大氣擴(kuò)散濃度估算

大氣擴(kuò)散濃度估算第一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四章大氣擴(kuò)散濃度估算環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院二O一O年三月第二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日

§4-1煙氣抬升高度第三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日有效源高

一、有效源高煙囪的有效高度H

（煙軸高度，它由煙囪幾何高度Hs和煙流（最大）抬升高度ΔH組成，即H=Hs+ΔH），要得到H，只要求出ΔH即可。ΔH：煙囪頂層距煙軸的距離，隨x而變化的。1、煙氣抬升（1）煙氣從煙囪排出，有風(fēng)時(shí)，大致有四個(gè)階段:(見(jiàn)下頁(yè)圖)a）噴出階段；b）浮升階段；c）瓦解階段；d）變平階段：（2）煙云抬升的原因有兩個(gè)：①是煙囪出口處的煙流具有一初始動(dòng)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(dòng)力引起的煙氣浮力運(yùn)動(dòng)稱煙云抬升，煙云抬升有利于降低地面的污染物濃度。

第四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、影響煙云抬升的因素影響煙云抬升的因素很多，這里只考慮幾種重要因素：（1）煙氣本身的因素

a）煙氣出口速度（Vs）：決定了煙起初始動(dòng)力的大??；b）熱排放率（QH）—煙囪口排出熱量的速率QH越高煙云抬升的浮力就越大，大多數(shù)煙云抬升模式認(rèn)為，其中α=1/4～1，常取α為2/3。（2）環(huán)境大氣因素a）煙囪出口高度處風(fēng)速，越大，抬升高度愈低；b）大氣穩(wěn)定度不穩(wěn)時(shí)，抬升較高；中性時(shí)，抬升稍高；穩(wěn)定時(shí)，抬升低。c）大氣湍流的影響大氣湍流越強(qiáng)，抬升高度愈低。（3）下墊面等因素的影響第六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、煙云最大抬升高度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算抬升高度的計(jì)算公式很多，但由于影響抬升高度的因素很多，所以目前大多數(shù)煙羽抬升公式是憑經(jīng)驗(yàn)的，且各有其特點(diǎn)（局限性），因此應(yīng)盡量選擇該公式的導(dǎo)出條件和我們的計(jì)算條件相仿的。下面介紹幾個(gè)常見(jiàn)公式：第七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日霍蘭德公式校正分?jǐn)?shù)取值第八頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日適用條件：中性大氣條件；對(duì)于非中性大氣條件，進(jìn)行修正：不穩(wěn)定大氣→增加（10%～20%）△H；穩(wěn)定大氣→減少（10%～20%）△H。不適于：計(jì)算大型的熱排放源或高于100m煙囪的抬升高度。b.布里吉斯（Briggs）公式

適用于不穩(wěn)定大氣條件和中性大氣條件的計(jì)算式。第九頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日3）我國(guó)（GB/T13201-91）“制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法”推薦的抬升公式：a.當(dāng)Qh≥2100KJ/s且△T≥35K時(shí)，uHQnnsnh/210=DH，其中svahTTQPQ/35.0D=

表

系數(shù)n0、n1、n2的取值（見(jiàn)書(shū)P91表4-2）

Qh(KJ/s)

下墊面情況（平原地區(qū)）

n0

n1

n2

農(nóng)村或城市遠(yuǎn)郊區(qū)

1.427

1/3

2/3

Qh≥21000

城區(qū)及近郊

1.303

1/3

2/3

農(nóng)村或城市遠(yuǎn)郊區(qū)

0.332

3/5

2/5

21000>

Qh

≥2100

且ΔT≥35K

城區(qū)

0.292

3/5

2/5

當(dāng)Z2≤200m，mZZuu)(121=；

當(dāng)Z2>200m，mZuu)200(11=

式中：u1-附近氣象臺(tái)（站）高度5年平均風(fēng)速，m/s；m-。

Z1-附近氣象臺(tái)（站）高度5年平均風(fēng)速，m/s；Z2-煙囪出口處高度，m；

第十頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日DTa/dZ為排放源高度以上的氣溫直減率，取值不得小于0.01K/m。第十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、煙云抬升高度的測(cè)定

選用煙氣抬升高度計(jì)算公式前往往根據(jù)實(shí)例，根據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)煙囪參數(shù)代入各種公式進(jìn)行計(jì)算，選用與實(shí)測(cè)值近似的公式，或?qū)⒐街邢禂?shù)作以修改。目前已知的測(cè)定方法有照相法、氣球測(cè)高法、激光雷達(dá)法等。第十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）抬升公式很多，用何公式應(yīng)按具體情況而定，一般選霍氏公式或中國(guó)推薦公式。第十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日

§4-2污染物落地濃度

一、污染源污染源對(duì)污染物的影響很大，從污染源考慮污染物濃度主要有以下幾方面：(1)污染物指的化學(xué)組分及性質(zhì)，各組分間是否易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成二次污染物等；(2)源的幾何形狀和排放方式；(3)源強(qiáng)，即污染物的排放速率；(4)源的高度。在源強(qiáng)等條件相同的情況下,源高對(duì)地面污染物的影響見(jiàn)右圖所示。第十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日一、高斯擴(kuò)散模式的基本形式x軸沿平均風(fēng)向水平延伸，y軸在水平面上垂直于X軸，Z軸垂直xy平面向上延伸煙云中心平均路徑沿X軸或平行Y軸移動(dòng)。第十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日(二)高斯模式的有關(guān)假定1.煙羽的擴(kuò)散在水平和垂直方向都是正態(tài)分布；2.在擴(kuò)散的整個(gè)空間風(fēng)速是均勻的、穩(wěn)定的；3.污染源排放是連續(xù)的、均勻的；4.污染物在擴(kuò)散過(guò)程中沒(méi)有衰減和增生，在x方向，平流作用遠(yuǎn)大于擴(kuò)散作用；第十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日(不存在地面時(shí))

第十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日上式中：ū—平均風(fēng)速；Q—源強(qiáng)是指污染物排放速率。與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比，它是研究空氣污染問(wèn)題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通常：（?。┧矔r(shí)點(diǎn)源的源強(qiáng)以一次釋放的總量表示；（ⅱ）連續(xù)點(diǎn)源以單位時(shí)間的釋放量表示；（ⅲ）連續(xù)線源以單位時(shí)間單位長(zhǎng)度的排放量表示；（ⅳ）連續(xù)面源以單位時(shí)間單位面積的排放量表示。δy—側(cè)向擴(kuò)散參數(shù)，污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離y的函數(shù)，m；δz—豎向擴(kuò)散參數(shù)，污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離z的函數(shù)，m；未知量—濃度c、待定函數(shù)A(x)、待定系數(shù)a、b；式①、②、③、④組成一方程組，四個(gè)方程式有四個(gè)未知數(shù)，故方程式可解。第十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式高架源既考慮到地面的影響，又考慮到高出地面一定高度的排放源。地面對(duì)污染物的影響很復(fù)雜，如果地面對(duì)污染物全部吸收，則⑧式仍適用于地面以上的大氣，但根據(jù)假設(shè)④可認(rèn)為地面就象鏡子一樣對(duì)污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”處理這類(lèi)問(wèn)題。可以把P點(diǎn)污染物濃度看成為兩部分作用之和，一部分實(shí)源作用，一部分是虛源作用。見(jiàn)下頁(yè)圖：相當(dāng)于位置在（0，0，H）的實(shí)源和位置在（0，0，-H）的像源，當(dāng)不存在地面時(shí)在P點(diǎn)產(chǎn)生的濃度之和。（1）實(shí)源作用：由于坐標(biāo)原點(diǎn)原選在地面上，現(xiàn)移到源高為H處，相當(dāng)于原點(diǎn)上移H，即原式⑧中的Z在新坐標(biāo)系中為（Z-H）,不考慮地面的影響，則：第二十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于15μm的飄塵，對(duì)于大15μm的顆粒物，由于自身的沉降作用，濃度分布將有所改變。7、傾斜煙云模式在預(yù)測(cè)上述顆粒時(shí)，假設(shè)沉積和無(wú)沉積有相同的分布形式，但在整個(gè)煙云離開(kāi)源以后，便以重力終端速度下降（ut）,此時(shí)，只要將高斯模式中有效源高H用()來(lái)置換即可得到傾斜煙云模式。第二十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日非點(diǎn)源擴(kuò)散模式（城市及山區(qū)擴(kuò)散模式）1.線源擴(kuò)散模式;2.面源擴(kuò)散模式;3.山區(qū)擴(kuò)散模式；第二十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.線源擴(kuò)散模式城市中的街道和公路上汽車(chē)排放廢氣可作為線源。無(wú)限長(zhǎng)線源：在足夠長(zhǎng)線路上，維持足夠密度，能在公路或街道兩側(cè)形成穩(wěn)定濃度場(chǎng)的線源。有限長(zhǎng)線源：只能在有限的線路兩側(cè)形成斷續(xù)穩(wěn)定的濃度場(chǎng)的情況。第二十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日無(wú)限長(zhǎng)線源擴(kuò)散模式無(wú)限長(zhǎng)線源擴(kuò)散模式：當(dāng)風(fēng)向與線源垂直時(shí)，連續(xù)排放的線源在橫風(fēng)向產(chǎn)生的濃度是處處相等。只需對(duì)點(diǎn)源模式對(duì)變量y進(jìn)行積分即可。式中：QL：為單位線源的源強(qiáng)，g/(sm)。第三十頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日無(wú)限長(zhǎng)線源擴(kuò)散模式（續(xù)）當(dāng)風(fēng)向與線源不垂直時(shí)，若風(fēng)向與線源交角大于45度時(shí)，線源下風(fēng)向的濃度式為：若風(fēng)向與線源交角小于45度時(shí)，較復(fù)雜、具體情況具體分析。第三十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日有限長(zhǎng)線源模式

必須考慮線源未端引起的“邊緣效應(yīng)”，對(duì)橫風(fēng)的有限長(zhǎng)線源，在關(guān)心的接受點(diǎn)的平均風(fēng)向?yàn)閤軸，線源在一定范圍（y1、y2）范圍內(nèi)擴(kuò)散模式第三十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日2面源擴(kuò)散模式對(duì)于城市中小型工廠，企業(yè)生活鍋爐、及居民的爐灶等數(shù)量眾多，分布面廣，排放高度較低，高度不一，很難做為點(diǎn)源來(lái)處理，可采用面源擴(kuò)散模式。*平原城區(qū)排氣筒高度不高于40m或排放量小于0.04t/h的排放源可按面源處理。*第三十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日A箱模式

假設(shè)城市中污染物濃度在整個(gè)混合層內(nèi)是均勻的的。ClDU=QlX即：C=QX/UDQ為單位面積上的源強(qiáng)。第三十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日A箱模式（續(xù)）由于區(qū)域面源的平面分布和高度都是不均勻的，所以一般是把區(qū)域劃分為許多小正方形，每一正方形作為一個(gè)面源單元，正方形邊長(zhǎng)的選取，視面源的分布和城市大小而定，一般在0.5-10km之間選取。第三十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日B虛擬點(diǎn)源模式假定：（1）每一面源單元的污染物排放量集中在該單元的中心上；（2）面源單元中心的上風(fēng)向距離X0處有一虛擬點(diǎn)源，它在面源單元中心線處產(chǎn)生的煙流寬度（）等于面源單元寬度W；（3）面源單元在下風(fēng)向造成的濃度可用虛擬點(diǎn)源在下風(fēng)向造成的同樣的濃度所代替。第三十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日B虛擬點(diǎn)源模式（續(xù)）由假定（2）可得由求出和大氣穩(wěn)定度級(jí)別，應(yīng)用P-G曲線圖或表可反求出X0。再由X+X0查出，由X查出，代入點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式，便可求出下風(fēng)向各面源單元中心處的地面濃度：第三十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日3山區(qū)擴(kuò)散模式（略）第三十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日4-4、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式（一）有上部逆溫層的擴(kuò)散模式如果大氣低層處于不穩(wěn)定，某一高度以上有逆溫層存在，這是上部逆溫層就像一個(gè)“蓋子”使污染物垂直擴(kuò)散受限制，擴(kuò)散只能在地面和逆溫間進(jìn)行，稱之為“封閉型擴(kuò)散”。此類(lèi)模型的推導(dǎo)是把逆溫層底面看成和地面一樣能起全反射的“鏡面”，這時(shí)的煙云多次反射。污染源濃度可看成是實(shí)源和無(wú)窮多個(gè)虛源作用之和。第三十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日實(shí)際計(jì)算往往要進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)xD為煙羽邊緣剛好達(dá)逆溫底層時(shí)離煙源的水平距離。第四十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日①當(dāng)x≤xD時(shí)，按原擴(kuò)散模式（一般高斯模式）計(jì)算；xD可由求得，②當(dāng)x≥2xD時(shí)，水平方向仍呈正態(tài)分布，z方向濃度漸趨均勻；③當(dāng)xD<x<2xD時(shí)，情況復(fù)雜，此時(shí)可取x=xD和x=2xD時(shí)兩點(diǎn)濃度的內(nèi)插值（采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系）。

()）=22,0,,2exp（2yyHyxyDuQCssp第四十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）熏煙擴(kuò)散模式熏煙過(guò)程：是指由于夜間輻射逆溫在日出后，受太陽(yáng)輻射，使逆溫自下而上消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橹行曰虿环€(wěn)定層結(jié)，消失到煙羽下界時(shí)，上部仍為逆溫，擴(kuò)散只能向下進(jìn)行，致使出現(xiàn)地面高濃度。隨著逆溫自下而上逐漸消退而發(fā)展至煙流上界時(shí)達(dá)高潮，此過(guò)程稱為熏煙過(guò)程，持續(xù)數(shù)十分鐘。第四十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.若逆溫消退到高度Zf，而H＜Zf＜L

第四十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.當(dāng)逆溫消退到有效源高H時(shí)，即hf=H

第四十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.當(dāng)逆溫剛消退到煙流頂高(hf)時(shí)

第四十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5、有效源高對(duì)地面最大濃度的影響高架連續(xù)點(diǎn)源地面最大濃度計(jì)算式是在風(fēng)速不變的情況下導(dǎo)出的。當(dāng)考慮有效源高對(duì)地面最大濃度的影響時(shí)，應(yīng)把風(fēng)速看成變量考慮其影響。從Cmax公式看出：風(fēng)速對(duì)Cmax有兩種作用結(jié)果：①風(fēng)速增大，地面最大濃度減小；②從各種抬升公式看，風(fēng)速增大時(shí)抬升高度減小，地面最大濃度增大。因此可以設(shè)想在某一風(fēng)速下會(huì)出現(xiàn)地面最大濃度的極大值，稱為地面絕對(duì)最大濃度，相對(duì)此時(shí)的風(fēng)速稱為危險(xiǎn)風(fēng)速。地面最大濃度Cmax不是隨風(fēng)速增加而單純的減小，而是先隨風(fēng)速增加而增大，當(dāng)Cmax達(dá)到最大值后再減小。下面舉一種地面絕對(duì)最大濃度表達(dá)式，說(shuō)明有效源高對(duì)地面最大濃度的影響。大多數(shù)煙流抬升公式可概括為ΔH=B/ū的形式，其中B為某一抬升公式中除ū以外的一變量。例如用霍蘭德公式計(jì)算ΔH時(shí)，。若將上述抬升公式代入地面最大濃度公式Cmax中，對(duì)ū求導(dǎo)（B視為常數(shù)），并令則得到ū=B/Hs，即當(dāng)ū=B/Hs時(shí)，Cmax達(dá)極大。不取ΔH=B/ū時(shí)，計(jì)算要繁雜得多，但都有一危險(xiǎn)風(fēng)速。第四十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日4-6煙囪設(shè)計(jì)煙囪不單是一排氣裝置，也是控制空氣污染、保護(hù)環(huán)境的重要設(shè)備。煙囪高度、出口直徑、噴出速度等工藝參數(shù)應(yīng)滿足減少對(duì)地面污染的需要。增加煙囪高度可以減輕污染源對(duì)局部地區(qū)的污染，大體上C地面∝1/H2，但超過(guò)一定高度后再增加高度，對(duì)地面濃度的影響甚微，而煙囪的造價(jià)卻隨高度增加而急劇增大（煙囪的造價(jià)∝H2），所以并不是煙囪愈高愈好。設(shè)計(jì)煙囪高度的基本原則是既要保證排放物造成的地面最大濃度或地面絕對(duì)最大濃度不超過(guò)國(guó)家大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又應(yīng)做到投