工程环境保护与可持续发展第5章__大气污染扩散

第五章大气污染扩散第一节大气结构与气象一、大气的结构1.对流层2.平流层3.中间层4.暖层二、气象要素1.气压2.气温3.气湿4.云5.能见度6.风三、大气温度的垂直分布1.气温直减率2.大气的温度层结3.干绝热直减率四、大气的稳定度1.大气稳定度2.大气稳定度的分类第二节大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论1.湍流2.湍流扩散与正态分布的基本理论二、高斯扩散模式（一）连续点源的扩散1.大空间点源扩散2．高架点源扩散3.地面点源扩散（二）连续线源的扩散（三）连续面源的扩散三、扩散参数及烟流抬升高度的确定1.扩散参数σy、σz的估算2.烟流抬升高度Δh的计算第三节影响大气扩散的若干因素一、气象因子影响1.大气稳定度2.风二、地理环境状况的影响1.地形状况2.地面物体三、污染物特征的影响第四节烟囱高度及厂址一、烟囱高度的设计方法1.烟囱高度对烟气扩散的影响2.烟囱高度的设计方法3.影响烟囱设计高度的因素二、厂址的选择1.本底环境浓度2.风向和风速3.温度层结4.地形第一节大气结构与气象一、大气的结构大气层：地面→1200km的空气层。质量98.2％集中在30km以下。大气结构：根据竖直方向大气密度、温度、组成的分布状况可分为：对流层、平流层、中间层、暖层。①对流层。＜10km，大气质量75％，几乎全部水蒸气、微尘杂质，主要天气现象。地表吸热，H↑，t↓，0.65℃/100m，垂直混合较强烈。大气边界层（摩擦层），＜1.5km，污染物扩散稀释主要层；＞1.5km，自由大气。②平流层。10~55km，大气质量24.9％，稀薄，干燥。＜22km为同温层，H↑，t=C。22～25km臭氧层，吸热，H↑，t↑，竖直混合微弱，处于平流运动。③中间层。＜80km，质量10-3。H↑，t↓，对流强烈，垂直方向混合明显。④暖层（电离层）。＜800km，质量10-5。强烈紫外线下，H↑，t↑↑，昼夜变化大。电离层。二、气象要素气象要素：气压、气温、气湿、云、风、能见度以及太阳辐射等。风和湍流运动直接影响污染物扩散，气温垂直分布又制约着风场与湍流结构。1.气压大气压强，Pa（mbar、Pa）。273K，450海平面，p0=1013.25hPa为标准大气压。H↑，p↓。dpgdZ2.气温1.5m处百叶窗内测量到的大气温度。3.气湿大气湿度，空气水蒸气含量。绝对湿度、水蒸气分压、露点、相对湿度和比湿。4.云微小水滴或冰晶构成的汇集物质。云吸收或反射太阳的辐射，反映了气象要素的变化和大气运动的状况。云量：云遮蔽天空的份额。我国将视野天空分10等分，阴天为10；晴天为0。云高：云底距地面的高度。低云＜2500m；中云2500～5000m；高云＞5000m。5.能见度正常视力，从水平方向中能够看到或辨认出目标物的最大距离。反映大气混浊/透明的程度。10个级别，0级＜50m，9级＞50km。6.风空气在水平方向的运动。风向：风的来向。用16或8个方位表示。用角度表示，北风为0o，顺时针方向夹角称为风向角。风速：单位时间水平运动的距离。距地10m，一定时间内观测到的平均值。自由大气为水平匀速运动。大气边界层，H↑，u↑11(/)nuuzzn—与大气稳定度有关。中性，开阔平坦，n＝1/7。①日变化。日出：地面吸热，大气上升运动，上下混合强烈，下层风大，高层风小；夜间：地面冷却，湍流停止，下层风小，高层风大。②海陆风。陆地和海洋差异产生的热力效应，日变化。陆地热容量＜海水，地温升、降快。海风：白天，陆地气温＞海洋，陆地空气上升，低层气压＜海上。下层空气从海面→陆地，高层空间由陆地→海洋，形成闭合环流；陆风：夜间，陆地气温＜海洋，海洋空气上升，低层气压＜陆地。下层空气从陆地→海洋，高层空间由海洋→陆地，形成闭合环流。③季风：海、陆差异热力效应，四季周期变化的大气环流，影响范围比海陆风大得多。夏季：大陆气温＞海洋，低层空气从海洋→大陆，高层相反流动，类似于白天海风环流。东南风（太平洋高压控制）冬季：大陆气温＜海洋，低层空气从大陆→海洋，类似于夜间陆风环流。西北风（蒙古高压控制）。④峡谷风：气流从开阔地区进入流动截面积缩小的狭窄峡谷口，气流加速而形成的强风。⑤山谷风：山区地理差异产生热力作用，日变化。谷风：白天，山坡吸热强，气温高，空气上升，从谷底沿山坡向上流动。谷底上空气流下降，形成热力循环。（阴风）山风：夜间，山坡冷却快，气温低，空气密度大，沿山坡向谷底流动。三、大气温度的垂直分布1.气温（垂）直（递）减率实际大气的气温沿垂直高度的变化率TZ2.大气的温度层结气温随垂直高度的分布规律。坐标图上为温度层结曲线。反映沿高度的大气状况是否稳定，直接影响空气的运动，以及污染物质的扩散过程和浓度分布。①递减层结。H↑，t↓，0。晴朗白天，风力较小。空气团降温速度慢，加速上升，不稳定。②等温层结。H↑，t＝C，＝0。阴天、多云、大风。空气团降温速度快，上升运动将减速并转而返回，趋于稳定。③逆温层结。H↑，t↑，0。大气在竖直方向基本停滞，强稳定状态。对大气污染扩散影响极大，有辐射逆温：地面快速冷却形成。晴天夜间，地面冷却，离地近，气温冷却快，离地远，降温慢，自地面向上形成辐射逆温，日出前充分发展。日出后，地面吸热，逆温层又自下而上消失，上午九点钟全部消失。下沉逆温：高压区，某层空气下沉，使下层空气被压缩升温。湍流逆温：绝热状态下的大气湍流；平流逆温：暖空气水平流至冷地表上空；锋面逆温：冷暖空气相遇，暖空气爬到冷空气上面。上层逆温：离地面数十米至数千米的高空。干绝热直减率（干空气温度绝热垂直递减率）:干空气团在绝热升降过程中，其温度随高度的变化值。干空气团绝热上升时，因周围气压减小而膨胀，内能用于膨胀做功，而使其温度降低；反之，当气团绝热下降时，由于外界压力增大，外部压力对其压缩做功，使其内能增加，因而气团温度上升.根据热力学第一定律：状态方程：压力分布：推导得到：CzfzTrd)(WuqRdTpvd)(0pdvdTCvvgdzgdzdpgzpmkmkkkgJsmCpgdzdTrd100/1/10)./(1005)/(81.9/22四、大气的稳定度1.大气稳定度大气在垂直方向上的稳定程度。外力作用，空气团加速上升或下降。到某一位置时消除外力：①继续加速向前运动，不稳定大气；②匀速运动，中性大气；③逐渐减速返回，稳定大气。大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快。①＞0：＞d，a＞0，气团加速，不稳定；＝d，a＝0，中性；＜d，a＜0，气团减速，弱稳定②≤0：等温、逆温，强稳定＜d—大气稳定性判据。2.大气稳定度的分类与天气现象、时空尺度、地理条件密切相关.帕斯奎尔（Pasquill）法：根据风速、太阳辐射、夜间云量状况，将稳定度分为A～F六个级别（极不稳定、不稳定、弱不稳定，中性、弱稳定、稳定）。常规气象资料确定，简单易行，但没有确切描述太阳辐射强度，云量的确定也不准确，粗略。特纳尔(Turner)法：根据太阳高度角θh和云量(10分制)，确定太阳辐射等级，再由太阳辐射等级和风速确定大气稳定度的级别。第二节大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论1.湍流：风的强度与方向随时间不规则的变化。特征尺度（高度）大，湍涡发展不受空间限制，较小速度下就有很高的雷诺数。机械湍流－地面摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，地面障碍物使风向与风速突然改变。热力湍流－地表受热不均匀、大气温度层结不稳定，在垂直方向产生温度梯度而造成的。烟气在大气中的扩散:（a）无湍流，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，扩散速率缓慢；（b）烟团尺度湍涡边缘受小湍涡扰动，与周边空气混合，缓慢膨胀，烟流呈直线向下风运动；（c）烟团尺度≈湍涡，烟团被迅速撕裂，大幅度变形，快速膨胀，扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；（d）烟团尺度＜湍涡，受大湍涡卷吸扰动影响较弱，本身膨胀有限，在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。2.湍流扩散与正态分布的基本理论大气处于湍流状态。污染物排入大气后，一方面；（1）随大气整体飘移；（2）另一方面，从高浓度区向低浓度区扩散、稀释。大气扩散理论就是在各种气象、下垫面条件下，用数理方法模拟不同的大气污染扩散过程，预报污染物浓度时空变化规律。扩散理论：梯度输送理论、相似理论、统计理论（都有较大局限性）（湍流统计理论体系的）高斯扩散模式：排放源：地面源(Z＝0)、高架源(Z=H)。风向平行于x轴。假定：①源强q均匀连续；②风速u均匀恒定；③污染物在y,Z轴符合正态分布；④污染物在扩散中质量守恒。二、高斯扩散模式1.连续点源的扩散（1）大空间点源假设：①流场稳定，风速均匀，风向平直；②浓度在y、z轴符合正态分布③污染物质量守恒；④源强均匀、连续。图：源于坐标原点o，风向与x轴平行、正向同向。扩散具有y与z两个方向的二维正态分布，分布密度为一维分布函数的乘积。由正态分布②，得浓度分布函数为：22221,,()exp2yzyzCxyzAxC—浓度；A（x）—待定系数；σy、σz—水平、垂直方向的扩散系数。由质量守恒③和连续④，在任一垂直于x轴的烟流截面上有：quCdydzq—源强，单位时间内排放的污染物；u—平均风速。2yzqAxu22221,,exp22yzyzqyzCxyzu（5－19）C代入,由风速稳定①，A与y、z无关，考虑到③和④，积分得A（x）σy、σz—与大气稳定度有关，随x增大而增加。当y＝0，z＝0时，A（x）即为x轴上的浓度，为垂直于x轴横截面上的最大浓度Cmax。当x→∞时，σy及σz→∞，则C→0，完全扩散。（2）高架点源地面o为原点，有效源在z轴上，H＝h（烟囱几何高度）＋Δh（抬升高度）①地面全反射时：像源法求解k点(0，0，H)实源在k点扩散和地面反射浓度的叠加。反射视为与实源对称的位于(0，0，－H)像源扩散到k点浓度。实源：坐标沿z轴向下平移距离H，(z-H)22s22z1exp22yzyzHqyCu（5－20）像源：坐标沿z轴向上平移距离H，(z＋H)22x22z1exp22yzyzHqyCu（5－21）K点的浓度：C＝Cs＋Cx（5－22）②地面全吸收时：Cx＝0，C＝Cs式（5－20）③地面浓度（假定为全反射时）：最关心地面，尤其是最大浓度值和离源头距离。在式（5－22）中，令z＝0：x轴线上浓度分布：再令y＝0，则22221(,,0)exp2yzyzqyHCxyu（5－23）22(,0,0)exp2yzzqHCxu（5－24）x轴：排放源附近C＝0，顺风向C↑，某处达到Cmax，以后C↓。H↑，→σz↑、xmax↑，则Cmax点离源越远。H和u↑，则Cmax值↓，防止污染物在某一局部聚积。假定σy/σz＝常数，式（5－24）求导可得：max22zyqCeuHmax|/2zxxH（3）地面点源①全反射：全反射高架源扩散式（5－22）中H＝0，则C＝2C大空间式（5－19）②全吸收：式（5－20）H＝0，C＝C大空间式（5－19）高斯扩散模式的一般适用条件是：①地面开阔平坦，下垫面以上大气湍流稳定；②扩散处于同一大气温度层结中，范围＜10km；③扩散中无化学反应，地面全反射；④平均风向和风速平直稳定，且u＞1～2m/s。2.连续线源的扩散（自学）3.连续面源的扩散（自学）三、扩散参数σy、σz及抬升高度Δh的确定公式应用效果依赖于各参数的准确性。u取常规气象数据；源强q计算或测定，σy、σz、Δh与气象条件和地面状况密切相关。1.扩散参数σy、σz的估算σy、σz实验确定。帕斯奎尔(Pasquill)和吉福特(Gi