大气污染扩散模型

第一节大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论1.湍流低层大气中的风向是不断地变化，上下左右出现摆动；同时，风速也是时强时弱，形成迅速的阵风起伏。风的这种强度与方向随时间不规则的变化形成的空气运动称为大气湍流。湍流运动是由无数结构紧密的流体微团——湍涡组成，其特征量的时间与空间分布都具有随机性，但它们的统计平均值仍然遵循一定的规律。大气湍流的流动特征尺度一般取离地面的高度，比流体在管道内流动时要大得多，湍涡的大小及其发展基本不受空间的限制，因此在较小的平均风速下就能有很高的雷诺数，从而达到湍流状态。所以近地层的大气始终处于湍流状态，尤其在大气边界层内，气流受下垫面影响，湍流运动更为剧烈。大气湍流造成流场各部分强烈混合，能使局部的污染气体或微粒迅速扩散。烟团在大气的湍流混合作用下，由湍涡不断把烟气推向周围空气中，同时又将周围的空气卷入烟团，从而形成烟气的快速扩散稀释过程。烟气在大气中的扩散特征取决于是否存在湍流以及湍涡的尺度(直径)，如图5－7所示。图5－7（a）为无湍流时，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，烟团的扩散速率非常缓慢，其扩散速率比湍流扩散小5～6个数量级；图5－7（b）为烟团在远小于其尺度的湍涡中扩散，由于烟团边缘受到小湍涡的扰动，逐渐与周边空气混合而缓慢膨胀，浓度逐渐降低，烟流几乎呈直线向下风运动；图5－7（c）为烟团在与其尺度接近的湍涡中扩散，在湍涡的切入卷出作用下烟团被迅速撕裂，大幅度变形，横截面快速膨胀，因而扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；图5－7（d）为烟团在远大于其尺度的湍涡中扩散，烟团受大湍涡的卷吸扰动影响较弱，其本身膨胀有限，烟团在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。实际上烟云的扩散过程通常不是仅由上述单一情况所完成，因为大气中同时并存的湍涡具有各种不同的尺度。根据湍流的形成与发展趋势，大气湍流可分为机械湍流和热力湍流两种形式。机械湍流是因地面的摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，或者由于地面障碍物(如山丘、树木与建筑物等)导致风向与风速的突然改变而造成的。热力湍流主要是由于地表受热不均匀，或因大气温度层结不稳定，在垂直方向产生温度梯度而造成的。一般近地面的大气湍流总是机械湍流和热力湍流的共同作用，其发展、结构特征及强弱决定于风速的大小、地面障碍物形成的粗糙度和低层大气的温度层结状况。2.湍流扩散与正态分布的基本理论气体污染物进入大气后，一面随大气整体飘移，同时由于湍流混合，使污染物从高浓度区向低浓度区扩散稀释，其扩散程度取决于大气湍流的强度。大气污染的形成及其危害程度在于有害物质的浓度及其持续时间，大气扩散理论就是用数理方法来模拟各种大气污染源在一定条件下的扩散稀释过程，用数学模型计算和预报大气污染物浓度的时空变化规律。研究物质在大气湍流场中的扩散理论主要有三种：梯度输送理论、相似理论和统计理论。针对不同的原理和研究对象，形成了不同形式的大气扩散数学模型。由于数学模型建立时作了一些假设，以及考虑气象条件和地形地貌对污染物在大气中扩散的影响而引入的经验系数，目前的各种数学模式都有较大的局限性，应用较多的是采用湍流统计理论体系的高斯扩散模式。图5-8所示为采用统计学方法研究污染物在湍流大气中的扩散模型。假定从原点释放出一个粒子在稳定均匀的湍流大气中飘移扩散，平均风向与x轴同向。湍流统计理论认为，由于存在湍流脉动作用，粒子在各方向（如图中y方向）的脉动速度随时间而变化，因而粒子的运动轨迹也随之变化。若平均时间间隔足够长，则速度脉动值的代数和为零。如果从原点释放出许多粒子，经过一段时间T之后，这些粒子的浓度趋于一个稳定的统计分布。湍流扩散理论（K理论）和统计理论的分析均表明，粒子浓度沿y轴符合正态分布。正态分布的密度函数f(y)的一般形式为：221()exp22yfy,0x（5－15）式中σ为标准偏差，是曲线任一侧拐点位置的尺度；μ为任何实数。图5－8中的f(y)曲线即为μ＝0时的高斯分布密度曲线。它有两个性质，一是曲线关于y＝μ的轴对称；二是当y＝μ时，有最大值1/2f，即：这些粒子在y＝μ轴上的浓度最高。如果μ值固定而改变σ值，曲线形状将变尖或变得平缓；如果σ值固定而改变μ值，f(y)的图形沿0y轴平移。不论曲线形状如何变化，曲线下的面积恒等于1。分析可见，标准偏差σ的变化影响扩散过程中污染物浓度的分布，增加σ值将使浓度分布函数趋于平缓并伸展扩大，这意味提高了污染物在y方向的扩散速度。高斯在大量的实测资料基础上，应用湍流统计理论得出了污染物在大气中的高斯扩散模式。虽然污染物浓度在实际大气扩散中不能严格符合正态分布的前提条件，但大量小尺度扩散试验证明，正态分布是一种可以接受的近似。二、高斯扩散模式（一）连续点源的扩散连续点源一般指排放大量污染物的烟囱、放散管、通风口等。排放口安置在地面的称为地面点源，处于高空位置的称为高架点源。1.大空间点源扩散高斯扩散公式的建立有如下假设：①风的平均流场稳定，风速均匀，风向平直；②污染物的浓度在y、z轴方向符合正态分布；③污染物在输送扩散中质量守恒；④污染源的源强均匀、连续。图5－9所示为点源的高斯扩散模式示意图。有效源位于坐标原点o处，平均风向与x轴平行，并与x轴正向同向。假设点源在没有任何障碍物的自由空间扩散，不考虑下垫面的存在。大气中的扩散是具有y与z两个坐标方向的二维正态分布，当两坐标方向的随机变量独立时，分布密度为每个坐标方向的一维正态分布密度函数的乘积。由正态分布的假设条件②，参照正态分布函数的基本形式式（5－15），取μ＝0，则在点源下风向任一点的浓度分布函数为：22221,,()exp2yzyzCxyzAx（5－16）式中C—空间点（x，y，z）的污染物的浓度，mg/m3；A（x）—待定函数；σy、σz—分别为水平、垂直方向的标准差，即y、x方向的扩散参数，m。由守恒和连续假设条件③和④，在任一垂直于x轴的烟流截面上有：quCdydz（5－17）式中q—源强，即单位时间内排放的污染物，μg/s；u—平均风速，m/s。将式（5－16）代入式（5－17）,由风速稳定假设条件①，A与y、z无关，考虑到2exp(/2)2tdt③和④，积分可得待定函数A（x）：2yzqAxu（5－18）将式（5－18）代入式（5－16），得大空间连续点源的高斯扩散模式22221,,exp22yzyzqyzCxyzu（5－19）式中，扩散系数σy、σz与大气稳定度和水平距离x有关，并随x的增大而增加。当y＝0，z＝0时，A（x）＝C（x，0,0），即A（x）为x轴上的浓度，也是垂直于x轴截面上污染物的最大浓度点Cmax。当x→∞，σy及σz→∞，则C→0，表明污染物以在大气中得以完全扩散。2．高架点源扩散在点源的实际扩散中，污染物可能受到地面障碍物的阻挡，因此应当考虑地面对扩散的影响。处理的方法是，或者假定污染物在扩散过程中的质量不变，到达地面时不发生沉降或化学反应而全部反射；或者污染物在没有反射而被全部吸收，实际情况应在这两者之间。（1）高架点源扩散模式。点源在地面上的投影点o作为坐标原点，有效源位于z轴上某点，z＝H。高架有效源的高度由两部分组成，即H＝h＋Δh，其中h为排放口的有效高度，Δh是热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度，如图5－10所示。当污染物到达地面后被全部反射时，可以按照全反射原理，用“像源法”来求解空间某点k的浓度。图5－10中k点的浓度显然比大空间点源扩散公式（5－19）计算值大，它是位于(0，0，H)的实源在k点扩散的浓度和反射回来的浓度的叠加。反射浓度可视为由一与实源对称的位于(0，0，－H)的像源（假想源）扩散到k点的浓度。由图可见，k点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为(z-H)，则实源在k点扩散的浓度为式（5－19）的坐标沿z轴向下平移距离H：22s22z1exp22yzyzHqyCu（5－20）k点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为(z＋H)，则像源在k点扩散的浓度为式（5－19）的坐标沿z轴向上平移距离H：22x22z1exp22yzyzHqyCu（5－21）由此，实源Cs与像源Cx之和即为k点的实际污染物浓度：222222,,,expexpexp2222yzyzzzHzHqyCxyzHu（5－22）若污染物到达地面后被完全吸收，则Cx＝0，污染物浓度C（x，y，z，H）＝Cs，即式（5－20）。（2）地面全部反射时的地面浓度。实际中，高架点源扩散问题中最关心的是地面浓度的分布状况，尤其是地面最大浓度值和它离源头的距离。在式（5－22）中，令z＝0，可得高架点源的地面浓度公式：22221(,,0,)exp2yzyzqyHCxyHu（5－23）上式中进一步令y＝0则可得到沿x轴线上的浓度分布：22(,0,0,)exp2yzzqHCxHu（5－24）地面浓度分布如图图5－11所示。y方向的浓度以x轴为对称轴按正态分布；沿x轴线上，在污染物排放源附近地面浓度接近于零，然后顺风向不断增大，在离源一定距离时的某处，地面轴线上的浓度达到最大值，以后又逐渐减小。地面最大浓度值Cmax及其离源的距离xmax可以由式（5－24）求导并取极值得到。令/0Cx，由于σy、σz均为x的未知函数，最简单的情况可假定σy/σz＝常数，则当max|/2zxxH（5－25）时，得地面浓度最大值max22zyqCeuH（5－26）由式（5－25）可以看出，有效源H越高，xmax处的σz值越大，而σz∝xmax，则Cmax出现的位置离污染源的距离越远。式（5－26）表明，地面上最大浓度Cmax与有效源高度的平方及平均风速成反比，增加H可以有效地防止污染物在地面某一局部区域的聚积。式（5－25）和式（5－26）是在估算大气污染时经常选用的计算公式。由于它们是在σy/σz＝常数的假定下得到的，应用于小尺度湍流扩散更合适。除了极稳定或极不稳定的大气条件，通常可设σy/σz＝2估算最大地面浓度，其估算值与孤立高架点源(如电厂烟囱)附近的环境监测数据比较一致。通过理论或经验的方法可得σz＝f（x）的具体表达式，代入（5－25）可求出最大浓度点离源的距离xmax，具体可查阅我国GB3840—91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》。3.地面点源扩散对于地面点源，则有效源高度H＝0。当污染物到达地面后被全部反射时，可令式（5－22）中H＝0，即得出地面连续点源的高斯扩散公式:22221,,,0exp2yzyzqyzCxyzu（5－27）其浓度是大空间连续点源扩散式（5－19）或地面无反射高架点源扩散式（5－20）在H＝0时的两倍，说明烟流的下半部分完全对称反射到上部分，使得浓度加倍。若取y与z等于零，则可得到沿x轴线上的浓度分布：,0,0,0yzqCxu（5－28）如果污染物到达地面后被完全吸收，其浓度即为地面无反射高架点源扩散式（5－20）在H＝0时的浓度，也即大空间连续点源扩散式（5－19）。高斯扩散模式的一般适用条件是：①地面开阔平坦，性质均匀，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，扩散范围小于10km；③扩散物质随空气一起运动，在扩散输送过程中不产生化学反应，地面也不吸收污染物而全反射；④平均风向和风速平直稳定，且u＞1～2m/s。高斯扩散模式适应大气湍流的性质，物理概念明确，估算污染浓度的结果基本上能与实验资料