污染物的大氣擴散

關于污染物的大氣擴散

從污染源排放出的污染物在大氣中的傳輸和擴散過程，與污染源本身特性、氣象條件、地面特征和周圍地區(qū)建筑物分布等因素皆有密切關系，特別是與氣象條件的關系更為密切。隨著風向、風速、大氣湍流運動、氣溫垂直分布及大氣穩(wěn)定度等氣象因素的變化，污染物在大氣中的擴散稀釋情況千差萬別，所造成的污染程度有很大不同。因此，為了有效的控制大氣污染，除應采取各種綜合防治措施外，還應充分利用大氣污染物的擴散和稀釋能力。本章主要對污染物大氣擴散的基本知識作一扼要介紹。第2頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)、大氣圈垂直結構及氣象要素根據(jù)氣溫垂直于下墊面（即地球表面情況）方向上的分布，可將大氣圈分為5層（如圖2-1）：環(huán)境大氣或地球大氣（簡稱大氣）：地球表面環(huán)繞著一層很厚的氣體。大氣圈：自然地理學將受地心引力而隨地球旋轉(zhuǎn)的大氣層。大氣圈的垂直結構：指氣象要素的垂直分布情況，如氣溫、氣壓、大氣密度和大氣成分的垂直分布等。

對流層平流層中間層

暖層散逸層第3頁,共57頁，2024年2月25日，星期天散逸層暖層中間層平流層對流層第4頁,共57頁，2024年2月25日，星期天1.對流層是大氣圈最低的一層。由于對流程度在熱帶要比寒帶強，故自下墊面算起的對流層厚度隨緯度增加而降低；赤道處為16~17km，中緯度地區(qū)為10~12km，兩極附近只有8~9km。對流層主要特征：（1）較薄，但集中了整個大氣質(zhì)量的?和幾乎全部水蒸氣，主要的大氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層，它是天氣變化最復雜、對人類活動影響最大的一層。（2）大氣溫度隨高度增加降低，每升高100m平均降溫約0.65℃。（3）空氣具有強烈的對流運動，主要是由于下墊面受熱不均及其本身特性不同造成。

（4）溫度和適度的水平分布不均，在熱帶海洋上空，空氣比較溫暖潮濕，在高緯度內(nèi)陸上空，空氣比較寒冷干燥，因此也經(jīng)常發(fā)生大規(guī)?？諝獾乃竭\動。第5頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

大氣邊界層（或摩擦層）：對流層的下層，厚度為1~2km，其中氣流受地面阻滯和摩擦影響很大。

自由大氣：在大氣邊界層以上的氣流，幾乎不受地面摩擦的影響。

近地層：從地面到50~100m的一層。在近地層中，垂直方向上的熱量和動量的交換甚微，所以上下氣溫只差很大，可達1~2℃。在近地層以上，氣流受地面摩擦的影響越來越小。

在大氣邊界層中，由于受地面冷熱的直接影響，所以氣溫的日變化很明顯，特別是近地層，晝夜可相差十幾乃至幾十度。由于氣流運動受地面摩擦的影響，風速隨高度的增加而增大。在這一層中，大氣上下有規(guī)則的對流和無規(guī)則的湍流運動都比較盛行，加上水汽充足，直接影響著大氣污染物的傳輸擴散和轉(zhuǎn)化。第6頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.平流層（從對流層頂?shù)?0~55km高度的一層）在平流層中，幾乎沒有大氣對流運動，大氣垂直混合微弱，極少出現(xiàn)雨雪天氣，所以進入平流層中的大氣污染物的停留時間很長。特別是進入平流層的氟氯碳（CFCs）等大氣污染物，能與臭氧發(fā)生過化學反應，致使臭氧層的臭氧逐漸減少。

臭氧層：平流層中集中了大氣中的大部分臭氧，并在20~25㎞高度上達到最大值，形成臭氧層。臭氧層能強烈吸收波長為200~300nm的太陽紫外線，保護了地球上的生命免受紫外線傷害。

同溫層：從對流層頂?shù)?5~40㎞的一層氣溫幾乎不隨高度變化，為-55℃。

逆溫層：從同溫層以上到平流層頂，氣溫隨高度增高而增高，至平流層頂達-3℃左右。第7頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3.中間層從平流層頂?shù)?5㎞高度的一層。

特點是：氣溫隨高度升高而迅速降低，其頂部氣溫可達-83℃以下。因此大氣的對流運動強烈，垂直混合明顯。第8頁,共57頁，2024年2月25日，星期天4.暖層（或電離層）

從中間層頂?shù)?5㎞高度的一層。

特點是：在強烈的太陽紫外線和宇宙射線的作用下，再度出現(xiàn)氣溫隨高度升高而增加的現(xiàn)象。暖層氣體分子被高度電離，存在著大量的離子和電子，故又稱為電離層。第9頁,共57頁，2024年2月25日，星期天5散逸層

暖層以上的大氣層。

它是大氣的外層，氣溫很高，空氣極為稀薄，空氣粒子的運動速度很高，可以擺脫地球引力而散逸到太空中去。第10頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

大氣壓力的垂直分布總是隨著高度的升高降低，并可用氣體靜力學方程來描述。

大氣密度隨高度的變化幾乎和壓力的變化規(guī)律相同。

大氣成分的垂直分布主要取決于分子的擴散和湍流擴散的強弱。

均質(zhì)大氣層（均質(zhì)層）：在80~85㎞以下的大氣層中，以湍流擴散為主，大氣的主要成分氮和氧的組成比例幾乎不變。

非均質(zhì)層：在均質(zhì)層以上的大氣層中以分子擴散為主，氣體組成隨高度變化而變化。這層中較輕的氣體成分明顯增加。第11頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)、氣象條件對煙氣擴散的影響

影響煙氣擴散的氣象條件主要有：風向、大氣湍流、大氣溫度的垂直分布和大氣穩(wěn)定度等。一、風和湍流對污染物擴散的影響1.風對大氣污染擴散的影響風：空氣的水平運動。風對污染物濃度分布的作用（1）整體輸送作用，因而污染區(qū)總是在污染源的下風向。（2）對污染物的沖淡稀釋作用。基于這個道理，在工業(yè)布局上應將污染源安排在易于擴散的城市的下風向。

風速越大，單位時間風與污染混合的清潔空氣量就越多。一般來說，污染物在大氣中的濃度與污染物的排放總量成正比，與平均風速成反比，若風速提高一倍，則在下風向的污染物濃度減少一半。第12頁,共57頁，2024年2月25日，星期天風速對煙流擴散影響很大①在無風火風速很小時，煙流幾乎是垂直的；當風速較大時，煙流則是彎曲的（如圖2-2）②對于地面污染源來說③對于高架污染源，風速影響具有雙重性①風速大，地面污染物濃度就?。虎陲L速小，地面污染物濃度就大；③無風時，近污染源處地而污染更為嚴重。①一方面，風速達會降低抬升高度，使煙氣的著地濃度增大；②另一方面，風速達能增加湍流，加快污染物的擴散，使煙氣的著地濃度降低。對于某一高架源，存在危險風速，在該風速下地面可能出現(xiàn)最高污染物濃度。但對于下風向所有點的平均濃度而言，風速大對減輕污染是比較有利的。第13頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.湍流對大氣污染擴散的影響大氣湍流：大氣因受動力湍流影響所形成的不規(guī)則運動氣流。這種運動普遍存在，樹葉的擺動，紙片的飛舞及炊煙的繚繞等現(xiàn)象均因湍流引起。

大氣的運動除了風以外，還存在著不同于主流方向（平均風向）的各種尺寸的次生運動或漩渦運動，即湍流運動。如果大氣中只有層流而無湍流運動，則污染物除了在煙囪口被直接沖淡稀釋外，向下風向飄逸時，就只能靠分子擴散緩慢向四周擴散，污染物的擴散速率就很慢。實際上，低層大氣的運動總是具有湍流的性質(zhì)，大氣湍流運動造成流場各部分之間的強烈混合，將大大加快煙氣的擴散速率。實踐證明，湍流擴散速率比分子擴散速率快105~106倍。

總之，風速越大，湍流就越強，污染物的稀釋擴散速率就越快，大氣污染物的濃度就越低。因此，風和湍流是決定污染物在大氣中稀釋擴散的最直接因子，也是最有效的因子。第14頁,共57頁，2024年2月25日，星期天二、大氣穩(wěn)定度對污染物擴散的影響（一）氣溫直減率

指單位（通常取100m）高差氣溫變化率的負值，用g表示，公式如下：（式2-1）若氣溫隨高度增加時遞減的，則g為正值；反之，g為負值。干空氣在絕熱上升或下降過程中，每升高或下降單位高差（通常取100m）的溫度變化率為負值，稱為干空氣溫度絕熱垂直遞減率，簡稱干絕熱直減率，用gd表示，其定義式為：（式2-2）Ti—干空氣塊的溫度，它不同于周圍空氣的溫度；cp—干空氣比定壓熱容，其值為1004J／（kg/K）；g—重力加速度，取9.81m/s2。表明，干空氣在絕熱上升（或下降）運動時，每升高（或下降）100m，溫度約降低（或上升）1K。對于作絕熱升降運動的濕空氣塊，在其未達到飽和狀態(tài)前，也是每升降100m，溫度變化約為1K。第15頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（二）氣溫直減率

氣溫沿垂直高度的分布，可用坐標圖上的曲線表示，如圖2-3所示。這種曲線稱為氣溫沿高度分布曲線或溫度層結曲線，簡稱溫度層結大氣中的溫度層結有四中類型①圖2-3曲線1，氣溫隨高度增加而遞減，即g＞0，稱為正常分布層結或遞減層結。②曲線2，氣溫直減率等于或近似等于干絕熱直減率，即g=gd，稱為中性層結。③曲線3，氣溫不隨高度變化，即g=0，稱為等溫層結。④曲線4，氣溫隨高度增加而增加，即g＜0，稱為氣溫逆轉(zhuǎn)，簡稱逆溫。第16頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（三）大氣穩(wěn)定度對煙流形狀的影響

大氣穩(wěn)定度直接影響著煙流擴散形狀，圖2-4所示為不同大氣穩(wěn)定度情況下的五種典型的煙流形狀。波浪型錐型平展型爬升型漫煙型第17頁,共57頁，2024年2月25日，星期天(1)波浪型。這種煙流呈波浪狀，污染物擴散良好，發(fā)生在全層不穩(wěn)定大氣中，即g－gd

﹥0時。多發(fā)生在晴朗的白天，地面最大濃度落地點距離煙囪較近，濃度較大。（2）錐型。這種煙流呈圓錐形，發(fā)生在中性條件下，即g－gd

≈0.垂直擴散比平展型好，比波浪型差。（3）平展型。這種煙流垂直方向擴散很小，像一條帶子飄向遠方。俯視煙流呈扇形展開。它發(fā)生在煙囪出口處于逆襲層中，即該大氣g－gd

﹤－1.污染情況隨煙囪高度不同而異。當煙囪很高時，近處地面上不會造成污染，在遠方會造成污染；當煙囪很低時，會造成近處地面上嚴重污染。第18頁,共57頁，2024年2月25日，星期天(4)爬升型（屋脊型）。這種煙流的下部是穩(wěn)定的大氣，上不是不穩(wěn)定的大氣。一般在日落后出現(xiàn)，地面由于有效輻射的放熱，低層形成逆溫，而高空仍保持遞減層結，。它持續(xù)時間較短，對近處地面污染較小。（5）漫煙型（熏煙型）。對于輻射逆溫，日出后由于地面增溫，低層空氣被加熱，使逆溫從地面向上逐漸消失，即不穩(wěn)定大氣從地面向上逐漸發(fā)展，當發(fā)展到煙流的下邊緣或更高一點時，煙流便發(fā)生了向下的強烈擴散，而上邊緣仍處于逆溫層中，漫煙型便發(fā)生了。這是時煙流下部g－gd

﹥0，上部g－gd

﹤－1。這種煙流多發(fā)生在上午8~10點，持續(xù)時間很短。第19頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（四）逆溫

輻射到地球表面的太陽輻射主要是短波輻射，地面吸收太陽輻射后溫度升高，由于地面的溫度水平不高，所以是以長波輻射的形式向空中輻射能量。大氣吸收短波輻射的能力很弱，而吸收長波輻射的能力卻較強。因此，在大氣邊界層內(nèi)特別是近地層內(nèi)，空氣溫度的變化主要是受地表長波輻射的影響。近地層空氣溫度隨著地面溫度的增高而增高，而且是自下而上的增高，此時隨高度增加近地層氣溫是遞減的；反之，空氣溫度所地表溫度降低而降低，也是自下而上的降低，此時隨高度增加近地層氣溫是遞增的。大氣溫度層結一般是g﹥0，即氣溫隨高度增加是遞減的。但在特定條件下也會發(fā)生g=0或g﹤0的現(xiàn)象，即氣溫隨高度增加而不變或增加。一般將氣溫隨高度增加而增加的氣層稱為逆溫層。根據(jù)前面對大氣穩(wěn)定度的分析，當發(fā)生等溫或逆溫時，大氣是穩(wěn)定的，所以逆溫層（等溫層可視為逆溫層的一個特例）的存在，大大阻礙了氣流的垂直運動，所以也將逆溫層稱為阻擋層。若逆溫層存在于空中某高度，由于上升的污染氣流不能穿過逆溫層而積聚在它的下面，則會造成嚴重的大氣污染現(xiàn)象。事實表明，有許多大氣污染事件發(fā)生在逆溫及靜風的氣象條件下，所以在研究污染物的大氣擴散時必須對逆溫給予足夠的重視。逆溫可發(fā)生在近地層中，也可能發(fā)生在較高氣層（自由大氣）中。根據(jù)逆溫生成的過程，可將逆溫分為輻射逆溫、下沉逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫及湍流逆溫五種。第20頁,共57頁，2024年2月25日，星期天1.輻射逆溫在晴朗無云（或少云）的夜間，當風速較?。ㄐ∮?m/s）是時，地面因強烈的有效輻射而很快冷卻，近地面氣層冷卻最為強烈，較高的氣層冷卻較慢，因而形成了自地面開始逐漸向上發(fā)展的逆溫層，稱為輻射逆溫。圖2-5所示為輻射逆溫在一晝夜間從生成到消失的過程。圖（a）是下午時遞減溫度層結；圖（b）是日落前1h逆溫開始生成的情況，隨著地面輻射的增強，地面迅速冷卻，逆溫逐漸向上發(fā)展，黎明石到達最強，即圖（c）；日出后太陽輻射逐漸增強，地面逐漸增溫，空氣也隨之自下而上的增溫，逆溫便自下而上逐漸消失，即圖（d）；大約在上午10點左右逆溫層完全消失，即圖（e）。輻射逆溫在陸地上常年可見，但冬季最強。在中緯度地區(qū)的冬季，輻射逆溫層厚度可達200~300m，有時可達400m左右。冬季晴朗無云和微風的白天，由于地面輻射超過太陽輻射，也會形成逆溫層。輻射逆溫與大氣污染的關系最為密切。第21頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.下沉逆溫由于空氣下沉受到壓縮增溫而形成的逆溫稱為下沉逆溫。下沉逆溫的形成原因可用圖2-6說明。假定某高度有一氣層ABCD，其厚度為h，當它下沉時，由于周圍大氣對它的壓力逐漸增大，以及由于水平輻散，該氣層被壓縮成A′B′C′D′，厚度減為h′（＜h）。若氣層下沉過程是絕熱的，且氣層內(nèi)各部分空氣仍保持原來的相對位置，則由于頂部CD下沉到C′D′的距離比底部AB下沉到A′B′的距離大，使氣層頂部的絕熱增溫大于底部。若氣層下沉距離很大，就可能使頂部增溫后的氣溫高于底部增溫后的氣溫，從而形成逆溫。例如有一后500m的氣層，頂高3500m，底高3000m，氣溫分別為-12℃和-10℃。下沉后厚度為200m，頂高1700m，底高為1500m。如果氣溫按干絕熱直減率變化，則頂部增溫為6℃（增加18℃）；底部增溫為5℃（增加15℃）；結果頂部比底部氣溫高1℃，形成了逆溫。這是下沉逆溫形成的基本原因，而實際情況要復雜的多。下沉逆溫多出現(xiàn)在高壓控制區(qū)內(nèi)，范圍很廣，厚度也很大，一般可達數(shù)百米。下沉氣流一般達到某一高度就停止了，所以下沉逆溫多發(fā)生在高空大氣中第22頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3.平流逆溫由暖空氣平流到冷地面上而形成的逆溫稱為平流逆溫。這是由于低層空氣受地面影響大、降溫多，上層空氣降溫少所形成的。暖空氣與地面之間溫差越大，逆溫就越強。當冬季中緯度沿海地區(qū)海上暖空氣流到大陸上及暖空氣平流到低地、盆地內(nèi)聚集的冷空氣上面時，皆可形成平流逆溫。4.湍流逆溫低層空氣湍流混合形成的逆溫稱為湍流逆溫。實際空氣的運動都是一種湍流運動，其結果將使大氣中包含的熱量、水分和動量以及污染物質(zhì)得以充分的交換和混合，這種因湍流運動引起的屬性混合稱為湍流混合。湍流逆溫的形成過程如圖2-7所示圖（a）中的AB是氣層在湍流混合前的氣溫分布，氣溫直減率g﹤gd；低層空氣經(jīng)湍流混合后，氣層的溫度將按感覺熱直減率變化，圖（b）中的CD。

但在混合層以上，混合層與不受湍流混合影響的上層空氣之間出現(xiàn)了一個過渡層CD，即逆溫層。第23頁,共57頁，2024年2月25日，星期天5.鋒面逆溫在對流層中的冷空氣團與暖空氣團相遇時，暖空氣因其密度小就會爬到冷空氣上面去，形成一個傾斜的過渡區(qū)，稱為鋒面。在鋒面上，如果冷暖空氣的溫差較大，也可以出現(xiàn)逆溫（見圖2-8）。鋒面逆溫僅在冷空氣一遍可以看到。在實際大氣中出現(xiàn)的逆溫，有時由幾中原因共同形成的，比較復雜，所以必須做出具體的分析。第24頁,共57頁，2024年2月25日，星期天如圖2-9，在白天由于太陽輻射，陸地升溫比海洋快，在海陸大氣之間差生了溫度差、氣壓差，使低空大氣由海洋流向陸地，形成海風，高空大氣從陸地流向海洋，形成反海風，它們同陸地上的上升流和海洋上的下降流一起形成了海陸風局地環(huán)流。三、特殊環(huán)境所具有的風力場對大氣擴散的影響1.海陸風在海陸交界地帶具有海陸風，它是海風和陸風的總稱，是以24h為周期的一種大氣局地環(huán)流。海陸風是由于陸地和海洋的熱力性質(zhì)的差異而引起的。在夜晚，由于有效輻射發(fā)生了變化，陸地比海洋降溫快，在海陸之間產(chǎn)生了與白天相反的溫度差、氣壓差，使低空大氣從陸地流向海洋，形成陸風，高空大氣從海洋流向陸地，形成反陸風。它們同陸地下降氣流和海面上升氣流一起構成了海陸風局地環(huán)流。在大湖泊、江河的水陸交界地帶也會產(chǎn)生水陸風局地環(huán)流，稱為水陸風。但水陸風的活動范圍和強度比海陸風要小。由上可知，建在海邊排除污染物的工廠，必須考慮海陸風的影響，因為有可能出現(xiàn)在夜間隨陸風吹到海面上的污染物，在白天又隨海風吹回來，或者進入海陸風局地環(huán)流中，使污染物不能充分的擴散稀釋而造成嚴重污染。第25頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.山谷風

山谷風是山風和谷風的總稱。它發(fā)生在山區(qū)，是以24h為周期的局地環(huán)流。山谷風在山區(qū)最為常見，它主要是由于山坡和谷地受熱不均產(chǎn)生。在白天，太陽先照射到山坡上，使山坡比谷地上同高度的大氣溫度高，形成了由谷地吹向山坡的風，稱為谷風。在高空形成了由山坡吹向山谷的反谷風。它們同山坡上升氣流和谷地下降氣流形成了山谷風局地環(huán)流。在夜間山坡和山頂比谷地冷卻快，使山坡和山頂?shù)睦淇諝忭樕狡孪禄焦鹊?，形成了山風。在高空則形成了自山谷吹向山頂?shù)姆瓷斤L。它們同山坡下降氣流和谷地上升氣流一起構成了山谷風局地環(huán)流。山風和谷風的方向是相反的，但比較穩(wěn)定。在山風與谷風的轉(zhuǎn)換期，風向是不穩(wěn)定的，山風和谷風均有機會出現(xiàn)，時而山風，時而谷風。這時若有大量污染物排入谷中，由于風向的擺動，污染物不易擴散，在山谷中停留時間很長，有可能造成嚴重的大氣污染。第26頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3.城市熱島環(huán)流

城市熱島環(huán)流是由城鄉(xiāng)溫度差引起的局地風。

的主要原因產(chǎn)生城鄉(xiāng)溫度差異①城市人口密集、工業(yè)集中，使得能耗水平高；②城市的覆蓋物（如建筑、水泥路面等）熱容量大，白天吸收太陽輻射熱，夜間放熱緩慢，使低層空氣冷卻變緩；③城市上空籠罩著一層煙霧和CO2，使地面有效輻射減弱。由于上述原因，使城市凈熱量收入比周圍鄉(xiāng)村多，故平均氣溫比周圍鄉(xiāng)村高（特別是夜間），于是形成了所謂的城市熱島。據(jù)統(tǒng)計，城鄉(xiāng)平均溫差一般為0.4~1.5℃，有時可達6~8℃。其差值與城市的大小、性質(zhì)、當?shù)貧夂驐l件及緯度有關。

由于城市溫度經(jīng)常比鄉(xiāng)村高（特別是夜間），氣壓比鄉(xiāng)村低，所以可以形成一種從周圍農(nóng)村吹向城市的特殊的局地風，稱為城市熱島環(huán)流或城市風。這種風在市區(qū)匯合就會產(chǎn)生上升氣流。因此，若城市周圍有較多產(chǎn)生污染物的工廠，就會使污染物在夜間向市中心輸送，造成嚴重污染，特別是夜間城市上空有逆溫存在時。第27頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)、污染物濃度的估算一、高斯模式采用高斯模式估算前的四點假設①污染物濃度在y、z軸上的分布符合高斯分布（正態(tài)）；②在全部空間中風速是均勻的、穩(wěn)定的；③源強勢連續(xù)均勻的；④在擴散過程中污染物質(zhì)量是守恒的。這四點假設也是進行污染物濃度估算需要遵守的前提條件。第28頁,共57頁，2024年2月25日，星期天圖2-11同時也標出了高斯模式的坐標系，其原點為排放點（無界點源或地面源）或高架源排放點在地面的投影點，x軸正向為平均風向，y軸在水平面上垂直于x軸，正向在x軸左側，z軸垂直于水平面oxy，向上為正向，即為右手坐標系。在該坐標系中，煙流中心線或與x軸重合，或在xoy面的投影為x軸。圖2-11無限空間連續(xù)點源擴散的告示模式為：（式2-3）式中C—任一點處污染物濃度，g/m3；Q—源強，單位時間污染源排放的污染物，mg/s；sy—污染物在y方向分布的標準偏差，即水平擴散系數(shù)，m；sz—污染物在z方向分布的標準差，即垂直擴散系數(shù)，m；u—平均風速，m/s。式中H—煙囪的有效高度，m。（式2-4）高架連續(xù)點源的高斯模式，必須考慮地面對擴散的影響。可以認為地面向鏡面一樣、對污染物起全反射作用。那么下風向某點污染物的濃度應該是由兩部分組成，一部分是不存在地面反射作用時該點所具有的污染物濃度；另一部分是由于地面反射作用所增加的污染物濃度。高架連續(xù)點源的高斯模式為：第29頁,共57頁，2024年2月25日，星期天不管是無限空間連續(xù)點源，還是高架連續(xù)點源，高斯公式均表明：下風向某點污染物的濃度與源強Q成正比，與風速u和擴散參數(shù)sy和sz成反比。sy和sz實質(zhì)上是對不同穩(wěn)定度時大氣湍流擴散能力的量度。因此，高斯公式可以較正確的反映污染濃度與各種氣象因子之間的關系，并根據(jù)式（2-3）和式（2-4）兩個公式求取某點的污染物濃度。當y=0時，C（x,0,z,H）即為高架連續(xù)點源煙流中心線上污染物的濃度；當z=0時，C（x,y,0,H）即為高架連續(xù)點源的污染物在地面的濃度；當y=0，z=0時，C（x,0,0,H）即為高架連續(xù)點源煙流地面中心線上污染物的濃度；當z=0,H=0時，C（x,y,0,0）即為地面連續(xù)點源的污染物在地面的濃度；當y=0，z=0,H=0時，C（x,0,0,0）即為地面連續(xù)點源中心線上污染物的濃度.第30頁,共57頁，2024年2月25日，星期天二、擴散參數(shù)的確定

在采用高斯模式求取某點污染物濃度時，需要先確定公式中的未知擴散參數(shù)sy和sz，通常用P-G曲線法和中國國家標準規(guī)定的兩種方法求取。（一）

P-G擴散曲線法

帕斯奎爾（Pasquill）于1961年推薦了一種僅需常規(guī)氣象觀測資料就可估算sy和sz的方法，吉福德（Gifford）進一步將它做成應用更方便的圖表，所以這種方法又簡稱P-G曲線法。

這一方法首先根據(jù)太陽輻射情況（云量、云狀和日照）和距地面10m高處的風速u10將大氣的擴散稀釋能力劃分為A~F六個穩(wěn)定度級別。然后根據(jù)大量擴散試驗數(shù)據(jù)和理論上的考慮，用曲線來表示每一個穩(wěn)定度級別的sy和sz隨下風距離的變化。第31頁,共57頁，2024年2月25日，星期天1.根據(jù)常規(guī)氣象資料確定穩(wěn)定度級別P-G法劃分穩(wěn)定度級別的標準見表2-1.地面風速u10（m/s）

白天太陽輻射陰天的白天或夜間有云的夜間強中弱薄云遮天或低云云量≥5/10云量≤4/10＜2AA~BBD2~3A~BBCDEF3~5BB~CCDDE5~6CC~DDDDD＞6CDDDDD表2-1穩(wěn)定度級別劃分表

第32頁,共57頁，2024年2月25日，星期天對該標準的幾點說明如下：（1）穩(wěn)定度級別中，A為強不穩(wěn)定，B為不穩(wěn)定，C為弱不穩(wěn)定，D為中性，E為較穩(wěn)定，F(xiàn)為穩(wěn)定。（2）穩(wěn)定度級別A~B表示按A、B級的數(shù)據(jù)內(nèi)插。（3）夜間定義為日落前1h至日出后1h。（4）不論何種天氣狀況，夜間前后各1h算作中性，即D級穩(wěn)定度。（5）強太陽輻射對應于碧空下的太陽高度角大于60°的條件；弱太陽輻射相當于碧空下太陽高度角為15°~35°。在中緯度地區(qū)，仲夏晴天的中午為強太陽輻射，寒冬晴天中午為弱太陽輻射。云量將減少太陽輻射，云量應與太陽高度一起考慮。例如，在碧空下應是強太陽輻射，在有碎中云（云量為6/10~9/10）時，要減到弱太陽輻射。（6）這種方法對于開闊的鄉(xiāng)村地區(qū)還能給出較可靠的穩(wěn)定度，但對城市地區(qū)是不大可靠的。這是由于城市有較大的的地面粗糙度及熱島效應所致。最大的差別出現(xiàn)在靜風晴夜，在這樣的夜間，鄉(xiāng)村地區(qū)大氣狀況是穩(wěn)定的，但在城市，在高度相當于建筑物的平均高度幾倍之內(nèi)是弱不穩(wěn)定或近中性的，而它的上部則有一個穩(wěn)定層第33頁,共57頁，2024年2月25日，星期天圖2-12圖2-13第34頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.利用擴散曲線確定sy和sz

圖2-12和圖2-13所示為帕斯奎爾和吉福德給出的不同穩(wěn)定度時隨下風距離x變化的經(jīng)驗曲線，簡稱P-G曲線圖（兩圖對應的取樣時間為10min）。在按表2-1確定了某地某時屬于何種穩(wěn)定度級別后，便可用這兩張圖查處相應的sy和sz值（見表2-2），用內(nèi)插法可求出20km距離內(nèi)的sy和sz值。3.濃度估算

當確定了sy和sz值之后，擴散方程中其他參數(shù)也相應確定下來，利用前述一系列擴散模式就可估算出各種情況下的濃度值。第35頁,共57頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)定度標準差距離x（km）0.10.20.30.40.50.60.81.01.21.41.61.82.03.04.06.08.010121620Asy27.049.871.692.1112132170207243278313sz14.029.347.472.11051532794566749301230Bsy19.135.851.667.081.495.8123151178203228253278395508723sz10.720.530.240.551.262.884.6109133157181207233363493777Csy12.623.333.543.353.562.880.999.1116133149166182269335474603735sz7.4414.020.526.532.638.650.761.473.083.795.3107116167219316409498Dsy8.3715.321.928.835.340.953.565.676.787.998.6109121173221315405488469729884sz4.658.3712.115.318.120.927.032.137.241.947.052.156.779.1100140177212244307372Esy6.0511.616.721.426.531.240.048.857.765.673.582.385.6129166237306366427544659sz3.726.058.8410.713.014.918.621.424.727.029.331.633.541.948.660.970.779.187.4100111Fsy4.197.9110.714.417.720.526.532.638.143.348.854.560.586.5102156207242285365437sz2.334.195.586.698.379.7712.114.015.817.219.120.521.927.031.237.742.846.550.255.860.5表2-2帕斯奎爾曲線的sy和sz值

（m）

第36頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（二）

中國國家標準規(guī)定的方法1.穩(wěn)定度的分類方法

P-G法的一個重要優(yōu)點是，用簡單的常規(guī)氣象資料即可確定大氣穩(wěn)定度級別。但對太陽輻射強弱的劃分不夠確切，云量的觀測不太準確，帶有主觀性。特納爾（D.B.Turner）提出了按太陽高度角、云高和云量確定穩(wěn)定度級別的方法，簡稱P-T法。在P-T法的基礎上修訂成的GB/T3840—1991《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》，先按太陽高度角和云量確定太陽輻射等級（見表2-3），再由輻射等級和地面風速確定穩(wěn)定度級別（見表2-4）?？傇屏?低云量夜間太陽高度角h0h0≤15°15°＜h0≤35°35°＜h0≤65°h0＞65°≤4/≤4-2-1+1+2+35~7/≤4-10+1+2+3≥8/≤4-100+1+1≥7/5~70000+1≥8/≥800000表2-3太陽輻射等級第37頁,共57頁，2024年2月25日，星期天表2-4大氣穩(wěn)定度的等級地面風速（m/s）太陽輻射等級+3+2+10-1-2≤1.9AA~BBDEF2~2.9A~BBCDEF3~4.9BB~CCDDE5~5.9CC~DDDDD≥6CDDDDD注：地面風速是指距地面10m高度處10min的平均風速表中的太陽高度角h0按下式計算：式中h0—太陽高度角，（°）；

w—當?shù)氐乩砭暥?，（°）?/p>

l—當?shù)氐乩斫?jīng)度，（°）；

t—進行觀測時的北京時間，h；

d—太陽傾角，（°）。（式2-5）太陽傾角d可按當時月份和時間由表2-5查取，或按下式計算：（式2-6）式中u0=360dn/365；

dn—一年中日期序數(shù)，0,1,2,…，365。第38頁,共57頁，2024年2月25日，星期天月旬太陽傾角（°）月旬太陽傾角（°）月旬太陽傾角（°）1上﹣225上﹢179上﹢7中﹣21中﹢19中﹢3下﹣19下﹢21下﹣12上﹣156上﹢2210上﹣5中﹣12中﹢23中﹣8下﹣9下﹢23下﹣123上﹣57上﹢2211上﹣15中﹣2中﹢21中﹣18下﹢2下﹢19下﹣214上﹢68上﹢1712上﹣22中﹢10中﹢14中﹣23下﹢13下﹢11下﹣23表2-5太陽傾角（d）的概略值第39頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.擴散參數(shù)的選擇我國在標準BG/T3840-1991中規(guī)定，取樣同時間為0.5h，擴散參數(shù)按冪函數(shù)表達式sy=g1xa1，sz=g2xa2

查算（見表2-6）.擴散參數(shù)選取方法如下：（1）平原地區(qū)農(nóng)村和城市遠郊區(qū)，A、B、C級穩(wěn)定度按表2-6直接查算，D、E、F級穩(wěn)定度則需向不穩(wěn)定方向提半級后按表2-6查算。（2）工業(yè)區(qū)或城區(qū)中的點源，A、B級不提級，C級提到B級，D、E、F級向不穩(wěn)定方向提一級，再按表2-6查算。（3）丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，擴散參數(shù)選取方法同工業(yè)區(qū)。（4）當取樣時間大于0.5h時，垂直方向擴散參數(shù)sz不變，橫向擴散參數(shù)按下式計算：(式2-7）式中sy2—對應取樣時間為t2時的橫向擴散參數(shù)，m；

sy1—取樣時間為t1=0.5h時的橫向擴散參數(shù)，按表2-6查??；

t1—0.5h；

q—時間稀釋指數(shù)，當0.5h≤t2＜1h時，q=0.2，當1h≤t2＜100時，q=0.3.第40頁,共57頁，2024年2月25日，星期天sy=g1xa1sz=g2xa2穩(wěn)定度a1g1下風距離x（m）穩(wěn)定度a2g2下風距離x（m）A0.9010740.8509340.4258090.6020520~1000＞1000A1.121541.513602.108810.07999040.008547710.0002115450~300300~500＞500B0.9143700.8509340.2818460.3963530~1000＞1000B0.9644351.093560.1271900.0570250~500＞500B~C0.9193250.8750860.2295000.3142380~1000＞1000B~C0.9410151.007700.1146820.07571820~500＞500C0.9242790.8851570.1771540.2321230~1000＞1000C0.9175950.106803＞0C~D0.9268490.8869400.1439400.1893960~1000＞1000C~D0.8386280.7564100.8155750.1260.2356670.1366590~20002000~10000＞10000D0.9294180.8887230.1107260.1466690~1000＞1000D0.8262120.6320230.5553600.1046340.4001670.8107631~10001000~10000＞10000D~E0.9251180.8927940.09856310.1243080~1000＞1000D~E0.7768640.5723470.4991490.1117710.5829921.038100~20002000~10000＞10000E0.9208180.8968640.08640010.1019470~1000＞1000E0.7883700.5651880.4147430.0975290.4333841.732410~10001000~10000＞10000F0.9294180.8887230.05536340.7333480~1000＞1000F0.7844000.5259690.3226590.06207650.3700152.406910~10001000~10000＞10000表2-6P-G擴散曲線冪函數(shù)數(shù)據(jù)（取樣時間0.5h）第41頁,共57頁，2024年2月25日，星期天三、地面最大濃度圖2-14所示為地面源和高架源在下風方向造成的地面濃度分布曲線?？梢钥闯?，在下風向一定距離x處中心線的濃度高于邊緣部分。第42頁,共57頁，2024年2月25日，星期天圖2-15所示為兩種源的地面軸線濃度分布曲線對于地面無線空間連續(xù)點源[見圖2-15（a）]，下風向地面軸線污染物濃度隨距污染源的距離增加而降低。對于高架源[見圖2-15（b）]，下風向地面軸線濃度先隨距離x的增加而急劇增大，在距源1~3km的不太遠距離處（通常為1~3km）地面軸線濃度達到最大值時，若x繼續(xù)增加，地面軸線濃度則逐漸減小。第43頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

地面最大濃度及其出現(xiàn)的地點是關健的問題，如果地面最大濃度都沒有超出國家標準，那么污染源就不會對周圍環(huán)境造成污染；反之，如果地面最大濃度超出了國家標準，那么污染源就可能對周圍環(huán)境造成污染，也就有必要知道被污染的區(qū)域。

從圖2-14可以看出，對于地面無限空間連續(xù)點源，污染物最大濃度出現(xiàn)在污染源所在處，因此只需將x=0，y=0代入式（2-3）即可求的污染物的最大濃度。然而對于高架源，從圖2-15可以看出，地面污染物最大濃度出現(xiàn)在下風向軸線上，因此可以先將x=0，y=0代入式（2-4）得到污染物在地面的濃度分布曲線公式即（式2-8）隨x的增大而減小隨x的增大而增大sy、sz隨x增大而增大因此，必然存在某一距離x處出現(xiàn)污染物濃度最大值。

假設sy/sz的比值不隨距離x發(fā)生變化，將式（2-8）對sz進行求導，并令其等于零，即可得到污染物地面最大濃度計算公式：（式2-9）第44頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)最大濃度點sz|xCmax、大氣穩(wěn)定度類型反查圖2-13就可得出最大濃度在下風向局污染源的距離x。再根據(jù)穩(wěn)定度類型和x值查圖2-12就可以得出最大濃度點的sy|x=xCmax，將sz|xCmax和sy|x=xCmax代入式（2-9）就可以算出污染物地面最大濃度。

可見，當大氣穩(wěn)定度一定時，擴算參數(shù)的比值sy/sz一定，高架連續(xù)點源的地面最大濃度Cmax與污染源的高度H的平方成反比。污染物最大濃度出現(xiàn)點的sz值為：（式2-10）第45頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)、污染物控制的常用數(shù)據(jù)及計算一、煙氣體積計算1.理論煙氣體積在理論空氣量V0下，燃料完全燃燒所生成的煙氣體積稱為理論煙氣體積，以V0fg表示

煙氣主要成分是CO2、SO2、N2和水蒸氣。通常把煙氣中除了水蒸氣以外的部分稱為干煙氣，把包括水蒸氣在內(nèi)的煙氣稱為濕煙氣。所以理論煙氣體積等于干煙氣體積和水蒸氣體積之和，即理論煙氣體積=干煙氣體積+水蒸氣體積。理論水蒸氣體積的構成①燃料中氫燃燒后生成的水蒸氣體積；③由供給的理論空氣量代入的水蒸氣體積。②燃料中所含的水蒸氣體積；2.煙氣體積和密度的校正燃燒裝置產(chǎn)生的煙氣溫度和壓力總是高于標準狀態(tài)（273K、1atm），在煙氣體積和密度計算中往往需要換算成為標準狀態(tài)。第46頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3.過量空氣的校正因為實際燃燒過程是有過?？諝獾模匀紵^程中的實際煙氣體積應為理論煙氣體積與過?？諝庵停╒實際煙氣=V理論煙氣+V過剩空氣）。用奧薩特煙氣分析儀測定煙氣中CO2、O2和CO的含量，可以確定燃燒設備在運行中煙氣成分和過量空氣系數(shù)。

大多數(shù)煙氣可以視為理想氣體，所以在煙氣體積和密度換算中可以應用理想氣體狀態(tài)方程。若設觀測狀態(tài)下（溫度Ts、壓力ps）煙氣體積為Vs、密度為rs，在標準狀態(tài)下（溫度TN、壓力pN）煙氣體積為VN，密度為rN，則由理想氣體狀態(tài)方程可以得到標準狀態(tài)下的煙氣體積VN及標準狀態(tài)下煙氣的密度rN。式（2-11）式（2-12）應該指出，美國、日本和國際全球監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)的標準狀態(tài)是指298K和1atm，在做數(shù)據(jù)比較或校對是需注意。第47頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

以碳在理論空氣量中完全燃燒為例。由于理想氣體的摩爾比與體積比相等，空氣中N2的體積是O2的79/21=3.76倍，則其燃燒方程式為

C+O2+3.76N2→CO2+3.76N2若空氣過量，煙氣中不僅含有CO2和N2，還有O2，則燃燒方程式為

C+(1+m)O2+(1+3)3.76N2→CO2+mO2+(1+m)3.76N2

式中m為過?？諝庵蠴2的過剩摩爾數(shù)。根據(jù)定義式，過量空氣系數(shù)a為式（2-13）若燃燒是完全的，過剩空氣中的氧僅能夠以O2的形式存在，計入燃燒產(chǎn)物以下表p表示則燃燒方程式變?yōu)?/p>

C+(1+m)O2+(1+m)3.76N2→CO2p+O2p+N2p其中，O2p=mO2,表示過剩氧量；第48頁,共57頁，2024年2月25日，星期天N2p為實際空氣量中所含的總氮量?？諝獾捏w積組成為21%O2和79%N2，則實際空氣量中所含的總氧量為：式（2-14）理論需氧量為0.266N2p－O2p，因此過量空氣系數(shù)為式（2-15）假如燃燒過程產(chǎn)生CO，過剩氧量必須加以校正，即從測得的過剩氧中減去氧化CO為CO2所需的氧，即式（2-16）式中各組分的量均為奧薩特分析儀所測得的各組分的百分數(shù)。例如奧薩特分析儀分析結果為：CO2=10%,O2=4%,CO=1%,那么N2=85%,則式（2-17）考慮過剩空氣校正后，實際煙氣體積為式（2-18）第49頁,共57頁，2024年2月25日，星期天二、污染物排放量的計算【例1】對于給定的重油，成分分析結果如下：C=86%，H=10%，S=3%，H2O=0.7%，灰分A=0.30%。若燃料中硫轉(zhuǎn)化為SOx（其中SO2占95%），試計算過量空氣系數(shù)a=1.30時煙氣中SOx及SO2的濃度，以10-6表示，并計算此時干煙氣中CO2的含量，以體積百分比表示（計算過程中體積均以標準狀態(tài)下的體積計）。解題步驟（1）理論空氣量條件下的煙氣量及其組成；（2）實際煙氣量；（3）SO2及SO3的濃度；（4）煙氣中CO2的含量。組分質(zhì)量（g）摩爾數(shù)（mol）需氧量（mol）C86071.6771.67H10010025S300.940.96H