大氣污染擴(kuò)散

1、 大氣污染擴(kuò)散及濃度估算模式第一節(jié) 大氣污染擴(kuò)散過程 邊界層大氣是由大小不同的湍渦構(gòu)成的，每個湍渦都有一定的運動速度和方向。一個大湍渦包含著很多較小的湍渦，而較小的湍渦又包含著很多更小的湍渦。這樣湍渦套著湍渦構(gòu)成了大氣的湍流運動大氣的湍流運動。 大氣中幾乎時時處處存在著各種尺度的湍流運動。在近地面氣流直接受下墊面的影響，湍流運動尤為劇烈，因此造成氣體各部分之間的強(qiáng)烈混合。此時只要在流場中存在或出現(xiàn)某種屬性（如動量（風(fēng)速）、熱量（溫度）、水汽（濕度）等）的不均勻，就會因氣體的湍流混合和交換作用將這種屬性從它的高值區(qū)向低值區(qū)傳輸進(jìn)行再分配。這種湍流混合和交換的結(jié)果造成污染物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)輸

2、送，使它們逐漸被分散、稀釋，我們稱這樣的過程為大氣污染擴(kuò)大氣污染擴(kuò)散過程散過程。下面圖（41）表示一個煙團(tuán)在大小不同的湍渦中的擴(kuò)散情況。一個煙團(tuán)在大小不同的湍渦中的擴(kuò)散情況。（a）表示煙團(tuán)處于比它尺度小的湍渦之中，煙團(tuán)一方面隨風(fēng)向下風(fēng)方向飄動，同時由于湍渦的攪拌邊緣不斷與周圍空氣混合，緩慢的膨脹，同時煙團(tuán)濃度不斷地降低。（b）表示一個比煙團(tuán)大的湍渦對擴(kuò)散的作用，這時煙團(tuán)主要被湍渦運動所挾帶，本身增長不大。 （c）表示尺度與煙團(tuán)大小相仿的湍流作用。這時，煙團(tuán)被湍渦拉開撕裂而變形。這是一種比較快的擴(kuò)散過程。 從應(yīng)用角度研究大氣污染擴(kuò)散，就是找出不同氣象條件下，污染物在大氣中的搬運規(guī)律，以求最大限度

3、地減低空氣污染的程度。利用這些規(guī)律可以解決下述一些問題： 根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，對工藝設(shè)施的設(shè)計和布局提出合理建議，預(yù)防可能造成的污染； 根據(jù)大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)卮髿獾臄U(kuò)散能力，提出排放標(biāo)準(zhǔn)（排放量和排放高度）； 進(jìn)行污染氣象條件的預(yù)報（污染潛勢預(yù)報），防止可能發(fā)生的嚴(yán)重污染事件。 第二節(jié) 連續(xù)點源高斯擴(kuò)散模式 空氣污染的形成和危害程度是以空氣污染物的作用于受污染體的濃度和時間決定的。因此，盡管具體的空氣污染問題多種多樣，各不相同，但都必須解決一個基本問題，就是要正確推斷各種條件下污染濃度的分布及其隨時間的變化。 高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式一個連續(xù)點源小尺度（10km）擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式。 高斯擴(kuò)散

4、模式是在假設(shè)污染物的濃度為正態(tài)分布的前提下高斯擴(kuò)散模式是在假設(shè)污染物的濃度為正態(tài)分布的前提下導(dǎo)出的。導(dǎo)出的。通過大量的小尺度擴(kuò)散試驗，特別是在平原和比較平坦地區(qū)的試驗表明，污染物質(zhì)在大氣中的擴(kuò)散，其濃度分布基本接近正態(tài)分布。 由湍流擴(kuò)散梯度輸送理論建立起來的擴(kuò)散方程，在擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)假定下，也可得到污染物濃度為正態(tài)分布形式的解。 由湍流研究的統(tǒng)計理論出發(fā)，在平穩(wěn)和均勻湍流的假定下，也可以證明擴(kuò)散粒子位移的概念服從正態(tài)分布。、無界條件下的高斯模式、無界條件下的高斯模式假如排放源處于一個無界的、流場均勻的空間。這時我們以源為坐標(biāo)原點，取x軸指向平均風(fēng)速方向，以垂直于地面的方向為垂直向（即z軸），則

5、y向稱為橫向。圖（42）是連續(xù)高架點源無界（a）與有界（b）坐標(biāo)示意圖。 在煙流橫向和垂直向濃度為正態(tài)分布條件下，其空間分布可寫成：式中C(x，y，z)表示在空間某點（x，y，z）某一時段的平均濃度，A（x）表示煙流中心軸線濃度。當(dāng)yZO時，則有下式： C（x，0，0）= A（x） 式中y和z分別表示此段時間內(nèi)橫向和垂直向濃度分布的標(biāo)準(zhǔn)差，即這兩個方向的擴(kuò)散參數(shù)。擴(kuò)散參數(shù)是估算污染濃度最重要的參數(shù)之一。、無界條件下的高斯模式、無界條件下的高斯模式根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在任意一個與x軸垂直的煙流截面上取一個小面元dydz，單位時間通過小面元的污染物質(zhì)為CUdydz，根據(jù)連續(xù)性原理，單位時間通過整個截

6、面的污染物應(yīng)該等于源的排放量，即源強(qiáng)Q：將（4.1）式代入（4.2）式并進(jìn)行積分有：其中U是常數(shù)，AA（x）與y、Z無關(guān)，最后可得到：把（43）代回到（41）則可得到無界空間連續(xù)高架點源的高斯擴(kuò)散公式：二、有界條件下的高斯模式二、有界條件下的高斯模式設(shè)源高為H，以源所在地面的投影作為坐標(biāo)原點，x軸仍指向平均風(fēng)速方向（如圖（42）b圖所示）。這時空間某一點P（x，y，z）的濃度可看成是兩部分濃度的疊加：一部分相當(dāng)于無界時P點具有的濃度，另一部分是由于地面反射作用增加的濃度。這相當(dāng)于不存在地面時位置在（0，0，H）的實源實源在P點造成的濃度以及因地面反射造成的相當(dāng)于位置在（0，0，H）的“虛源虛源

7、”在P點造成的濃度之和，如圖（43）所示。實源的貢獻(xiàn)是：實源的貢獻(xiàn)是： 虛源的貢獻(xiàn)是： 所以P（x，y，z）點的濃度為：式中C（x，y，Z，H）為有效源高H的源在點P（x，y，z）處造成的濃度（mgm3），Q為源強(qiáng)（mgs），U為源高處平均風(fēng)速（ms）， y ，z分別為橫向、垂直向擴(kuò)散參數(shù)（m）。 公式（45）是估算高架點源濃度分布常用的基本模式。需要說明的是模式中的H是指有效源高，有關(guān)有效源高的問題將在下面進(jìn)行專門討論。式中平均風(fēng)速是指煙云擴(kuò)散范圍內(nèi)的平均風(fēng)速，通?？珊唵蔚厝∨欧琶娓叨忍幍娘L(fēng)速。三、幾個常用的大氣擴(kuò)散模式三、幾個常用的大氣擴(kuò)散模式1高架連續(xù)點源：（a）地面濃度C（x、y、o、

8、H）： （b）地面軸線濃度C（x、o、o、H）： (c）地面最大濃度及出現(xiàn)位置： 假設(shè)z/y的值不隨下風(fēng)向距離x變化，可以推得高架源地面最大濃度為： 而且最大值出現(xiàn)在滿足下列關(guān)系的距離上： 當(dāng)擴(kuò)散參數(shù)表示成冪函數(shù)形式時 則地面最大濃度出現(xiàn)距離為： 2地面連續(xù)點源 （a）地面濃度C（x,y,0，0）： （b）地面軸線濃度C（x,0,0，0）： 高斯模式是應(yīng)用得比較廣泛的大氣擴(kuò)散模式。它適用的條件有以下幾方面： 下墊面開闊、平坦、性質(zhì)均勻。 擴(kuò)散物質(zhì)在擴(kuò)散過程中不發(fā)生衰減，擴(kuò)散物質(zhì)與空氣沒有相對運動，地面對污染物起全反射作用。 平均流場平直、穩(wěn)定，平均風(fēng)向和風(fēng)速無顯著的時間變化，平均風(fēng)速通常要大于

9、12米秒。 擴(kuò)散過程是在同一種溫度層結(jié)的氣層中進(jìn)行的。 主要適用于小尺度擴(kuò)散過程，以不超過1020公里為宜。 但目前高斯模式的應(yīng)用已實際上超出了上述范圍。在某些特殊條件下，發(fā)展了一些變型模式。 第三節(jié) 擴(kuò)散參數(shù)的估計上述高斯擴(kuò)散中，欲計算出大氣污染物濃度及其分布，則必須知道源強(qiáng)Q、平均風(fēng)速U，有效源高H和大氣擴(kuò)散參數(shù)y和z。其中Q和U往往是通過測量或由工程設(shè)計給出，于是問題歸結(jié)于如何給出有效源高和大氣擴(kuò)散參數(shù)大氣擴(kuò)散參數(shù)。下面我們首先討論擴(kuò)散參數(shù)的估算方法。 擴(kuò)散參數(shù)（y、z）是下風(fēng)向距離x，大氣穩(wěn)定度、地面粗糙度等的函數(shù)。目前廣泛使用的確定擴(kuò)散參數(shù)的方法是根據(jù)大量擴(kuò)散試驗總結(jié)出來的經(jīng)驗方法和

10、經(jīng)驗公式。 、PG擴(kuò)散曲線法擴(kuò)散曲線法 帕斯奎爾（FPasquill）在大量觀測和研究的基礎(chǔ)上，選擇地面風(fēng)速、云高、云量和太陽輻射狀況，把大氣的擴(kuò)散稀釋能力分為六個等級: A一極不穩(wěn)定、B一不穩(wěn)定、C一弱不穩(wěn)定、D一中性、E一弱穩(wěn)定、F一穩(wěn)定。給出不同穩(wěn)定度級別下的擴(kuò)散參數(shù)y、z隨距離x變化的曲線。見圖（44）擴(kuò)散曲線。根據(jù)常規(guī)氣象觀測的地面風(fēng)速、云量、云高及太陽輻射狀況，利用表（41）帕斯奎爾穩(wěn)定度級別劃分表來確定大氣擴(kuò)散穩(wěn)定度級別后，再利用圖（44）擴(kuò)散曲線求出不同距離上的y、z值，或見（附表一）帕斯圭爾曲線的y和z噸值。二、二、PG擴(kuò)散曲線的發(fā)展擴(kuò)散曲線的發(fā)展1特納爾穩(wěn)定度分類法（D.B

11、.Turner）在PG擴(kuò)散曲線法中，大氣層結(jié)穩(wěn)定度的劃分雖然簡單，但比較粗糙，例如輻射強(qiáng)弱缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)，主觀性較強(qiáng)（是用白天、夜間劃分輻射），美國著名氣象學(xué)家Turner于1964年提出根據(jù)太陽高度角和云高、云量確定輻射等級，然后參照地面風(fēng)速劃分隱定度的方法。其過程如下： 首先計算太陽高度角h0 h0arcsinsinsin+coscoscos（15t+300） 式中為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?；為太陽傾角（也稱赤緯），可查附表二得到； t為觀測時的地方時。為當(dāng)?shù)亟?jīng)度。 太陽高度角確定后，參照云量、云高利用下面表（42）確定太陽輻射等級。 根據(jù)太陽輻射等級和風(fēng)速，利用下面表（43）確 定大氣層結(jié)穩(wěn)定度級別

12、。 GB384083法 我國國家標(biāo)準(zhǔn)制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法（代號GB384083）中，為了便于計算機(jī)計算，擴(kuò)散參數(shù)曲線用冪函數(shù)形式表示為：式中1、2，r1、r2是大氣層結(jié)穩(wěn)定度函數(shù)。對應(yīng)于30分鐘采樣時間的1、2，r1、r2值可查附表三（a）、附表三（b）。 此標(biāo)準(zhǔn)中對大氣擴(kuò)散穩(wěn)定度級別的劃分采用特納爾法（Turner），同時還考慮下墊面狀況對擴(kuò)散的影響，作了如下規(guī)定：平原地區(qū)的農(nóng)村及城市遠(yuǎn)郊區(qū)：A、B、C級穩(wěn)定度直接由附表二（a）附表二（b）擴(kuò)散參數(shù)冪函數(shù)值查算。D、E、F級穩(wěn)定度則需要向不穩(wěn)定方向提半級后查算。 工業(yè)區(qū)的城區(qū)：A、B級不提，C級提到B級，D、E、F向不穩(wěn)

13、定方向提一級半，再按附表二（a）、（b）查算。 非工業(yè)區(qū)的城區(qū)：A、B級不提，C級提到BC級，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級后查算。 丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市：其擴(kuò)散參數(shù)的選取方法同城市工業(yè)區(qū)。練習(xí)題1、求以下污染氣體的濃度單位換算關(guān)系（mg/m3ppm)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下：CO、O3、NO2、NO。2 大氣中CO2的通量濃度為340ppm,問1Nm3空氣中含CO2多少克？2、成人每次吸入的空氣質(zhì)量平均為500cm3,j假若每分鐘呼吸15次，空氣中顆粒物的濃度為200g/m3，試計算每小時沉積于肺胞中的顆粒屋質(zhì)量。已知該顆粒物在肺胞中的 沉降系數(shù)為0.12。4、據(jù)估計某平原城市遠(yuǎn)郊區(qū)燃燒的垃圾以每秒3克的

14、速度向四周排放氫氧化物為主的的污染物。當(dāng)時氣象狀況為：風(fēng)速7m/s，夜間、陰天。請問此垃圾堆正下風(fēng)向3km處的污染物濃度是多少？此距離上偏離X軸線200m處濃度是多少？5、據(jù)估計某工/S業(yè)城市有 一石油精煉廠，其平均有效源高60m煙囪高30m排放SO2 80g/s.。當(dāng)時氣象狀況為：風(fēng)速6m/S,冬季、陰天、清晨八點。請問距離此精煉廠下風(fēng)向500 m處地面濃度是多少？第四節(jié) 連續(xù)線源、面源擴(kuò)散模式 、連續(xù)線源擴(kuò)散模式、連續(xù)線源擴(kuò)散模式 處理汽車尾氣擴(kuò)散問題，可以把一條繁忙的處理汽車尾氣擴(kuò)散問題，可以把一條繁忙的交通線看成是連續(xù)線源，按照高斯擴(kuò)散模式交通線看成是連續(xù)線源，按照高斯擴(kuò)散模式體系，其

15、濃度場是組成線源的所有點源濃度體系，其濃度場是組成線源的所有點源濃度貢獻(xiàn)之和，等于點源濃度公式沿著線源長度貢獻(xiàn)之和，等于點源濃度公式沿著線源長度上的積分。對直線型的點源，可直接求出積上的積分。對直線型的點源，可直接求出積分，得到計算線源濃度場的解析式；當(dāng)線源分，得到計算線源濃度場的解析式；當(dāng)線源形狀很不規(guī)則時，只能用數(shù)值求和的方法解形狀很不規(guī)則時，只能用數(shù)值求和的方法解決。決。 （）風(fēng)向與線源垂直取x軸與風(fēng)向平行，線源作為地面源的y軸上，坐標(biāo)源點通過線源的中心，源長為2y。源強(qiáng)Q1，在線源上取dy0，那么dy在下風(fēng)向濃度分布dc可用連續(xù)點源的高斯模式估算： 此線源造成的下風(fēng)向濃度分布是所有點源

16、濃度貢獻(xiàn)之和，等于上式在線源長度上的積分：（二）風(fēng)向與線源平行 仍取x軸與平均風(fēng)向平行，這時，線源作為地面源的x軸上，設(shè)線源源長2x0，坐標(biāo)原點與線源中心一致，線源源強(qiáng)為QL，在線源上取dx0，dx在下風(fēng)向的濃度分布為：那么該線源在下風(fēng)向的濃度分布為 當(dāng)X0時 離源距離可見其濃度分布與順風(fēng)向位置無關(guān)。 （三）風(fēng)向與線源成任意交角 當(dāng)風(fēng)向與線源成任意交角（90），可用簡單的內(nèi)插方法估算。 C（）C（垂直）Sin2C（平行）cos2 （416） 這里介紹的線源模式屬于高斯擴(kuò)散模式體系，運用條件與高斯煙流模式相同。城市街道兩側(cè)高大建筑物會產(chǎn)生動力效應(yīng)，上述線源模式不能用來計算街面和街道兩側(cè)濃度分布，

17、必須發(fā)展適當(dāng)?shù)淖幽Ｊ絹砟M城市街道和建筑物對擴(kuò)散的影響。另外，在公路附近，排放的污染物的初始散布尺度對污染濃度有很大影響，必須給擴(kuò)散參數(shù)加上適當(dāng)?shù)某跏剂恳悦鈱嚯x估計過高。二、連續(xù)面源擴(kuò)散模式二、連續(xù)面源擴(kuò)散模式 城市中還有低矮的大氣排放源以及千家萬戶生活中的燃燒排放源，這些源的特點是分布廣而數(shù)量多，單個源源強(qiáng)不大，排放高度不高。在研究城市大氣污染問題時，常把它們歸納為面源來處理。（一）“箱”模式 這是流行的一種氣箱模式。其出發(fā)點是把污染物遷移變化的空間看成是一個或一些“氣箱”，研究的是箱內(nèi)平均濃度隨時間的變化，而不是討論箱內(nèi)污染物濃度分布和變化的細(xì)節(jié)。 箱模式有單箱模式和多箱模式之分。這里

18、，我們根據(jù)箱模式的基本出發(fā)點，作最簡單的考慮，把整個城市作為一個氣箱，討論箱內(nèi)平均濃度的變化。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時間內(nèi)箱內(nèi)污染物變化的量應(yīng)等于單位時間內(nèi)污染物排放量與單位時間內(nèi)平流輸出量之差。設(shè)城市順風(fēng)邊長x，迎風(fēng)邊寬Y，混合層厚H，面源源強(qiáng)Q，混合層內(nèi)平均風(fēng)速，則平衡方程為：當(dāng)t時，其平衡濃度可稱為通風(fēng)系數(shù)，它表示混合層內(nèi)空氣輸送速率。 城市內(nèi)汽車尾氣擴(kuò)散也可以用簡單箱模式處理，假設(shè)汽車排氣均勻分布在街道“峽谷”中，尼科爾森（Nicholson，s，1975）采用下列模式研究過芝加哥法蘭克福等城市的汽車排氣中CO在街道中的分布： （1）當(dāng)風(fēng)與街道平行時： （2）當(dāng)風(fēng)與街道垂直時： 式中 C高度h以下整個街道中污染物濃度； QA源強(qiáng)，取決于汽車密度和速度； L有效街道長度； 平均風(fēng)速； W屋頂部上舉速度，它是屋頂上水平風(fēng)速的函數(shù)。 箱模式雖然簡單粗糙，作為污染濃度的概量估算，有其簡單易行的優(yōu)點；但假定整個氣箱內(nèi)濃度均勻分布的不合理性，往往使得地面濃度估計過低。（二）簡化為點源或線源模式 1簡化為點源 假設(shè)面源單元與正上風(fēng)向某一虛點源造成的污染狀態(tài)等效，此等效點源的煙云擴(kuò)散至面源單元時，在面源的中心處的寬度（云寬2y）等于面源的寬度（L），在面源中處的厚度（半云高Z0）等于面源的平均高度（H設(shè)