第11章污染物的稀釋法控制

1、第第11章章 污染物的稀釋法控制污染物的稀釋法控制 稀釋法稀釋法 采用高煙囪排放污染物，通過大氣的輸送和擴(kuò)散作用降低其“著地濃度”，使污染物的地面濃度達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的方法。 11.1影響大氣污染的氣象因子影響大氣污染的氣象因子 在一個地區(qū)或一個城市里，即使從污染源排向大氣的污染物量并沒有很大變化，但不同時段對周圍環(huán)境造成的污染效應(yīng)卻有很大不同。這是由于在不同氣象條件下，大氣具有不同的擴(kuò)散稀釋能力所致。 影響大氣擴(kuò)散能力的氣象因素主要有：風(fēng)，湍流，大氣層結(jié)和大氣穩(wěn)定度。 11.1.1 風(fēng)風(fēng) .風(fēng)的定義及表示方法風(fēng)的定義及表示方法 風(fēng)是指水平方向的空氣運(yùn)動，垂直方向的空氣運(yùn)動稱為升降氣流。風(fēng)具有方向

2、（指風(fēng)的來向）和大小（m/s）。風(fēng)向的表示方法有： （）方位表示法，（）方位表示法，一般把圓周分為個方位，兩相鄰風(fēng)向方位夾角22.5度； （）角度表示法，（）角度表示法，以正北為度，將圓周分為360度，沿順時針方向增加（如圖111）。一般情況下，風(fēng)都是以風(fēng)玫瑰圖表示。 圖11（a）為風(fēng)向玫瑰圖，即風(fēng)向頻率圖； 圖11（b）是風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖，它表示各風(fēng)向的發(fā)生頻率及平均風(fēng)速的大小。 圖11（c）則是風(fēng)向風(fēng)速綜合表示圖，它不僅給出風(fēng)向的發(fā)生頻率，同時還給出每個風(fēng)向各種風(fēng)速的相對頻率。 .大氣邊界層中風(fēng)速隨高度的變化大氣邊界層中風(fēng)速隨高度的變化 從地面向上約m的大氣層，因直接受地面的影響，稱之為大氣

3、邊界層。在邊界層之上的大氣，由于受地面的影響甚微，稱之為自由大氣。污染物的擴(kuò)散主要發(fā)生在大氣邊界層。 （）大氣邊界層中風(fēng)速隨高度的變化，不同粗糙度下風(fēng)速隨高度的變化情況如圖11所示。 從圖中可以看出，城市地區(qū)的粗糙度比郊區(qū)和平坦鄉(xiāng)村大得多，在同一高度上風(fēng)速比郊區(qū)和鄉(xiāng)村要小，風(fēng)速梯度也小，因而城市上空的大氣污染物混合的快，移動的慢。 根據(jù)湍流的半經(jīng)驗理論，可以導(dǎo)出最為常用的兩個反映邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律：）對數(shù)律）對數(shù)律 )/ln(ozzkuu 2 ）指數(shù)律指數(shù)律 mzzuu)/(11 由于氣象上測的地面風(fēng)速通常為10m 高度的風(fēng)速，所以上式又可以寫成 mzuu)10/(10 （2 2）大

4、氣邊界層中風(fēng)向隨高度的變化）大氣邊界層中風(fēng)向隨高度的變化 根據(jù)揣流運(yùn)動方程可以導(dǎo)出邊界層中風(fēng)矢量的公式，根據(jù)這個公式可以計算出不同高度上的風(fēng)矢量，把它們投影到一個平面上，在把風(fēng)矢量的頂端連接起來，就是所謂的愛克曼螺線，如圖14-4 所示 。 從圖中可以看出，隨著高度的增加，風(fēng)速的增大，風(fēng)向享有偏轉(zhuǎn)，到達(dá)邊界層頂時，風(fēng)的大小 方向完全與地轉(zhuǎn)風(fēng)（自由大氣中的風(fēng)）一致。 3 局地風(fēng)局地風(fēng) 風(fēng)對排入大氣的污染物有兩種作用，一種是輸送作用，即把污染物輸送到較遠(yuǎn)的地方，從而決定了污染區(qū)的方位總是在污染源的下風(fēng)向； 另一種是對污染物的沖淡稀釋作用，風(fēng)速愈大，單位時間內(nèi)混入廢氣的清潔空氣愈多，從而廢氣的稀釋效

5、果就愈好。 然而在某些局部地區(qū)，由于受到下墊面的強(qiáng)烈影響，形成了與一般情況下截然不同的風(fēng)場，風(fēng)的這兩種作用也產(chǎn)生了完全不同的效果，因而有必要對局部風(fēng)場進(jìn)行討論。 局地風(fēng)按其成因可分為由地形引起的和由熱力引起的局部循環(huán)。實際上這兩者相互結(jié)合在一起，很難截然分開。 （1）山谷風(fēng)）山谷風(fēng) 由于熱力原因，在山和平地之間發(fā)展起來的固有風(fēng)系稱為山谷風(fēng)。 由谷地吹向山坡的風(fēng)稱為谷風(fēng)，由山坡吹向谷地的風(fēng)稱為山風(fēng)。由山風(fēng)和谷風(fēng)形成的山谷風(fēng)環(huán)流如圖14-5所示。 白天，地面吸收太陽輻射而增熱，山坡上的空氣比山谷中部同高度的空氣增熱快，因而在水平方向形成溫度差，溫度差引起密度差，即山坡上的空氣比同一高度處山谷上空空

6、氣密度低，進(jìn)而使谷底空氣沿山坡上升，形成“谷風(fēng)”。 夜晚，地面冷卻放熱，緊貼山坡的空氣比谷中部同高度上的空氣冷卻快，故密度差而使冷而重的山坡空氣沿山坡滑向谷底，形成“山風(fēng)”。 當(dāng)谷底層出現(xiàn)山風(fēng)（或谷風(fēng)）時，由于補(bǔ)償作用，在上層大氣中將會出現(xiàn)反山風(fēng)（或反谷風(fēng)），從而在鉛直方向組成閉合的環(huán)流。在山谷風(fēng)轉(zhuǎn)換期，風(fēng)向來回極不穩(wěn)定，因而污染物不易向外輸送，在山溝中停留時間長，有可能造成嚴(yán)重污染。 （2）海）海 陸陸 風(fēng)風(fēng) 白天，風(fēng)從海洋吹向陸地；夜晚，風(fēng)從陸地吹向海洋，這種風(fēng)叫海陸風(fēng)。其形成和山谷風(fēng)類似，主要是由于海洋和陸地的熱力性質(zhì)差異而引起的。由海風(fēng)和陸地風(fēng)形成環(huán)流如圖11-6所示。這種環(huán)流的形成，

7、使夜間吹向海面的污染物，在白天又吹回來。從而造成嚴(yán)重污染 （3）城市熱島效應(yīng)）城市熱島效應(yīng) 工業(yè)的發(fā)展，人口的集中，使城市熱源和地面覆蓋物與郊區(qū)形成顯著的差異，從而導(dǎo)致城市比周圍地區(qū)熱的現(xiàn)象，稱之為城市熱島效應(yīng)。 由于城市溫度經(jīng)常比農(nóng)村高（特別是夜間），其壓較低，在晴朗平穩(wěn)的天氣下可以形成一種從周圍農(nóng)村吹向城市的特殊局地風(fēng)，稱之為城市風(fēng)，如圖11-7所示。 這種風(fēng)在城市市區(qū)輻合產(chǎn)生上升氣流，周圍地區(qū)的風(fēng)向向城市中心匯合，這就使城郊工業(yè)區(qū)的污染物在夜間向城市中心輸送，從而導(dǎo)致市區(qū)的嚴(yán)重污染，特別是當(dāng)上空有逆溫層在時更為突出。112煙氣的抬升高度煙氣的抬升高度 從煙囪排出的煙氣，在其本身具有的動力

8、（由排煙速度引起）和浮力（煙溫比大氣溫度高而產(chǎn)生浮力）的作用下，往往可以上升到很高的高度，然后在湍流作用下進(jìn)行擴(kuò)散，煙氣所達(dá)到的高度稱為有效煙囪高度，而煙氣上升的那段高度稱為煙氣抬升高度。 由于有效煙囪高度直接影響煙氣的湍流擴(kuò)散，因而準(zhǔn)確地估算煙氣抬升高度，確定有效煙囪高度，對污染濃度和煙囪高度計算都有重要意義。 HHHS 因此，有效煙氣高度應(yīng)為煙囪的幾何高度s，加上抬升高度，即 11.影響煙氣抬升的因素影響煙氣抬升的因素 煙氣的抬升過程如圖1416所示。煙氣抬升分為四個階段： 噴出階段 這個階段主要依靠煙流本身的初始動量向上噴射。 浮升階段 由于煙流的熱力作用，煙氣密度比空氣小，產(chǎn)生浮力上升

9、。 瓦解階段 當(dāng)煙氣上升到一定高度后，煙流與空氣混合，失去動量和浮力開始隨風(fēng)飄動，發(fā)生較大的波動。 變平階段。這時煙流完全變平，在大氣湍流的作用下，作上下左右擴(kuò)散，使煙流愈擴(kuò)愈大。 從煙氣抬升過程可以看出，影響抬升的主要因素有煙流本身的熱力和動力性質(zhì)、當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和下墊面條件，前面二種因素與工廠有關(guān)，后二種與環(huán)境條件有關(guān)。 11.煙氣抬升高度公式煙氣抬升高度公式 煙氣抬升由于其影響因素復(fù)雜，至今尚未從理論上解決這個問題。現(xiàn)在實用的煙氣抬升公式都是經(jīng)驗的或半經(jīng)驗的。下面介紹幾個常用的煙氣抬升公式。. 霍蘭德式霍蘭德式dTTTudvHsass7 . 25 . 1 . 2. Briggs推薦式推薦

10、式 . 當(dāng)大氣穩(wěn)定時0/Z)6 . 113/23/1FxxuxFH，（)/4 . 23/1FxxSuFH，（）（）（），（，ZTgSTTTdgvFSuxasassF/4/2 . 式中 . 當(dāng)大氣為中性或不穩(wěn)定時0/Z)5 . 36 . 113/23/1xxuxFH，（)5 . 3)5 . 36 . 113/23/1xxuxFH，（ . 當(dāng)F55時5/234Fx . Briggs推薦式適合于中小型熱源的煙云抬升計算，火力發(fā)電廠的煙源多采用此式。 . 3. 國家標(biāo)準(zhǔn)推薦國家標(biāo)準(zhǔn)推薦式式 . 國標(biāo)國標(biāo)GB/T13201-91推薦的煙氣抬升公式如下 . （1）當(dāng)QH 2100kJ/s，T35K時102

11、1uHQnHnsnHsvHTTPQQ35. 0asTTT . （2）當(dāng) 1700kJ/s QH 2100kJ/s時4001700)(121HQHHHHuQdvHHs/ )01. 05 . 1 (21 . （3）QH 1700kJ/s或T35K時時uQdvHHs/ )01. 05 . 1 (2 . （4）凡地面以上10m高度年平均風(fēng)速 1.5m/s時8/34/1)0098. 0(50. 5dZdTQHaH11.3 污染物落地濃度污染物落地濃度 大氣擴(kuò)散的基本問題是研究湍流傳播和物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系問題。目前可用梯度輸送理論、統(tǒng)計理論和相似理論來處理這個問題。 從這些理論體系出發(fā)，可以導(dǎo)出許多擴(kuò)散模

12、式，其中應(yīng)用最廣的是根據(jù)統(tǒng)計理論導(dǎo)出的正態(tài)高斯分布假定下的擴(kuò)散模式，也就是通常所說的高斯擴(kuò)散模式。 許多實用的各種狀況下的擴(kuò)散模式都是在高斯模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)其特殊情況作某中修正而得到的。 11.3.1 高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式 大量的實驗和理論研究表明，對于連續(xù)性的平均煙流，其濃度分布是符合正態(tài)分布的。 高斯擴(kuò)散模式正是在污染物濃度符合正態(tài)分布的前提下導(dǎo)出的，其基本的假設(shè)是： 煙羽的擴(kuò)散在水平和垂直方向都是正態(tài)分布；在擴(kuò)散的整個空間風(fēng)速是均勻的、穩(wěn)定的； 污染源排放是連續(xù)的、均勻的； 污染物在擴(kuò)散過程中沒有衰減和增生； 在 x 方向，平流作用遠(yuǎn)大于擴(kuò)散作用； 地面足夠平坦。 從這些假定出發(fā)，

13、可以導(dǎo)出高斯擴(kuò)散模式。 1. 無界情況無界情況 當(dāng)污染源位于無界的空間，x 軸與煙流軸線重合時，空間某點的濃度可根據(jù)正態(tài)分布假定寫出 由連續(xù)條件可寫出 )exp()exp()(),(22bzayxAzyxC 由方差的定義得 0022CdyCdyyy0022CdzCdzzz Cdydzu聯(lián)解可得 222/12/12)(zyzybauQxA那么，上式可改寫為 )22(exp2),(2222zyzyzyuQzyxC 1. 有界情況有界情況 有地面存在下的高斯公式的坐標(biāo)系取法與無界情況下不同，如圖11-17所示 坐標(biāo)原點為地面排放點或高架源排放點鉛直地面投影點，x軸正向指向平均風(fēng)向，y軸在水平面上垂直

14、于x軸，z 軸垂直于oxy平面上延伸，煙流中心線在oxy平面的投影與x軸重合。 現(xiàn)在關(guān)鍵在于如何考慮地面對擴(kuò)散的影響。前面已經(jīng)假設(shè)過污染物在擴(kuò)散中無衰減和增生，那么地面對污染物沒有吸收、吸附作用。就象一面鏡子，對污染物起著全反射的作用。 按照全反射的原理，可以用“像源法”來解決這個問題。如圖11-18所示，空間某點P的濃度可以看成兩部分貢獻(xiàn)之和：一部分是不存在地面時P點所具有的濃度；另一部分是由于地面反射而增加的濃度。這相當(dāng)于位置（0，0，H）的實源和在（0，0，-H）的虛源單獨存在時對P點造成的濃度之和，即：虛（無界）實（無界）CCC 實源貢獻(xiàn)：由于坐標(biāo)原點位移，前式中的z在新坐標(biāo)中應(yīng)為（z

15、-H）： 2)(2exp22222zyzyHzyuQC實（無界） 虛源貢獻(xiàn)：坐標(biāo)原點下移H距離，式（14-27）中的 z在新坐標(biāo)系中應(yīng)為（z+H）：2)(2exp22222zyzyHzyuQC虛（無界） 那么，P點的濃度為 2)(2)(exp)2exp(2),(222222zzzzyHzHzyuQHzyxC 上式就是通常所講的高斯擴(kuò)散模式，也是高架連續(xù)點源擴(kuò)散的基本公式。由這個公式可以計算下風(fēng)向任意一點是污染物濃度。幾種特殊情況下的高斯模式計算公式如下： （1）高架連續(xù)點源地面濃度。令式（14-30）中 z=0，可以得到地面濃度計算公式：)2exp()2exp();,(2222zyzyHyuQ

16、HoyxC （2）高架連續(xù)點源地面軸線濃度。地面軸線濃度由式（11-31）在y=0時得： )2exp();,(22zzyHuQHooxC （3）高架連續(xù)點源的最大地面濃度。設(shè)對于式（11-32）求極值。dC/dx=0，則可以求出計算地面最大濃度及其出現(xiàn)距離的公式： dbddbcdHxddbxacddbHuQHooxC2122maxmax2maxmax)()2exp()();,( 特別是，當(dāng)b=d即 ）變?yōu)椋ǔ?shù)時，式（34141314/zy2/2);,(max2maxmaxHHueQHooxCxxzyz 11.3.2 有上部逆溫時的擴(kuò)散模有上部逆溫時的擴(kuò)散模 前面導(dǎo)出的高斯模式只使用于整層大

17、氣都有同一穩(wěn)定度的擴(kuò)散，對于不接地逆溫的情況并不使用，然而這種情況是經(jīng)常出現(xiàn)的。 上部逆溫層就像一個蓋子使污染物的擴(kuò)散受到限制，擴(kuò)散只能在地面和逆溫層底之間進(jìn)行，所以又稱為“封閉”型擴(kuò)散。 推導(dǎo)這種情況下的擴(kuò)散公式是把逆溫層底看成和地面一樣能起全反射的鏡面，這時的煙云的多次反射模型如圖11-19所示，污染物濃度可看成是實源和無窮多對虛源之和。 這樣，空間任一點濃度可由下式確定：nzzzzynLHznLHzyuQHzyxC2)2(2)2(exp)2exp(2);,(222222式中 L-逆溫層底高度或混合層高度，m； n-煙流在兩界面之間是反射次數(shù)，一般認(rèn)為n =3或4就足以包括主要反射了。 式

18、（11-37）過于繁瑣，在實際工作中，地面濃度可按以下方法簡化處理。 設(shè)xD為煙羽邊緣剛好到達(dá)逆溫層底時該點離煙源的水平距離，則： （1）當(dāng)xxD時，煙流擴(kuò)散不受逆溫的影響，擴(kuò)散公式采用式（11-31）進(jìn)行計算。 （2）當(dāng)x2 xD時，污染物經(jīng)過多次反射后，在 z方向上濃度漸趨向均勻，水平方向仍呈正態(tài)分布，地面濃度的計算公式為 )2exp(2);,(22yyyLuQHoyxC （3）當(dāng)xDx2xD時，取x= xD和x=2xD兩點的濃度進(jìn)行對數(shù)內(nèi)插。 可由煙流寬度和擴(kuò)散參數(shù)的關(guān)系確定。煙流在鉛直方向擴(kuò)展的寬度為 ：DxzZ15. 20則 15. 2,15. 2HLHLzz 由上式可計算出下一個下風(fēng)距離x,此x就是xD。Dx 11.4 煙囪計算煙囪計算 煙囪作為保護(hù)環(huán)境的一種設(shè)備，其作用是降低地面污染物濃度。 煙囪設(shè)計的主要內(nèi)容是煙囪高度和出口內(nèi)徑的計算。這個問題與大氣擴(kuò)散問題是一個相反的過程。 大氣擴(kuò)散問題是在已知污染物排放條件下求取其下風(fēng)向污染物地面濃度問題，而這節(jié)的問題是已知污染物地面允許濃度來確定污染物的排放條件。因此，二者密切相關(guān)。 11.4.1 煙囪高度的計算煙囪高度的計算 煙囪高度和污染物地面濃度的關(guān)系可由圖11-25中反映，隨著源高增加