的濃度為：式中Cx，y，Z，H為有效源高H的源在點(diǎn)Px，y，z處呵斥的濃度mgm3，Q為源強(qiáng)mgs，U為源高處平均風(fēng)速ms， y ，z分別為橫向、垂直向分散參數(shù)m。 公式45是估算高架點(diǎn)

7、源濃度分布常用的根本方式。需求闡明的是方式中的H是指有效源高，有關(guān)有效源高的問(wèn)題將在下面進(jìn)展專門討論。式中平均風(fēng)速是指煙云分散范圍內(nèi)的平均風(fēng)速，通?？珊?jiǎn)單地取排放面高度處的風(fēng)速。三、幾個(gè)常用的大氣分散方式1高架延續(xù)點(diǎn)源：a地面濃度Cx、y、o、H： b地面軸線濃度Cx、o、o、H： (c地面最大濃度及出現(xiàn)位置： 假設(shè)z/y的值不隨下風(fēng)向間隔x變化，可以推得高架源地面最大濃度為： 而且最大值出如今滿足以下關(guān)系的間隔上： 當(dāng)分散參數(shù)表示成冪函數(shù)方式時(shí) 那么地面最大濃度出現(xiàn)間隔為： 2地面延續(xù)點(diǎn)源 a地面濃度Cx,y,0，0： b地面軸線濃度Cx,0,0，0： 高斯方式是運(yùn)用得比較廣泛的大氣分散方式

8、。它適用的條件有以下幾方面： 下墊面開(kāi)闊、平坦、性質(zhì)均勻。 分散物質(zhì)在分散過(guò)程中不發(fā)生衰減，分散物質(zhì)與空氣沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，地面對(duì)污染物起全反射作用。 平均流場(chǎng)平直、穩(wěn)定，平均風(fēng)向和風(fēng)速無(wú)顯著的時(shí)間變化，平均風(fēng)速通常要大于12米秒。 分散過(guò)程是在同一種溫度層結(jié)的氣層中進(jìn)展的。 主要適用于小尺度分散過(guò)程，以不超越1020公里為宜。 但目前高斯方式的運(yùn)用已實(shí)踐上超出了上述范圍。在某些特殊條件下，開(kāi)展了一些變型方式。 第三節(jié) 分散參數(shù)的估計(jì)上述高斯分散中，欲計(jì)算出大氣污染物濃度及其分布，那么必需知道源強(qiáng)Q、平均風(fēng)速U，有效源高H和大氣分散參數(shù)y和z。其中Q和U往往是經(jīng)過(guò)丈量或由工程設(shè)計(jì)給出，于是問(wèn)題歸結(jié)

9、于如何給出有效源高和大氣分散參數(shù)。下面我們首先討論分散參數(shù)的估算方法。 分散參數(shù)y、z是下風(fēng)向間隔x，大氣穩(wěn)定度、地面粗糙度等的函數(shù)。目前廣泛運(yùn)用確實(shí)定分散參數(shù)的方法是根據(jù)大量分散實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的閱歷方法和閱歷公式。 、PG分散曲線法 帕斯奎爾FPasquill在大量觀測(cè)和研討的根底上，選擇地面風(fēng)速、云高、云量和太陽(yáng)輻射情況，把大氣的分散稀釋才干分為六個(gè)等級(jí): A一極不穩(wěn)定、B一不穩(wěn)定、C一弱不穩(wěn)定、D一中性、E一弱穩(wěn)定、F一穩(wěn)定。給出不同穩(wěn)定度級(jí)別下的分散參數(shù)y、z隨間隔x變化的曲線。見(jiàn)圖44分散曲線。根據(jù)常規(guī)氣候觀測(cè)的地面風(fēng)速、云量、云高及太陽(yáng)輻射情況，利用表41帕斯奎爾穩(wěn)定度級(jí)別劃分表來(lái)確

10、定大氣分散穩(wěn)定度級(jí)別后，再利用圖44分散曲線求出不同間隔上的y、z值，或見(jiàn)附表一帕斯圭爾曲線的y和z噸值。二、PG分散曲線的開(kāi)展1特納爾穩(wěn)定度分類法D.B.Turner在PG分散曲線法中，大氣層結(jié)穩(wěn)定度的劃分雖然簡(jiǎn)單，但比較粗糙，例如輻射強(qiáng)弱缺乏客觀規(guī)范，客觀性較強(qiáng)是用白天、夜間劃分輻射，美國(guó)著名氣候?qū)W家Turner于1964年提出根據(jù)太陽(yáng)高度角和云高、云量確定輻射等級(jí)，然后參照地面風(fēng)速劃分隱定度的方法。其過(guò)程如下： 首先計(jì)算太陽(yáng)高度角h0 h0arcsinsinsin+coscoscos15t+300 式中為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?；為太?yáng)傾角也稱赤緯，可查附表二得到； t為觀測(cè)時(shí)的地方時(shí)。為當(dāng)?shù)亟?jīng)度

11、。 太陽(yáng)高度角確定后，參照云量、云高利用下面表42確定太陽(yáng)輻射等級(jí)。 根據(jù)太陽(yáng)輻射等級(jí)和風(fēng)速，利用下面表43確 定大氣層結(jié)穩(wěn)定度級(jí)別。 GB384083法 我國(guó)國(guó)家規(guī)范代號(hào)GB384083中，為了便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，分散參數(shù)曲線用冪函數(shù)方式表示為：式中1、2，r1、r2是大氣層結(jié)穩(wěn)定度函數(shù)。對(duì)應(yīng)于30分鐘采樣時(shí)間的1、2，r1、r2值可查附表三a、附表三b。 此規(guī)范中對(duì)大氣分散穩(wěn)定度級(jí)別的劃分采用特納爾法Turner，同時(shí)還思索下墊面情況對(duì)分散的影響，作了如下規(guī)定：平原地域的鄉(xiāng)村及城市遠(yuǎn)郊區(qū)：A、B、C級(jí)穩(wěn)定度直接由附表二a附表二b分散參數(shù)冪函數(shù)值查算。D、E、F級(jí)穩(wěn)定度那么需求向不穩(wěn)定方向提半級(jí)

12、后查算。 工業(yè)區(qū)的城區(qū)：A、B級(jí)不提，C級(jí)提到B級(jí)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級(jí)半，再按附表二a、b查算。 非工業(yè)區(qū)的城區(qū)：A、B級(jí)不提，C級(jí)提到BC級(jí)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級(jí)后查算。 丘陵山區(qū)的鄉(xiāng)村或城市：其分散參數(shù)的選取方法同城市工業(yè)區(qū)。練習(xí)題1、求以下污染氣體的濃度單位換算關(guān)系mg/m3ppm)在規(guī)范形狀下：CO、O3、NO2、NO。2 大氣中CO2的通量濃度為340ppm,問(wèn)1Nm3空氣中含CO2多少克？2、成人每次吸入的空氣質(zhì)量平均為500cm3,j假假設(shè)每分鐘呼吸15次，空氣中顆粒物的濃度為200g/m3，試計(jì)算每小時(shí)堆積于肺胞中的顆粒屋質(zhì)量。知該顆粒物在肺胞中的 沉降系數(shù)為

13、0.12。4、據(jù)估計(jì)某平原城市遠(yuǎn)郊區(qū)熄滅的渣滓以每秒3克的速度向周圍排放氫氧化物為主的的污染物。當(dāng)時(shí)氣候情況為：風(fēng)速7m/s，夜間、陰天。請(qǐng)問(wèn)此渣滓堆正下風(fēng)向3km處的污染物濃度是多少？此間隔上偏離X軸線200m處濃度是多少？5、據(jù)估計(jì)某工/S業(yè)城市有 一石油精煉廠，其平均有效源高60m煙囪高30m排放SO2 80g/s.。當(dāng)時(shí)氣候情況為：風(fēng)速6m/S,冬季、陰天、清晨八點(diǎn)。請(qǐng)問(wèn)間隔此精煉廠下風(fēng)向500 m處地面濃度是多少？第四節(jié) 延續(xù)線源、面源分散方式 、延續(xù)線源分散方式 處置汽車尾氣分散問(wèn)題，可以把一條忙碌的交通線看成是延續(xù)線源，按照高斯分散方式體系，其濃度場(chǎng)是組成線源的一切點(diǎn)源濃度奉獻(xiàn)之

14、和，等于點(diǎn)源濃度公式沿著線源長(zhǎng)度上的積分。對(duì)直線型的點(diǎn)源，可直接求出積分，得到計(jì)算線源濃度場(chǎng)的解析式；當(dāng)線源外形很不規(guī)那么時(shí)，只能用數(shù)值求和的方法處理。 風(fēng)向與線源垂直取x軸與風(fēng)向平行，線源作為地面源的y軸上，坐標(biāo)源點(diǎn)經(jīng)過(guò)線源的中心，源長(zhǎng)為2y。源強(qiáng)Q1，在線源上取dy0，那么dy在下風(fēng)向濃度分布dc可用延續(xù)點(diǎn)源的高斯方式估算： 此線源呵斥的下風(fēng)向濃度分布是一切點(diǎn)源濃度奉獻(xiàn)之和，等于上式在線源長(zhǎng)度上的積分：二風(fēng)向與線源平行 仍取x軸與平均風(fēng)向平行，這時(shí)，線源作為地面源的x軸上，設(shè)線源源長(zhǎng)2x0，坐標(biāo)原點(diǎn)與線源中心一致，線源源強(qiáng)為QL，在線源上取dx0，dx在下風(fēng)向的濃度分布為：那么該線源在下風(fēng)

15、向的濃度分布為 當(dāng)X0時(shí) 離源間隔可見(jiàn)其濃度分布與順風(fēng)向位置無(wú)關(guān)。 三風(fēng)向與線源成恣意交角 當(dāng)風(fēng)向與線源成恣意交角90，可用簡(jiǎn)單的內(nèi)插方法估算。 CC垂直Sin2C平行cos2 416 這里引見(jiàn)的線源方式屬于高斯分散方式體系，運(yùn)用條件與高斯煙流方式一樣。城市街道兩側(cè)高大建筑物會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)，上述線源方式不能用來(lái)計(jì)算街面和街道兩側(cè)濃度分布，必需開(kāi)展適當(dāng)?shù)淖臃绞絹?lái)模擬城市街道和建筑物對(duì)分散的影響。另外，在公路附近，排放的污染物的初始分布尺度對(duì)污染濃度有很大影響，必需給分散參數(shù)加上適當(dāng)?shù)某跏剂恳悦鈱?duì)近間隔估計(jì)過(guò)高。二、延續(xù)面源分散方式 城市中還有低矮的大氣排放源以及千家萬(wàn)戶生活中的熄滅排放源，這些源

16、的特點(diǎn)是分布廣而數(shù)量多，單個(gè)源源強(qiáng)不大，排放高度不高。在研討城市大氣污染問(wèn)題時(shí)，常把它們歸納為面源來(lái)處置。一“箱方式 這是流行的一種氣箱方式。其出發(fā)點(diǎn)是把污染物遷移變化的空間看成是一個(gè)或一些“氣箱，研討的是箱內(nèi)平均濃度隨時(shí)間的變化，而不是討論箱內(nèi)污染物濃度分布和變化的細(xì)節(jié)。 箱方式有單箱方式和多箱方式之分。這里，我們根據(jù)箱方式的根本出發(fā)點(diǎn)，作最簡(jiǎn)單的思索，把整個(gè)城市作為一個(gè)氣箱，討論箱內(nèi)平均濃度的變化。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)污染物變化的量應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)污染物排放量與單位時(shí)間內(nèi)平流輸出量之差。設(shè)城市順風(fēng)邊長(zhǎng)x，迎風(fēng)邊寬Y，混合層厚H，面源源強(qiáng)Q，混合層內(nèi)平均風(fēng)速，那么平衡方程為：當(dāng)t

17、時(shí)，其平衡濃度可稱為通風(fēng)系數(shù)，它表示混合層內(nèi)空氣保送速率。 城市內(nèi)汽車尾氣分散也可以用簡(jiǎn)單箱方式處置，假設(shè)汽車排氣均勻分布在街道“峽谷中，尼科爾森Nicholson，s，1975采用以下方式研討過(guò)芝加哥法蘭克福等城市的汽車排氣中CO在街道中的分布： 1當(dāng)風(fēng)與街道平行時(shí)： 2當(dāng)風(fēng)與街道垂直時(shí)： 式中 C高度h以下整個(gè)街道中污染物濃度； QA源強(qiáng)，取決于汽車密度和速度； L有效街道長(zhǎng)度； 平均風(fēng)速； W屋頂部上舉速度，它是屋頂上程度風(fēng)速的函數(shù)。 箱方式雖然簡(jiǎn)單粗糙，作為污染濃度的概量估算，有其簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)；但假定整個(gè)氣箱內(nèi)濃度均勻分布的不合理性，往往使得地面濃度估計(jì)過(guò)低。二簡(jiǎn)化為點(diǎn)源或線源方式 1簡(jiǎn)化為點(diǎn)源 假設(shè)面源單元與正上風(fēng)向某一虛點(diǎn)源呵斥的污染形狀等效，此等效點(diǎn)源的煙云分散至面源單元時(shí)，在面源的中心處的寬度云寬2y等于面源的寬度L，在面源中處的厚度半云高Z0等于面源的平均高度H設(shè)等效點(diǎn)源至面源中心間隔上的分散參數(shù)