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(kuò)散模式第四章大氣污染物擴(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)7.廠址的選擇擴(kuò)散的要素風(fēng)：平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大湍流：擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)風(fēng)速的脈動(dòng)風(fēng)向的擺動(dòng)起因與兩種形式

熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機(jī)械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度第一節(jié)湍流擴(kuò)散的基本理論湍流擴(kuò)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(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率與負(fù)濃度梯度成正比，用分子擴(kuò)散方程描述。湍流統(tǒng)計(jì)理論泰勒－統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，正態(tài)分布薩頓實(shí)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(kuò)散:xy微粒平均風(fēng)第四章大氣污染物擴(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)7.廠址的選擇坐標(biāo)系

右手坐標(biāo)，x為平均風(fēng)向，z為垂直方向四點(diǎn)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(fēng)速均勻穩(wěn)定c．源強(qiáng)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)化和沉降）第二節(jié)高斯擴(kuò)散模式一、高斯模式的有關(guān)假定高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)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(diǎn)處的污染物濃度，g/m3u

——平均風(fēng)速,m/sq——源強(qiáng)，g/s

σy

，σx——污染物在x、y方向的標(biāo)準(zhǔn)差二、無界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式鏡像全反射---->像源法實(shí)源：像源：二、有界情形連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式（掌握）總貢獻(xiàn)：源強(qiáng)平均風(fēng)速擴(kuò)散參數(shù)有效源高實(shí)源的貢獻(xiàn)像源的貢獻(xiàn)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(diǎn)源地面擴(kuò)散模式

四、高架點(diǎn)源地面軸線擴(kuò)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(diǎn)源擴(kuò)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(huì)在更遠(yuǎn)處出現(xiàn)最大濃度及擴(kuò)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(kuò)散計(jì)算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式六、顆粒物擴(kuò)散模式

第四章大氣污染物擴(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)7.廠址的選擇q源強(qiáng)：計(jì)算或?qū)崪y平均風(fēng)速：多年的風(fēng)速資料

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

終極抬升高度一、煙氣抬升高度的計(jì)算初始動(dòng)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(jì)算Holland公式Briggs公式中國國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的公式

計(jì)算方法：第三節(jié)一、煙氣抬升高度的計(jì)算

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

計(jì)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(shí)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(jì)算保守，相反情況計(jì)算不安全

2、Briggs公式

3、國家標(biāo)準(zhǔn)（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(fēng)速4m/s，大氣溫度20℃，當(dāng)?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(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速為3m/s,年平均溫度為22℃，試求源強(qiáng)Q，煙流抬升高度Δh（注：風(fēng)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(diǎn)大氣分成A-F共六個(gè)穩(wěn)定度等級(云、日照、風(fēng)速……)x~σy曲線（6條）分別對應(yīng)6個(gè)穩(wěn)定度等級應(yīng)用二、擴(kuò)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(yīng)用：太陽高度角云量Turner(1961)引入太陽高度角判定日射強(qiáng)弱的定量辦法，確定穩(wěn)定度級別。日射等級風(fēng)速穩(wěn)定度利用擴(kuò)散曲線確定擴(kuò)散參數(shù)和水平擴(kuò)散參數(shù)垂直擴(kuò)散參數(shù)P－G曲線的應(yīng)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)中的修改應(yīng)用（GB/T13201-91）修正太陽高度角的計(jì)算方法適應(yīng)我國大量地面觀測無云高觀測的情況擴(kuò)散曲線法的完善

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)中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法：大氣穩(wěn)定度的選取

擴(kuò)散參數(shù)的確定－中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法擴(kuò)散參數(shù)的選取擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時(shí)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(shí)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(fēng)速4m/s，試計(jì)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(fēng)速為6m/s，試估算冬季陰天正下風(fēng)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(dāng)煙氣排出的SO2速率為150g/s時(shí)，試計(jì)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(kuò)散參數(shù)的選取方法，城區(qū)中的點(diǎn)源，D級向不穩(wěn)定方向提一級，則應(yīng)為C級。（2）計(jì)算最大著地濃度：由例4-1計(jì)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(shí)的垂直擴(kuò)散參數(shù)：查表4-4或按表4-8中的冪函數(shù)計(jì)算，在C級穩(wěn)定度，=215.6m時(shí)，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(fēng)速為6m/s，試估算冬季陰天正下風(fēng)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(jì)，某燃燒著的垃圾堆以3g/s的速率排放氮氧化物。在風(fēng)速為7m/s的陰天夜里，源的正下風(fēng)方向3km處的平均濃度是多少？假設(shè)這個(gè)垃圾堆是一個(gè)無有效源高的地面點(diǎn)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(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)7.廠址的選擇第四節(jié)

特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式有上部逆溫的擴(kuò)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(kuò)散和重力破碎-----------垂直擴(kuò)散受抑制觀測表明：逆溫層底上下的污染物濃度通常可相差5—10倍，污染物實(shí)際上被限制在地面和逆溫層底之間的混合層內(nèi)，這時(shí)的擴(kuò)散稱為封閉型擴(kuò)散一、封閉型擴(kuò)散計(jì)算

通常發(fā)生在晴天，高壓控制區(qū)域封閉型擴(kuò)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(kuò)散計(jì)算

一、封閉型擴(kuò)散計(jì)算

兩個(gè)反射面一、封閉型擴(kuò)散計(jì)算

相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射實(shí)源和無窮多個(gè)虛源貢獻(xiàn)之和

n為反射次數(shù)，在地面和逆溫面實(shí)源在兩個(gè)鏡子里分別形成n個(gè)像若求地面濃度，則有：若求地面軸線濃度，則有一、封閉型擴(kuò)散計(jì)算

簡化計(jì)算：一、封閉型擴(kuò)散計(jì)算

熏煙型的污染二、熏煙型擴(kuò)散計(jì)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(huì)形成一種特殊的空氣污染物分布形式——熏煙型擴(kuò)散。這是因?yàn)?，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(kuò)散仍受抑；另一方面卻會(huì)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(kuò)散計(jì)算

一般發(fā)生在早上，持續(xù)時(shí)間10-20分鐘范圍小，濃度高熏煙型擴(kuò)散特點(diǎn)：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(dá)煙流上緣時(shí)，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(kuò)散計(jì)算

封閉與熏煙的比較二、熏煙型擴(kuò)散計(jì)算

(1)熏煙型擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散過程持續(xù)時(shí)間很短暫，

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

封閉型擴(kuò)散過程造成的范圍較大，影響相對穩(wěn)定。二、熏煙型擴(kuò)散計(jì)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(jìn)入混合層部分，則仍可用上面公式

二、熏煙型擴(kuò)散計(jì)算

幾個(gè)特殊位置:二、熏煙型擴(kuò)散計(jì)算

第四章大氣污染物擴(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)7.廠址的選擇城市一、線源擴(kuò)散模式

大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個(gè)排放量<0.04t/h城市箱模式簡化為點(diǎn)源的面源模式窄煙流模式一、面源擴(kuò)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(diǎn)源的面源模式z某點(diǎn)的污染物濃度主要取決于上風(fēng)向面單元的源強(qiáng)，上風(fēng)向兩側(cè)單元對其影響很小某點(diǎn)的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強(qiáng)決定窄煙流模式山區(qū)封閉山谷中的擴(kuò)散模式

NOAA和EPA模式

ERT模式封閉山谷中的擴(kuò)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(jìn)行修正

EPA：只是對所有穩(wěn)定度級別都進(jìn)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(jìn)行修正第四章大氣污染物擴(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)7.廠址的選擇煙囪高度的計(jì)算要求：（1）達(dá)到稀釋擴(kuò)散的作用（2）造價(jià)最低，

造價(jià)正比于HS2（3）地面濃度不超標(biāo)

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

（1）按地面最大濃度計(jì)算

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

國標(biāo)GB/T13201-91煙囪設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題:上述計(jì)算公式按錐形高斯模式導(dǎo)出，在逆溫較強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)》（GB3095－1996）的二級標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)煙囪的高度和出口直徑。

方法一：按地面最大濃度計(jì)算煙流抬升高度熱釋放率煙囪出口風(fēng)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(jì)算計(jì)算煙囪幾何高度

《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的二級標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算計(jì)算煙囪出口內(nèi)徑煙囪出口煙氣流速不應(yīng)低于該高度處平均風(fēng)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(yīng)在20~30m/s。取v=20m/s，則有實(shí)際直徑可取為4.0m。方法二：按地面絕對最大濃度計(jì)算計(jì)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(xiǎn)風(fēng)速＝6.97m/s；此時(shí)地面風(fēng)速＝3.36m/s。v取20m/s，大于危險(xiǎn)風(fēng)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(diǎn)源排放控制系數(shù)PP＝βPic0其中β為點(diǎn)源調(diào)整系數(shù)，可取β＝1；Pi為地理區(qū)域性點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)》（GB16297－1996）中規(guī)定的煙囪高度Hs≥130m（按外推法計(jì)算）方法一與方法二計(jì)算結(jié)果可行；方法三計(jì)算結(jié)果不可行。問題一：為何方法一與方法二計(jì)算結(jié)果相近？問題二：方法三計(jì)算結(jié)果為何與方法一、方法二計(jì)算結(jié)果相差很大？問題三：采用方法一和方法二計(jì)算時(shí)c0能采用環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的日平均限值和小時(shí)平均限值嗎？第四章大氣污染物擴(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)7.廠址的選擇

收集氣候資料

風(fēng)向、風(fēng)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(fēng)向、風(fēng)速；溫度層結(jié)；地形第七節(jié)廠址選擇風(fēng)向和風(fēng)速：風(fēng)玫瑰圖大氣穩(wěn)定度混合層厚度的確定一、氣象資料

計(jì)算公式：（考慮風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度的概率組合）按風(fēng)向方位計(jì)算的平均濃度假定：同一扇形內(nèi)下風(fēng)下y