靜風(fēng)條件下煙塵擴散模式研究

StudyOnConcentrationModeOfDustParticleDiffusion靜風(fēng)條件下塵粒擴散模式的

建立和應(yīng)用

王麗萍

UnderCalmCondition中國礦業(yè)大學(xué)

本課題研究目的和意義排放源造成的污染物最大地面濃度值以及最大地面濃度出現(xiàn)點距污染源的距離是大氣環(huán)境影響評價與煙囪高度設(shè)計中我們最為關(guān)注的問題。通常，塵粒擴散濃度估算使用傾斜煙云模式，但是傾斜煙云模式不能用于靜風(fēng)條件下塵粒地面濃度的預(yù)測與評價。本文旨在建立一種新的擴散模式用于靜風(fēng)條件下塵粒地面濃度的預(yù)測和評價。

本課題研究目的和意義

建設(shè)項目影響因子（SO2、噪聲、資源利用方式改變）環(huán)境介質(zhì)（水、大氣、土地）受體（人、動植物、材料、產(chǎn)業(yè)）環(huán)境影響（健康、生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境服務(wù)）價值（貨幣化）控抑措施傳輸、變化劑量—反應(yīng)關(guān)系價值評估技術(shù)

傾斜煙云模式應(yīng)用于可沉降粒子濃度預(yù)測的局限分析

在大氣環(huán)境影響評價及煙囪高度設(shè)計中，往往需要計算排放源造成的污染物最大地面濃度以及最大地面濃度出現(xiàn)點距污染源的距離。作為主要大氣污染源電廠、水泥廠、燒結(jié)廠的廠區(qū)及周圍地區(qū)的污染主要是降塵所造成的，如何對可沉降污染物粒子的地面濃度進行評價和預(yù)測呢？高架孤立點源的可沉降粒子的地面濃度分布預(yù)測，常見的方法是根據(jù)如下的“傾斜煙云模式”計算：傾斜煙云模式公式式中：

—下風(fēng)向任一點的地面濃度(g／m3)；

——污染源源強(g／s);

—有效源高(m)；

—粒子平均沉降速度(m／s)；

—平均風(fēng)速(m／s)；

—y向、z向的擴散參數(shù)(m)。

傾斜煙云模式在使用過程中的問題

（1）該公式僅適用于有風(fēng)(＞1m／s)或小風(fēng)（0.5m／s-1m／s）的氣象條件，即存在一穩(wěn)定的平流輸送作用，此時可沉降粒子的擴散呈現(xiàn)傾斜煙云。即該公式的使用條件是大氣中存在一穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)(即x向為主導(dǎo)風(fēng)向),它不能用來預(yù)測靜風(fēng)條件下煙塵的地面濃度。（2）根據(jù)公式(1)計算下風(fēng)向任意點的地面濃度時，計算值是單位體積上的質(zhì)量沉積率(g／m3)，而大氣環(huán)境常規(guī)監(jiān)測指標降塵值為單位面積、單位時間的質(zhì)量沉積率(t／km2.月)，二者量綱上不能統(tǒng)一，需要對計算式的濃度項進行適當變換成單位面積、單位時間的質(zhì)量沉積率，使計算值與測定值之間具有可比性。然而，如何對可沉降粒子在靜風(fēng)條件下擴散的地面濃度進行評價和預(yù)測，目前尚是空白，張江山在《靜風(fēng)條件下傾斜煙云最大地面濃度距離計算方法研究》（《環(huán)境工程》1994年第12期）中提出對傾斜煙云模式進行數(shù)學(xué)變換處理，來計算靜風(fēng)條件下的可沉降粒子擴散的地面濃度分布，筆者認為這種變換缺乏內(nèi)在依據(jù)。鑒于許多地區(qū)靜風(fēng)頻率不低，靜風(fēng)條件下大氣污染預(yù)測不容忽視，本文將建立一個適合于靜風(fēng)條件下塵粒煙云擴散的正態(tài)分布地面濃度模式，并確定模式的擴散參數(shù)表達式，它可以簡捷地預(yù)測孤立點源塵粒的地面濃度及擴散范圍。

蘑菇煙云地面濃度擴散模式的建立

（1）靜風(fēng)條件和重力沉降對塵粒擴散的影響

布里吉斯等[3]指出：“靜風(fēng)的定義是=0.5m／s”，所以處理靜風(fēng)問題時，我們可假定其平均風(fēng)速為0.3～0.5m／s。靜風(fēng)條件下，風(fēng)向紊亂，所以平均風(fēng)速的方向是隨機變化不定的。當靜風(fēng)條件持續(xù)一段時間后，風(fēng)向在整個水平面上統(tǒng)計平均值結(jié)果可將平均風(fēng)速的值視為零。因此，從污染源排放出的污染物，是向上和向四周緩緩擴散的，污染物在水平面上的擴散已無明顯的方向性。粒徑大于10μm的粒子存在著明顯的重力沉降作用，粒子在大氣中的沉降速度可用斯托克斯公式計算。此外，地面對粒徑=10μm～20μm的粒子也不能發(fā)生全反射及部分反射，粒徑＞20μm的粒子一旦沉降到地面將滯留在地面.所以，可沉降粒子在靜風(fēng)條件下的擴散是在向上擴散和向四周均勻緩緩擴散的同時發(fā)生下沉。因此，靜風(fēng)條件和高架連續(xù)點源的有效源高一定的情況下，可沉降粒子的擴散范圍已主要取決于塵粒自身沉降速度的大小。（2）正態(tài)分布假定的蘑菇煙云擴散模式的建立

基于上述靜風(fēng)條件和重力沉降兩種作用對高架連續(xù)點源塵粒擴散的影響分析，我們可建立以下論點：

由于風(fēng)向的隨機不定性和重力沉降作用，高架連續(xù)點源的可沉降塵粒煙云擴散形態(tài)為向上向四周均勻擴散的同時發(fā)生下沉，高架孤立點源的塵粒煙云擴散形態(tài)如蘑菇煙云。

靜風(fēng)條件下塵粒在鉛直向擴散，可以認為主要是由重力沉降起支配作用，顆粒沉降到地面將穩(wěn)定地滯留于地面。排放源的有效高度為煙云擴散的最高點。

由于風(fēng)向隨機變化不定性，在水平面上任一瞬間每一塵?？呻S意左右、前后擺動。靜風(fēng)持續(xù)一段時間后，雖然每一粒子在水平面上位移方向大小不同，但是許多粒子位移的集合卻趨于一個穩(wěn)定的統(tǒng)計分布值。因此污染物粒子在以污染源為中心的水平360°內(nèi)，與污染源等水平距離X處出現(xiàn)頻率相等，并且在中心點(污染源所在點)的出現(xiàn)頻率為最大。靜風(fēng)持續(xù)一段時間后，高架孤立點源可沉降粒子的地面濃度分布為：水平面上以污染源為中心的同心圓上均勻分布，且必在中心點位置濃度值為最大，沿水平任何方向呈現(xiàn)為對稱于煙囪(高架孤立點源)的正態(tài)分布。靜風(fēng)條件下高架連續(xù)點源塵粒擴散為蘑菇煙云擴散如圖1所示:

H---煙囪的幾何高度

;dH---煙云的抬升高度;

He=H+dH---煙囪的有效高度;X---煙云的擴散半徑因此,我們可以建立以下正態(tài)分布的地面濃度模式，其地面濃度分布函數(shù)可表達為

C（x）—距污染源直線距離為x處的地面濃度(g／m2·s)

=

=式中：（1）（3）標準偏差(擴散參數(shù))σ值的確定

根據(jù)標準正態(tài)分布表，σ=1,φ(x)=0.975時，查得x=1.95，可求得所要求的正態(tài)分布標準差：σ的單位為m，表示C(x)在水平面上任何一方向的擴散參數(shù)。擴散參數(shù)σ的通式σ=式中的k值取決于污染源塵粒的粒徑分布，粒徑分布愈窄，粒徑均值愈粗，K值愈小。（2）（3）

綜合公式（1）和（3），得到靜風(fēng)條件下高架孤立點源可沉降粒子的地面濃度擴散模式：作為一般實用模式，可將式(2)代入式(1)可滿足精度要求，即：

（4）（5）

3

模式應(yīng)用舉例例：擬建某燃煤電廠一煙囪的有效高度150m，粉塵排放源強為151000mg/s[5],預(yù)測靜風(fēng)條件下塵粒的最大擴散范圍、最大地面濃度及地面濃度分布。解：（1）求塵粒的擴散范圍

3

模式應(yīng)用舉例將XM=3m代人，得CM=C(3)=3.63(mg/m2.s)（2）最大地面濃度CM、最大地面濃度出現(xiàn)距離XM最大地面濃度出現(xiàn)在污染源所在點即=0處，考慮到由于煙囪排放煙流的噴射作用，而使塵粒的地面濃度在煙囪出口徑范圍趨于平衡。故可以認為煙囪外壁落地處為最大地面濃度出現(xiàn)距離，本例中取煙囪直徑為6m,即XM=3m。

(3)不同距離的地面濃度分布表1不同距離的地面濃度分布值

注：為便于與大氣監(jiān)測常規(guī)指標降塵比較，表中列出不同單位的地面濃度值。

地面

濃度36105010020050080010001200mg/(m2.s)

3.631.821.090.2170.1080.0570.0160.0060.0030.001t/(km2.月)

9410.44717.42825562.3282147.640.5157.53.4

結(jié)論(1)靜風(fēng)條件的平均風(fēng)速可處理為0.3～0.5m／s，分析了靜風(fēng)條件和重力沉降作用對粒子擴散的影響，指出高架孤立點源塵粒擴散呈現(xiàn)蘑菇狀煙云并建立了相應(yīng)的正態(tài)分布地面濃度擴散模式(見公式(4))。

(2)公式(4)中，σ表示粒子在水平面上任一方向的擴散參數(shù)。擴散參數(shù)的表達通式參見式(3’)，有效源高一定的情況下，值只取決于粒徑分布，粒徑分布愈窄，粒子愈粗，值愈小，σ值也愈小。(3)該正態(tài)分布地面濃度模式可簡捷地預(yù)測電廠、燒結(jié)廠等高架點源周圍在靜風(fēng)條件下的塵粒地面濃度和擴散范圍。擴散范圍為(0，He／Vg)