環(huán)評工業(yè)源（點面和體源）擴散

本文格式為Word版，下載可任意編輯——環(huán)評工業(yè)源（點面和體源）擴散1.1點源擴散模式

1.1.1持續(xù)排放源

1.1.1.1有風(fēng)模式（U10≥1.5m/s）

1.自由空間中的連續(xù)點源

實際上絕大多數(shù)污染源都是連續(xù)的，對于連續(xù)排放源，可理解為在時間上依次連續(xù)釋放無窮多個煙團。因此，連續(xù)排放源的擴散模式可以通過將瞬時單煙團模式對to從—∞到t積分后求得。以煙團初始空間坐標(biāo)為原點，下風(fēng)方為x軸，煙羽軸線與x軸一直保持重合，

?x,?y,?z都是x的函數(shù)，將對to的積分變換為對（x—uT）/σx的積分，可得最基本的煙羽

擴散模式：

??y2????z2??Q?C?x,y,z??exp???2??exp???2?????2?u?y?z????2?z?????2?y???適用條件為：自由空間；風(fēng)速要比較大（u10≥1.5m/s）；當(dāng)大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時，可能帶

來一定的誤差。

2.地面反射

用像源法，假想地平線為一鏡面，在其下方有一與真實源完全對稱的虛源，則這兩個源疊加后的效果和真實源考慮到地面反射的結(jié)果是等價的。以煙囪地面位置的中心點為坐標(biāo)原點，在考慮到地面反射后，污染源下風(fēng)方任一點小于24小時取樣時間的污染物濃度C（x，y，z）由下式給出：

?y2????z?He?2???z?He?2??????exp??C?x,y,z??exp???exp?????2?22?2?u?y?z2?z?2?z????????2?y?????Qz=0時的地面濃度C（x,y,0），可簡化為；

?y2He2?C?x,y,0??exp???22??u?y?z2?2??yz???Q下風(fēng)方X軸線上（y=0）的地面濃度C（x,0,0）為：

?He2??C?x,0,0??exp??2???u?1?2?2?z?Q對于較低的排放源（例如He＜50m，具體限值由地面粗糙度、混合層高度等因素決定），

一般可直接應(yīng)以上式子計算。

3.混合層反射

對于高架源，當(dāng)超過一定的下風(fēng)距離時，需對煙羽在混合層頂?shù)姆瓷溥M行修正。同考慮地面反射類似，用像源法修正后，污染源下風(fēng)方任一點小于24小時取樣時間的污染物濃度

C（x,y,z）可表示為：

??y2??Qc(x,y,z)?exp???2???F

??2?u?y?z???2?y???2???2nh?He?z?2?????2nh?He?z???F???exp???exp?????222?2?n??k????zz????????k式中h——混合層高度；

k——反射次數(shù)，一、二級項目取k=4已足夠。4.側(cè)面反射

詳見狹長山谷擴散模式。

1.1.1.2小風(fēng)靜風(fēng)模式（U10=1.5m/s）的高斯持續(xù)排放點源，并且要求穩(wěn)定度較不穩(wěn)定、

混合層反射可忽略等條件，其計算結(jié)果Xm必需在擴散參數(shù)系數(shù)y1、y2和指數(shù)a1、a2的應(yīng)用范圍之內(nèi)。例如，以1000m范圍內(nèi)的擴散參數(shù)計算系數(shù)和指數(shù)計算得Xm=3000m，則結(jié)果是不可靠的。

由于解析式應(yīng)用范圍有限，應(yīng)用條件較苛刻，實際計算中常用數(shù)值法。借助計算機的快速計算，可使用分段迫近法求最大落地濃度。該原理是：將最大濃度可能的出現(xiàn)范圍，如下風(fēng)向[0，1000000]m，分成10段共11個點位，每點求一濃度，再以最大濃度點位左、右兩點位作為新的計算范圍起、止點，再分10段，如此循環(huán)計算，直到每段長度小于要求的精度（如0.01m）。一般計算幾十次即可得到結(jié)果。這種方法算法很簡單，無須求函數(shù)導(dǎo)數(shù)，同時靈活性極強，由于對每一個點求濃度的時候，可以按調(diào)用任意模式按任意方法計算。因此，這一方法可用于有風(fēng)、小風(fēng)靜風(fēng)、面源體源的點源修正法和非正常排放等所有單源模式

的求最大濃度值。

1.1.4對源強和有效源高的修正

1.1.4.1地形對煙羽的影響

此前的擴散模式都假設(shè)地面是完全平整的（煙囪底部是一個無限大的水平面，其高程為0），因此在擴散過程中煙羽的中心線可保持水平不變。但假使在預(yù)計點（x,y,z）處，地面有一定的高程hT(0z)，則在對（x,y,z）式應(yīng)用以上模式時，應(yīng)對有效煙羽高度進行一些修正。

假定煙羽路徑始終與起伏的地形保持平行，或者假設(shè)煙羽軸線保持固定的海拔高度，并與高于煙羽的地形相交，都是不正確的，實際狀況應(yīng)當(dāng)是介于上述二者之間。具體的修正方法如下。

（1）中性和不穩(wěn)定天氣條件

令：hT為凸出的地形高度；He為煙軸高度（即有效高度）；T為煙軸高度修正系數(shù)（或地形系數(shù)），修正后的煙囪有效高度應(yīng)當(dāng)是THeoT則應(yīng)按下式取值：

T?1/2,當(dāng)He?hT時T?(He?hT/2)/He,當(dāng)He?hT時

（2）穩(wěn)定天氣條件（D-E、E、F）

在穩(wěn)定天氣條件下，當(dāng)煙羽迫近孤立山體時，煙羽以臨界高度Hc為界分成兩部分，臨界高度以上的煙羽有足夠的動能爬越山體，而臨界高度以下的煙羽，只能被迫圍著山體過去。臨界高度Hc可由下式確定：

Hc=Hm—u[θ/(gdθ/dz)]1/2

式中Hm——孤立山體高度，m；

Hc——臨界高度，m；

θ——z高度處大氣位溫，K；dθ/dz——z高度處位溫梯度，K/m；u——平均風(fēng)速，m/s；g——重力加速度，m/s2。

例如，θ=300K，dθ/dz=0.01K/m，u=2m/s，Hm=200m；則Hc=Hm-111=89m，煙囪有效高度大于89m時，煙羽將有足夠的動能爬越山體。

對于山體高度Hm已定的狀況，大氣越穩(wěn)定，則Hc越小。所以一般只需計算在F穩(wěn)定度下的Hc，假使煙羽有效高度He>Hc(F)，則可認(rèn)為煙羽能夠爬越山體。

1.1.4.2熱浮力對煙羽的修正

1.混合層頂穿透問題

高架源熱浮力煙羽對混合層并非只有“完全穿透〞和“完全不穿透〞兩種狀況，還須考慮到“部分穿透〞問題。

定義P為穿透系數(shù)：P=1.5-(h-H)/ΔH

當(dāng)P≤0時，ΔH1=min[ΔH,2(h-H)/3],Q1=Q；當(dāng)P>1時，ΔH1=h-H,Q1=0；

當(dāng)0

h——混合層高度。

2.風(fēng)向切變和熱浮力問題

高浮力煙羽在z方向受風(fēng)向切變及熱浮力的影響可按下式對σy和σz進行修正：σ2yc=σ2y+(ΔH/3.5)2+(0.03Δα2x2)σ2zc=σ2z+(ΔH/3.5)2

式中，σyc、σzc——分別為修正后y、z方向的擴散參數(shù)；(ΔH/3.5)2——熱浮力修正項；(0.03Δα2x2)——風(fēng)向切變修正項。Δα按下表確定：

表風(fēng)向切變修正參數(shù)Δα/ΔZ（度/m）ABCDEF穩(wěn)定度0.0050.0100.0150.0200.0250.035Δα/ΔZ1.1.4.3干沉積修正

1.干沉積的含義

在重力、湍流擴散、分子擴散、靜電引力以及其他生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等因素的作用下，大氣中的顆粒物或某些氣體隨時會被地表（土壤、植物、水體）滯留或吸收，使這些物質(zhì)連續(xù)不斷地從大氣向地表作質(zhì)量轉(zhuǎn)移，從而減少其在空氣中的濃度。尋常，把這一與降水作用無關(guān)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程，稱之為干沉積。在對中距離大氣污染物輸送的研究中發(fā)現(xiàn)，差不多一半以上的質(zhì)量轉(zhuǎn)移是干沉積過程引起的。為些，對一些物理、化學(xué)特性和空氣相差較大的大氣污染物（例如顆粒物），或者對于輸送距離比較遠(yuǎn)的高架源的濃度預(yù)計，都應(yīng)當(dāng)考慮其干沉積的影響。下面將介紹兩種常用的干沉積擴散模式。

2.源虧損模式

源虧損模式主要用于粒徑小于10μm易產(chǎn)生沉積的顆粒物或氣體。假定因各種機理造成的大氣污染物向地面的沉積通量W[mg/(s·m2)]由下式表示：

W=VdC(4.9-79)式中Vd——沉積速度，m/s；

C——大氣污染物地面濃度，常取自距地面1m高度處。

大氣污染物自煙囪出口排出后，其初始源強Q（0）因沉積作用將隨下風(fēng)距離逐漸減弱（虧損）。根據(jù)式（4.9-79）可導(dǎo)出虧損后的源強Q（x）；由于將W從－∞到∞對y積分恰是—dQ(x)/dx，再對x積分則可得

???He22?Vd?x?1?Q?x??Q?0?exp?????0?zexp????2?2?u?????z???????dx????????由式（4.9-80）可見，問題的關(guān)鍵是給出沉積速度Vd。長期以來，大量研究者為求得

Vd，在試驗或模式化方面都進行了大量的工作。對于SO2，Hanna曾推薦如下Vd(cm/s)的野外試驗值：高約1m的莊稼地、城市、水面為0.7；高0.1m的草地為0.5；酸性土壤為0.4（干）或0.6（濕）；石灰質(zhì)土壤為0.8；干積雪為0.1。在模式化方面，尋常是把沉積速度和電流類比，假定沉積速度與各種阻力的總和成反比。

上式可用數(shù)值積分計算。采用1小時取樣時間的國標(biāo)擴散參數(shù)計算結(jié)果說明，D穩(wěn)定度時虧損最明顯，不穩(wěn)定或更穩(wěn)定時虧損依次減少。設(shè)He=100m,Q（0）為100，Vd為0.007m/s，U為3m/s，則在10000m處Q為下表所示：ABB-CCC-DDD-EEF穩(wěn)定度Q(10km)99.0896.2795.1793.9392.2191.9092.8194.7698.86一般來說，3000m以內(nèi)的擴散源虧損小于1%，可以忽略不計。

3.部分反射（斜煙羽）

部分反射模式主要用于粒徑大于10μm的氣載顆粒物。由于這種污染物有明顯的沉降作用，其煙羽重心是是逐漸降低的，此外，地面只能反射一部分的污染物。

對某一粒徑的顆粒污染物，對He和Q進行以下調(diào)整后，再按相應(yīng)氣態(tài)物模式計算：He(x)=He(0)-Vgx/u。Q(x)=Q(0)(1+α)/2

式中α——顆粒物的地面反射系數(shù)（參閱下表）；

d2?gVg——顆粒物沉降速度，用STOCKS公式計算：Vg?；

18?d、ρ——分別為顆粒物的直徑和密度；g——重力加速度；μ——空氣粘性系數(shù)。

表地面反射系數(shù)α粒徑范圍/μm平均粒徑/μm反射系數(shù)α15~30220.831~47380.560500.376~1008501.1.4.4濕沉積修正

濕沉積系指大氣污染物因降水而減少其在空氣中濃度的過程。嚴(yán)格地講，濕沉積分云中和云下兩種清除機制。在工程應(yīng)用中，常把這兩種機制合起來考慮。假設(shè)大氣污染物的初始源強Q（0）因降水隨下風(fēng)距離x成指數(shù)衰減，則

Q（x）=Q(0)exp(—Λx/u)

式中x——接受點的下風(fēng)距離；

u——煙囪出口處的風(fēng)速；

－

Λ——清除系數(shù)，S1。令J為降水強度（mm/h），根據(jù)試驗定測量結(jié)果，對于SO2

－40.6

Λ=1.7×10J

1.1.4.5化學(xué)遷移的修正

化學(xué)遷移的修正，在工程應(yīng)用上與濕沉積類似，可令修正后的源強Q（x）等于初始源強Q（0）乘以修正因子fc。

fc?exp??x/?uTc??式中Tc——大氣污染物的時間常數(shù)；其他符號同前。

假使定義fc=1/2所對應(yīng)的時間為該大氣污染物的半衰期td，將其代入式（44.9-85），可得：

fc?exp??0.693x/?utd??對于城市尺度，SO2的td≈4小時；長距離輸送SO2的td典型值為4天。

1.2面源(體源)的點源修正算法

把面源的排放當(dāng)作一個位于其幾何中心的點源的排放，對擴散參數(shù)適當(dāng)修正后，采用點

源模式直接計算，用以近似代表該面源的擴散。但這種方法僅適用于有風(fēng)條件（U10≥1.5m/s）。在小風(fēng)靜風(fēng)的條件下，面源擴散如何計算，尚未有定論，這里暫按小風(fēng)靜風(fēng)的點源方法計算。

假使測點位于面源（體源）之外，這種近似算法較為確鑿，但假使測點在面源內(nèi)部，則計算結(jié)果就很不理想。譬如，在有風(fēng)時，位于面源幾何中心上風(fēng)向各點（仍處于面源內(nèi)部），按這種近似算法濃度應(yīng)是0，實際不然。此外，這種算法不能反映面源的形狀。這些都是點源修正算法的不足之外。

有風(fēng)條件下，對于面源或體源內(nèi)部的預(yù)計點，可采用下式計算：

Cs?Q2??j??,??

式中??H2/2?2x2a，x為測點離面源上風(fēng)邊界的距離。這種方法使得在有風(fēng)時，面源內(nèi)任意一點均有濃度。

①面源。

采用直接修正法。假使面源的面積較?。⊿≤1km2），面源外的Cs可按點源擴散模式計算，只是應(yīng)附加一個初始擾動。這一初始擾動使煙羽在x=0就有一個和面源橫向?qū)挾认嗟鹊臋M向尺度，以及和面源高度相等的垂直向尺度。注意到煙羽的半寬度等于2.15σy或2.15σz，則修正后的