1、大气大气中污染物的扩散中污染物的扩散 主要气象要素对大气污染的影响 主要污染源扩散模式 1.大气边界层的温度场 2.大气水平运动和湍流 3.影响大气污染的地理因素 4.影响大气污染的其它因素 5.大气中污染物扩散模式 6.扩散参数的确定 1.湍流扩散的基本理论 2.高斯扩散模式 3.污染物浓度的估算方法 4.特殊气象条件下的扩散模式 5.城市及山区的扩散模式 6.烟囱高度设计1.大气边界层的温度场 气温垂直递减原因：对流层中气体接受地面热量不同； 对流层中水汽和固体杂质分布不均，对地面热辐射接受不同。1。气温的垂直递减率： d 干绝热递减率：干空气块或为饱和的湿空气块在绝热条件下每升高单位高度
2、（100m）所造成的温度下降数值。 Ti：干空气块的温度，不同于周围空气的温度。dzdTid PdPCRTdTP. 大气绝热过程：式中：T1， T2状态1，2的空气温度（K）； P1， P2状态1，2的空气压力（Pa）； R_空气的气体常数J/(kg.K)； Cp_空气的定压比热J/(kg.K)； K绝热指数KKPPTT11212 多数大气过程可视为绝热过程，气温变化由外界压力变化引起。 当空气块绝热上升：气体对外作功，消耗内能，温度下降；绝热下降时：外界对其作功，气体内能增加，温度上升。 一小的干空气块，设在z处Vi ,Pi,Ti,周围空气V ,P,T上升至z+dz处Vi dVi ,Pi +
3、dPi,Ti+d Ti ，周围空气V +dV P+dP,T+dT假定空气气压满足准静力条件：pi=p,pi+dpi=p+dp dp=-g.dz Ti=TiiPiiPdPCRTdT. PdPCRTdTP. mKCgdzdTpid100/98. 0 Cp_ 干空气定压比热1004J(kg.K)干绝热递减率温度层结：气温随高度的分布 1:正常分布层结0；2：中性层结= d ；3：等温层结=0 ；4：逆温0温度t(0C)高度Z(m)1234 2。大气稳定度（垂向） 当一空气块受外力作用后产生上升（下降）运动后，去除外力，1。稳定大气：气块减速并有返回原来高度的趋势，此大气为称为稳定大气。2。非稳定大气
4、：气块加速上升或下降，此大气为称为非稳定大气。3。中性大气：气块被推到哪里就停在那里或作等速运动，此大气为称为非稳定大气。大气稳定度判定方法 设一空气块，状态参数为Pi,Ti，i,周围空气为P,T,。利用准静力条件及理想气体状态方程：如为绝热运动，在z处，气块温度Ti= Ti0-d.z，周围大气T= T0-.z假设T0=Ti0判定依据： -diiPPPga)( iiTTTga)( zgad )(3。逆温0，-d0,多见于晴朗的白天锥型： -d0平展型： -d0,上部-d像源法 实源： 像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)ex
5、p ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像源的贡献像源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像源的贡献像源的贡献222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 实际浓度实际浓度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc
6、 x y z Hu 实际浓度实际浓度高架连续点源扩散模式2222( , ,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
7、上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上式，上式，x增大，则增大，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浓度模式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上式，上式，x增大，则增大，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yz上式，上式，x增大，则增大，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
8、值地面最大浓度模式：地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式高架连续点源扩散模式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H
9、0 0）：）：相当于无界源的相当于无界源的2 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）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H0 0）：）：相当于无界源的相当于无界源的2 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）地面源颗粒物扩散模式 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 地面反射系数2222(1)(/ )( , ,0,)exp()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp18tdgv污染物浓度的估算 q 源强 计算或实
10、测 平均风速 多年的风速资料 H 有效烟囱高度 、 扩散参数uyz1.烟气抬升高度的计算 初始动量： 速度、内径烟气抬升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有效源高有效源高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） QH烟气热释放率Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu烟气抬升高度的计算 抬升高度计算式（续）（2）Briggs公
11、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 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu烟气抬升高度的计算 抬升高度计算式 （续）（ 3 ） 我 国 “ 制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方法”(GB/T13201-91)中的公式 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K =0.35 1700kW21
12、00kW1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu (1)当和时(2)当时HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)当或时(4)当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时扩散参数的确定 PG曲线法PG曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表扩散参数的确定PG曲线法 PG曲线的应用 根据常规资料确定稳定度级别扩散参数的确定PG曲线法 PG曲线的应用 利用扩散曲线
13、确定 和yz扩散参数的确定PG曲线法 PG曲线的应用 地面最大浓度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxC由由和和由由曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出由由曲线（图曲线（图4 4- -4 4）查）查由式（由式（4 4- -1010）求出）求出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxC由由和和由由曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出由由曲线（图曲线（图4 4- -4 4）查）查由式（由式（4 4- -1010）求出）求出y扩散参数的确定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216查算） 平原地区和城市远郊区，D、E、F
14、向不稳定方向提半级 工业区和城市中心区，C提至B级，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，纵向不变，y向变1221,aayzxx特殊气象条件下的扩散模式 主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中难以实现） 封闭型扩散模式 相当于两镜面之间无穷次全反射 实源和无穷多个虚源贡献之和 n为反射次数，在地面和逆面 实源在两个镜子里分别形成n个像22(2)exp2zyzqHnDCu 城市及山区扩散模式 城市大气扩散模式1.线源扩散模式无限长线源无限长线源风向和线源不垂直时风向和线源不垂直时 （交角（交角4545o o）22L2( , ,0,)e
15、xp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu无限长线源无限长线源风向和线源不垂直时风向和线源不垂直时 （交角（交角4545o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPu有限长线源有限长线源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPu有限长线源有限长线源城市大气扩散模式 2.面源扩散模式 大气排放规范里规定条件：烟囱
16、高40m；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）简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式常用城市空气质量模式 箱模式单箱模式多箱模式如目前用于我国城市空气污染指数预报的CAPPS模式 城市多源模式如EPA推荐的ISC模式（Industrial Source Comp
17、lex Model） 光化学模式如EPA推荐的UAMV（Urban Airshed Model）模式 线源模式如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放山区扩散模式 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 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，只是扩散参数比平原地区大很多 ERT模式高斯模式，只对有效源高进行修正 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烟囱高度的设计 烟囱高度的计算要求： （1）达到稀释扩散的作用 （2）造价
18、最低， 造价正比于H2 （3）地面浓度不超标 按地面最大浓度计算 max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度0C标准浓度bC本底浓度烟囱高度的计算 按一定保证率的计算法 取一定保证率下的平均风速和扩散参数 P值法 国标GB/T 13201-916s10qHHP烟囱设计中的几个问题 上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，需要用封闭型等模式校核 烟气抬升高度的选取 优先采用国家标准中的推荐公式 烟流下洗、下沉现象
