大氣擴散濃度估算

大氣擴散濃度估算第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第四章大氣擴散濃度估算環(huán)境科學與工程學院二O一O年三月第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

§4-1煙氣抬升高度第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日有效源高

一、有效源高煙囪的有效高度H

（煙軸高度，它由煙囪幾何高度Hs和煙流（最大）抬升高度ΔH組成，即H=Hs+ΔH），要得到H，只要求出ΔH即可。ΔH：煙囪頂層距煙軸的距離，隨x而變化的。1、煙氣抬升（1）煙氣從煙囪排出，有風時，大致有四個階段:(見下頁圖)a）噴出階段；b）浮升階段；c）瓦解階段；d）變平階段：（2）煙云抬升的原因有兩個：①是煙囪出口處的煙流具有一初始動量（使它們繼續(xù)垂直上升）；②是因煙流溫度高于環(huán)境溫度產(chǎn)生的靜浮力。這兩種動力引起的煙氣浮力運動稱煙云抬升，煙云抬升有利于降低地面的污染物濃度。

第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日2、影響煙云抬升的因素影響煙云抬升的因素很多，這里只考慮幾種重要因素：（1）煙氣本身的因素

a）煙氣出口速度（Vs）：決定了煙起初始動力的大?。籦）熱排放率（QH）—煙囪口排出熱量的速率QH越高煙云抬升的浮力就越大，大多數(shù)煙云抬升模式認為，其中α=1/4～1，常取α為2/3。（2）環(huán)境大氣因素a）煙囪出口高度處風速，越大，抬升高度愈低；b）大氣穩(wěn)定度不穩(wěn)時，抬升較高；中性時，抬升稍高；穩(wěn)定時，抬升低。c）大氣湍流的影響大氣湍流越強，抬升高度愈低。（3）下墊面等因素的影響第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日3、煙云最大抬升高度的經(jīng)驗計算抬升高度的計算公式很多，但由于影響抬升高度的因素很多，所以目前大多數(shù)煙羽抬升公式是憑經(jīng)驗的，且各有其特點（局限性），因此應(yīng)盡量選擇該公式的導(dǎo)出條件和我們的計算條件相仿的。下面介紹幾個常見公式：第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日霍蘭德公式校正分數(shù)取值第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日適用條件：中性大氣條件；對于非中性大氣條件，進行修正：不穩(wěn)定大氣→增加（10%～20%）△H；穩(wěn)定大氣→減少（10%～20%）△H。不適于：計算大型的熱排放源或高于100m煙囪的抬升高度。b.布里吉斯（Briggs）公式

適用于不穩(wěn)定大氣條件和中性大氣條件的計算式。第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日3）我國（GB/T13201-91）“制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法”推薦的抬升公式：a.當Qh≥2100KJ/s且△T≥35K時，uHQnnsnh/210=DH，其中svahTTQPQ/35.0D=

表

系數(shù)n0、n1、n2的取值（見書P91表4-2）

Qh(KJ/s)

下墊面情況（平原地區(qū)）

n0

n1

n2

農(nóng)村或城市遠郊區(qū)

1.427

1/3

2/3

Qh≥21000

城區(qū)及近郊

1.303

1/3

2/3

農(nóng)村或城市遠郊區(qū)

0.332

3/5

2/5

21000>

Qh

≥2100

且ΔT≥35K

城區(qū)

0.292

3/5

2/5

當Z2≤200m，mZZuu)(121=；

當Z2>200m，mZuu)200(11=

式中：u1-附近氣象臺（站）高度5年平均風速，m/s；m-。

Z1-附近氣象臺（站）高度5年平均風速，m/s；Z2-煙囪出口處高度，m；

第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日DTa/dZ為排放源高度以上的氣溫直減率，取值不得小于0.01K/m。第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日4、煙云抬升高度的測定

選用煙氣抬升高度計算公式前往往根據(jù)實例，根據(jù)實測時煙囪參數(shù)代入各種公式進行計算，選用與實測值近似的公式，或?qū)⒐街邢禂?shù)作以修改。目前已知的測定方法有照相法、氣球測高法、激光雷達法等。第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（2）抬升公式很多，用何公式應(yīng)按具體情況而定，一般選霍氏公式或中國推薦公式。第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

§4-2污染物落地濃度

一、污染源污染源對污染物的影響很大，從污染源考慮污染物濃度主要有以下幾方面：(1)污染物指的化學組分及性質(zhì)，各組分間是否易發(fā)生化學反應(yīng)形成二次污染物等；(2)源的幾何形狀和排放方式；(3)源強，即污染物的排放速率；(4)源的高度。在源強等條件相同的情況下,源高對地面污染物的影響見右圖所示。第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一、高斯擴散模式的基本形式x軸沿平均風向水平延伸，y軸在水平面上垂直于X軸，Z軸垂直xy平面向上延伸煙云中心平均路徑沿X軸或平行Y軸移動。第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日(二)高斯模式的有關(guān)假定1.煙羽的擴散在水平和垂直方向都是正態(tài)分布；2.在擴散的整個空間風速是均勻的、穩(wěn)定的；3.污染源排放是連續(xù)的、均勻的；4.污染物在擴散過程中沒有衰減和增生，在x方向，平流作用遠大于擴散作用；第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日(不存在地面時)

第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日上式中：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(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：（ⅰ）瞬時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(cè)向擴散參數(shù)，污染物在y方向分布的標準偏差，是距離y的函數(shù)，m；δz—豎向擴散參數(shù)，污染物在z方向分布的標準偏差，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①、②、③、④組成一方程組，四個方程式有四個未知數(shù)，故方程式可解。第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日4、高架連續(xù)點源擴散模式高架源既考慮到地面的影響，又考慮到高出地面一定高度的排放源。地面對污染物的影響很復(fù)雜，如果地面對污染物全部吸收，則⑧式仍適用于地面以上的大氣，但根據(jù)假設(shè)④可認為地面就象鏡子一樣對污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”處理這類問題?？梢园裀點污染物濃度看成為兩部分作用之和，一部分實源作用，一部分是虛源作用。見下頁圖：相當于位置在（0，0，H）的實源和位置在（0，0，-H）的像源，當不存在地面時在P點產(chǎn)生的濃度之和。（1）實源作用：由于坐標原點原選在地面上，現(xiàn)移到源高為H處，相當于原點上移H，即原式⑧中的Z在新坐標系中為（Z-H）,不考慮地面的影響，則：第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于15μm的飄塵，對于大15μm的顆粒物，由于自身的沉降作用，濃度分布將有所改變。7、傾斜煙云模式在預(yù)測上述顆粒時，假設(shè)沉積和無沉積有相同的分布形式，但在整個煙云離開源以后，便以重力終端速度下降（ut）,此時，只要將高斯模式中有效源高H用()來置換即可得到傾斜煙云模式。第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日非點源擴散模式（城市及山區(qū)擴散模式）1.線源擴散模式;2.面源擴散模式;3.山區(qū)擴散模式；第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日1.線源擴散模式城市中的街道和公路上汽車排放廢氣可作為線源。無限長線源：在足夠長線路上，維持足夠密度，能在公路或街道兩側(cè)形成穩(wěn)定濃度場的線源。有限長線源：只能在有限的線路兩側(cè)形成斷續(xù)穩(wěn)定的濃度場的情況。第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日無限長線源擴散模式無限長線源擴散模式：當風向與線源垂直時，連續(xù)排放的線源在橫風向產(chǎn)生的濃度是處處相等。只需對點源模式對變量y進行積分即可。式中：QL：為單位線源的源強，g/(sm)。第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日無限長線源擴散模式（續(xù)）當風向與線源不垂直時，若風向與線源交角大于45度時，線源下風向的濃度式為：若風向與線源交角小于45度時，較復(fù)雜、具體情況具體分析。第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日有限長線源模式

必須考慮線源未端引起的“邊緣效應(yīng)”，對橫風的有限長線源，在關(guān)心的接受點的平均風向為x軸，線源在一定范圍（y1、y2）范圍內(nèi)擴散模式第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日2面源擴散模式對于城市中小型工廠，企業(yè)生活鍋爐、及居民的爐灶等數(shù)量眾多，分布面廣，排放高度較低，高度不一，很難做為點源來處理，可采用面源擴散模式。*平原城區(qū)排氣筒高度不高于40m或排放量小于0.04t/h的排放源可按面源處理。*第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日A箱模式

假設(shè)城市中污染物濃度在整個混合層內(nèi)是均勻的的。ClDU=QlX即：C=QX/UDQ為單位面積上的源強。第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日A箱模式（續(xù)）由于區(qū)域面源的平面分布和高度都是不均勻的，所以一般是把區(qū)域劃分為許多小正方形，每一正方形作為一個面源單元，正方形邊長的選取，視面源的分布和城市大小而定，一般在0.5-10km之間選取。第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日B虛擬點源模式假定：（1）每一面源單元的污染物排放量集中在該單元的中心上；（2）面源單元中心的上風向距離X0處有一虛擬點源，它在面源單元中心線處產(chǎn)生的煙流寬度（）等于面源單元寬度W；（3）面源單元在下風向造成的濃度可用虛擬點源在下風向造成的同樣的濃度所代替。第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日B虛擬點源模式（續(xù)）由假定（2）可得由求出和大氣穩(wěn)定度級別，應(yīng)用P-G曲線圖或表可反求出X0。再由X+X0查出，由X查出，代入點源擴散的高斯模式，便可求出下風向各面源單元中心處的地面濃度：第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日3山區(qū)擴散模式（略）第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日4-4、特殊氣象條件下的擴散模式（一）有上部逆溫層的擴散模式如果大氣低層處于不穩(wěn)定，某一高度以上有逆溫層存在，這是上部逆溫層就像一個“蓋子”使污染物垂直擴散受限制，擴散只能在地面和逆溫間進行，稱之為“封閉型擴散”。此類模型的推導(dǎo)是把逆溫層底面看成和地面一樣能起全反射的“鏡面”，這時的煙云多次反射。污染源濃度可看成是實源和無窮多個虛源作用之和。第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日實際計算往往要進行簡化，設(shè)xD為煙羽邊緣剛好達逆溫底層時離煙源的水平距離。第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日①當x≤xD時，按原擴散模式（一般高斯模式）計算；xD可由求得，②當x≥2xD時，水平方向仍呈正態(tài)分布，z方向濃度漸趨均勻；③當xD<x<2xD時，情況復(fù)雜，此時可取x=xD和x=2xD時兩點濃度的內(nèi)插值（采用雙對數(shù)坐標系）。

()）=22,0,,2exp（2yyHyxyDuQCssp第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（二）熏煙擴散模式熏煙過程：是指由于夜間輻射逆溫在日出后，受太陽輻射，使逆溫自下而上消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橹行曰虿环€(wěn)定層結(jié)，消失到煙羽下界時，上部仍為逆溫，擴散只能向下進行，致使出現(xiàn)地面高濃度。隨著逆溫自下而上逐漸消退而發(fā)展至煙流上界時達高潮，此過程稱為熏煙過程，持續(xù)數(shù)十分鐘。第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日1.若逆溫消退到高度Zf，而H＜Zf＜L

第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日2.當逆溫消退到有效源高H時，即hf=H

第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日3.當逆溫剛消退到煙流頂高(hf)時

第四十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日5、有效源高對地面最大濃度的影響高架連續(xù)點源地面最大濃度計算式是在風速不變的情況下導(dǎo)出的。當考慮有效源高對地面最大濃度的影響時，應(yīng)把風速看成變量考慮其影響。從Cmax公式看出：風速對Cmax有兩種作用結(jié)果：①風速增大，地面最大濃度減??；②從各種抬升公式看，風速增大時抬升高度減小，地面最大濃度增大。因此可以設(shè)想在某一風速下會出現(xiàn)地面最大濃度的極大值，稱為地面絕對最大濃度，相對此時的風速稱為危險風速。地面最大濃度Cmax不是隨風速增加而單純的減小，而是先隨風速增加而增大，當Cmax達到最大值后再減小。下面舉一種地面絕對最大濃度表達式，說明有效源高對地面最大濃度的影響。大多數(shù)煙流抬升公式可概括為ΔH=B/ū的形式，其中B為某一抬升公式中除ū以外的一變量。例如用霍蘭德公式計算ΔH時，。若將上述抬升公式代入地面最大濃度公式Cmax中，對ū求導(dǎo)（B視為常數(shù)），并令則得到ū=B/Hs，即當ū=B/Hs時，Cmax達極大。不取ΔH=B/ū時，計算要繁雜得多，但都有一危險風速。第四十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日4-6煙囪設(shè)計煙囪不單是一排氣裝置，也是控制空氣污染、保護環(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)滿足減少對地面污染的需要。增加煙囪高度可以減輕污染源對局部地區(qū)的污染，大體上C地面∝1/H2，但超過一定高度后再增加高度，對地面濃度的影響甚微，而煙囪的造價卻隨高度增加而急劇增大（煙囪的造價∝H2），所以并不是煙囪愈高愈好。設(shè)計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最大濃度不超過國家大氣質(zhì)量標準，又應(yīng)做到投