1、第四章 大气污染物浓度估算模式2本章主要内容本章主要内容大气污染物扩散的基本描述大气污染物扩散的基本描述箱子模式箱子模式高斯扩散模式高斯扩散模式污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式城市及山区扩散模式城市及山区扩散模式烟囱高度设计烟囱高度设计空气质量模式的新进展空气质量模式的新进展湍流扩散湍流扩散 基本概念基本概念 湍流：大气的无规则运动湍流：大气的无规则运动 风速的脉动风速的脉动 风向的摆动风向的摆动 起因与两种形式起因与两种形式 热力：温度垂直分布不均热力：温度垂直分布不均 机械：风速分布不均匀及机械：风速分布不均匀及 地面粗糙度地面粗糙度
2、 扩散的要素扩散的要素 风：平流输送为主风：平流输送为主; 风大则湍流大风大则湍流大 湍流：扩散比分子扩散快湍流：扩散比分子扩散快105106倍倍; 湍流越强，扩散速度越快湍流越强，扩散速度越快一、大气污染物扩散的基本描述一、大气污染物扩散的基本描述3湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论 主要主要阐述研究湍流与烟流传播同物质衰减的阐述研究湍流与烟流传播同物质衰减的关系关系1.梯度输送梯度输送理论理论： 类比于类比于分子扩散分子扩散，将，将浓度梯度浓度梯度作为物质扩散的驱动力作为物质扩散的驱动力 应用应用欧拉法欧拉法研究每一空间位置上运动质点的特征量研究每一空间位置上运动质点的特征量 基本参数：
3、基本参数：湍流扩散系数湍流扩散系数K；气象资料：；气象资料：风速及风速及K的垂直廓线的垂直廓线 限制条件：限制条件：小尺度湍涡小尺度湍涡一、大气污染物扩散的基本描述一、大气污染物扩散的基本描述 欧拉方法：把某瞬时通过流场欧拉方法：把某瞬时通过流场各个固定点的流体质点运动状各个固定点的流体质点运动状态综合起来，反映某时刻流体态综合起来，反映某时刻流体在流场内的运动状况在流场内的运动状况4湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论 主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系2.湍流统计理论湍流统计理论 应用应用拉格朗日法拉格朗日法研究每一质点不同时刻
4、的运动状态研究每一质点不同时刻的运动状态 大气湍流场是大气湍流场是均匀、定常流场均匀、定常流场；单个质点的运动是；单个质点的运动是随机随机的；无数的；无数个具有随机运动的质点作为一个整体，具有稳定的个具有随机运动的质点作为一个整体，具有稳定的概率分布概率分布 基本参数：基本参数：风速脉动速度均方差风速脉动速度均方差 湍流能谱：湍流能谱：不不同频同频率湍率湍流速度涨落对湍流动能的贡献的函流速度涨落对湍流动能的贡献的函数数 限制条件：限制条件：均匀湍流均匀湍流一、大气污染物扩散的基本描述一、大气污染物扩散的基本描述 拉格朗日方拉格朗日方法法( (质点系法质点系法) )：跟：跟踪并研究每个流体质点的
5、运动踪并研究每个流体质点的运动情况，把它们综合起来以掌握情况，把它们综合起来以掌握整个流体运动的规律。整个流体运动的规律。5大气污染物浓度估算模式大气污染物浓度估算模式概念：概念：模拟大气污染物的输送、扩散、迁移过程，预测模拟大气污染物的输送、扩散、迁移过程，预测在不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物在不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度时空分布的数学模型，是大气中污染物迁移和扩散浓度时空分布的数学模型，是大气中污染物迁移和扩散规律的、简单化的数学描述。规律的、简单化的数学描述。应用：应用：城市、区域、全球的气象、气候和大气污染研究城市、区域、全球的气象、气候和大气污染
6、研究作为法规模型支持空气质量评估和大气污染控制规划制定作为法规模型支持空气质量评估和大气污染控制规划制定作为研究工具分析大气污染的成因、识别大气污染的来源作为研究工具分析大气污染的成因、识别大气污染的来源一、大气污染物扩散的基本描述一、大气污染物扩散的基本描述6一、大气污染物扩散的基本描述一、大气污染物扩散的基本描述大气污染物浓度估算模式的基本原理大气污染物浓度估算模式的基本原理78本章主要内容本章主要内容大气污染物扩散的基本描述大气污染物扩散的基本描述箱子模式箱子模式高斯扩散模式高斯扩散模式污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式城市及山区扩散
7、模式城市及山区扩散模式烟囱高度设计烟囱高度设计空气质量模式的新进展空气质量模式的新进展箱子模式的基本假定箱子模式的基本假定二、箱子模式二、箱子模式( Fixed-box models)9box leavingair in ionconcentratpollutant = c speed; wind = uheight mixing = H wind; of direction inbox of length = Lsource) (area city the in areaunit per rate emission masspollutant = qair entering in ionco
8、ncentrat pollutant = buHqLbc(6-7)二、箱子模式二、箱子模式( Fixed-box models)箱子模式的推导箱子模式的推导10uHqLbc 如何降低城市的污染物浓度？如何降低城市的污染物浓度？ 如何计算污染物的年平均浓度？如何计算污染物的年平均浓度？二、箱子模式二、箱子模式( Fixed-box models)箱子模式的含义及应用箱子模式的含义及应用减排减排比例：比例： ) )气象条件出现的频率气象条件出现的频率特定气象条件下的浓度特定气象条件下的浓度( (年平均浓度年平均浓度1112本章主要内容本章主要内容大气污染物扩散的基本描述大气污染物扩散的基本描述箱子
9、模式箱子模式高斯扩散模式高斯扩散模式污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式城市及山区扩散模式城市及山区扩散模式烟囱高度设计烟囱高度设计空气质量模式的新进展空气质量模式的新进展三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式高斯扩散模式的高斯扩散模式的坐标系坐标系右手坐标，右手坐标，x为下风向，为下风向， y y为横风向，为横风向，z z为垂直向为垂直向烟羽烟羽13 污染物浓度在污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布 全部高度风速均匀全部高度风速均匀稳定稳定 源强是连续均匀稳源强是连续均匀稳定的定的 扩散中污染物质量扩散中污染物质量守恒（不考
10、虑转化）守恒（不考虑转化） 三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式高斯扩散模式的假定高斯扩散模式的假定14X方向的扩散通量方向的扩散通量k: 湍流扩散系数湍流扩散系数,m2/s三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式高斯扩散模式的推导高斯扩散模式的推导(1)(1)15高斯扩散模式的推导高斯扩散模式的推导(2)(2)气团中污染物浓度随时间的变化：气团中污染物浓度随时间的变化：三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式16高斯扩散模式的推导高斯扩散模式的推导(3)(3)Solution for instantaneous release of X g of pollutant at t = 0 and x = y = z
11、 = 0 : zyxzyxKzKyKxtKKKtXc222212341exp)()( 8tKzKyKKtuQzyxczyzy41exp)(4/),(222/12 dimensional dispersion, X=Q/u, 三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式17zzK xu2yyK xu2水平和垂直扩散参数，水平和垂直扩散参数，m m将将t=x/u、 、 带入高斯扩散模式中，得到带入高斯扩散模式中，得到: :222222exp2zyzyzyuQctKzKyKKtuQzyxczyzy41exp)(4/),(222/1无界空间连续点源扩散模式无界空间连续点源扩散模式:(1):(1)点源周围没有任何界
12、面影响点源周围没有任何界面影响; (2); (2)风风速均匀，则地势开阔平坦，没有大的建筑物或者起伏地形；速均匀，则地势开阔平坦，没有大的建筑物或者起伏地形；(3(3）排放量稳定）排放量稳定(4-6)三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式高斯扩散模式的推导高斯扩散模式的推导(4)(4)yz18高斯烟羽模式的基本方程高斯烟羽模式的基本方程22222)(2exp2zyzyHzyuQc三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式19高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式(1)(1) 主要假主要假定：定： 地面如同地面如同镜镜面，面，对污染对污染物全物全反反射；射； 下下风向任一点风向任一点P处的污染物浓度等于处的污
13、染物浓度等于不存在地面时该处浓度，加上地面反不存在地面时该处浓度，加上地面反射增加的浓度；射增加的浓度； 地地面对污染物的反射造成某处污染物面对污染物的反射造成某处污染物浓度的增加，与一个大小相同、位置浓度的增加，与一个大小相同、位置相反的虚像点源产生的效果相同。相反的虚像点源产生的效果相同。镜像全反射镜像全反射-像源法像源法三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式实源：实源： 像源：像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz20高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式(2)(2)实源：实源： 像源：像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x
14、y z Hzn 像源的贡献像源的贡献n 实际浓度实际浓度三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式下风向下风向P点处的污染物浓度：点处的污染物浓度：21n 实源的贡献实源的贡献)2)(2(exp2),(2222zyzyHzyuQHzyxc)2)(2(exp2),(2222zyzyHzyuQHzyxc2222222)(exp2)(exp )2exp(2),(zzyzyHzHzyuQHzyxc(4-7)高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式(3)(3)地面浓度模式：地面浓度模式：z0地面轴线浓度模式：地面轴线浓度模式：y=0，z0yz地面最大浓度模式：地面最大浓度模式： 考虑地面轴线浓度模式，考虑地面轴线
15、浓度模式，x增大，增大，则则 、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x处有最大值处有最大值烟流中心轴烟流中心轴线线H HC CmaxmaxH H：烟囱的有效高度：烟囱的有效高度C Cmaxmax：最大落地浓度：最大落地浓度X Xmaxmax： C Cmaxmax出现时的下风向距离出现时的下风向距离X Xmaxmax 下风向距离下风向距离浓度浓度高度高度三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式英文教材图英文教材图6.922 )2exp( )2exp(),(2222yyzyHyuQHzyxc )2exp(),(22yzyHuQHzyxc高架连续点源扩散模式高架连续
16、点源扩散模式(4)(4) yzconst( ,0,0,)0zdc xHdmax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设 （实际中成立） 由此求得地面连续点源扩散模式（令地面连续点源扩散模式（令H0）：）：相当于无限源的相当于无限源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）倍（镜像垂直于地面，源强加倍）)22(exp),(2222zyzyzyuQzyxc三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式23yzeHuQc2max2 )2exp(),(22yzyHuQHzyxc(4-12)颗粒物扩散模式颗粒物扩散模式(1)(1) 粒径小于粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算的颗粒物可按气体扩散计
17、算 大于大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式的颗粒物：倾斜烟流模式区别在于沉降区别在于沉降! !三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式24 第一第一步，确定颗粒物的沉降速度：步，确定颗粒物的沉降速度：i 第二步，实源造成的颗粒物扩散地面浓度方程：第二步，实源造成的颗粒物扩散地面浓度方程：i 182gdppii c颗粒物扩散模式颗粒物扩散模式(2)(2)三、高斯扩散模式三、高斯扩散模式25 第第三三步，确定虚源造成的颗粒物浓度：步，确定虚源造成的颗粒物浓度： 第第四四步，实源造成的颗粒物扩散地面浓度：步，实源造成的颗粒物扩散地面浓度：地面反射系数地面反射系数( (不是完全镜像不是完全镜像) )粒径范围粒径
18、范围 / m01415303147487576100平均粒径平均粒径 / m722386085反射系数反射系数a 1.00.80.50.30icc26本章主要内容本章主要内容大气污染物扩散的基本描述大气污染物扩散的基本描述箱子模式箱子模式高斯扩散模式高斯扩散模式污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式城市及山区扩散模式城市及山区扩散模式烟囱高度设计烟囱高度设计空气质量模式的新进展空气质量模式的新进展四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算 q 源强源强, g/s计算或实测计算或实测 平均风速平均风速, m/s风速观测资料风速观测资料 H 有效烟囱
19、高度有效烟囱高度, m 、 扩散参数扩散参数, muyz2222( , , ,)exp()exp()22yzyzqyHc x y z Hu 利用高斯扩散模式计算污染物浓度利用高斯扩散模式计算污染物浓度 主要参数：主要参数：q、 、H、x、y、z、uzy 、27四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算(1)(1) 初始动量：初始动量： 速度、内径速度、内径烟气温度烟气温度 浮力浮力烟气抬升烟气抬升sHHH 有效源高有效源高 Holland公式：公式：适用于中性大气条件适用于中性大气条件（稳定时减小、稳定时减小、不稳时增加不稳时增加1020） Holland公式
20、比较保守，特别在烟囱高、温差比较大的情况下公式比较保守，特别在烟囱高、温差比较大的情况下vs烟囱出口流速，烟囱出口流速，m/s；D烟囱出口内径，烟囱出口内径，m； u 烟囱出口处的平均风速，烟囱出口处的平均风速，m/s；Ts烟囱出口处的烟流温度，烟囱出口处的烟流温度，K；Ta环境大气温度，环境大气温度，K；QH 烟气的热释放率烟气的热释放率HQDuTTTDuDH3ssass106 . 95 . 117 . 25 . 128烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算(2)(2)Briggs公式：公式：不稳定及中性大气条件不稳定及中性大气条件 1 1/32/3H1 1/32/3H21000 10 H=0
21、.362Q 10 H=1.55QHsssQkWxHxuxHHu当时当QH 21000 kW时13/13/1H362. 0uxQH5/2s5/3H332. 0HQH 5/65/3s5/2H*33. 0uHQxx3x*， 四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算29烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算( (3)3)环境影响评价技术导则环境影响评价技术导则-大气环境大气环境(HJ/T2.2-93) 四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算30（4） 当10m高处的年平均风速小于或等于1.5m/s时 排放源高度以上气温直减率排放源高度以上气温直减率ZTd/da四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算烟
22、气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算( (3)3) 我国我国“环境影响评价技术导则环境影响评价技术导则-大气环境大气环境”(HJ/T2.2-93) 31扩散参数的确定扩散参数的确定(1)(1)PG曲线法曲线法yx 方法要点方法要点 n大气分成大气分成AF共六个稳定度等级共六个稳定度等级 云、日照、风速云、日照、风速A为强不稳定，为强不稳定，B为不稳定，为不稳定，C为弱不稳定，为弱不稳定，D为中性，为中性，E为较稳定，为较稳定，F为稳定为稳定n 曲线曲线(六条六条)，对应，对应A、BF稳定度级稳定度级 yyK xu2K值与风速为一次线性关系，值与风速为一次线性关系，K/u为常量为常量扩散参数与下风
23、向距离的平方根成正比扩散参数与下风向距离的平方根成正比四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算32 根据常规资料确定稳定度级别根据常规资料确定稳定度级别城市地区地面粗糙度大，热岛效应城市地区地面粗糙度大，热岛效应不大可靠不大可靠 强太阳辐射对应于碧空下的太强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于阳高度角大于60o的条件；的条件； 弱太阳辐射相当于碧空下太阳弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角为高度角为15o35o。 在中纬度地区，仲夏晴天的中在中纬度地区，仲夏晴天的中午为强太阳辐射，寒冬晴天中午为强太阳辐射，寒冬晴天中午为弱太阳辐射。午为弱太阳辐射。 云量将减少太阳辐射，云量应云量将减少太阳辐射，云
24、量应与太阳高度一起考虑。与太阳高度一起考虑。四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算扩散参数的确扩散参数的确定定PG曲曲线法线法(2)(2)33 利用扩散曲线确定利用扩散曲线确定 和和yz斜率斜率=0.894P-G 曲线是帕斯奎尔根据地面源的实验结果总结曲线是帕斯奎尔根据地面源的实验结果总结出来的，图中出来的，图中 1km之外的曲线来自外推结果。之外的曲线来自外推结果。四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算扩散参数的确扩散参数的确定定PG曲曲线法线法(3)(3)34 P-G曲线的应用曲线的应用四、污染物浓度的估算四、污染物浓度的估算扩散参数的确扩散参数的确定定PG曲曲线法线法(4)(4) 地地面最大浓度估算面最大浓度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由 和和 w由由 曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出w由由 曲线（图曲线（图4-4）查）查 w由式（由式（4-10）求出）求出 在在D、C级稳定度时误差较小，在级稳定度时误差较小，在E、F级时误差较大。级时误差较大。H越大，误差越小。越大，误差越小。max|2czx xHyyzeHuQc2max235
