大氣污染控制工程-大氣擴散濃度估算模式課件

第四章大氣擴散濃度估算模式教學(xué)內(nèi)容§1湍流擴散的基本理論§2高斯擴散模式§3污染物濃度的估算方法§4特殊氣象條件下的擴散模式§5城市及山區(qū)的擴散模式§6煙囪高度設(shè)計§7廠址選擇1第四章大氣擴散濃度估算模式教學(xué)內(nèi)容1第4章大氣擴散濃度估算模式1、教學(xué)要求要求了解湍流擴散的基本理論，理解和掌握高斯擴散模式、煙囪高度的設(shè)計和廠址的選擇。2、教學(xué)重點掌握影響污染物稀釋擴散法控制的有關(guān)條件；污染物濃度估算的高斯模式，煙囪高度的設(shè)計方法。3、教學(xué)難點污染物稀釋擴散法控制，污染物濃度估算的高斯模式。2第4章大氣擴散濃度估算模式1、教學(xué)要求2§1湍流擴散的基本理論一、湍流概念簡介擴散的要素風(fēng)：平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105～106倍1、什么是湍流？除在水平方向運動外，還會由上、下、左、右方向的亂運動，風(fēng)的這種特性和擺動稱為大氣湍流。（有點象分子的熱運動）或者說湍流是大氣的無規(guī)則運動

。2、湍流與擴散的關(guān)系把湍流想象成是由許多湍渦形成的，湍渦的不規(guī)則運動而形成它與分子運動極為相似。3.湍流起因有兩種形式：熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度3§1湍流擴散的基本理論一、湍流概念簡介3

4.湍流運動的判據(jù)——雷諾數(shù)雷諾還找到了由層流運動轉(zhuǎn)換到湍流運動的判據(jù)——雷諾數(shù)（Re）臨界雷諾數(shù)試驗（圓管）表明：當(dāng)Re>2000時的流體流動是湍流當(dāng)Re<2000時的流體流動是層流數(shù)值Re＝2000叫臨界雷諾數(shù)大氣湍流——臨界雷諾數(shù)對于大氣：V=1.5×10-5m2/s若取L=1m只要U>0.1m/s則Re>6000所以通常認(rèn)為大氣運動都是湍流運動44.湍流運動的判據(jù)——雷諾數(shù)雷諾還找到了由層流運動二、湍流擴散理論簡介1.梯度輸送理論2.湍流統(tǒng)計理論5二、湍流擴散理論簡介53.研究湍流的主要方法目前研究湍流的主要方法有兩種：一種是半經(jīng)驗理論方法，它是通過解運動方程等來研究邊界層大氣運動；是模仿氣體分子運動與氣體宏觀運動的理論處理方法，結(jié)合經(jīng)驗事實，采用適當(dāng)?shù)膮?shù)。雖然這個理論本身還很粗糙，但能夠解決一些實際問題(如物體在流體中運行的阻力)，所以許多應(yīng)用科學(xué)家和工程技術(shù)人員對此比較感興趣另一種是湍流統(tǒng)計理論方法，即物理上把湍流視為大大小小不同尺度湍渦的迭加，用數(shù)學(xué)來描述則是把湍流看成無窮多個頻率各異的波迭加而成，采用數(shù)理統(tǒng)計途徑，來分析研究湍流內(nèi)部結(jié)構(gòu)。將流體的不規(guī)則運動視為隨機運動的集合，以數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的方法來研究湍流內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，許多基礎(chǔ)理論科學(xué)家就致力于這方面的研究。63.研究湍流的主要方法目前研究湍流的主要方

§2高斯擴散模式一、高斯模式的有關(guān)假定1.坐標(biāo)系坐標(biāo)系取排放點（無界源、地面源或高架源排放點）在地面的投影點為原點，主風(fēng)向為x軸，y軸在水平面內(nèi)垂直于x軸，正方向在x軸的左側(cè)，z軸垂直于水平面，向上為正，即右手坐標(biāo)系。食指—x軸；中指—y軸；拇指—z軸。此坐標(biāo)系中，煙流中心與x軸重合或煙流在oxy平面的投影為x軸。2.四點假設(shè)

a．污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．?dāng)U散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）

7§2高斯擴散模式一、高斯模式的有關(guān)假定7

高斯擴散模式坐標(biāo)系高斯擴散模式的坐標(biāo)系8高斯擴散模式坐標(biāo)系高斯擴散模式的坐標(biāo)系二、無界空間連續(xù)點源擴散模式9二、無界空間連續(xù)點源擴散模式9上式中：ū—平均風(fēng)速；Q—源強是指污染物排放速率。與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通常：（?。┧矔r點源的源強以一次釋放的總量表示；（ⅱ）連續(xù)點源以單位時間的釋放量表示；（ⅲ）連續(xù)線源以單位時間單位長度的排放量表示；（ⅳ）連續(xù)面源以單位時間單位面積的排放量表示。δy—側(cè)向擴散參數(shù)，污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離y的函數(shù)，m；δz—豎向擴散參數(shù)，污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離z的函數(shù)，m；未知量—濃度c、待定函數(shù)A(x)、待定系數(shù)a、b；式①、②、③、④組成一方程組，四個方程式有四個未知數(shù)，故方程式可解。10上式中：1011111212

三、高架連續(xù)點源擴散模式

高架源既考慮到地面的影響，又考慮到高出地面一定高度的排放源。地面對污染物的影響很復(fù)雜，如果地面對污染物全部吸收，則⑧式仍適用于地面以上的大氣，但根據(jù)假設(shè)④可認(rèn)為地面就象鏡子一樣對污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”處理這類問題。可以把P點污染物濃度看成為兩部分作用之和，一部分實源作用，一部分是虛源作用。見下頁圖：相當(dāng)于位置在（0，0，H）的實源和位置在（0，0，-H）的像源，當(dāng)不存在地面時在P點產(chǎn)生的濃度之和。（1）實源作用：由于坐標(biāo)原點原選在地面上，現(xiàn)移到源高為H處，相當(dāng)于原點上移H，即原式⑧中的Z在新坐標(biāo)系中為（Z-H）,不考慮地面的影響，則：

13三、高架連續(xù)點源擴1414151516161717

以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于10μm的飄塵，對于大10μm的顆粒物，由于自身的沉降作用，濃度分布將有所改變。7、傾斜煙云模式在預(yù)測上述顆粒時，假設(shè)沉積和無沉積有相同的分布形式，但在整個煙云離開源以后，便以重力終端速度下降（ut）,此時，只要將高斯模式中有效源高H用())來置換即可得到傾斜煙云模式。18以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于10μm的飄塵→19→19

四、顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式

地面反射系數(shù)20四、顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按

§3污染物濃度的估算一.煙氣抬升高度的計算

初始動量：速度、內(nèi)徑煙溫度－>浮力煙氣抬升21§3污染物濃度的估算一.煙氣抬升高度的計算

一.煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式

1.Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加10％～20％）

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下22一.煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式Holland公式一、煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）2.Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

23一、煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）23一、煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）3.我國“制訂地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法”(GB/T13201-91)中的公式

24一、煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）24

二、擴散參數(shù)的確定1、P－G曲線法P－G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表25二、擴散參數(shù)的確定1、P－G曲線法251.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別261.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用261.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用利用擴散曲線確定和271.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用271.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用地面最大濃度估算281.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用282.擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法改進的P－T法

太陽高度角

（式4-29，地理緯度，傾角）

輻射等級穩(wěn)定度云量（加地面風(fēng)速）

292.擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法太陽2.擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時間0.5h，按表4-8查算）平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至B級，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)取樣時間大于0.5h，不變，302.擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取30§4特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)）

封閉型擴散模式相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和

n為反射次數(shù)，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像31§4特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣

一、封閉型擴散模式計算簡化：32一、封閉型擴散模式計算簡化：32

二、熏煙型擴散模式假設(shè)：

D

換成hf（垂向均勻分布）；q只包括進入混合層部分，

則仍可用上面公式

33二、熏煙型擴散模式假設(shè)：D換成hf（垂向均勻分布二、熏煙型擴散模式34二、熏煙型擴散模式34

§5城市及山區(qū)擴散模式一、城市大氣擴散模式1.線源擴散模式35§5城市及山區(qū)擴散模式一、城市大氣擴散模式35

一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h36一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式36

一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）簡化為點源的面源擴散模式（續(xù)）形心上風(fēng)向距x0處有一虛擬點源，其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等

煙流寬度：中心線到濃度為中心處距離的兩倍

（正態(tài)分布：）

確定、之后即可按點源計算面源濃度37一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）

一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）窄煙流模式某點的污染物濃度主要取決于上風(fēng)向面單元的源強，上風(fēng)向兩側(cè)單元對其影響很小某點的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定38一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）383.常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式單箱模式多箱模式——如目前用于我國城市空氣污染指數(shù)預(yù)報的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化學(xué)模式如EPA推薦的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式線源模式如CALINE模式，用于計算公路的污染物排放393.常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式39

城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)ISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel40城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式Photochem

城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM41城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式Euleri

城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－One

Atmosphere的概念A(yù)irToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH

--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere42城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Model第三代模式（Models－3）43第三代模式（Models－3）43二、山區(qū)擴散模式山區(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ERT模式高斯模式，只對有效源高進行修正NOAA和EPA模式NOAA－以高斯模式為基礎(chǔ)，對有效源高進行修正EPA－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44二、山區(qū)擴散模式山區(qū)流場由于受到復(fù)雜地形的熱力和動力因子影響§6煙囪高度的設(shè)計

煙囪不單是一排氣裝置，也是控制空氣污染、保護環(huán)境的重要設(shè)備。煙囪高度、出口直徑、噴出速度等工藝參數(shù)應(yīng)滿足減少對地面污染的需要。增加煙囪高度可以減輕污染源對局部地區(qū)的污染，大體上C地面∝1/H2，但超過一定高度后再增加高度，對地面濃度的影響甚微，而煙囪的造價卻隨高度增加而急劇增大（煙囪的造價∝H2），所以并不是煙囪愈高愈好。設(shè)計煙囪高度的基本原則是既要保證排放物造成的地面最大濃度或地面絕對最大濃度不超過國家大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又應(yīng)做到投資最省。一、煙囪高度計算煙囪高度的計算分為：①精確計算法；②簡化計算法。煙囪高度一般按錐型擴散正態(tài)分布模式導(dǎo)出的簡化公式計算，據(jù)對地面濃度要求不同，有兩種計算法方法：（一）保證地面最大濃度不超過允許濃度的計算方法；（二）保證地面絕對最大濃度不超過允許濃度的計算方法。1.按地面最大濃度的計算方法以地面最大濃度不超過規(guī)定為依據(jù)，保證地面最大濃度不超過允許濃度的計算公式45§6煙囪高度的設(shè)計454646

一、煙囪高度的計算2.按地面絕對最大濃度計算47一、煙囪高度的計算2.按地面絕對最大濃度計算473.根據(jù)一定保證率計算煙囪高度∵由地面最大濃度計算法→HS較矮，當(dāng)u＜ū時，地面濃度超標(biāo)；由地面絕對最大濃度計算法→HS較高，無論u多大，地面濃度不超標(biāo)，但煙囪造價高?！嘣诖_定保證率后，ū、穩(wěn)定度取一定值后代入上述公式，可得某一保證率的氣象條件下的煙囪高度，較前面較合理。4.根據(jù)點源煙塵允許排放率設(shè)計（P值法計算煙囪高度）根據(jù)“指定大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法”GB/T13201-91中規(guī)定的點源煙塵允許排放率計算式：式中：Qe－煙塵允許排放速率，t/h；Pe－煙塵排放控制系數(shù)，t/(h·m2)；H－有效源高，m。由此得煙囪高度為：483.根據(jù)一定保證率計算煙囪高度48

二、煙囪設(shè)計中的若干問題1.分析擬建廠地區(qū)可能產(chǎn)生的煙型及頻率，正確選用煙囪高度計算公式。煙型不同產(chǎn)生的地面最大濃度不同，煙囪高度的計算公式不同，因此確定煙型很重要。常用兩種方法：1）選用最不利的煙型相應(yīng)的煙囪高度計算公式；2）選擇保證一定的地面最大濃度出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間的煙型及相應(yīng)的煙囪高度計算公式。①波型:發(fā)生在天氣晴朗，風(fēng)速不大，比較緩和的日子里，近距離造成短時間的污染濃度比錐形高。近地層中，低矮煙囪發(fā)熱量小的污染源以此煙型為例，并應(yīng)校核逆溫層情況。②錐型:100m左右的煙囪多發(fā)生此煙型。此煙型發(fā)生在溫度層結(jié)近中性或中等到大風(fēng)的情況，即發(fā)生在多云有風(fēng)的白天或有風(fēng)的夜晚。③平展型和漫煙型:較大的發(fā)電廠以漫煙型為主，夜間多為平展型，日出后一段時間發(fā)生漫煙型。④封閉型:大于200m的較高煙囪以此型為主。觀測發(fā)現(xiàn)：當(dāng)混合層厚度在760—1065m間時，它造成的地面最大濃度可達(dá)錐形的三倍，Cmax可持續(xù)2—4小時，常出現(xiàn)在早晨和中午。49二、煙囪設(shè)計中的若干問題49地面最大濃度與B/H關(guān)系很大，在某一比值以后，污染濃度主要取決于B，煙囪高度只起次要作用。此時靠增加Hs減少污染濃度不經(jīng)濟?？傊壳癏s計算以錐形模式為主，對超高型煙囪無成熟可靠的方法。2.抬升公式很多，用何公式應(yīng)按具體情況而定，一般選霍氏公式3.公式中與氣象有關(guān)的參數(shù)取值有兩種方法：①取多年平均值；②取某一保障頻率的值：如已知ū＞3m/s的頻率為80%，取3m/s可保證有80%不超標(biāo)，而地面平均最大濃度可能比規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)更低。上述計算公式實際上會遇到許多問題，必須予以考慮，如上述模式僅適于錐形擴散，實際是變化的，要根據(jù)建廠地區(qū)的氣象條件等來取值。50上述計算公式實際上會遇到許多問題，必須予以考慮，如上述模式僅5151

§3-6廠址選擇

一、選擇廠址所需的氣候資料氣候資料是指氣象資料的常年統(tǒng)計形式。1、風(fēng)向和風(fēng)速氣候資料：為了一目了然，常把風(fēng)資料畫成風(fēng)玫瑰圖。圖a是風(fēng)向玫瑰圖；圖b風(fēng)速玫瑰圖是各個風(fēng)向的平均風(fēng)速絕對值。圖c是風(fēng)速和風(fēng)向頻率復(fù)合圖，該圖矢線長度代表風(fēng)向頻率大小，矢線末端的風(fēng)速羽代表平均風(fēng)速，每一羽可表示0.5或1.0m/s。。風(fēng)向（風(fēng)速）玫瑰圖：在8個或16個方向上給出風(fēng)向（風(fēng)速）的相對頻率或絕對值，用線段表示，連接各端點即成。風(fēng)玫瑰圖可按多年（5-10年或更長）的平均值作；也可按某月或某季的多年平均值作，山區(qū)地形復(fù)雜，風(fēng)向、風(fēng)速隨地形和高度而變，可做出不同地點和高度的風(fēng)玫瑰圖。靜風(fēng)（風(fēng)速<1.0m/s）或微風(fēng)（風(fēng)速為1～2m/s）情況大氣通風(fēng)條件差，容易引起高濃度污染，尤其是長時間靜風(fēng)會使污染物大量積累，引起嚴(yán)重污染。因此，在空氣污染分析中不僅應(yīng)統(tǒng)計靜風(fēng)頻率，有條件還要統(tǒng)計靜風(fēng)持續(xù)時間。52

53532.大氣穩(wěn)定度的氣象資料一般氣象臺沒有近地層大氣逆溫層結(jié)的詳細(xì)資料，但可據(jù)pasquill或我們廢氣排放制定標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法。利用已知的氣象資料進行分類，統(tǒng)計出月（年、季）各穩(wěn)定度頻率，作出必要的圖表。3.混合層高度的確定

混合層高度是影響混合物鉛直擴散的重要參數(shù)。由于溫度層結(jié)的晝夜變化，混合層高度也隨時間變化?；旌蠈痈叨瓤煽醋鳉鈮K作干絕熱上升運動的上限高度。（即：干絕熱遞減率上限高度?；旌蠈佑?，則污染物垂直擴散的范圍越大。）具體指出污染物在鉛直方向的擴散范圍。受太陽輻射的影響，午后混合層高度最大，在溫度—高度圖上，從上午最大地面溫度作干絕熱線，與早晨溫度探空曲線的交點高度為午后混合層高度，即最大混合層高度。見下頁圖示。大范圍內(nèi)的平均污染濃度，可以認(rèn)為與混合層高度和混合層內(nèi)的平均風(fēng)速的乘積成反比。通常定義Dū為通風(fēng)系數(shù)。Dū－單位時間內(nèi)通過與平均風(fēng)向垂直的單位寬度混合層的空氣層。通風(fēng)系數(shù)越大，污染濃度越小。542.大氣穩(wěn)定度的氣象資料545555

二、長期平均濃度的計算在廠址選擇和環(huán)境評價中，人們更關(guān)心的長期平均濃度的分布。下面討論長期平均濃度的計算方法。氣象隨提供的風(fēng)向資料是按16方位給出的，每個方位相當(dāng)于一個22.5o的扇形。因此，可按每個扇形計算長期平均濃度。推導(dǎo)時作以下假定：（1）同一扇形內(nèi)各角度的風(fēng)向頻率相同，即在同一扇形內(nèi)同一距離上，污染物濃度在y方向是相等的。（2）當(dāng)吹某一扇形風(fēng)時，全部污染物都落在這個扇形里。56二、長期平均濃度的計算56575758585959三、廠址選擇

從環(huán)境保護角度出發(fā)，理想的建廠位置是污染本底值最小，擴散稀釋能力強，排出的污染物被輸送到城市或居民區(qū)的可能性最小的地方。1、本底濃度本底濃度超標(biāo)的地區(qū)不宜建廠，本底濃度雖未超標(biāo)，但加上擬建廠貢獻，短期內(nèi)又無法改進的也不宜建廠，應(yīng)選擇本底濃度小的地區(qū)建廠。2、風(fēng)向、風(fēng)速污染物危害的程度和受污染的時間及濃度有關(guān)，所以居住區(qū)、作物生長區(qū)都希望能設(shè)在受污染時間短、污染濃度低的位置，因而確定工廠和居民區(qū)的相對位置時要考慮風(fēng)向、風(fēng)速兩個因素。污染系數(shù)表示風(fēng)向、風(fēng)速綜合作用對空氣污染物擴散影響程度。其表達(dá)式為：污染系數(shù)=60三某風(fēng)向污染系數(shù)小，表示該風(fēng)向吹來的風(fēng)所造成的污染小，因此污染源可布置在污染源在污染系數(shù)最小風(fēng)向的上側(cè)。結(jié)合書P114表4-9（某地風(fēng)向頻率及污染系數(shù)）分析。3.溫度層結(jié)由于一般污染物擴散是在距地面幾米高范圍內(nèi)進行的，所以離地面幾百米范圍內(nèi)的大氣穩(wěn)定度對污染物的擴散稀釋過程有重要影響，選廠址必須注意收集逆溫層的強度、厚度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間等資料，要特別注意逆溫同時出現(xiàn)靜風(fēng)或微風(fēng)的情況。大型工廠：若排煙有效煙囪高度能突破經(jīng)常出現(xiàn)的逆溫層高度而在逆溫層以上擴散，對防止污染有利，若逆溫層出現(xiàn)在煙囪有效高度上部，往往易造成污染。中小工廠：距地面200~300米以下的逆溫層對中、小型工廠是不利的條件，高層逆溫對幾公里范圍內(nèi)的擴散影響不大。其它氣象資料：如降雨、云、霧等。4.地形地形對空氣污染的影響很復(fù)雜，在復(fù)雜地形建廠，必須作具體分析，一般應(yīng)進行專門的氣象觀測和現(xiàn)場擴散實驗或進行風(fēng)洞試驗以便對當(dāng)?shù)氐臄U散稀釋條件做出準(zhǔn)確評價。61某風(fēng)向污染系數(shù)小，表示該風(fēng)向吹來的風(fēng)所造成的污染小，因此污染

本章小結(jié)1.湍流擴散的基本理論2.污染物濃度的估算方法3.非點源污染物濃度估算模式4.特殊情況下的擴散模式5.煙囪高度的設(shè)計6.廠址的選擇

作業(yè)題P115—1162.4.6.862本章小結(jié)1.湍流擴散的基本理論6無限風(fēng)光在險峰63無63演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第四章大氣擴散濃度估算模式教學(xué)內(nèi)容§1湍流擴散的基本理論§2高斯擴散模式§3污染物濃度的估算方法§4特殊氣象條件下的擴散模式§5城市及山區(qū)的擴散模式§6煙囪高度設(shè)計§7廠址選擇65第四章大氣擴散濃度估算模式教學(xué)內(nèi)容1第4章大氣擴散濃度估算模式1、教學(xué)要求要求了解湍流擴散的基本理論，理解和掌握高斯擴散模式、煙囪高度的設(shè)計和廠址的選擇。2、教學(xué)重點掌握影響污染物稀釋擴散法控制的有關(guān)條件；污染物濃度估算的高斯模式，煙囪高度的設(shè)計方法。3、教學(xué)難點污染物稀釋擴散法控制，污染物濃度估算的高斯模式。66第4章大氣擴散濃度估算模式1、教學(xué)要求2§1湍流擴散的基本理論一、湍流概念簡介擴散的要素風(fēng)：平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105～106倍1、什么是湍流？除在水平方向運動外，還會由上、下、左、右方向的亂運動，風(fēng)的這種特性和擺動稱為大氣湍流。（有點象分子的熱運動）或者說湍流是大氣的無規(guī)則運動

。2、湍流與擴散的關(guān)系把湍流想象成是由許多湍渦形成的，湍渦的不規(guī)則運動而形成它與分子運動極為相似。3.湍流起因有兩種形式：熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度67§1湍流擴散的基本理論一、湍流概念簡介3

4.湍流運動的判據(jù)——雷諾數(shù)雷諾還找到了由層流運動轉(zhuǎn)換到湍流運動的判據(jù)——雷諾數(shù)（Re）臨界雷諾數(shù)試驗（圓管）表明：當(dāng)Re>2000時的流體流動是湍流當(dāng)Re<2000時的流體流動是層流數(shù)值Re＝2000叫臨界雷諾數(shù)大氣湍流——臨界雷諾數(shù)對于大氣：V=1.5×10-5m2/s若取L=1m只要U>0.1m/s則Re>6000所以通常認(rèn)為大氣運動都是湍流運動684.湍流運動的判據(jù)——雷諾數(shù)雷諾還找到了由層流運動二、湍流擴散理論簡介1.梯度輸送理論2.湍流統(tǒng)計理論69二、湍流擴散理論簡介53.研究湍流的主要方法目前研究湍流的主要方法有兩種：一種是半經(jīng)驗理論方法，它是通過解運動方程等來研究邊界層大氣運動；是模仿氣體分子運動與氣體宏觀運動的理論處理方法，結(jié)合經(jīng)驗事實，采用適當(dāng)?shù)膮?shù)。雖然這個理論本身還很粗糙，但能夠解決一些實際問題(如物體在流體中運行的阻力)，所以許多應(yīng)用科學(xué)家和工程技術(shù)人員對此比較感興趣另一種是湍流統(tǒng)計理論方法，即物理上把湍流視為大大小小不同尺度湍渦的迭加，用數(shù)學(xué)來描述則是把湍流看成無窮多個頻率各異的波迭加而成，采用數(shù)理統(tǒng)計途徑，來分析研究湍流內(nèi)部結(jié)構(gòu)。將流體的不規(guī)則運動視為隨機運動的集合，以數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的方法來研究湍流內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，許多基礎(chǔ)理論科學(xué)家就致力于這方面的研究。703.研究湍流的主要方法目前研究湍流的主要方

§2高斯擴散模式一、高斯模式的有關(guān)假定1.坐標(biāo)系坐標(biāo)系取排放點（無界源、地面源或高架源排放點）在地面的投影點為原點，主風(fēng)向為x軸，y軸在水平面內(nèi)垂直于x軸，正方向在x軸的左側(cè)，z軸垂直于水平面，向上為正，即右手坐標(biāo)系。食指—x軸；中指—y軸；拇指—z軸。此坐標(biāo)系中，煙流中心與x軸重合或煙流在oxy平面的投影為x軸。2.四點假設(shè)

a．污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．?dāng)U散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）

71§2高斯擴散模式一、高斯模式的有關(guān)假定7

高斯擴散模式坐標(biāo)系高斯擴散模式的坐標(biāo)系72高斯擴散模式坐標(biāo)系高斯擴散模式的坐標(biāo)系二、無界空間連續(xù)點源擴散模式73二、無界空間連續(xù)點源擴散模式9上式中：ū—平均風(fēng)速；Q—源強是指污染物排放速率。與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通常：（?。┧矔r點源的源強以一次釋放的總量表示；（ⅱ）連續(xù)點源以單位時間的釋放量表示；（ⅲ）連續(xù)線源以單位時間單位長度的排放量表示；（ⅳ）連續(xù)面源以單位時間單位面積的排放量表示。δy—側(cè)向擴散參數(shù)，污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離y的函數(shù)，m；δz—豎向擴散參數(shù)，污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離z的函數(shù)，m；未知量—濃度c、待定函數(shù)A(x)、待定系數(shù)a、b；式①、②、③、④組成一方程組，四個方程式有四個未知數(shù)，故方程式可解。74上式中：1075117612

三、高架連續(xù)點源擴散模式

高架源既考慮到地面的影響，又考慮到高出地面一定高度的排放源。地面對污染物的影響很復(fù)雜，如果地面對污染物全部吸收，則⑧式仍適用于地面以上的大氣，但根據(jù)假設(shè)④可認(rèn)為地面就象鏡子一樣對污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”處理這類問題。可以把P點污染物濃度看成為兩部分作用之和，一部分實源作用，一部分是虛源作用。見下頁圖：相當(dāng)于位置在（0，0，H）的實源和位置在（0，0，-H）的像源，當(dāng)不存在地面時在P點產(chǎn)生的濃度之和。（1）實源作用：由于坐標(biāo)原點原選在地面上，現(xiàn)移到源高為H處，相當(dāng)于原點上移H，即原式⑧中的Z在新坐標(biāo)系中為（Z-H）,不考慮地面的影響，則：

77三、高架連續(xù)點源擴7814791580168117

以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于10μm的飄塵，對于大10μm的顆粒物，由于自身的沉降作用，濃度分布將有所改變。7、傾斜煙云模式在預(yù)測上述顆粒時，假設(shè)沉積和無沉積有相同的分布形式，但在整個煙云離開源以后，便以重力終端速度下降（ut）,此時，只要將高斯模式中有效源高H用())來置換即可得到傾斜煙云模式。82以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于10μm的飄塵→83→19

四、顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式

地面反射系數(shù)84四、顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按

§3污染物濃度的估算一.煙氣抬升高度的計算

初始動量：速度、內(nèi)徑煙溫度－>浮力煙氣抬升85§3污染物濃度的估算一.煙氣抬升高度的計算

一.煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式

1.Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加10％～20％）

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下86一.煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式Holland公式一、煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）2.Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

87一、煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）23一、煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）3.我國“制訂地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法”(GB/T13201-91)中的公式

88一、煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）24

二、擴散參數(shù)的確定1、P－G曲線法P－G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表89二、擴散參數(shù)的確定1、P－G曲線法251.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別901.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用261.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用利用擴散曲線確定和911.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用271.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用地面最大濃度估算921.擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用282.擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法改進的P－T法

太陽高度角

（式4-29，地理緯度，傾角）

輻射等級穩(wěn)定度云量（加地面風(fēng)速）

932.擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法太陽2.擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時間0.5h，按表4-8查算）平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至B級，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)取樣時間大于0.5h，不變，942.擴散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取30§4特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)）

封閉型擴散模式相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和

n為反射次數(shù)，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像95§4特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣

一、封閉型擴散模式計算簡化：96一、封閉型擴散模式計算簡化：32

二、熏煙型擴散模式假設(shè)：

D

換成hf（垂向均勻分布）；q只包括進入混合層部分，

則仍可用上面公式

97二、熏煙型擴散模式假設(shè)：D換成hf（垂向均勻分布二、熏煙型擴散模式98二、熏煙型擴散模式34

§5城市及山區(qū)擴散模式一、城市大氣擴散模式1.線源擴散模式99§5城市及山區(qū)擴散模式一、城市大氣擴散模式35

一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h100一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式36

一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）簡化為點源的面源擴散模式（續(xù)）形心上風(fēng)向距x0處有一虛擬點源，其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等

煙流寬度：中心線到濃度為中心處距離的兩倍

（正態(tài)分布：）

確定、之后即可按點源計算面源濃度101一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）

一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）窄煙流模式某點的污染物濃度主要取決于上風(fēng)向面單元的源強，上風(fēng)向兩側(cè)單元對其影響很小某點的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定102一、城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）383.常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式單箱模式多箱模式——如目前用于我國城市空氣污染指數(shù)預(yù)報的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化學(xué)模式如EPA推薦的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式線源模式如CALINE模式，用于計算公路的污染物排放1033.常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式39

城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)ISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel104城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式Photochem

城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM105城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式Euleri

城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－One

Atmosphere的概念A(yù)irToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH

--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere106城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Model第三代模式（Models－3）107第三代模式（Models－3）43二、山區(qū)擴散模式山區(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ERT模式高斯模式，只對有效源高進行修正NOAA和EPA模式NOAA－以高斯模式為基礎(chǔ)，對有效源高進行修正EPA－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108二、山區(qū)擴散模式山區(qū)流場由于受到復(fù)雜地形的熱力和動力因子影響§6煙囪高度的設(shè)計

煙囪不單是一排氣裝置，也是控制空氣污染、保護環(huán)境的重要設(shè)備。煙囪高度、出口直徑、噴出速度等工藝參數(shù)應(yīng)滿足減少對地面污染的需要。增加煙囪高度可以減輕污染源對局部地區(qū)的污染，大體上C地面∝1/H2，但超過一定高度后再增加高度，對地面濃度的影響甚微，而煙囪的造價卻隨高度增加而急劇增大（煙囪的造價∝H2），所以并不是煙囪愈高愈好。設(shè)計煙囪高度的基本原則是既要保證排放物造成的地面最大濃度或地面絕對最大濃度不超過國家大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又應(yīng)做到投資最省。一、煙囪高度計算煙囪高度的計算分為：①精確計算法；②簡化計算法。煙囪高度一般按錐型擴散正態(tài)分布模式導(dǎo)出的簡化公式計算，據(jù)對地面濃度要求不同，有兩種計算法方法：（一）保證地面最大濃度不超過允許濃度的計算方法；（二）保證地面絕對最大濃度不超過允許濃度的計算方法。1.按地面最大濃度的計算方法以地面最大濃度不超過規(guī)定為依據(jù)，保證地面最大濃度不超過允許濃度的計算公式109§6煙囪高度的設(shè)計4511046

一、煙囪高度的計算2.按地面絕對最大濃度計算111一、煙囪高度的計算2.按地面絕對最大濃度計算473.根據(jù)一定保證率計算煙囪高度∵由地面最大濃度計算法→HS較矮，當(dāng)u＜ū時，地面濃度超標(biāo)；由地面絕對最大濃度計算法→HS較高，無論u多大，地面濃度不超標(biāo)，但煙囪造價高?！嘣诖_定保證率后，ū、穩(wěn)定度取一定值后代入上述公式，可得某一保證率的氣象條件下的煙囪高度，較前面較合理。4.根據(jù)點源煙塵允許排放率設(shè)計（P值法計算煙囪高度）根據(jù)“指定大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法”GB/T13201-91中規(guī)定的點源煙塵允許排放率計算式：式中：Qe－煙塵允許排放速率，t/h；Pe－煙塵排放控制系數(shù)，t/(h·m2)；H－有效源高，m。由此得煙囪高度為：1123.根據(jù)一定保證率計算煙囪高度48

二、煙囪設(shè)計中的若干問題1.分析擬建廠地區(qū)可能產(chǎn)生的煙型及頻率，正確選用煙囪高度計算公式。煙型不同產(chǎn)生的地面最大濃度不同，煙囪高度的計算公式不同，因此確定煙型很重要。常用兩種方法：1）選用最不利的煙型相應(yīng)的煙囪高度計算公式；2）選擇保證一定的地面最大濃度出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間的煙型及相應(yīng)的煙囪高度計算公式。①波型:發(fā)生在天氣晴朗，風(fēng)速不大，比較緩和的日子里，近距離造成短時間的污染濃度比錐形高。近地層中，低矮煙囪發(fā)熱量小的污染源以此煙型為例，并應(yīng)校核逆溫層情況。②錐型:100m左右的煙囪多發(fā)生此煙型。此煙型發(fā)生在溫度層結(jié)近中性或中等到大風(fēng)的情況，即發(fā)生在多云有風(fēng)的白天或有風(fēng)的夜晚。③平展型和漫煙型:較大的發(fā)電廠以漫煙型為主，夜間多為平展型，日出后一段時間發(fā)生漫煙型。④封閉型:大于200m的較高煙囪以此型為主。觀測發(fā)現(xiàn)：當(dāng)混合層厚度在760—1065m間時，它造成的地面最大濃度可達(dá)錐形的三倍，Cmax可持續(xù)2—4小時，常出現(xiàn)在早晨和中午。113二、煙囪設(shè)計中的若干問題49地面最大濃度與B/H關(guān)系很大，在某一比值以后，污染濃度主要取決于B，煙囪高度只起次要作用。此時靠增加Hs減少污染濃度不經(jīng)濟?？傊?，目前Hs計算以錐形模式為主，對超高型煙囪無成熟可靠的方法。2.抬升公式很多，用何公式應(yīng)按具體情況而定，一般選霍氏公式3.公式中與氣象有關(guān)的參數(shù)取值有兩種方法：①取多年平均值；②取某一保障頻率的值：如已知ū＞3m/s的頻率為80%，取3m/s可保證有80%不超標(biāo)，而地面平均最大濃度可能比規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)更低。上述計算公式實際上會遇到許多問題，必須予以考慮，如上述模式僅適于錐形擴散，實際是變化的，要根據(jù)建廠地區(qū)的氣象條件等來取值。114上述計算公式實際上會遇到許多問題，必須予以考慮，如上述模式僅11551

§3-6廠址選擇

一、選擇廠址所需的氣候資料氣候資料是指氣象資料的常年統(tǒng)計形式。1、風(fēng)向和風(fēng)速氣候資料：為了一目了然，常把風(fēng)資料畫成風(fēng)玫瑰圖。圖a是風(fēng)向玫瑰圖；圖b風(fēng)速玫瑰圖是各個風(fēng)向的平均風(fēng)速絕對值。圖c是風(fēng)速和風(fēng)向頻率復(fù)合圖，該圖矢線長度代表風(fēng)向頻率大小，矢線末端的風(fēng)速羽代表平均風(fēng)速，每一羽可表示0.5或1.0m/s。。風(fēng)向（風(fēng)速）玫瑰圖：在8個或16個方向上給出風(fēng)向（風(fēng)速）的相對頻率或絕對值，用線段表示，連接各端點即成。風(fēng)玫瑰圖可按多年（5-1