第04章大氣污染濃度估算模式

第四章大氣污染物擴散模式1.湍流擴散的基本理論2.高斯擴散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴散模式5.城市及山區(qū)的擴散模式6.煙囪高度設計第一節(jié)湍流擴散的基本理論擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運動

風速的脈動風向的擺動起因與兩種形式

熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機械：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度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.梯度輸送理論類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比2.湍流統(tǒng)計理論泰勒－>圖4-1，正態(tài)分布薩頓實用模式高斯模式

3.相似理論第二節(jié)高斯擴散模式高斯模式的有關假定坐標系右手坐標，y為橫風向，z為垂直向四點假設

a．污染物濃度在y、z風向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．擴散中污染物是守恒的（不考慮轉化）

高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布假定，得下風向任一點的濃度分布

…………(1)由統(tǒng)計理論給出方差的表達式

…(2)

……..(3)

由假定d源強積分式（單位時間物料守恒）

…….(4)上式中：ū—平均風速；Q—源強是指污染物排放速率。與空氣中污染物質的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎數據。通常：（?。┧矔r點源的源強以一次釋放的總量表示；（ⅱ）連續(xù)點源以單位時間的釋放量表示；（ⅲ）連續(xù)線源以單位時間單位長度的排放量表示；（ⅳ）連續(xù)面源以單位時間單位面積的排放量表示。δy—側向擴散參數，污染物在y方向分布的標準偏差，是距離y的函數，m；δz—豎向擴散參數，污染物在z方向分布的標準偏差，是距離z的函數，m；未知量—濃度c、待定函數A(x)、待定系數a、b；式①、②、③、④組成一方程組，四個方程式有四個未知數，故方程式可解。高斯煙流的形態(tài)高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布高架連續(xù)點源擴散模式鏡像全反射---->像源法實源：像源：高架連續(xù)點源擴散模式高架連續(xù)點源擴散模式

顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式

地面反射系數第三節(jié)污染物濃度的估算q

源強計算或實測

平均風速多年的風速資料

H

有效煙囪高度

、擴散參數1.煙氣抬升高度的計算

初始動量：速度、內徑煙溫度－>浮力煙氣抬升煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式

（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10％～20％）

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）（3）我國的《環(huán)境影響評價技術導則—大氣環(huán)境(HJ/T2.2-93)中的公式

大氣擴散參數（σy，σz）的確定1、擴散參數的性質①隨著擴散距離的加長，σ增大。②隨著水平和垂直湍流的強烈交換，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，σ較大，即σ與穩(wěn)定度密切相關。σ=f（穩(wěn)定度）。③穩(wěn)定度、擴散距離一定時，σ與粗糙度有關。粗糙度越趨于穩(wěn)定，σ越小。2、確定σ的方法①示蹤實驗法；②風標法；③經驗方法（應用最廣泛）3、帕斯奎爾（F.Pasquill）—吉福特（F.A.Gifford）擴散曲線法（簡：P-G擴散曲線法）帕斯奎爾在1961年首先提出應用觀測到的風速、云量、云狀和日照等天氣資料，將大氣擴散稀釋能力分為6個等級：擴散參數的確定P－G曲線法P－G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表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(xiàn)—穩(wěn)定。若穩(wěn)定級別為A～B，則表示按A、B級的數據內插。擴散參數的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用根據常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別擴散參數的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用利用擴散曲線確定和擴散參數的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用地面最大濃度估算擴散參數的確定－中國國家標準規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法改進的P－T法

太陽高度角

（式4-29，地理緯度，傾角）

輻射等級穩(wěn)定度云量（加地面風速）

擴散參數的確定－中國國家標準規(guī)定的方法擴散參數的選取擴散參數的表達式為（取樣時間0.5h，按表4-8查算）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)定方向提一級丘陵山區(qū)的農村或城市，同工業(yè)區(qū)取樣時間大于0.5h，不變，第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結構均一，實際中難以實現(xiàn)）

封閉型擴散模式相當于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和

n為反射次數，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像封閉型擴散模式計算簡化：熏煙型擴散模式假設：

D

換成hf（垂向均勻分布）；q只包括進入混合層部分，

則仍可用上面公式

熏煙型擴散模式第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式城市大氣擴散模式1.線源擴散模式城市大氣擴散模式2.面源擴散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）簡化為點源的面源擴散模式（續(xù)）形心上風向距x0處有一虛擬點源，其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等

煙流寬度：中心線到濃度為中心處距離的兩倍

（正態(tài)分布：）

確定、之后即可按點源計算面源濃度城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）窄煙流模式某點的污染物濃度主要取決于上風向面單元的源強，上風向兩側單元對其影響很小某點的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定常用城市空氣質量模式箱模式單箱模式多箱模式——如目前用于我國城市空氣污染指數預報的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化學模式如EPA推薦的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式線源模式如CALINE模式，用于計算公路的污染物排放城市空氣質量模式的發(fā)展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)/scram001/tt22.htmISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel城市空氣質量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm城市空氣質量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念AirToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH

--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere第三代模式（Models－3）/asmdnerl/models3/山區(qū)擴散模式山區(qū)流場由于受到復雜地形的熱力和動力因子影響，流場均勻和定常的假定難以成立對風向穩(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，只是擴散參數比平原地區(qū)大很多ERT模式高斯模式，只對有效源高進行修正NOAA和EPA模式NOAA－以高斯模式為基礎，對有效源高進行修正EPA－與NOAA相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正第六節(jié)煙囪高度的設計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

按地面最大濃度計算

煙囪高度的計算按地面絕對最大濃度計算煙囪高度的計算按一定保證率的計算法取上述兩種情況之間一定保證率下的平均風速和擴散參數P值法國標GB/T13201-91煙囪設計中的幾個問題上述計算公式按錐形高斯模式導出，在逆溫較強的地區(qū)，需要用封閉型或熏煙型模式校核煙氣抬升高度的選取優(yōu)先采用國家標準中的推薦公式煙流下洗、下沉現(xiàn)象廠址選擇從環(huán)境保護角度出發(fā)，理想的建廠位置是污染本底值最小，擴散稀釋能力強，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的地區(qū)不宜建廠，本底濃度雖未超標，但加上擬建廠貢獻，短期內又無法改進的也不宜建廠，應選擇本底濃度小的地區(qū)建廠。2、擴散稀釋能力擴散稀釋能力主要決定于該地區(qū)的氣象條件和地形。（1）風向、風速污染物危害的程度和受污染的時間及濃度有關，所以居住區(qū)、作物生長區(qū)都希望能設在受污染時間短、污染濃度低的位置，因而確定工廠和居民區(qū)的相對位置時要考慮風向、風速兩個因素。污染系數表示風向、風速綜合作用對空氣污染物擴散影響程度。其表達式為：污染系數=某風向污染系數小，表示該風向吹來的風所造成的污染小，因此污染源可布置在污染源在污染系數最小風向的上側。結合某地風向頻率及污染系數分析。（2）穩(wěn)定度由于一般污染物擴散是在距地面幾米高范圍內進行的，所以離地面幾百米范圍內的大氣穩(wěn)定度對污染物的擴散稀釋過程有重要影響，選廠址必須注意收集逆溫層的強度、厚度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間等資料，要特別注意逆溫同時出