第四章大氣擴散濃度估算模式

第四章大氣污染物擴散模式1.湍流擴散的基本理論2.高斯擴散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴散模式5.城市及山區(qū)的擴散模式6.煙囪高度設(shè)計掌握大氣擴散的理論和擴散模式，學會估算污染物濃度、煙氣抬升高度，確定煙囪高度和廠址第一節(jié)湍流擴散的基本理論擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運動

風速的脈動風向的擺動起因與兩種形式

熱力湍流：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機械湍流：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度湍流擴散理論主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系1.梯度輸送理論類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比2.湍流統(tǒng)計理論泰勒－>圖4-1，正態(tài)分布薩頓使用模式高斯模式

3.相似理論WhatisAirpollutantConcentrationModels?

Theperfectpollutantconcentrationmodelswouldallowustopredicttheconcentrationsthatwouldresultfromanyspecifiedsetofpollutantemissions,foranyspecifiedmeteorologicalconditions,atanylocations,foranytimeperiod,withtotalconfidenceinourprediction.WhatisAirpollutantConcentrationModels?Allofthemodelsisderivedaccordingtomaterialsbalances.Thepurposeofairpollutantconcentrationmodelsistopredicttheconcentrations.Allmodelsaresimplificationsofreality,alotofassumptionsarepresented.第二節(jié)高斯擴散模式高斯模式的有關(guān)假定坐標系——右手坐標系，x為風向，y為垂直于x軸，z為垂直于xoy面四點假設(shè)a．污染物濃度在y、z風向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．擴散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系圖4-1濃度正態(tài)分布的高斯煙云擴散輸送圖

(x,-y,0)(x,0,0)ozyxH(x,-y,z)HsΔH無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布假定，得下風向任一點的濃度分布方差的表達式由假定d－>源強積分式（單位時間污染物守恒）

未知數(shù)：濃度c，待定函數(shù)A（x），a,b,積分可以解出四個未知數(shù),得到高斯模式高斯煙流的形態(tài)高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布高架連續(xù)點源擴散模式鏡像全反射---->像源法實源：像源：

實源的貢獻

像源的貢獻

實際濃度高架連續(xù)點源擴散模式地面濃度模式：取z＝0代入上式，得地面軸線濃度模式：再取y=0代入上式上式，增大，則、增大，第一項減小，第二項增大，必然在某x處有最大值地面最大濃度模式：

考慮地面軸線濃度模式高架連續(xù)點源擴散模式

地面源高斯模式（令H＝0）：相當于無限源的2倍（鏡像垂直于地面，源強加倍）地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)（實際中成立）由此求得Gaussianplume,two-dimensionalspreadingequation高斯煙羽二維擴散方程①Assumingnegligiblenettransferofmaterialinthexdirection.

horizontaldispersioncoefficientverticaldispersioncoefficientGaussianDiffusionModels②downwinddistance,woulddependonwindspeed,andonthedegreeofatmosphericturbulence,degreeofsolarheating.Gaussianplume,two-dimensionalspreadingequation高斯煙羽二維擴散方程Thefirsttermistheconcentrationonthecenterlineoftheplume.③threetermsofGussianplumeequation

Firsttermwheny=0,(z–H)=0,soexp0=1Withtheincreaseofdownwinddistance(x),concentrationonthecenterlineisdecreasing.GaussianDiffusionModelsSecondterm<1cThesecondtermshowshowtheconcentrationdecreasesaswemoveinthehorizontal.

Diffusioninydirection.③threetermsofGussianplumeequationThirdterm

Diffusioninzdirection.Thesameasthesecondterm.yZx107687yZ③threetermsofGussianplumeequation顆粒物擴散模式粒徑小于15um的顆粒物可按氣體擴散計算大于15um的顆粒物：傾斜煙流模式

地面反射系數(shù)ExampleAfactoryemits20g/sofSO2atheightH.Windspeedis3m/s.Atadistanceof1kmdownwind,thevaluesofσyandσzare30mand20m,respectively.WhataretheSO2concentrationsatthecenterlineofplume,andatapoint60meterstothesideofthecenterlineand20metersbelowthecenterline.

Atcenterline,x=1000m,y=0,z=Hσy=30m,σz=20mu=3m/s,Q=20g/sExample=1770μg/m3ExampleAtthepointawayfromcenterline=145μg/m3ReviewTheGaussianplumediffusionmodeltherearethreeimportantequationsforGaussianplume,two-dimensionalspreading.（1）BasicGaussianplumeequation無界空間連續(xù)點源擴散模式（不考慮地面反射）(2)BasicGaussianplumeequationmodifiedbyeffectoftheground高架連續(xù)點源擴散模式

(3)Ground-levelconcentrationequation地面濃度模式

ReviewNotworkin:①Mountainouscountry②Norforlongdistance③NorattimeswhenthemeteorologyiscomplexGaussianplumemodelsareappliedin:①Flatterrain②Theinstantaneousmeteorologyissimple

Review第三節(jié)污染物濃度的估算q源強——計算或?qū)崪y平均風速——多年的風速資料H有效源高、擴散參數(shù)1.煙氣抬升高度的計算

1.煙氣抬升高度的計算(續(xù)）

初始動量：速度煙溫度：浮力煙氣為什么會抬升?――煙囪幾何高度,m

――抬升高度,m

有效源高1.煙氣抬升高度的計算(續(xù)）（1）Holland公式：適用于中性大氣條件

注：Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下誤差較大（修正：穩(wěn)定時減小10%-20%，不穩(wěn)定時增加10－20％）1.煙氣抬升高度的計算（續(xù)）（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

1.煙氣抬升高度的計算（續(xù)）（3）我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法”(GB/T13201-91)中的公式

QH/kW地表狀況（平原）n0n1n2QH≥21000農(nóng)村或城市遠郊區(qū)1.4271／32／3城市及近郊區(qū)1.3031／32／32100≤QH＜21000且△T≥35K農(nóng)村或城市遠郊區(qū)0.3323／52／5城市及近郊區(qū)0.2923／52／5例題：某城市火電廠的煙囪高100m，出口內(nèi)徑5m。出口煙氣的流速12.7m/s，溫度140℃，流量250m3/s。煙囪出口處的平均風速4m/s，大氣溫度20℃，當?shù)貧鈮簽?78.4hPa，試確定煙氣的抬升高度及有效源高。2.擴散參數(shù)的確定P－G曲線法P－G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Giffard制成圖表方法要點

大氣分成A－F共六個穩(wěn)定度等級（云、日照、風速……）曲線（六條）（對應(yīng)A、B……F穩(wěn)定度級）

P－G曲線的應(yīng)用首先根據(jù)常規(guī)資料確定大氣穩(wěn)定度級別P－G曲線的應(yīng)用利用擴散曲線確定和中國國家標準規(guī)定的方法確定穩(wěn)定度改進的P－T法擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的表達式為（取樣時間0.5h，按表4-8查算）平原地區(qū)和城市遠郊區(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)取樣時間大于0.5h，不變，P－G曲線的應(yīng)用地面最大濃度估算由和由曲線（圖4-5）反查出由曲線（圖4-4）求由式（4-10）求出第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)）

封閉型擴散模式相當于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和n為反射次數(shù)，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像封閉型擴散模式計算簡化：1.當

（尚未到封閉階段）

（煙流半寬度）

查P－G曲線

－>4-9式計算

地面軸線濃度2.當，z向濃度混合均勻，z分布函數(shù)為3.

－>內(nèi)插（假定變化為線性），按z值插值熏煙型擴散模式假設(shè)：

D換成hf（垂向均勻分布）；Q

只包括進入混合層部分，

則仍可用上面公式

熏煙型擴散模式

逆溫層消失到煙流上邊緣，即

逆溫消失到，熏煙過程不復存在

逆溫層消失到煙囪的有效高度處第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式城市大氣擴散模式1.線源擴散模式無限長線源風向和線源不垂直時

（交角>=45o）

有限長線源城市大氣擴散模式2.面源擴散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h

簡化為點源的面源模式

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）城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）簡化為點源的面源擴散模式（續(xù)）正方形中心上風向距x0處有一虛擬點源，其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等

煙流寬度：中心線到濃度為中心處距離的兩倍

（正態(tài)分布：）

確定、之后即可按點源計算面源濃度城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）窄煙流模式某點的污染物濃度主要取決于上風向面單元的源強，上風向兩側(cè)單元對其影響很小某點的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式單箱模式

多箱模式——如目前用于我國城市空氣污染指數(shù)預(yù)報的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化學模式如EPA推薦的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式線源模式如CALINE模式，用于計算公路的污染物排放城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)ISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel/scram001/tt22.htm城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念A(yù)irToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3

+OH

--->(NH4)2SO4

[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere第三代模式（Models－3）/asmdnerl/models3/山區(qū)擴散模式山區(qū)流場由于受到復雜地形的熱力和動力因子影響，流