大氣污染擴(kuò)散

關(guān)于大氣污染擴(kuò)散第一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第一節(jié)大氣污染擴(kuò)散過(guò)程

邊界層大氣是由大小不同的湍渦構(gòu)成的，每個(gè)湍渦都有一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向。一個(gè)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(yùn)動(dòng)。

大氣中幾乎時(shí)時(shí)處處存在著各種尺度的湍流運(yùn)動(dòng)。在近地面氣流直接受下墊面的影響，湍流運(yùn)動(dòng)尤為劇烈，因此造成氣體各部分之間的強(qiáng)烈混合。此時(shí)只要在流場(chǎng)中存在或出現(xiàn)某種屬性（如動(dòng)量（風(fēng)速）、熱量（溫度）、水汽（濕度）等）的不均勻，就會(huì)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。第二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日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)輸送，使它們逐漸被分散、稀釋，我們稱這樣的過(guò)程為大氣污染擴(kuò)散過(guò)程。下面圖（4－1）表示一個(gè)煙團(tuán)在大小不同的湍渦中的擴(kuò)散情況。第三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日一個(gè)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(dòng)，同時(shí)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(shí)煙團(tuán)濃度不斷地降低。（b）表示一個(gè)比煙團(tuán)大的湍渦對(duì)擴(kuò)散的作用，這時(shí)煙團(tuán)主要被湍渦運(yùn)動(dòng)所挾帶，本身增長(zhǎng)不大。

（c）表示尺度與煙團(tuán)大小相仿的湍流作用。這時(shí)，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(guò)程。第四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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(yùn)規(guī)律，以求最大限度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(wèn)題：①根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，對(duì)工藝設(shè)施的設(shè)計(jì)和布局提出合理建議，預(yù)防可能造成的污染；②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）；③進(jìn)行污染氣象條件的預(yù)報(bào)（污染潛勢(shì)預(yù)報(bào)），防止可能發(fā)生的嚴(yán)重污染事件。第五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

第二節(jié)連續(xù)點(diǎn)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(shí)間決定的。因此，盡管具體的空氣污染問(wèn)題多種多樣，各不相同，但都必須解決一個(gè)基本問(wèn)題，就是要正確推斷各種條件下污染濃度的分布及其隨時(shí)間的變化。第六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日高斯擴(kuò)散模式

一個(gè)連續(xù)點(diǎn)源小尺度（10km）擴(kuò)散模式——高斯擴(kuò)散模式。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。通過(guò)大量的小尺度擴(kuò)散試驗(yàn)，特別是在平原和比較平坦地區(qū)的試驗(yàn)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(lái)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(jì)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。第七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日—、無(wú)界條件下的高斯模式假如排放源處于一個(gè)無(wú)界的、流場(chǎng)均勻的空間。這時(shí)我們以源為坐標(biāo)原點(diǎn)，取x軸指向平均風(fēng)速方向，以垂直于地面的方向?yàn)榇怪毕颍磟軸），則y向稱為橫向。圖（4—2）是連續(xù)高架點(diǎn)源無(wú)界（a）與有界（b）坐標(biāo)示意圖。第八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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(diǎn)（x，y，z）某一時(shí)段的平均濃度，A（x）表示煙流中心軸線濃度。當(dāng)y＝Z＝O時(shí)，則有下式：

C（x，0，0）=A（x）式中σy和σz分別表示此段時(shí)間內(nèi)橫向和垂直向濃度分布的標(biāo)準(zhǔn)差，即這兩個(gè)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(wú)界條件下的高斯模式第九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在任意一個(gè)與x軸垂直的煙流截面上取一個(gè)小面元dydz，單位時(shí)間通過(guò)小面元的污染物質(zhì)為CUdydz，根據(jù)連續(xù)性原理，單位時(shí)間通過(guò)整個(gè)截面的污染物應(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：第十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日其中U是常數(shù)，A＝A（x）與y、Z無(wú)關(guān)，最后可得到：把（4．3）代回到（4．1）則可得到無(wú)界空間連續(xù)高架點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散公式：第十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、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(diǎn)，x軸仍指向平均風(fēng)速方向（如圖（4－2）b圖所示）。第十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日這時(shí)空間某一點(diǎn)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(wú)界時(shí)P點(diǎn)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(shí)位置在（0，0，H）的實(shí)源在P點(diǎn)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”在P點(diǎn)造成的濃度之和，如圖（4－3）所示。實(shí)源的貢獻(xiàn)是：第十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日實(shí)源的貢獻(xiàn)是：第十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

虛源的貢獻(xiàn)是：

所以P（x，y，z）點(diǎn)的濃度為：式中C（x，y，Z，H）為有效源高H的源在點(diǎn)P（x，y，z）處造成的濃度（mg／m3），Q為源強(qiáng)（mg／s），U為源高處平均風(fēng)速（m／s），σy，σz分別為橫向、垂直向擴(kuò)散參數(shù)（m）。

第十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日公式（4．5）是估算高架點(diǎn)源濃度分布常用的基本模式。需要說(shuō)明的是模式中的H是指有效源高，有關(guān)有效源高的問(wèn)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，通常可簡(jiǎn)單地取排放面高度處的風(fēng)速。第十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、幾個(gè)常用的大氣擴(kuò)散模式1．高架連續(xù)點(diǎn)源：（a）地面濃度C（x、y、o、H）：

（b）地面軸線濃度C（x、o、o、H）：

第十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日(c）地面最大濃度及出現(xiàn)位置：假設(shè)σz/σy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：第十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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(shí)

則地面最大濃度出現(xiàn)距離為：第十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．地面連續(xù)點(diǎn)源（a）地面濃度C（x,y,0，0）：

（b）地面軸線濃度C（x,0,0，0）：第二十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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：①下墊面開闊、平坦、性質(zhì)均勻。②擴(kuò)散物質(zhì)在擴(kuò)散過(guò)程中不發(fā)生衰減，擴(kuò)散物質(zhì)與空氣沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，地面對(duì)污染物起全反射作用。③平均流場(chǎng)平直、穩(wěn)定，平均風(fēng)向和風(fēng)速無(wú)顯著的時(shí)間變化，平均風(fēng)速通常要大于1～2米／秒。④擴(kuò)散過(guò)程是在同一種溫度層結(jié)的氣層中進(jìn)行的。⑤主要適用于小尺度擴(kuò)散過(guò)程，以不超過(guò)10～20公里為宜。但目前高斯模式的應(yīng)用已實(shí)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。第二十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

第三節(jié)擴(kuò)散參數(shù)的估計(jì)上述高斯擴(kuò)散中，欲計(jì)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)σy和σz。其中Q和U往往是通過(guò)測(cè)量或由工程設(shè)計(jì)給出，于是問(wèn)題歸結(jié)于如何給出有效源高和大氣擴(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)（σy、σz）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(yàn)總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)公式。第二十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日－、P—G擴(kuò)散曲線法

帕斯奎爾（F．Pasquill）在大量觀測(cè)和研究的基礎(chǔ)上，選擇地面風(fēng)速、云高、云量和太陽(yáng)輻射狀況，把大氣的擴(kuò)散稀釋能力分為六個(gè)等級(jí):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(jí)別下的擴(kuò)散參數(shù)σy、σz隨距離x變化的曲線。見圖（4—4）擴(kuò)散曲線。第二十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日根據(jù)常規(guī)氣象觀測(cè)的地面風(fēng)速、云量、云高及太陽(yáng)輻射狀況，利用表（4－1）帕斯奎爾穩(wěn)定度級(jí)別劃分表來(lái)確定大氣擴(kuò)散穩(wěn)定度級(jí)別后，再利用圖（4－4）擴(kuò)散曲線求出不同距離上的σy、σz值，或見（附表一）帕斯圭爾曲線的σy和σz噸值。第二十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、P—G擴(kuò)散曲線的發(fā)展1．特納爾穩(wěn)定度分類法（D.B.Turner）在P—G擴(kuò)散曲線法中，大氣層結(jié)穩(wěn)定度的劃分雖然簡(jiǎn)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(guó)著名氣象學(xué)家Turner于1964年提出根據(jù)太陽(yáng)高度角和云高、云量確定輻射等級(jí)，然后參照地面風(fēng)速劃分隱定度的方法。其過(guò)程如下：第二十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日①首先計(jì)算太陽(yáng)高度角h0

h0＝arcsin［sinφsinδ+cosφcosδcos（15t+λ—300）］式中φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?；δ為太?yáng)傾角（也稱赤緯），可查附表二得到；

t為觀測(cè)時(shí)的地方時(shí)。λ為當(dāng)?shù)亟?jīng)度。②太陽(yáng)高度角確定后，參照云量、云高利用下面表（4－2）確定太陽(yáng)輻射等級(jí)。③根據(jù)太陽(yáng)輻射等級(jí)和風(fēng)速，利用下面表（4—3）確定大氣層結(jié)穩(wěn)定度級(jí)別。第二十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日⒉GB3840－83法

我國(guó)國(guó)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(hào)GB3840—83）中，為了便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，擴(kuò)散參數(shù)曲線用冪函數(shù)形式表示為：式中α1、α2，r1、r2是大氣層結(jié)穩(wěn)定度函數(shù)。對(duì)應(yīng)于30分鐘采樣時(shí)間的α1、α2，r1、r2值可查附表三（a）、附表三（b）。第二十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

此標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)大氣擴(kuò)散穩(wěn)定度級(jí)別的劃分采用特納爾法（Turner），同時(shí)還考慮下墊面狀況對(duì)擴(kuò)散的影響，作了如下規(guī)定：①平原地區(qū)的農(nóng)村及城市遠(yuǎn)郊區(qū)：A、B、C級(jí)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(jí)穩(wěn)定度則需要向不穩(wěn)定方向提半級(jí)后查算。②工業(yè)區(qū)的城區(qū)：A、B級(jí)不提，C級(jí)提到B級(jí)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級(jí)半，再按附表二（a）、（b）查算。非工業(yè)區(qū)的城區(qū)：A、B級(jí)不提，C級(jí)提到B—C級(jí)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級(jí)后查算。③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)。第三十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日練習(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(wèn)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200μg/m3，試計(jì)算每小時(shí)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(jì)某平原城市遠(yuǎn)郊區(qū)燃燒的垃圾以每秒3克的速度向四周排放氫氧化物為主的的污染物。當(dāng)時(shí)氣象狀況為：風(fēng)速7m/s，夜間、陰天。請(qǐng)問(wèn)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？第三十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日5、據(jù)估計(jì)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SO280g/s.。當(dāng)時(shí)氣象狀況為：風(fēng)速6m/S,冬季、陰天、清晨八點(diǎn)。請(qǐng)問(wèn)距離此精煉廠下風(fēng)向500m處地面濃度是多少？第三十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四節(jié)連續(xù)線源、面源擴(kuò)散模式－、連續(xù)線源擴(kuò)散模式

處理汽車尾氣擴(kuò)散問(wèn)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)散模式體系，其濃度場(chǎng)是組成線源的所有點(diǎn)源濃度貢獻(xiàn)之和，等于點(diǎn)源濃度公式沿著線源長(zhǎng)度上的積分。對(duì)直線型的點(diǎn)源，可直接求出積分，得到計(jì)算線源濃度場(chǎng)的解析式；當(dāng)線源形狀很不規(guī)則時(shí)，只能用數(shù)值求和的方法解決。第三十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

（—）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(diǎn)通過(guò)線源的中心，源長(zhǎng)為2y。源強(qiáng)Q1，在線源上取dy→0，那么dy在下風(fēng)向濃度分布dc可用連續(xù)點(diǎn)源的高斯模式估算：第三十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日此線源造成的下風(fēng)向濃度分布是所有點(diǎn)源濃度貢獻(xiàn)之和，等于上式在線源長(zhǎng)度上的積分：第三十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）風(fēng)向與線源平行

仍取x軸與平均風(fēng)向平行，這時(shí)，線源作為地面源的x軸上，設(shè)線源源長(zhǎng)2x0，坐標(biāo)原點(diǎn)與線源中心一致，線源源強(qiáng)為QL，在線源上取dx→0，dx在下風(fēng)向的濃度分布為：第三十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日那么該線源在下風(fēng)向的濃度分布為當(dāng)X0→∞時(shí)γ——離源距離可見其濃度分布與順風(fēng)向位置無(wú)關(guān)。第三十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

（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φ＝（φ＜90°），可用簡(jiǎn)單的內(nèi)插方法估算。

C（φ）＝C（垂直）Sin2φ＋C（平行）cos2φ（4．16）這里介紹的線源模式屬于高斯擴(kuò)散模式體系，運(yùn)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(huì)產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)，上述線源模式不能用來(lái)計(jì)算街面和街道兩側(cè)濃度分布，必須發(fā)展適當(dāng)?shù)淖幽Ｊ絹?lái)模擬城市街道和建筑物對(duì)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(duì)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?duì)近距離估計(jì)過(guò)高。第三十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、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(wàn)戶生活中的燃燒排放源，這些源的特點(diǎn)是分布廣而數(shù)量多，單個(gè)源源強(qiáng)不大，排放高度不高。在研究城市大氣污染問(wèn)題時(shí)，常把它們歸納為面源來(lái)處理。第四十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（一）“箱”模式

這是流行的一種氣箱模式。其出發(fā)點(diǎn)是把污染物遷移變化的空間看成是一個(gè)或一些“氣箱”，研究的是箱內(nèi)平均濃度隨時(shí)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，我們根據(jù)箱模式的基本出發(fā)點(diǎn)，作最簡(jiǎn)單的考慮，把整個(gè)城市作為一個(gè)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(shí)間內(nèi)箱內(nèi)污染物變化的量應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)污染物排放量與單位時(shí)間內(nèi)平流輸出量之差。設(shè)城市順風(fēng)邊長(zhǎng)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：第四十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日當(dāng)t→∞時(shí)，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。第四十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

城市內(nèi)汽車尾氣擴(kuò)散也可以用簡(jiǎn)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(guò)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(shí)：第四十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）當(dāng)風(fēng)與街道垂直時(shí)：式中C——高度h以下整個(gè)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(zhǎng)度；