1、湍流扩散理论湍流扩散理论大气污染物的扩散主要依赖湍流大气污染物的扩散主要依赖湍流若只有风而无湍流，从烟囱里排出的废气像一条若只有风而无湍流，从烟囱里排出的废气像一条“烟管烟管” 保持着同样粗细，吹向下方，很少扩散保持着同样粗细，吹向下方，很少扩散不同尺度湍流对烟团扩散的影响不同尺度湍流对烟团扩散的影响湍流强度的表示方法湍流强度的表示方法描述湍流运动的两种方法描述湍流运动的两种方法如：如：CMAQ模式模式如：如：hysplit 后向轨迹模式后向轨迹模式三种湍流扩散理论三种湍流扩散理论1）梯度输送理论）梯度输送理论三种湍流扩散理论三种湍流扩散理论2）湍流统计理论）湍流统计理论泰勒、萨顿、高斯趋于三
2、种湍流扩散理论三种湍流扩散理论2）湍流统计理论）湍流统计理论？平稳：湍流不随时间发生变化？平稳：湍流不随时间发生变化？均匀：湍流不随空间发生变化？均匀：湍流不随空间发生变化高斯扩散高斯扩散三种湍流扩散理论三种湍流扩散理论3）相似扩散理论）相似扩散理论大气过程的尺度大气过程的尺度n大尺度（特征尺度大于大尺度（特征尺度大于10103 3公里）公里） 主要受地表能量收支不均匀影响，主要受地表能量收支不均匀影响，大气运动流体静力的近似大气运动流体静力的近似成成立立 ，全球尺度及大部分的区域大陆的大气扩散与大尺度大，全球尺度及大部分的区域大陆的大气扩散与大尺度大气过程有关气过程有关 n中尺度（特征尺度中
3、尺度（特征尺度10010010103 3公里）公里） 受流体动力学效应及地表能量收支非均匀性受流体动力学效应及地表能量收支非均匀性 ，局地区域尺，局地区域尺度的大气扩散由中尺度大气过程控制度的大气扩散由中尺度大气过程控制 n小尺度小尺度 （特征尺度小于（特征尺度小于100100公里）公里） 流场非常复杂流场非常复杂 ，局地尺度的大气扩散受小尺度大气过程的支，局地尺度的大气扩散受小尺度大气过程的支配。配。 空气质量模式的概念空气质量模式的概念 以数学方法定量描述大气中污染物从源到以数学方法定量描述大气中污染物从源到接受点所经历的全过程的一种手段或工具接受点所经历的全过程的一种手段或工具其核心部分
4、为大气扩散模式，主要描写大其核心部分为大气扩散模式，主要描写大气对污染物的输送、扩散和稀释作用。气对污染物的输送、扩散和稀释作用。 空气质量模式的种类空气质量模式的种类v按理论体系分为：按理论体系分为：v统计理论模式统计理论模式 :将物质在大气中的行为用速度场的将物质在大气中的行为用速度场的运动学统计特征来描述运动学统计特征来描述 (如高斯正态模式、非正态如高斯正态模式、非正态模式、模式、Monte-Calo模式等模式等 )vK理论模式理论模式:在不同假设条件下求解物质守恒方程，在不同假设条件下求解物质守恒方程，为使方程闭合，通常假设湍流通量与平均变量的梯为使方程闭合，通常假设湍流通量与平均变
5、量的梯度成比例度成比例 (如欧拉型模式、拉格朗日型模式、欧拉如欧拉型模式、拉格朗日型模式、欧拉拉格朗日混合型模式拉格朗日混合型模式) v相似理论模式相似理论模式:假设在常通量层中物质的运动行为假设在常通量层中物质的运动行为可以由速度尺度、温度尺度与动力学粗糙度长表征可以由速度尺度、温度尺度与动力学粗糙度长表征 空气质量模式的种类空气质量模式的种类o按空间尺度分为：微尺度模式（建筑物尺度）、按空间尺度分为：微尺度模式（建筑物尺度）、局地尺度模式（局地尺度模式（1-10公里）、中远距离输送模公里）、中远距离输送模式（式（100公里以上）公里以上）o按时间尺度分为：短期平均模式（按时间尺度分为：短期
6、平均模式（1-24小时）小时）和长期平均模式（月、季、年）和长期平均模式（月、季、年）空气质量模式的选择空气质量模式的选择o污染源类型及污染物性质污染源类型及污染物性质o时间尺度时间尺度o空间尺度空间尺度o模拟区的下垫面特征模拟区的下垫面特征o大气化学过程大气化学过程常用空气质量模式的适用性常用空气质量模式的适用性空气质量的解析模式（箱模式、高斯模式）空气质量的解析模式（箱模式、高斯模式）城市及区域空气质量数值模式（欧拉型城市及区域空气质量数值模式（欧拉型K模模式）式）远距离输送模式（烟团模式、拉格朗日远距离输送模式（烟团模式、拉格朗日K模模式）式） 箱箱 模模 型型uhLQc 它可以它可以粗
7、略估算粗略估算城城市的大气污染物允市的大气污染物允许排放总量，常用许排放总量，常用于于总量控制总量控制中。尤中。尤其在缺少详细的气其在缺少详细的气象和污染源资料时象和污染源资料时适用。适用。高高 斯斯 模模 型型目前应用较广的有： ISC3 (美国美国EPA开发开发) AERMOD(美国美国EPA开发开发) ADMS（英国剑桥开发）（英国剑桥开发） CALPUFFQ 表示污染源的源强表示污染源的源强yz 表征污染物在水平和垂直方向的扩散能力表征污染物在水平和垂直方向的扩散能力He 表示烟囱的有效高度表示烟囱的有效高度 )2exp()2exp()0 ,(2222zyzyheyQyxC 高斯型模式
8、的优点高斯型模式的优点至今仍是最主要的至今仍是最主要的应用型应用型模式模式适用于平原城市及郊区的范围在适用于平原城市及郊区的范围在20-30km20-30km以内，以内，流场不十分复杂流场不十分复杂误差主要来源于模式输入参数，尤其是污染误差主要来源于模式输入参数，尤其是污染源资料不可能十分准确、精细源资料不可能十分准确、精细对气象资料的需求低，运算效率高，适用于对气象资料的需求低，运算效率高，适用于城市大气环境规划的方案优化和项目环评城市大气环境规划的方案优化和项目环评高斯模式的局限性高斯模式的局限性重要缺陷重要缺陷：采用了均匀、定常假定：采用了均匀、定常假定当尺度达到几十公里或因下垫面不均匀
9、当尺度达到几十公里或因下垫面不均匀使流场较复杂时，高斯烟流模式的精度使流场较复杂时，高斯烟流模式的精度难以满足要求难以满足要求对大气污染物沉积和化学转化过程的处对大气污染物沉积和化学转化过程的处理较粗，不适于进行特殊污染过程的研理较粗，不适于进行特殊污染过程的研究（如研究光化学烟雾）究（如研究光化学烟雾） K K 模式模式目前最先进的是：目前最先进的是：CMAQ、WRF-chemK理论模式又称涡旋扩散理论，是在不同假设条件下求解理论模式又称涡旋扩散理论，是在不同假设条件下求解物质守恒方程，为使方程闭合，通常假设湍流通量与平物质守恒方程，为使方程闭合，通常假设湍流通量与平均变量的梯度成比例，比例
10、系数为均变量的梯度成比例，比例系数为K iiiiiiSQRCKUCtC)()(iC为污染物为污染物i的平均浓度的平均浓度 U为风矢量为风矢量 K为湍流扩散系数张量为湍流扩散系数张量 iR为为i污染物与其它污染物之间的化学反应转化率污染物与其它污染物之间的化学反应转化率 iQ为第为第i种污染物的排放率种污染物的排放率 iS第第i种污染物的沉积清除率种污染物的沉积清除率 欧拉型欧拉型K模式的物质传输方程模式的物质传输方程 K K 模式的优点模式的优点总体效能较高斯模式大大提高能模拟三维非定常流场中的输送和扩散边界可以反射、吸收和穿透污染物可模拟非线性化学反应引起的浓度变化可精细模拟沉积引起的浓度变
11、化高级的研究性的模式 K K模式的局限性模式的局限性很难用很难用K模式求得高架点源的地面最大浓度和精确位置，当模式求得高架点源的地面最大浓度和精确位置，当需要计算某个点源对某个采样点的浓度贡献时，需要计算某个点源对某个采样点的浓度贡献时，K模式并不适模式并不适用。用。K模式的空间分辨率一般最小为模式的空间分辨率一般最小为1Km*1KmK模式对输入参数要求很高，往往需要投入大量经费用于外模式对输入参数要求很高，往往需要投入大量经费用于外场试验场试验 远距离输送模式远距离输送模式指模拟的污染物输送距离超过数指模拟的污染物输送距离超过数百公里的模式；通常采用拉格朗百公里的模式；通常采用拉格朗日型日型
12、K模式和烟团轨迹模式，有模式和烟团轨迹模式，有代表性的是代表性的是HARM模式模式SQRCKDtDCii)(tDtDiK三个方向的湍流扩散系数 R污染物与其它污染物之间的化学反应转化率 Q源项 S沉积清除率 远距离输送模式的适用问远距离输送模式的适用问题研究酸雨和酸性沉积物的机理、趋势和控制对策研究酸雨和酸性沉积物的机理、趋势和控制对策污染物在大范围内的分布变化规律及长期平均影响污染物在大范围内的分布变化规律及长期平均影响研究污染物在区域和洲际之间的通量，分析各地区研究污染物在区域和洲际之间的通量，分析各地区的相互影响的相互影响研究主要元素研究主要元素(S、N、C等）的质量循环、演变规律等）的
13、质量循环、演变规律及对人类生存环境的影响及对人类生存环境的影响空气质量模式的发展历程空气质量模式的发展历程第一代主要包括：基于质量守恒的箱模式、基于湍流第一代主要包括：基于质量守恒的箱模式、基于湍流统计理论的高斯模式和拉格朗日轨迹模式统计理论的高斯模式和拉格朗日轨迹模式ISC3、AERMOD、ADMS、CALPUFF、Hysplit 后向轨迹模式后向轨迹模式第一代模式第一代模式OZIP/EKMA (for ozone) ISC3, CALPUFF, AERMOD (for primary pollutants)http:/www.epa.gov/scram001/tt22.htm空气质量模式的
14、发展历程空气质量模式的发展历程第二代：加入了较复杂的气象模式和非线性反应机制、第二代：加入了较复杂的气象模式和非线性反应机制、干湿沉降；干湿沉降；仅考虑单一污染问题，对污染物之间相互转化和影响仅考虑单一污染问题，对污染物之间相互转化和影响考虑不全面考虑不全面第二代模式第二代模式 Eulerian Grid Models :UAM, RADM, REMSAD, ROMhttp:/www.epa.gov/asmdnerl/modeling.htm空气质量模式的发展历程空气质量模式的发展历程第三代：第三代：“一个大气一个大气”；多模块集成、多尺度嵌套、；多模块集成、多尺度嵌套、对大气物理、化学过程进
15、行较精细的模拟对大气物理、化学过程进行较精细的模拟CMAQ、CAMx、WRF-chem第三代模式（第三代模式（Models-3）One Atmosphere的概念的概念 NOx + VOC + OH + hv - O3SOx or NOx + NH3 + OH - (NH4)2SO4 or NH4NO3SO2 + OH - H2SO4NO2 + OH - HNO3VOC + OH -Orgainic PM OH Air Toxics(POM, PAH, Hg(II), etc.) Fine PM(Nitrate, Sulfate, Organic PM) NOx + SOx + OH (Lak
16、e Acidification, Eutrophication) MeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEhttp:/www.epa.gov/asmdnerl/models3/扩散统计理论导出的正态分布假设下的扩散模式扩散统计理论导出的正态分布假设下的扩散模式： （1）坐标系 坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为x轴，
17、y轴在水平面内垂直于x轴，正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。（2）正态分布（高斯模式）假设下的扩散模式的假定正态分布（高斯模式）假设下的扩散模式的假定：在y、z轴上的分布为正态分布，即在y、z轴上分别有 在扩散的各个空间，风速是均匀稳定的，即时时、处处风速 为常数， =常数 ；污染物排放的源强Q是连续均匀的；在扩散过程中污染物没有沉降、化合和分解；地面对其起全反射作用，不发生吸收或吸附作用。x向风速（平均）不能太小，远远大于其它方向的湍流。20ayecc20bzecc（1）平原、农村地区及城市远郊区的扩散参数的选取）平原、农村地区及城市远郊区的扩散参数的选取：A、B
18、、C级稳定度直接由表3-15和表3-16查出y、z幂函数；D、E、F级稳定度则需向不稳定方向提半级后查算。（2）工业区或城区中点源的扩散参数选取工业区或城区中点源的扩散参数选取：工业区工业区：A、B级不提级；C级提到B级；D、E、F级向不稳定方向提一级半；然后查算。非工业区的城区非工业区的城区：A、B级不提级；C级提到BC级；D、E、F级向不稳定方向提一级；然后查算。（3）丘陵山区的农村或城市丘陵山区的农村或城市：同城市工业区。（4）大于大于30min的取样时间，的取样时间，z不变，不变，y按下式计算按下式计算：式中：y 2取样时间为 2时的横向扩散参数，m； y 1取样时间为 1时的横向扩散
19、参数，m； q时间稀释指数。 qyy)(1212有效源高有效源高 H称为烟囱的有效高度（烟轴高度，它由烟囱几何高度Hs和烟流（最大）抬升高度H组成，即H=Hs+H) H：烟囱顶层距烟轴的距离，随x而变化的。1、烟气抬升（1）烟气从烟囱排出，有风时，大致有四个阶段: a）喷出阶段喷出阶段；b）浮升阶段浮升阶段；c）瓦解阶段瓦解阶段；d）变平阶段变平阶段：（2）烟云抬升的原因有两个：是烟囱出口处的烟流具有一初始动量（使它们继续垂直上升）；是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。这两种动力引起的烟气浮力运动称烟云抬升，烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度。 浮升阶段 瓦解阶段 变平阶段 喷出阶段 Hs
20、H 图 烟气抬升与扩散 2、影响烟云抬升的几个重要因素（1）烟气本身的因素烟气本身的因素 a）烟气出口速度烟气出口速度（Vs）：决定了烟起初始动力的大小； b）热排放率热排放率（QH）烟囱口排出热量的速率 QH越高烟云抬升的浮力就越大，大多数烟云抬升模式认为 ，其中=1/41，常取为2/3。 c）烟囱几何高度烟囱几何高度（看法不一） 有人认为有影响 ；有人认为无影响。 （2）环境大气因素环境大气因素a ）烟囱出口高度处风速 越大，抬升高度愈低，。b ）大气稳定度 不稳时，抬升较高；中性时，抬升稍高；稳定时，抬升低。c）大气湍流的影响 大气湍流越强，抬升高度愈低。 （3）下垫面等因素的影响下垫面
21、等因素的影响HQ32s我国（我国（GB/T13201-91）“制定地方大气污染物排放标准的技术方法制定地方大气污染物排放标准的技术方法”推荐的抬升公式推荐的抬升公式： a. 当Qh2100KJ/s且T35K时，uHQnnsnh/210，其中svahTTQPQ/35. 0 表 系数n0、n1、n2的取值（见书P75表3-6） Qh(KJ/s) 下垫面情况（平原地区） n0 n1 n2 农村或城市远郊区 1.427 1/3 2/3 Qh21000 城区及近郊 1.303 1/3 2/3 农村或城市远郊区 0.332 3/5 2/5 21000 Qh 2100 且T35K 城区 0.292 3/5
22、2/5 当Z2200m，mZZuu)(121； 当Z2200m，mZuu)200(11 式中：u1-附近气象台（站）高度5年平均风速，m/s；m-见书P55表3-5。 Z1-附近气象台（站）高度5年平均风速，m/s；Z2-烟囱出口处高度，m； b. 当1700kJ/sQh2100kJ/s时，)4001700)(121hQHHHH 式中：uQuQDuHhhs/ )1700(048. 0/ )01. 05 . 1 (21 H2-由布里吉斯公式求得。 c. 当Qh 1700kJ/s或者T35K时，uQDuHhs/ )01. 05 . 1 (2 d. 凡地面以上10m高处1.5m/s的地区，8/ 34
23、/ 1)0098. 0(5 . 5dZdTQHah 4、烟云抬升高度的测定 选用烟云抬升高度计算公式前往往根据实例，根据实测时烟囱参数代入各种公式进行计算，选用与实测值近似的公式，或将公式中系数作以修改。目前已知的测定方法有照相法、气球测高法、激光雷达法等。 5、有效源高对地面最大浓度的影响、有效源高对地面最大浓度的影响高架连续点源地面最大浓度计算式从Cmax公式看出：风速对Cmax有两种作用结果：风速增大，地面最大浓度减小；从各种抬升公式看，风速增大时抬升高度减小，地面最大浓度增大。因此可以设想在某一风速下会出现地面最大浓度的极大值，称为地面绝对最大浓度，相对此时的风速称为危险风速。地面最大
24、浓度Cmax不是随风速增加而单纯的减小，而是先随风速增加而增大，当Cmax达到最大值后再减小。yzeHuQC2max2颗粒物颗粒物扩散模式扩散模式颗粒物扩散颗粒物扩散倾斜烟流模式倾斜烟流模式n 粒径小于粒径小于15m的粒子，可按气态污染物扩散计算的粒子，可按气态污染物扩散计算n 粒径大于粒径大于15m的粒子，倾斜烟流模式的粒子，倾斜烟流模式特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式（一）有上部逆温层的扩散模式有上部逆温层的扩散模式 如果大气低层处于不稳定，某一高度以上有逆温层存在，这是上部逆温层就像一个“盖子”使污染物垂直扩散受限制，扩散只能在地面和逆温间进行，称之为“封闭型扩散”。 此
25、类模型的推导是把逆温层底面看成和地面一样能起全反射的“镜面”，这时的烟云多次反射。 污染源浓度可看成是实源和无穷多个虚源作用之和。 nzzyzyHzyxnDHznDHzyuQC222222,22exp22exp2exp2 式 中 ： D 逆 温 层 底 高 度 ， 即 混 合 层 高 度 ， m； n 烟 流 在 两 界 间 的 反 射 次 数 ， 一 般 n=3 或 4 已 包 括 主 要 反 射 。 二 次 反 射 一 次 反 射 无 反 射 o o o 地 面 和 逆 温 层 底 对 烟 云 多 次 反 射 实际计算往往要进行简化，设xD为烟羽边缘刚好达逆温底层时离烟源的水平距离。 0
26、D z0 xD x Hs H 逆温层 z 当xxD时，按原扩散模式（一般高斯模式）计算；当x2xD时，水平方向仍呈正态分布，z方向浓度渐趋均匀；当xDx2xD时，情况复杂，此时可取x=xD和x=2xD时两点浓度的内差值（采用双对数坐标系）。22,0,2exp2yyHyxyLuQC熏烟扩散模式熏烟扩散模式简单地形：距污染源5km内的地形高度（不含建筑物）低于排气筒高度复杂地形：距污染源5km内的地形高度（不含建筑物）高于或等于排气筒高度海陆风引起的污染海陆风引起的污染厂址选择和烟囱设计厂址选择和烟囱设计 厂址选择和烟囱设计厂址选择和烟囱设计 烟囱设计烟囱设计 烟囱不单是一排气装置，也是控制空气污
27、染、保护环境的重要设备。烟囱高度、出口直径、喷出速度等工艺参数应满足减少对地面污染的需要。增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染，增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染，大体上大体上C地面地面1/H2但超过一定高度后再增加高度，对地面浓度的影响甚微，而烟囱但超过一定高度后再增加高度，对地面浓度的影响甚微，而烟囱的造价却随高度增加而急剧增大（的造价却随高度增加而急剧增大（烟囱的造价烟囱的造价H2），并不是烟并不是烟囱愈高愈好囱愈高愈好设计烟囱高度的基本原则是既要保证排放物造成的地面最大浓度或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准，又应做到投资最省。1、烟囱高度计算烟囱高度的计算分为：精确
28、计算法；简化计算法。烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算，据对地面浓度要求不同，有两种计算法方法：（一）保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算方法；（二）保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法。（1）以地面最大浓度不超过规定为依据，保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算公式2、烟囱设计中的若干问题（1）分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度计算公式计算公式。烟型不同产生的地面最大浓度不同，烟囱高度的计算公式不同，因此确定烟型很重要。常用两种方法：1）选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式；2）选择保证一定的地面
29、最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱高度计算公式。2、烟囱设计中的若干问题（1）分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度计算公式计算公式。波型: 发生在天气晴朗，风速不大，比较缓和的日子里，近距离造成短时间的污染浓度比锥形高。近地层中，低矮烟囱发热量小的污染源以此烟型为例，并应校核逆温层情况。锥型:100m左右的烟囱多发生此烟型。此烟型发生在温度层结近中性或中等到大风的情况，即发生在多云有风的白天或有风的夜晚。 平展型和漫烟型: 较大的发电厂以漫烟型为主，夜间多为平展型，日出后一段时间发生漫烟型。 封闭型: 大于200m的较高烟囱以此型为主。观测发现：当混合层厚度在7601065m间时，它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍，Cmax可持续24小时，常出现在早晨和中午。
