1、1大气污染大气污染物扩散模式物扩散模式 高斯扩散模式、污染物浓度的估算方法、特殊气象条件下的扩散模式、烟囱高度设计、厂址选择2第一节 湍流扩散的基本理论 湍流大气的无规则运动 热力湍流：温度垂直分布不均匀（大气稳定度） 机械湍流：风速垂直分布不均匀及地面粗糙度 扩散的要素 风：平流输送为主，风大则湍流大 湍流：扩散比分子扩散快105106倍3湍流扩散理论梯度输送理论、湍流统计理论1.梯度输送理论 研究方法：利用欧拉提出的方法，在充满流体的空间固定多个点，测量各固定点上的各个参数的变化。 理论基础：质量守恒定律，把扩散类似分子扩散，脉动值用平均值代替。4湍流扩散理论2.湍流统计理论 研究方法：拉
2、格朗日方法，空间有一微团，跟随微团流动时各个流动点的规律。 理论基础：解决扩散参数时用二元相关理论：方差、概率。泰勒图4-1，正态分布萨顿实用模式高斯模式 5第二节 高斯扩散模式一、高斯扩散模式 6一、高斯扩散模式高斯模式的有关假定高斯模式的有关假定n四点假设四点假设 w1污染物浓度在污染物浓度在y、z风向上都是正态分布风向上都是正态分布w2整个扩散空间内，风速均匀不变整个扩散空间内，风速均匀不变w3源强是连续、均匀的源强是连续、均匀的w4扩散中污染物的质量是守恒的扩散中污染物的质量是守恒的7二、无界空间连续点源扩散模式 由正态分布的假定（1）可以写出下风向任一点（x,y,z）的污染物平均浓度
3、的分布函数： （4-1） 由概率统计理论可以写出方差的表达式： （4-2） 由假定（4）可以写出源强的积分式： （4-3）8将式（将式（4-1）代入式（）代入式（4-2），积分后得），积分后得 (4-4)将式（将式（4-1）和（）和（4-4）代入式（）代入式（4-3），积分后得），积分后得 (4-5)再将式（再将式（4-4）和（）和（4-5）代入式（）代入式（4-1）中，便得）中，便得到到无界空间连点源扩散的高斯模式无界空间连点源扩散的高斯模式：910n实源：实源： n像源：像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()2
4、22yyyzqyzHc x y z Hu 实实源源的的贡贡献献2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实实源源的的贡贡献献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像像源源的的贡贡献献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像像源源的的贡贡献献222222()()( , , ,)exp()exp exp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 实实际际浓浓度度222222()()( , , ,)exp()exp exp2222yyzyzqyzHzHc x
5、y z Hu 实实际际浓浓度度11实源 虚源 H H P(x,y,z) 反射区 Z+H Z-H Z 有效源高H=Hs+H 12 、 - 污染物在污染物在y、z方向分布的标准差，方向分布的标准差，m；- 任一点处污染物的浓度，任一点处污染物的浓度，g/m3； - 平均风速，平均风速，m/s；H - 有效源高，有效源高，mQ - 源强，源强，g/s132222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面浓度模式：取地面浓度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面浓度模式：取地面浓度模
6、式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式14四、地面最大浓度模式220),0,0,(max2maxHeHuQCdHxdcconstcxxzyzzzy设)exp(),0 ,0 ,(22zzyHuQHxC考虑地面轴线浓度模式:随X增大,前一项减小,后一项增大,必然某一X处出现最大值.地面最大浓度模式：15由高架连续点源模式，令其有效源高H=0而
7、得，即: 16五、颗粒物扩散模式 粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算 大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式2222(1)(/ )( , ,0,)exp()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp18tdgva颗粒的地面反射系数vt颗粒的沉降速度17利用高斯模式计算地面轴线浓度。利用高斯模式计算地面轴线浓度。18第三节 污染物浓度的估算 q 源强 计算或实测 平均风速 多年的风速资料 H 有效烟囱高度？ 、 扩散参数？uyz19一、烟气抬升高度的计算sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度
8、有效源高有效源高初始动量： 速度、内径烟温度 浮力烟气抬升20一、烟气抬升高度的计算 抬升高度计算式 （1） Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020） Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下误差比较大 。3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu21一、烟气抬升高度的计算（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/
9、5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu22一、烟气抬升高度的计算（3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术法” 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12 1 0 0 kW()3 5 K = 0 .3 5 1 7 0 0 kW2 1 0 0 kW1 7 0 0 =() 4 0 02 (1 .50 .0 1)0 .0 4 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu ( 1 ) 当和时( 2 ) 当时HHsH1 / 43 / 8aH8(1 7 0 0 )1 7 0 0 kW3 5 K2 (
10、1 .50 .0 1) = 1 0 m1 .5m /s d = 5 .5(0 .0 0 9 8)dQuQTv DQHuTHQz( 3 ) 当或时( 4 ) 当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时23例题4-1计算烟气抬升高度24二、扩散参数的确定 PG曲线法Pasquill常规气象资料估算、Gifford制成图表).稳定度级、曲线（六条）（对应FBAz251.PG曲线法的应用 PG曲线根据常规资料确定稳定度级别261.PG曲线法的应用u利用扩散曲线确定 和yz271.PG曲线法的应用 地面最大浓度估算Hmax|2czxxzHzxmaxcxyxmaxC由由和和由由曲曲线线（图图4
11、-5）反反查查出出由由曲曲线线（图图4 4- -4 4）查查由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出yHmax|2czxxzHzxmaxcxyxmaxC由由和和由由曲曲线线（图图4-5）反反查查出出由由曲曲线线（图图4 4- -4 4）查查由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出yHzXyCmax 式4-11 图4-5 图4-4 式4-1028例题4-3计算地面最大浓度.292.中国国家标准规定的方法 （）稳定度分类方法太阳高度角 （式4-29） 辐射等级 稳定度 云量地面风速 302.中国国家标准规定的方法 （）扩散参数的选取 扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）
12、平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级 工业区和城市中心区，C、D、E、F向不稳定方向提一级 丘陵山区的农村或城市，同工业区 取样时间大于0.5h， 不变，1221,aayzxx2121()qyyz例：在C级大气稳定条件下,求高架点源下风向800米处的扩散参数.31主要指气象条件与高斯模式不一样主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中温度层结构均一，实际中难以实现）难以实现） 封闭型扩散模式封闭型扩散模式22(2)exp2zyzqHnDCu 32计算简化：计算简化：1.当当（尚未到封闭阶段）（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）（烟流半宽度）查查PG曲线曲线4-9式计算式计
13、算 地面轴线浓度地面轴线浓度Dxx2.15zDHDx1.当当（尚未到封闭阶段）（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）（烟流半宽度）查查PG曲线曲线4-9式计算式计算 地面轴线浓度地面轴线浓度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.当当，z z向浓度混合均匀，向浓度混合均匀，z z分布函数为分布函数为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD011d1DzDD2.当当，z z向浓度混合均匀，向浓度混合均匀，z z分布函数为分布函数为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD2.当当，z z向浓度混合均匀，向浓度混合均匀，z z分布函数为分布函数为D2xx22( ,
14、 )exp()22yyqyc x yuDDD2xxx3. DxxD2xx内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值DD2xxx3. DxxD2xx内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值33例4-5封闭型扩散模式的计算34假设：假设： D 换成换成h hf f（垂向均匀分布）；（垂向均匀分布）；q q只包括进入混合层部分，只包括进入混合层部分， 则仍可用上面公式则仍可用上面公式 22211exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH35hf = H 36例4-
15、6熏烟型扩散模式的计算37城市大气扩散模式城市大气扩散模式1.线源扩散模式线源扩散模式无无限限长长线线源源风风向向和和线线源源不不垂垂直直时时 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu无无限限长长线线源源风风向向和和线线源源不不垂垂直直时时 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222P
16、PzzqHPxHPu有有限限长长线线源源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPu有有限限长长线线源源382.面源扩散模式面源扩散模式大气排放规范里规定条件：烟囱高大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量单个排放量0.04t/hqxuD1niiqxuD 箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）（划分为更小的面源单元）qxuD1niiqxuD 箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）（划分为更小的面源单元）简简化化为为点点
17、源源的的面面源源模模式式简简化化为为点点源源的的面面源源模模式式39简化为点源的面源扩散模式（续）简化为点源的面源扩散模式（续）w形心上风向距形心上风向距x x0 0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好与正方形宽度相等好与正方形宽度相等 w烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍 n（正态分布： ） w确定确定 、 之后即可按点源计算面源浓度之后即可按点源计算面源浓度0024.30yy0yx0zx1222220000000 1/1/000121( , ,0,)exp2 ()() ()(), 4.32.15(), ()
18、yyzzyyzzyzyzyzqyHx yHuWHxx40n山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立流场均匀和定常的假定难以成立n对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多扩散参数比平原地区大很多41山区扩散模式 NOAA和EPA模式 NOAA以高斯模式为基础，对有效源高进行修正 EPA与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正 ERT模式高斯模式
19、，只对有效源高进行修正42第六节 烟囱高度的设计一、烟囱高度的计算要求： （1）达到稀释扩散的作用 （2）造价最低， 造价正比于H2 （3）地面浓度不超标 43一、烟囱高度的计算1、按地面最大浓度计算HCCueQHCCCHcueQHyzbAbyzA2/1010max2/1max1)(2244一、烟囱高度的计算2、按地面绝对最大浓度计算maxCHHmaxCu出现极大值yzbAyzbAeCCCueQCCeBQH)(2)(20045一、烟囱高度的计算3、按一定保证率的计算法 取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数4、P值法（国标GB/T 13201-91） 按点源排放控制系数计算烟囱高度
20、6s10qHHP 46二、烟囱设计中的几个问题 工矿企业点源排气筒高度不得低于它所从属建筑物高度的2倍，并且不得直接污染邻近建筑物。 排放大气污染物的排气筒，其高度不得低于15m. 避免烟流下洗、下沉现象。（教材120页公式） 为了获得较高的烟气抬升高度，排气筒出口烟气速度宜为20-30m/s,排烟温度也不宜过低。 排气筒高度应比主厂房最高点高出3m以上。 分散的烟囱不利于产生抬升高度，应尽量采用多管集合烟囱。47第七节 厂址选择 所需要的气象资料 长期平均浓度的估算 厂址选择 48 图 c 风速和风向频率复合图 一、所需要的气象资料49H T 早晨探空曲线 干绝热过程线 日最高地温 最大混合
21、层高度 图 确定最大混合层高度示意图 50二、长期平均浓度的估算 1.长期平均浓度的计算公式 2.按风向方位计算平均浓度 B O C Q 污染源 x 51三、厂址选择 本底浓度 风向、风速 温度层结 地形该风向的平均风速风向频率污染系数=理想的建厂位置-？52复习题 1. 高斯扩散模式立足于哪种湍流扩散理论？ 2. 烟囱的有效高度？烟气抬升的主要原因是什么？ 3. Pasquill根据哪几个气象参数划分稳定度等级?其适用性如何? 4. 烟气抬升高度的计算方法有哪几种？适用范围如何？烟囱高度设计应考虑哪些方面的因素？ 5. 掌握扩散参数的选取方法。 6. 掌握高架连续点源扩散模式；掌握计算地面浓度;地面轴线浓度;地面最大浓度及出现的位置。 7.烟囱高度设计共有几个方法？ 8.理想的建厂位置是什么？ 作业 4.5（用霍兰德公式计算烟囱高度）; 4.10
