大氣污染控制工程-第四章-大氣污染濃度估算模式

第四章大氣污染物擴散模式第四章大氣污染物擴散模式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.廠址的選擇擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運動風速的脈動風向的擺動起因與兩種形式

熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機械：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度第一節(jié)湍流擴散的基本理論湍流擴散理論:主要闡述湍流與煙流傳播及物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系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，用分子擴散方程描述。湍流統(tǒng)計理論泰勒－統(tǒng)計學方法，正態(tài)分布薩頓實用模式高斯模式

相似理論

粒子濃度分布以x軸為對稱軸，并符合正態(tài)分布。由湍流引起的擴散:xy微粒平均風第四章大氣污染物擴散模式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.廠址的選擇坐標系

右手坐標，x為平均風向，z為垂直方向四點假設(shè)

a．污染物濃度在y、z上分布為正態(tài)分布b．全部空間中風速均勻穩(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)化和沉降）第二節(jié)高斯擴散模式一、高斯模式的有關(guān)假定高斯擴散模式的坐標系高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布c——任一點處的污染物濃度，g/m3u

——平均風速,m/sq——源強，g/s

σy

，σx——污染物在x、y方向的標準差二、無界空間連續(xù)點源擴散模式鏡像全反射---->像源法實源：像源：二、有界情形連續(xù)點源擴散模式（掌握）總貢獻：源強平均風速擴散參數(shù)有效源高實源的貢獻像源的貢獻令z=0，可得高架源的地面濃度令y=0,z=0

可得高架源地面軸線濃度三、高架點源地面擴散模式

四、高架點源地面軸線擴散模式

取H＝0，有界情形是無界情形地面濃度兩倍五、地面點源擴散模式

高斯煙流的濃度分布六、地面最大濃度的估算

3源高和穩(wěn)定度的影響六、地面最大濃度的估算

若穩(wěn)定度不變，增加了H，則會在更遠處出現(xiàn)最大濃度及擴散參數(shù)。六、地面最大濃度的估算

粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式六、顆粒物擴散模式

第四章大氣污染物擴散模式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.廠址的選擇q源強：計算或?qū)崪y平均風速：多年的風速資料

H?σy?σz?第三節(jié)污染物濃度的估算連續(xù)點源的排放模型垂直煙流（無風）水平煙流（有風）一、煙氣抬升高度的計算煙氣排出準垂直形式彎曲并擴大瓦解變平

終極抬升高度一、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？有效源高：HS-----煙囪幾何高度；△H------煙氣抬升高度一、煙氣抬升高度的計算Holland公式Briggs公式中國國家標準中規(guī)定的公式

計算方法：第三節(jié)一、煙氣抬升高度的計算

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

計算結(jié)果明顯低估2－3倍（1）Holland公式（1953）適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

QH:熱釋放率，單位時間，單位質(zhì)量煙氣升高△T度所釋放的熱量，單位cal/s。煙流抬升高度與煙囪高度有關(guān)，煙囪高情況下計算保守，相反情況計算不安全

2、Briggs公式

3、國家標準（GB/T13201-91）

某城市火電廠的煙囪高100m，出口內(nèi)徑5m。出口煙氣流速12.7m/s，溫度140℃，流量250m3/s。煙囪出口處的平均風速4m/s，大氣溫度20℃，當?shù)貧鈮?78.4hPa，試確定煙氣抬升高度及有效源高。例題作業(yè)某排放源年燒煤15萬噸，該煤含硫量為3%，燃燒效率為80%，年生產(chǎn)300天。煙囪高度為30m煙囪出口內(nèi)徑為1.0m煙氣出口速度為5m/s,出口煙氣溫度為122℃。已知當?shù)啬昶骄L速為3m/s,年平均溫度為22℃，試求源強Q，煙流抬升高度Δh（注：風速冪指數(shù)為0.20，抬升公式為其中=1.29kg/m3,=1.004KJ/(kg·k)）

H?

σy?σz?第三節(jié)污染物濃度的估算

P－G曲線法P－G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表方法要點大氣分成A-F共六個穩(wěn)定度等級(云、日照、風速……)x~σy曲線（6條）分別對應6個穩(wěn)定度等級應用二、擴散參數(shù)的確定

根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別

P－G曲線的應用：太陽高度角云量Turner(1961)引入太陽高度角判定日射強弱的定量辦法，確定穩(wěn)定度級別。日射等級風速穩(wěn)定度利用擴散曲線確定擴散參數(shù)和水平擴散參數(shù)垂直擴散參數(shù)P－G曲線的應用地面最大濃度估算H~zxsmaxcx~yxsmaxCw由和w由曲線（圖反查出w由曲線（圖w由式（求出H~zxsmaxcx~yxsmaxCw由和w由曲線（圖4-5）w由曲線（圖4-4）查w由式（ys4-10)（1）不穩(wěn)定類：A、B、C；（2）中性類：D（3）穩(wěn)定類：E、F

ABCDEF強不穩(wěn)定不穩(wěn)定弱不穩(wěn)定中性較穩(wěn)定穩(wěn)定大氣穩(wěn)定度的分類

1.國家標準中的修改應用（GB/T13201-91）修正太陽高度角的計算方法適應我國大量地面觀測無云高觀測的情況擴散曲線法的完善

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)中國國家標準規(guī)定的方法：大氣穩(wěn)定度的選取

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，某城市火電廠的煙囪排放煙流的有效高度為304.9m,，煙氣排放速率為150g/s，煙囪出口處的平均風速4m/s，試計算陰天白天的SO2的最大落地濃度及出現(xiàn)的距離。例題例4-2某石油精煉廠自平均有效源高60m處排放的SO2量為80g/s，有效源高處的平均風速為6m/s，試估算冬季陰天正下風向距離煙囪500m處地面上的SO2濃度。解：在陰天條件下，大氣穩(wěn)定度為D級，由表4-4查得，在x=500m處，=35.3m，=18.1m。代入式（4-9）得：[例4-3]在例4-1的條件下，當煙氣排出的SO2速率為150g/s時，試計算陰天的白天SO2的最大著地濃度及其出現(xiàn)的距離。解：（1）確定大氣穩(wěn)定度：根據(jù)題設(shè)，陰天的白天為D級。根據(jù)擴散參數(shù)的選取方法，城區(qū)中的點源，D級向不穩(wěn)定方向提一級，則應為C級。（2）計算最大著地濃度：由例4-1計算結(jié)果，有效源高H=304.9m，由式（4-11）求得出現(xiàn)最大著地濃度時的垂直擴散參數(shù)：查表4-4或按表4-8中的冪函數(shù)計算，在C級穩(wěn)定度，=215.6m時，由式4-10求得最大著地濃度：3.2某石油精煉廠自平均有效源高60m處排放的SO2質(zhì)量為80g/s，有效源高處的平均風速為6m/s，試估算冬季陰天正下風方向距煙囪500m處地面上的SO2濃度。解：根據(jù)題設(shè)條件，由表4-3查得穩(wěn)定度級別為D，由表4-4查得

σy=35.3mσz=18.1m

C（x,0,0,H）=

=

=2.73×10-5g/m3

=2.73×10-2mg/m33.3據(jù)估計，某燃燒著的垃圾堆以3g/s的速率排放氮氧化物。在風速為7m/s的陰天夜里，源的正下風方向3km處的平均濃度是多少？假設(shè)這個垃圾堆是一個無有效源高的地面點源。

解：根據(jù)題設(shè)條件，

由表4-3查得，穩(wěn)定度級別為D，由表4-4

查得σy=173mσz=79.1m

C（3000,0,0,0）=

=9.97×10-3mg/m3

第四章大氣污染物擴散模式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.廠址的選擇第四節(jié)

特殊氣象條件下的擴散模式有上部逆溫的擴散示意圖邊界層存在高架逆溫層—‘邊界層中的夾卷層’該層湍流交換弱，界面交換只是分子擴散和重力破碎-----------垂直擴散受抑制觀測表明：逆溫層底上下的污染物濃度通?？上嗖?—10倍，污染物實際上被限制在地面和逆溫層底之間的混合層內(nèi)，這時的擴散稱為封閉型擴散一、封閉型擴散計算

通常發(fā)生在晴天，高壓控制區(qū)域封閉型擴散使地面污染物濃度明顯增加尤其對于高架源一、封閉型擴散計算

一、封閉型擴散計算

兩個反射面一、封閉型擴散計算

相當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)，在地面和逆溫面實源在兩個鏡子里分別形成n個像若求地面濃度，則有：若求地面軸線濃度，則有一、封閉型擴散計算

簡化計算：一、封閉型擴散計算

熏煙型的污染二、熏煙型擴散計算

在晴夜，地面輻射冷卻形成自地面向上的逆溫層，其上部仍為遞減狀態(tài)。日出后，地面受太陽照射增溫，夜間形成的輻射逆溫層自下而上逐漸消散破壞，變成不穩(wěn)定層結(jié)。這一溫度垂直分布狀況的轉(zhuǎn)變會形成一種特殊的空氣污染物分布形式——熏煙型擴散。這是因為，一旦逆溫層自下而上消散至一定向度，原先積聚在穩(wěn)定層結(jié)氣層中的空氣污染物，一方面因上方有未消散殆盡的逆溫層而使向上擴散仍受抑；另一方面卻會受熱力湍流交換支配而垂直向下混合到地，形成熏煙形式的散布，在一定范圍明顯增大地面濃度。二、熏煙型擴散計算

一般發(fā)生在早上，持續(xù)時間10-20分鐘范圍小，濃度高熏煙型擴散特點：1：夜間以地面為底，整層處逆溫狀態(tài)2：日出后，逆溫層由地面向上被破壞；3：破壞消散達煙流上緣時，上方仍為逆溫層，下部則已由逆溫變成遞減的不穩(wěn)定狀態(tài)。二、熏煙型擴散計算

封閉與熏煙的比較二、熏煙型擴散計算

(1)熏煙型擴散過程的煙流原先處于穩(wěn)定層結(jié)氣層內(nèi)，然后，污染物由積聚到熏蒸到地；

封閉型擴散過程的煙流原先處于不穩(wěn)定層結(jié)氣層內(nèi)，污染物無積累，對地面濃度影響略輕。(2)熏煙型擴散過程持續(xù)時間很短暫，

封閉型擴散過程往往會持續(xù)相當長的時間。(3)熏煙型擴散過程造成的地面污染物高濃度落地點范圍窄小但離源距離變化很大，受逆溫強度、地面加熱率、平均風速和有效源高等而定；

封閉型擴散過程造成的范圍較大，影響相對穩(wěn)定。二、熏煙型擴散計算

封閉與熏煙的比較假設(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

二、熏煙型擴散計算

幾個特殊位置:二、熏煙型擴散計算

第四章大氣污染物擴散模式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.廠址的選擇城市一、線源擴散模式

大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h城市箱模式簡化為點源的面源模式窄煙流模式一、面源擴散模式

箱模式假定污染物濃度在混合層內(nèi)均勻分布劃分為更小的面源單元簡化為點源的面源模式z某點的污染物濃度主要取決于上風向面單元的源強，上風向兩側(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窄煙流模式山區(qū)封閉山谷中的擴散模式

NOAA和EPA模式

ERT模式封閉山谷中的擴散模式距離污染源一段距離處，橫向均勻分布

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：只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正

ERT模式

以高斯模式為基礎(chǔ)，對有效源高進行修正第四章大氣污染物擴散模式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.廠址的選擇煙囪高度的計算要求：（1）達到稀釋擴散的作用（2）造價最低，

造價正比于HS2（3）地面濃度不超標

第六節(jié)煙囪高度的設(shè)計煙囪高度？按地面最大濃度計算按地面絕對最大濃度計算按一定保證率計算P值法一、面源擴散模式

（1）按地面最大濃度計算

（2）按地面絕對最大濃度計算(4-10)（3）按一定保證率的計算法取上述兩種情況之間一定保證率下的平均風速和擴散參數(shù)（4）P值法

國標GB/T13201-91煙囪設(shè)計中的幾個問題:上述計算公式按錐形高斯模式導出，在逆溫較強的地區(qū)，需要用封閉型或熏煙型模式校核煙氣抬升高度優(yōu)先采用國家標準中的推薦公式煙流下洗、下沉現(xiàn)象，煙囪高度不得低于所從屬建筑物高度的2倍煙囪設(shè)計示例南京市某開發(fā)區(qū)某污染源SO2排放量為80g/s，煙氣流量為265m3/s，煙氣溫度為418K，大氣溫度為293K。這一地區(qū)的SO2本底濃度為0.05mg/m3，設(shè)σz/σy＝0.5，地面平均風速u10＝3m/s，穩(wěn)定度參數(shù)m=0.25，試按《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095－1996）的二級標準來設(shè)計煙囪的高度和出口直徑。

方法一：按地面最大濃度計算煙流抬升高度熱釋放率煙囪出口風速選擇煙氣抬升公式按城市及近郊區(qū)條件，參考表4－2，取n=1.303，n1=1/3，n2=2/3，代入P91（4－22）得

方法一：按地面最大濃度計算計算煙囪幾何高度

《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》的二級標準限值為0.06mg/m3（年均），代入P109（4－62）

采用牛頓切線法迭代：Hs1＝160，Hs2＝182.6，Hs3＝182.7，取Hs＝183m＝方法一：按地面最大濃度計算計算煙囪出口內(nèi)徑煙囪出口煙氣流速不應低于該高度處平均風速的1.5倍，即：v≥1.5×1.687×1830.25=9.31m/s

；但為保證煙氣順利抬升，出口流速應在20~30m/s。取v=20m/s，則有實際直徑可取為4.0m。方法二：按地面絕對最大濃度計算計算煙囪幾何高度代入數(shù)據(jù)，整理得：即Hs≥183.3m，取Hs＝184m危險風速＝6.97m/s；此時地面風速＝3.36m/s。v取20m/s，大于危險風速的1.5倍，則D可取4.0m方法三：P值法最大允許排放率QQ＝80g/s＝288kg/h＝0.288t/h污染物點源排放控制系數(shù)PP＝βPic0其中β為點源調(diào)整系數(shù)，可取β＝1；Pi為地理區(qū)域性點源排放控制系數(shù)，可查表，對于南京總量控制區(qū)域，Pi＝50～75；c0為環(huán)境空氣質(zhì)量標準中的日平均限值，mg/m3。取Pi＝50，c0＝0.15mg/m3P＝1×50×0.15＝7.5t/(h.m2）方法三：P值法計算煙囪幾何高度代入數(shù)據(jù)，即采用牛頓切線法迭代：Hs1＝100，Hs2＝61.5，Hs3＝63.43，Hs4＝63.44，取Hs＝64m結(jié)果分析與討論《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297－1996）中規(guī)定的煙囪高度Hs≥130m（按外推法計算）方法一與方法二計算結(jié)果可行；方法三計算結(jié)果不可行。問題一：為何方法一與方法二計算結(jié)果相近？問題二：方法三計算結(jié)果為何與方法一、方法二計算結(jié)果相差很大？問題三：采用方法一和方法二計算時c0能采用環(huán)境質(zhì)量標準中的日平均限值和小時平均限值嗎？第四章大氣污染物擴散模式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.廠址的選擇

收集氣候資料

風向、風速、氣穩(wěn)定度、混合層高度長期平均濃度的估算廠址選擇

本底濃度；風向、風速；溫度層結(jié)；地形第七節(jié)廠址選擇風向和風速：風玫瑰圖大氣穩(wěn)定度混合層厚度的確定一、氣象資料

計算公式：（考慮風速、風向、大氣穩(wěn)定度的概率組合）按風向方位計算的平均濃度假定：同一扇形內(nèi)下風下y