第2章 大氣環(huán)境

第二章大氣環(huán)境學習目標（6）第一節(jié)、大氣的結(jié)構和組成第二節(jié)、大氣污染及主要污染物第三節(jié)、幾種典型的大氣污染類型第四節(jié)、污染物在大氣中的遷移與擴散第五節(jié)、大氣污染的綜合防治2014年，全國大氣環(huán)境質(zhì)量狀況如下：全國開展空氣質(zhì)量新標準監(jiān)測的161個地級及以上城市中，有16個城市空氣質(zhì)量年均值達標，145個城市空氣質(zhì)量超標。全國有470個城市（區(qū)、縣）開展了降水監(jiān)測，酸雨城市比例為29.8%，酸雨頻率平均為17.4%。主要內(nèi)容1.熟悉大氣的垂直分層（五層）以及每層的特點。2.掌握干潔空氣的概念。3.了解大氣的組成。第一節(jié)、大氣的結(jié)構和組成一、大氣的結(jié)構對流層（高緯0-9公里、中緯0-12公里、低緯0-18公里）平流層（上界50-55公里）中間層（上界85公里）暖層（上界800公里）散逸層（上界2000多公里）1、對流層①厚度：下界－地面上界因緯度和季節(jié)而異，其平均厚度一般是低緯17-18公里，中緯10-12公里，高緯8-9公里，冬季厚度小，夏季厚度大（季節(jié)變化中緯度地區(qū)最明顯）。②特點：氣溫隨高度增加而降低；空氣具有強烈的對流運動。存在著極其復雜的氣象條件,形成云、霧、雨、雪、雹、霜、露等一系列天氣現(xiàn)象。

大氣邊界層：在對流層下部靠近下墊面的1.2~1.5公里范圍內(nèi)的薄層大氣。由于貼近地面，空氣運動受到地面摩擦作用影響，又稱摩擦層。2、平流層厚度：對流層頂－50公里特點：平流層內(nèi)的空氣主要作水平運動，對流十分微弱，幾乎沒有水蒸氣和塵埃，所以大氣透明度好，極少狂風暴雨等現(xiàn)象，是超音速飛機飛行的理想場所。h↑，T↑；污染物停留時間長。大氣污染物進入平流層后，一般難以消除，會較長時間地存在。

3、中間層氣溫隨高度的增加而迅速降低；再次出現(xiàn)較強的垂直對流運動。4、熱成層（電離層）帶電粒子密度較高；氣溫隨高度的增加而增加。電離層能反射無線電波，對全球的無線電通訊具有重大意義。5、散逸層氣溫隨高度增加而升高；大氣極為稀??；分子運動速度快。二、大氣的組成1、N2、O2等氣體3、冰晶和固體微粒（如塵埃、花粉）2、水滴（如云滴、霧滴）沒有水汽和雜質(zhì)的空氣稱為干潔空氣二氧化碳：來源：呼吸作用，有機體的燃燒與分解?，F(xiàn)狀：在大氣中的含量有增加的趨勢。影響：強烈吸收地面的長波輻射，引起溫室效應的加劇。臭氧：來源：高空通過光化作用，低空通過閃電或有機物氧化及高空傳輸。作用：能大量吸收太陽紫外線，使地面生物免受過量紫外線的灼傷。分布：自然大氣中含量很少。隨高度分布不均勻，也隨緯度和時間而異。水汽：來源：海洋和地面蒸發(fā)與植物蒸騰。分布：隨時間、地點變化很大。在鉛直方向，一般隨高度增加而減少。影響：形成云、霧、雨、雪等大氣現(xiàn)象。對生物的生長和發(fā)育有重要影響。微粒：種類：固體微粒與液體微粒。影響：影響太陽輻射傳輸，使能見度變低，有的能起凝結(jié)核的作用。主要內(nèi)容1.熟悉大氣污染、大氣污染物和大氣污染源的概念。2.了解主要大氣污染物的危害。第二節(jié)、大氣污染及主要污染物

一、大氣污染 按照國際標準化組織(ISO)作出的定義:大氣污染通常是指由于人類活動和自然過程引起某種物質(zhì)進入大氣中,呈現(xiàn)出足夠的濃度,達到了足夠的時間并因此而危害了人體的舒適、健康和福利或危害了環(huán)境的現(xiàn)象.

大氣污染的發(fā)生：人類活動產(chǎn)生的污染物的量超過大氣的自凈能力。第二節(jié)、大氣污染和污染物二、大氣污染源及其分類污染源天然源：自然界自行向大氣環(huán)境排放污染物的污染源。人為源：人類的生產(chǎn)活動和生活活動所形成的污染源?；鹕嚼纂娫斐傻纳执蠡鹑济浩嚳照{(diào)由于自然環(huán)境所具有的自凈作用，使天然源造成的大氣污染，經(jīng)過一定時間后會得到恢復。所以大氣污染主要是指人類活動造成的。按污染源的存在形式分為固定源、移動源按污染物的排放方式分為點源、線源、面源按污染源距地面的距離分為高架源、地面源按污染物排放時間分為連續(xù)源、間斷源、瞬時源按污染發(fā)生類型分為工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源、生活污染源、交通污染源人為源2.大氣污染物的產(chǎn)生1、燃料燃燒4、交通運輸3、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程2、工業(yè)生產(chǎn)過程1、按形成過程分為一次污染物和二次污染物進入大氣的一次污染物之間或與正常大氣組分發(fā)生反應，以及在太陽輻射下引起光化學反應而產(chǎn)生的新的污染物，它常比一次污染物對環(huán)境和人體的危害更為嚴重。三、大氣污染物及其分類直接由污染源排放的污染物概念：由于人類活動或自然過程排入大氣，并對人和環(huán)境產(chǎn)生有害影響的物質(zhì)。3、按物理狀態(tài)，分為氣溶膠污染物和氣態(tài)污染物常表示為總懸浮微粒物（TSP）、飄塵和降塵。主要有一次污染物：SO2、H2S

、NO、NH3

、CO、CO2

、HF、HCl

、C1—C12化合物。二次污染物：SO3、H2SO4、MSO4

、NO2、MNO3

、醛類、酮類、酸類。

①降塵：一般指粒徑＞10μm的粉塵。②飄塵：指的是粒徑小于10μm的煙氣、煤煙及霧在內(nèi)的顆粒狀物質(zhì)。③總懸浮顆粒物（TSP）:飄浮在空氣中各種不同粒徑的液體或固體微粒的總量。世界衛(wèi)生組織2005年最新出版的《空氣質(zhì)量準則》尤其是對大氣中可吸入顆粒物的濃度限值制定了嚴格的標準。WHO規(guī)定PM2.5年平均濃度為10微克/立方米（μg/m3），24小時平均濃度為25μg/m3。一般而言，粒徑2.5微米至10微米的粗顆粒物主要來自道路揚塵等；2.5微米以下的細顆粒物（PM2.5）則主要來自化石燃料的燃燒（如機動車尾氣、燃煤）、揮發(fā)性有機物等。事實上在中國大部分，特別是工業(yè)集中的華北地區(qū)，PM2.5占到了整個空氣懸浮顆粒物重量的大半2012年2月29日，國務院總理溫家寶昨日主持召開國務院常務會議，同意發(fā)布新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》。新標準增加了細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）8小時濃度限值監(jiān)測指標。這是中國首次將PM2.5納入空氣質(zhì)量標準，也是首次由國務院通過的環(huán)境空氣質(zhì)量標準。（一）分期實施新標準的時間要求2012年，京津冀、長三角、珠三角等重點區(qū)域以及直轄市和省會城市；2013年，113個環(huán)境保護重點城市和國家環(huán)保模范城市；2015年，所有地級以上城市；2016年1月1日，全國實施新標準。1.大氣顆粒物危害四、幾種主要大氣污染物的性質(zhì)及危害2.含硫化合物：無機硫絕大部分以硫化礦物的形式存在，在燃燒時生成SO2.

有機硫包括硫醇、硫醚等，在燃燒中先形成H2S,如硫醇的燃燒產(chǎn)物：最終形成硫酸和硫酸鹽硫酸煙霧和酸性降水的元兇SO2是大氣中分布最廣，影響最大的污染物質(zhì)。常用它作為大氣污染的指標。四、幾種主要大氣污染物的性質(zhì)及危害3.一氧化碳碳的氧化物在大氣中主要包括CO2和CO。CO由自然和人為因素形成，自然因素是包括甲烷的轉(zhuǎn)化、海水中CO的揮發(fā)、植物排放物的轉(zhuǎn)化、植物葉綠素的光解、森林火災和農(nóng)業(yè)廢棄物焚燒等。人為因素由于含碳物質(zhì)的不完全燃燒，主要來源于燃料的燃燒和加工、汽車排氣等。CO2是一種無毒的氣體，能引起全球環(huán)境的演變。由天然因素和人為因素引起，天然源主要包括海洋脫氣、甲烷轉(zhuǎn)化、動植物呼吸等。人為源主要是礦物燃料的燃燒。4.氮氧化物來源：自然源（氨的氧化、閃電的形成物等）和人為源（燃料燃燒）。最終歸宿：形成硝酸和硝酸鹽

空燃比化學計量混合物化學計量空燃比5.光化學氧化劑 是由排入大氣中的汽車尾氣及礦物燃燒廢氣中的Nox和碳氫化合物，受太陽紫外線的作用下，發(fā)生一系列反應而生成的各種復雜的化合物。主要含有O3、PAN、醛類、酮類等。6.有毒重金屬微粒鉛及鉛化合物汞及汞化合物鎘及鎘化合物鉻及其它金屬化合物氟氟化氫7.氟和氟的傾倒物一、煤煙型污染主要污染源是燃煤。主要污染物是SO2、CO和微粒物質(zhì)，它們遇上低溫、高濕的陰天，且風速很小并伴有逆溫存在的情況時，一次污染物擴散受阻，易在低空聚積，生成煤煙型煙霧。倫敦煙霧事件第三節(jié)幾種典型的大氣污染類型二、交通型污染源主要是機動車和機動船。主要污染物是NOx、CO、HC化合物、O3、醛類、PAN等。在相對濕度較低的夏季晴天，交通污染嚴重的地區(qū)可能會出現(xiàn)典型的二次污染——光化學煙霧。它對人體、動植物、材料均會產(chǎn)生破壞作用，并且嚴重影響大氣能見度。洛杉磯光化學煙霧光化學煙霧及形成條件光化學煙霧是在一定的條件下（如強日光、低風速和低濕度等），氮氧化物和碳氫化合物發(fā)生化學轉(zhuǎn)化形成的高氧化性的混合氣團。(1)污染源條件光化學煙霧形成和大氣中NO2、CO、碳氫化合物等污染物存在分不開，所以，在以石油為動力燃料的工廠、汽車排氣等污染源的存在是光化學煙霧形成的前提條件。(2)地理條件緯度的高低，季節(jié)變化，天氣變化都影響光化學煙霧的形成。光化學煙霧的形成及危害光化學反應主要有三個過程：（1）臭氧生成；（2）碳氫化合物氧化，自由基OH基等形成；（3）過氧乙酰基硝酸酯系列（PAN）的生成（1）臭氧生成

光化學煙霧的形成過程，是從二氧化氮起動的，首先將N-O鍵斷裂，新生成氧原子，其反應式是：

NO2

＋hv→NO＋[O]O2＋[O]→O3O3＋NO→NO2

＋O2這樣使上述一系列反應形成“封閉”循環(huán)。（2）自由基OH基等形成

自由基形成是光化學反應中的重要過程。它的形成過程中，一氧化碳、氮氧化物、碳氫化合物都有重要作用。亞硝酸是由氮氧化物相互作用而成：

NO＋NO2＋H2O→2HNO2HNO2NO＋OHCO與羥基自由基反應，引起系列反應：

CO＋OH→CO2＋HH＋O2→HO2HO2＋NOOH＋NO2HO2＋HO2H2O2＋O2H2O22OHhvhv（3）過氧乙?；跛狨ハ盗校≒AN）的生成主要內(nèi)容1.掌握影響大氣污染物擴散的因素；2.掌握氣溫垂直遞減率、干絕熱遞減率和逆溫的概念；3.掌握城市熱島效應的概念及成因第四節(jié)污染物在大氣中的遷移與擴散影響一個區(qū)域大氣污染程度的因素:內(nèi)因:污染物源參數(shù)外因:氣象條件氣象動力學因子：風、大氣湍流氣象熱力學因子:逆溫、大氣穩(wěn)定度下墊面狀況地形地物的影響山谷風海陸風城市熱島效應一、氣象因素1.風和湍流（1）風風對空氣污染的影響包括風向和風速的大小兩個方面。風向影響著污染物的擴散方向。污染物總是分布在污染源的下風向。風速的大小決定著污染物的擴散和稀釋狀況。通常污染物在大氣中的濃度與平均風速成反比。從污染系數(shù)考慮，則應設在西北方向。在考慮風向和風速聯(lián)合作用時對污染物擴散的影響，常引入污染系數(shù)的概念風頻低，風速高，污染系數(shù)小，意指空氣污染程度輕。習題:下列有關“污染系數(shù)”、“風速”和“風向頻率”等的敘述中，哪項是錯的?

A.污染系數(shù)=風向頻率（%）/平均風速（米/秒）

B.一般應將排放有害物質(zhì)的工業(yè)企業(yè)或裝置，布置在主導風向的下風側(cè)(當主導風向明顯時)

C.一般應將排放有害物質(zhì)的工業(yè)企業(yè)或裝置，布置在最大風速側(cè)(當主導風向不明顯時)

D.一般應將排放有害物質(zhì)的工業(yè)企業(yè)或裝置，布置在污染系數(shù)最大方位側(cè)(當風向頻率較明顯時)

您的答案：

（2）湍流大氣湍流：大氣的無規(guī)則、三維小尺度的運動。風和湍流是決定污染物在大氣中擴散稀釋的最直接最本質(zhì)的因素。2.溫度層結(jié)

氣溫垂直遞減率

：氣溫在單位高度上遞減的數(shù)量。

干絕熱遞減率d

：干空氣或未飽和的濕空氣在絕熱上升或下降的過程中，垂直距離每改變100米，其本身溫度約降低或升高1℃。大氣穩(wěn)定度 大氣穩(wěn)定度是指在垂直方向上大氣穩(wěn)定的程度，即是否易于發(fā)生對流。根據(jù)牛頓第二定律和準靜力條件和理想氣體狀態(tài)方程得

(-d

)符號決定了氣塊加速度與其位移的方向是否一致，也就決定了大氣是否穩(wěn)定。穩(wěn)定條件常出現(xiàn)在晴天日落后至翌日日出前；中性常出現(xiàn)在陰天和大風時；不穩(wěn)定條件常出現(xiàn)在晴天中午。

15℃

1000米20℃

20℃

10℃

大氣穩(wěn)定

5℃

1000米20℃

20℃

10℃

大氣不穩(wěn)定10℃

1000米20℃

20℃

10℃

大氣中性r＜rd時,煙氣對于大氣層來說是穩(wěn)定的;r＞rd時,煙氣對于大氣層來說是不穩(wěn)定的;r＝rd時，煙氣對于大氣層來說處于中性.不同溫度層結(jié)下的煙型2、山谷風二、下墊面因素2、海陸風3、城市熱島環(huán)流（1）城市熱島效應是指城市地區(qū)比周圍農(nóng)村溫度高的現(xiàn)象。（2）產(chǎn)生城市熱島現(xiàn)象的主要原因：生產(chǎn)、生活燃料放出的能量；城市相當大的面積被建筑物和路面所覆蓋，蒸發(fā)比原野少得多；城市夜間因污染物大量存在，它們對地面長波輻射吸收和反射很強，也使城市氣溫升高。三.影響大氣污染的其他因素地面軸濃度距離地面源地面軸濃度距離高架源1.污染源的排放方式2.污染物的性質(zhì)和成分四.大氣污染物的擴散模式在大氣環(huán)境影響評價的實際工作中，大氣擴散計算通常以高斯大氣擴散公式為主。高斯模式是一類簡單實用的大氣擴散模式。在均勻、定常的湍流大氣中污染物濃度滿足正態(tài)分布，由此可導出一系列高斯型擴散公式。 右手坐標系（食指—x軸；中指—y軸；拇指—z軸），原點：為無界點源或地面源的排放點，或者高架源排放點在地面上的投影點；x為主風向；y為橫風向；z為垂直向1.建立坐標系高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系2.高斯模式的四點假設

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

（二）無界空間連續(xù)點源擴散模式ū—平均風速，m/s；q—源強，g/s；σy—側(cè)向擴散參數(shù)，污染物在y方向分布的標準偏差，m；σz—豎向擴散參數(shù)，污染物在z方向分布的標準偏差，m；3.高架連續(xù)點源煙流擴散公式（三）高架連續(xù)點源擴散模式

高架源須考慮到地面對擴散的影響。根據(jù)假設④可認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——把P點污染物濃度看成為兩部分（實源和像源）作用之和。

建立三個坐標系：1、以實源在地面的投影點為原點；P點坐標為（x，y，z）；2、以實源為原點；3、以像源為原點。（1）實源貢獻：P點在以實源為原點的坐標系中的垂直坐標為（z-H）。不考慮地面的影響，實源在P點形成的污染物濃度為：ρ1（2）像源貢獻：P點在以像源為原點的坐標系中的垂直坐標為（z+H），像源在P點形成的污染物濃度為：ρ2ρ（x,y,z,H）高架連續(xù)點源擴散模式高架連續(xù)點源擴散模式

上式變?yōu)椋毫瞀选?0例題：

一工廠在源高H=30m處以20g/s的速度排放SO2，風速為3m/s，在下風向距離1000m處，擴散系數(shù)分別取σy=30m，σz=20m。計算煙流中心線上SO2的濃度；中心線以左60m、以下20m處SO2的濃度。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)無界空間連續(xù)點源擴散模式高架連續(xù)點源擴散模式第三節(jié)污染物濃度的估算q

源強計算或?qū)崪y

平均風速多年的風速資料

H

有效煙囪高度

、擴散參數(shù)煙云抬升的原因有兩個：①是煙囪出口處的煙流具有一初始動量（使它們繼續(xù)垂直上升）；②是因煙流溫度高于環(huán)境溫度產(chǎn)生的靜浮力。這兩種動力引起的煙氣浮力運動稱煙云抬升，煙云抬升有利于降低地面的污染物濃度。1.煙氣抬升高度的計算

初始動量：速度、內(nèi)徑浮力：煙溫度煙氣抬升煙氣抬升高度的計算（1）

Holland公式：當大氣穩(wěn)定度為中性，計算煙氣抬升高度時，經(jīng)常使用霍蘭徳公式：

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下。在實際計算中，不穩(wěn)定條件(A、B穩(wěn)定度)，ΔH需增加10％～20％；穩(wěn)定條件(D、E、F穩(wěn)定度)，ΔH需減少10％～20％。

kW抬升高度計算式

（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件不穩(wěn)定或中性大氣下，布里格斯公式用來確定不同的熱釋放率和下風向距離條件下的煙氣抬升高度：（3）我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術方法”(GB/T13201-91)中的公式——在沒有特別要求時，應優(yōu)先使用國家標準規(guī)定的方法。

例：某市遠郊區(qū)電廠煙囪高160m，煙囪排出口內(nèi)徑5m，排煙速度12m/s。煙氣溫度135℃，周圍大氣溫度15℃。大氣穩(wěn)定度C級，源高處風速612m/s。試分別用霍蘭德、布里格斯、國家標準公式計算煙氣抬升高度（假設下風向距離x=2km）大氣擴散參數(shù)（σy，σz）的確定P－G曲線法帕斯奎爾在1961年推薦一種僅需要常規(guī)氣象觀測資料就能估算σy，σz的方法，吉福德(Gifford)進一步將它制成應用更方便的圖表。應用觀測到的風速、云量、云狀和日照等天氣資料，將大氣擴散稀釋能力分為6個等級：A—極不穩(wěn)定，B—不穩(wěn)定，C—弱不穩(wěn)定，D—中性，E—弱穩(wěn)定，F(xiàn)—穩(wěn)定。若穩(wěn)定級別為A～B，則表示按A、B級的數(shù)據(jù)內(nèi)插。該法的要點：首先根據(jù)帕斯奎爾劃分大氣穩(wěn)定度的方法來確定大氣穩(wěn)定度級別；然后從圖4-4和圖4-5中查得（或表4-4用內(nèi)插法求出）對應的擴散參數(shù)σy和σz；最后將σy、σz代入前面介紹的一系列擴散模式中，就可估計出各種情況下的濃度值。擴散參數(shù)是表征湍流擴散劇烈程度的物理量，是影響污染物濃度的重要參數(shù)。擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用利用擴散曲線確定和擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用地面最大濃度估算擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法我國在修訂P-T法基礎上產(chǎn)生了國家標準法(GB/T13201-91)。太陽高度角

（式4-29，地理緯度，傾角）

輻射等級穩(wěn)定度云量（加地面風速）

該方法的技術路線是：根據(jù)時間、地理位置確定日傾角、太陽高度角，利用天氣條件確定輻射等級，然后利用輻射等級和風速確定大氣穩(wěn)定度，最后查擴散參數(shù)冪函數(shù)表，確定擴散參數(shù)。擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的表達式為（取樣時間0.5h，按表4-8查算）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，例：某冶煉廠煙囪高150m，煙氣抬升高度75m，SO2排放量1000g