第04章大氣污染濃度估算模式

1、1.湍流擴散的基本理論湍流擴散的基本理論2.高斯擴散模式高斯擴散模式3.污染物濃度的估算方法污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴散模式特殊氣象條件下的擴散模式5.城市及山區(qū)的擴散模式城市及山區(qū)的擴散模式6.煙囪高度設(shè)計煙囪高度設(shè)計擴散的要素擴散的要素n風(fēng)風(fēng)：平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大n湍流：擴散比分子擴散快湍流：擴散比分子擴散快10105 510106 6倍倍湍流的基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大氣的無規(guī)則運動大氣的無規(guī)則運動 w風(fēng)速的脈動風(fēng)速的脈動w風(fēng)向的擺動風(fēng)向的擺動起因與兩種形式起因與兩種形式 n熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）熱力：溫度垂直分布不均

2、（不穩(wěn)定）n機械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度機械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系1.1.梯度輸送理論梯度輸送理論類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比2.2.湍流統(tǒng)計理論湍流統(tǒng)計理論 泰勒泰勒圖圖4-1，正態(tài)分布，正態(tài)分布 薩頓實用模式薩頓實用模式 高斯模式高斯模式 3.3.相似理論相似理論 高斯模式的有關(guān)假定高斯模式的有關(guān)假定n坐標(biāo)系坐標(biāo)系 右手坐標(biāo)，右手坐標(biāo)，y為橫風(fēng)向，為橫風(fēng)向，z為垂直向為垂直向n四點假設(shè)四點假設(shè) wa

3、污染物濃度在污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布風(fēng)向上分布為正態(tài)分布wb全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定wc源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的wd擴散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）擴散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化） 高斯擴散模式的坐標(biāo)系高斯擴散模式的坐標(biāo)系由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點的濃度分布由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點的濃度分布方差的表達式方差的表達式由假定由假定d 源強積分式源強積分式 （單位時間物料守恒）（單位時間物料守恒） 22( , , )( )eeaybzc x y zA x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z222

4、2( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 2222( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 鏡像全反射鏡像全反射-像源法像源法n實源：實源： n像源：像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n實源的貢獻實源的貢獻2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n實源的貢獻實源的貢獻2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的貢獻像源的貢獻2222

5、()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的貢獻像源的貢獻222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n實實際際濃濃度度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n實實際際濃濃度度2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地地面面濃濃度度模模式式：取取z z0 0代代入入上上式式，得得2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地地面面濃濃度度模模式式：

6、取取z z0 0代代入入上上式式，得得22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面軸線濃度模式：再取地面軸線濃度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面軸線濃度模式：再取地面軸線濃度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上上式式，x增增大大，則則、 增增大大，第第一一項項減減小小，第第二二項項增增大大，必必然然在在某某x 處處有有最最大大值值地地面面最最大大濃濃度度模模式式：考考慮慮地地面面軸軸線線濃濃度度模模式式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xH

7、u yz上上式式，x增增大大，則則、 增增大大，第第一一項項減減小小，第第二二項項增增大大，必必然然在在某某x 處處有有最最大大值值yz上上式式，x增增大大，則則、 增增大大，第第一一項項減減小小，第第二二項項增增大大，必必然然在在某某x 處處有有最最大大值值地地面面最最大大濃濃度度模模式式：考考慮慮地地面面軸軸線線濃濃度度模模式式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大濃度模式（續(xù)）：地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)設(shè)（實際中成立）（實際中成立）由此求得由此求得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH

8、emax|2czx xH地面最大濃度模式（續(xù)）：地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)設(shè)（實際中成立）（實際中成立）由此求得由此求得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相當(dāng)當(dāng)于于無無界界源源的的2 2倍倍（鏡鏡像像垂垂直直于于地地面面，源源強強加加倍倍）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相當(dāng)當(dāng)于于無無界界源源的的2 2倍倍（鏡鏡像像垂垂直直于于地地面面，源源強強加加倍倍）粒徑小于粒徑小于15m的顆粒物可按氣體擴散計算的顆粒物可

9、按氣體擴散計算大于大于15m的顆粒物：傾斜煙流模式的顆粒物：傾斜煙流模式w 地面反射系數(shù)地面反射系數(shù)2222(1)(/ )( , ,0,)exp()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp18tdgvq 源強源強 計算或?qū)崪y計算或?qū)崪y 平均風(fēng)速平均風(fēng)速 多年的風(fēng)速資料多年的風(fēng)速資料 H 有效煙囪高度有效煙囪高度 、 擴散參數(shù)擴散參數(shù)uyz1.煙氣抬升高度的計算煙氣抬升高度的計算 初始動量：初始動量： 速度、內(nèi)徑速度、內(nèi)徑煙溫度煙溫度 浮力浮力煙氣抬升煙氣抬升sHHHsHH煙煙囪囪幾幾何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高sHHHsHH煙煙囪囪幾幾何何高高度度抬抬升

10、升高高度度有有效效源源高高抬升高度計算式抬升高度計算式 （1） Holland公式公式：適用于中性大氣條件適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減小，（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加不穩(wěn)時增加1020） HollandHolland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu抬升高度計算式（抬升高度計算式（續(xù)）續(xù)）（2 2）BriggsBriggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.

11、362 10 =1.55當(dāng)時sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33當(dāng)時QxxHQxuxxHQHxQHu抬升高度計算式抬升高度計算式 （續(xù)）（續(xù)）（ 3 3 ） 我 國） 我 國 “ 制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方法法”(GB/T13201-91)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K =0.35

12、 1700kW2100kW1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu (1)當(dāng)和時(2)當(dāng)時HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)當(dāng)或時(4)當(dāng)高 處 的 年 平 均 風(fēng) 速 小 于 或 等 于時PG曲線法曲線法PG曲線曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表制成圖表PG曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別PG曲線

13、的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n利用擴散曲線確定利用擴散曲線確定 和和yzPG曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n地面最大濃度估算地面最大濃度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲曲線線（圖圖4-5）反反查查出出w由由曲曲線線（圖圖4 4- -4 4）查查w由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲曲線線（圖圖4-5）反反查查出出w由由曲曲線線（圖圖4 4- -4 4）查查w由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出y穩(wěn)定度分類方法穩(wěn)定度分類方法n改進的改進的PT法法 太陽高度角太陽高度角 （式（式4-29，地

14、理緯度，傾角），地理緯度，傾角） 輻射等級輻射等級 穩(wěn)定度穩(wěn)定度 云量云量（加地面風(fēng)速）（加地面風(fēng)速） 擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的選取n擴散參數(shù)的表達式為（取樣時間擴散參數(shù)的表達式為（取樣時間0.5h，按表，按表4-8查算）查算）n平原地區(qū)和城市遠郊區(qū)，平原地區(qū)和城市遠郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級向不穩(wěn)定方向提半級n工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至提至B級，級，D、E、F向不穩(wěn)定方向向不穩(wěn)定方向提一級提一級n丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)n取樣時間大于取樣時間大于0.5h， 不變，不變，1221,aayzxx2121()qyyz主要指氣象條件與高

15、斯模式不一樣主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)）難以實現(xiàn)） 封閉型擴散模式封閉型擴散模式n相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射n實源和無窮多個虛源貢獻之和實源和無窮多個虛源貢獻之和 nn為反射次數(shù)，在地面和逆面為反射次數(shù)，在地面和逆面n實源在兩個鏡子里分別形成實源在兩個鏡子里分別形成n個像個像22(2)exp2zyzqHnDCu 計算簡化：計算簡化：1.當(dāng)當(dāng)（尚尚未未到到封封閉閉階階段段）w（煙煙流流半半寬寬度度）w查查PG曲曲線線w4-9式式計計算算 地地面面軸軸線線濃濃度度Dxx2.15zDHDx1.當(dāng)當(dāng)（尚尚未未到到封

16、封閉閉階階段段）w（煙煙流流半半寬寬度度）w查查PG曲曲線線w4-9式式計計算算 地地面面軸軸線線濃濃度度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD011d1DzDD2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuDDD2xxx3. DxxD2xx內(nèi)內(nèi)插插（假

17、假定定變變化化為為線線性性），按按z值值插插值值DD2xxx3. DxxD2xx內(nèi)內(nèi)插插（假假定定變變化化為為線線性性），按按z值值插插值值假設(shè)：假設(shè)： D 換成換成h hf f（垂向均勻分布）；（垂向均勻分布）；q q只包括進入混合層部分，只包括進入混合層部分， 則仍可用上面公式則仍可用上面公式 22211exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH城市大氣擴散模式城市大氣擴散模式1.線源擴散模式線源擴散模式w無無限限長長線線源源n風(fēng)風(fēng)向向和和線線源源不不垂垂直直時時 （交交角角 4 45 5o

18、 o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw無無限限長長線線源源n風(fēng)風(fēng)向向和和線線源源不不垂垂直直時時 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限長線源有限長線源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限長線源有限長線源2.面源擴散模式面源

19、擴散模式w大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量單個排放量 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 (Lake Acidification, Eutrophication) MeteorologyProcessorEmis

20、sionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVE/asmdnerl/models3/n山區(qū)流場由于受到復(fù)雜地形的熱力和動力因子影響，流場均勻和定山區(qū)流場由于受到復(fù)雜地形的熱力和動力因子影響，流場均勻和定常的假定難以成立常的假定難以成立n對風(fēng)向穩(wěn)定、研究尺度不大、地形較為開闊及起伏不大的地區(qū)，濃對風(fēng)向穩(wěn)定、研究尺度不大、地形較為開闊及起伏不大的地區(qū)，濃度基本上遵循正態(tài)分布規(guī)律，只是擴散參數(shù)比平原地區(qū)大很多度基本上遵循正態(tài)分布規(guī)律，只是擴散參數(shù)比平原地區(qū)大很多w ERT模式模式高斯模式，只對有效源高進行修正高斯模式，只對有效源高進行修正w NOAA和和EPA模式模式NOAA以高斯模式為基礎(chǔ)，對有效源高進行修正以高斯模式為基礎(chǔ)，對有效源高進行修正EPA與與NOAA相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正煙囪高度的計算煙囪高度的計算要求：要求：n（1）達到稀釋擴散的作用達到稀釋擴散的作用n（2）造價最低，造價最低， 造價正比于造價正比于H H2 2n（3 3）地面濃度不超標(biāo)）地面濃度不超標(biāo) n按地面最大濃度計算按