污染气象学非扩散过程及特殊扩散

§4.5其他非扩散过程非扩散过程:1.烟流抬升作用，增加烟源有效高度2.污染物干沉积、湿沉积和由化学变化形成的迁移转化3.固体下垫面的作用一大气清除过程的一般表述1.基本机制：(1)干沉积——由地面的土壤、水、植物、建筑物等通过污染物质的重力沉降、碰撞与捕获、吸收与吸附、光合作用或其它生物、化学、物理过程实现；(2)湿沉积——由云、雾和降水(雨，雪等形式)等通过污染物质被吸收进入水滴或随水滴被清除。此外。化学转化亦是一种清除机制，但它是由一种物质转换成另一种物质，因此．它只是对原生污染物的清除，同时却又滋生新的次生污染物。湿沉积：令气体污染物在(x,y,z)位置，t时刻的平均浓度为q(x,y,z;t)，而平均的气溶胶尺度分布函数为F(Dp；x,y,z,t)。函数:冲洗系数,与离地高度和时间有关(,)(,,;)ztqxyzt(,,)(,,,;)ppDztFDxyzt污染气体清除率气溶胶清除率干沉积定义为那些使污染物质在地面被消除的过程。物质垂直向下的通量可用一个称之为沉积速度的经验参数乘上某高度的物质浓度。dv1z),,,(tzyxqvd沉积速度与以下诸因素有关：(1)被清除的粒子种类或物质；(2)表征近地面层状态的特性的气象参数；(3)地面本身的性质。dv对地面的湿通量是自空中所有体积单元湿清除之和。(,)(,,;)(,,)(,,,;)ppwztqxyztdzwDztFDxyztdz气粒根据此定义湿沉积速度wv(,,0;)wwvqxyt如果正被清除的物质在厚度为H的一层里垂直分布是均匀的(,)wvztdzH定义冲洗比(washoutratio)rw()(,,0;)rqwqxyt水相湿沉积速度与冲洗比之间有关系00()(,,0;)(,,0;)awrwqPvwPqxytqxyt水相？二高斯烟流扩散公式的修正形式经修正的高架连续点源高斯烟流扩散公式:222221/22()exp[]2()0.693(,,;)exp()exp[]22()exp[]2szsyzyzvxzHuQxyxqxyzHvxuTuzHu大粒子重力沉降地面反射系数半衰期随距离变化svxu1/2T222021()expdzvzuxHzQxQdxe大粒子重力沉降的影响。下垫面反射系数。污染物半衰期时间。源项随距离x的变化三干沉积-下垫面清除1.大粒子的重力沉降大气中各种处于气溶胶状态的粒子污染物有一定的尺度分布，对于粒径大于10um的大粒子在大气中运动时会产生重力沉降。对于粒径20—60um范围的粒子，粘滞性不大的情况下，可采用斯托克斯公式计算它们的末速度，其大小与粒子的密度有关，即有sv2222()99sarrvgg粒子半径空气动力粘滞系数空气密度对于粒径更大的粒子，须对斯托克斯公式修正对粒径200um的粒子，其沉降速度100cm/s，可按弹道计算。对粒子沉降速度在100cm/s，粒径200um，可采用边偏斜烟流模式处理，修改高斯扩散公式，考虑重力沉降的影响。当考虑以下斜烟流轴线为基准的扩散时，有2222()()(,,;)exp()exp[]222syzzyvxzHQxyuqxyzHu考虑地面反射作用222222()exp[]2()(,,;)exp()22()exp[]2szsyzyzvxzHuQxyqxyzHvxuzHu发一度电差不多是耗煤300克，华能南京电厂年发电量64万千瓦，除尘效率95%，假若75%在周围9平方公里范围内沉降，每月每平方公里范围的尘量是多少？假如H=100m，u=5m/s,粒子密度=2.5g/cm3,空气密度=1.29kg/m3，粒径20um，求烟流轴线触地的水平距离.2气体和小粒子的干沉降气体和很小的粒子(粒径小于10-20um)上述沉降作用可忽略不考虑。但由于湍流扩散和布朗运动沉积到各种表面。吸收、碰撞、光合作用和其它生物学、化学和物理学过程会使物质沉积到地面。一般都假定下垫面对这类小粒子的清除作用不影响大气中污染物的浓度分布形式，而只影响大气中污染物的总量，或者说影响有效源强。最普遍采用的一种方法是所谓“源损耗”模式或称有效源强法。222021()expdzvzuxHzQxQdxe源项随距离x的变化干沉积主要是优先清除近地面处的污染，而并非在整个烟流厚度层范围均匀起作用的。故此，源损耗模式尚有必要进一步改善。重力沉降、湍流运动、布朗运动、惯性作用和静电作用等，是形成干沉积的主要物理过程。化学反应、溶解、解吸等则是形成干沉积的主要化学过程。对于植被那样的生物沉积表面，植被子生长的形态特征、生命过程以及静电性质等则是影响干沉积的主要生物学特征。这几方面过程都会受气象条件、污染物性质和沉积表面的特性的影响。3干沉积速度的理论计算干沉积过程可视为三步：①由湍流扩散支配物质向贴地层输送；②物质通过紧贴地面的片流子层向吸收体扩散，称为地面输送；③由在地面的物质可溶性或吸收率确定通过片流子层扩散的物质实际上有多少被消除，这个最后的过程称为转移过程。根据干沉积速度的定义，它是垂直通量与实测浓度之间的比例常数。整个沉积的三个步骤可类同于电流或热量传送的情形。1()dastvrrr1()dastsssvrrrrvv气体粒子四湿沉积大气中的雨、雷等降水形式和其它水汽凝结物，如云、雾、霜等都能对空气污染物，包括气体和粒子起到清除作用，称为降水清除或湿沉积。通常，把由降水造成的污染物清除过程称为雨洗(或雪洗)，这种过程将空气污染带到地面。按照降水清除过程发生所在高度分成云下清洗(washout)和云中清洗(rainout)。为模拟上述降水清除过程对空气污染物散布的影响，一般采用两种方法，即定义清除系数和清洗比的处理方法。1：清除系数的处理方法2：清洗比的处理方法rwmhmhmzCCCCCCuvwKKKtxyzxxyyzzSRchemis欧拉方法－污染物平流扩散方程平流输送项湍能扩散项源排放项干湿沉降化学反应五化学转换和空气污染物的滞留与迁移排放进入大气层的烟流中，各种化学物质和大气成分混合输送，在适当的气象条件下，如辐射、温度、湿度和降水等，会发生化学反应以致变性或生成二次污染物，经过在大气层中一定时间的滞留而后迁移。对于空气质量影响的模拟，最普通并具典型意义的此类变化与迁移的例子有如：(1)由煤的燃烧和其它工业源排放SO2和NOx初级空气污染物氧化生成硫酸盐、硝酸盐和臭氧等二次污染物，对区域性在大气酸性和降水酸化以及臭氧成分的变化有重大作用(2)城市汽车废排放和其它工业源排放的HC化合物和NOx等初级空气污染物在太阳辐射作用下生成光化学烟雾的过程，其中主要组成成分有臭氧和过氧乙醛硝酸盐(PAN)等二次污染物，对城市区城空气质量和人体健康有重要影响；(3)放射性污染物质的衰变与迁移，如燃料中含有一定放射性物质，核反应设施的裂变产物的泄漏或废弃物中的微量残留物等；（4）粒子和气体污染物在干湿清除过程中的化学反应和各种途径的迁移，例如，上节所述气体向水滴输送以及在水满中可能发生的一些化学反应，生成的二次污染物质被清除到地，影响地面空气污染物浓度的分布并造成危害。通常，采用最为简单的处理方式，即假设一个随时间常数变化的污染物浓度指数化学衰减率，即有cT()exp()(0)cqttqT放射性衰变放射性衰变亦是能影响污染物(其中含有放射性物质)迁移的一种简单的清除过程。例如，燃料煤和其它工业矿物原料的燃烧都排放含有一定量的放射性物质，如镭(Ra)，它们被引入城市大气层等等。显然，它们的浓度通常都很低，而且都遵循日渐降低简单的衰变规律0exp()tqqt污染物滞留时间空气污染物滞留时间亦称居留时间(residencetime)是表征空气污染物在一定时期，一定空间范围里的寿命的一个特征量。它定义为这样一个时间，即假定没有污染物补充，没有污染物穿过区域边界，该区域大气里污染随时间减少至原来的1/e倍所需的时间。污染物在大气中的物理—化学衰减综合考虑上述所有导致空气污染物可能被清除或迁移的物理和化学过程，滞留时间或居留期反映了空气污染物衰变的快慢。实际的空气污染物浓度，在综合了各种清除机制后，仍假定它是随时间呈指数形式变化：0exp()qqt为了表征空气污染物的被清除的快慢，可以定义一个半衰期或称半生命期()的特征时间，意即由于清除或迁移作用使空气污染物浓度衰减为原来浓度的一半所需的时间。由此可得：1/2T01/20.693exp()qqtT大气清除过程、干沉积、湿沉积高斯烟流扩散公式的修正形式斯托克斯公式偏斜烟流模式有效源强法干沉积速度的理论计算清除系数、清洗比、污染物滞留时间