第四章 大气扩散浓度估算模式

第一节湍流扩散的基本理论一、湍流概念简介大气的无规则运动称为大气湍流。按照湍流形成的原因，可将湍流分为两种形式：热力湍流：由垂直方向温度垂直分布不均匀引起机械湍流：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度第四章大气扩散浓度估算模式一、湍流概念简介湍流与扩散的关系在主风方向上风的平流输送作用是主要的。风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度越快，污染物的浓度就越低。风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素。第四章大气扩散浓度估算模式二、湍流扩散理论简介1.梯度输送理论梯度输送理论是通过与菲克（A.Fick）扩散理论的类比建立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。第四章大气扩散浓度估算模式二、湍流扩散理论简介2.湍流统计理论：泰勒(G．I．Tayler)首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。第四章大气扩散浓度估算模式图4-1由湍流引起的扩散第四章大气扩散浓度估算模式萨顿（O.G.Sutton)首先应用泰勒公式，提出了解决污染物在大气中扩散的实用模式。高斯（Gaussian）在分析大量实测资料的基础上，应用湍流统计理论得到了正态分布假设条件下的扩散模式。高斯模式是目前应用较广的模式。第四章大气扩散浓度估算模式一、高斯模式的有关假定1、坐标系原点为排放点或高架源排放点在地面的投影，x轴为平均风向，y轴在水平面上垂直于x轴，正向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面oxy，向上方向为正。在这种坐标系中，烟流中心线或与x轴重合，或在xoy面的投影为x轴。第二节高斯扩散模式第四章大气扩散浓度估算模式高斯扩散模式坐标系高斯扩散模式的坐标系第四章大气扩散浓度估算模式2、高斯模式的有关假定四点假设a．污染物浓度在y、z轴上分布为正态分布b．全部高度风速均匀稳定c．源强是连续均匀稳定的d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）第四章大气扩散浓度估算模式二、无界空间连续点源扩散模式由正态分布的假设可得污染物平均浓度的分布函数：22bzayeexAzyx)(),,(由概率统计理论可得方差的表达式：,0022dydyyy0022dzdzzz由污染物的质量守恒可得：dydzuQ（4-1）（4-2）（4-3）第四章大气扩散浓度估算模式上式中：ū—平均风速；Q—源强是指污染物排放速率。δy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m；δz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m；未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b；式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。第四章大气扩散浓度估算模式二、无界空间连续点源扩散模式zyzyzyuQzyx2222222exp),,(第四章大气扩散浓度估算模式二、无界空间连续点源扩散模式实际的污染物排放源大多位于地面或接近地面的大气边界层内。污染物在大气中的扩散过程必然会受到地面的影响，这种大气扩散称为有界大气扩散。在建立有界大气扩散模式时，必须考虑地面的影响。第四章大气扩散浓度估算模式14三、高架连续点源扩散的高斯模式高架连续点源的扩散问题，必须考虑地面对扩散的影响。根据假设，可以认为地面像镜面一样，对污染物可以起全反射作用。可以把P点的污染物浓度看成是两部分贡献之和：一部分是不存在地面时P点所具有的污染物浓度；另一部分是由于地面反射作用所增加的污染物浓度。三、高架连续点源扩散的高斯模式三、高架连续点源扩散模式zyzyHzyuQ22212222)(expzyzyHzyuQ22222222)(exp实源的贡献像源的贡献实际浓度zzyzyHzHzyuQzyx2222222222)(exp)(expexp),,(第四章大气扩散浓度估算模式（1）地面浓度模式：取z＝0代入上式，得（2）地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式zzyHuQx22002exp),,(zyzyHyuQyx2222022expexp),,(第四章大气扩散浓度估算模式yzeHuQ22max（3）地面最大浓度模式：由此求得：假设σy/σz不随距离x变化。z2Hxxmax000zdHxdc),,,(第四章大气扩散浓度估算模式2、地面连续点源地面源高斯模式（令H＝0）：zyzyzyuQzyx222222exp),,(第四章大气扩散浓度估算模式对于排放源排放的小于15μm的颗粒物，可以不考虑颗粒物的沉降作用。对于粒径大于15μm的颗粒物，其重力沉降作用将使浓度分布有所改变，应以倾斜烟流模式计算地面浓度。ziyzyiiiuxvHyuQHyx222222210)/(expexp)(),,,(五、颗粒物扩散模式182gdvppii第四章大气扩散浓度估算模式五、颗粒物扩散模式地面反射系数第四章大气扩散浓度估算模式i12345粒径范围/μm0～1415～3031～4748～7576～100平均粒径/μm722386085反射系数1.00.80.50.30一、烟气抬升高度的计算具有一定速度的热烟气从烟囱出口排出后，可以上升至很高的高度，其值等于烟囱的几何高度与烟气抬升高度之和：He=Hs+⊿H（1）影响烟气抬升高度的因素：a：烟气本身的热力性质；b：烟气的动力性质；c：气象条件；d：近地层下垫面状况。第三节污染物浓度的估算一、烟气抬升高度计算式①Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小10％～20％，不稳时增加10％～20％）Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率强的情况下，偏差更大。3ssaHs1(1.52.7)(1.59.610)svDTTHDvDQTuu第四章大气扩散浓度估算模式一、烟气抬升高度的计算2.Briggs公式：用因次分析方法导出。结果与实际值比较接近，适用与不稳定及中性大气条件H11/32/3sH11/32/3sH21000kW10=0.36210=1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH11/31/3H3/52/5Hs6/53/53/5Hs21000kW3*=0.3623*=0.332*=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu一、烟气抬升高度的计算3.我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式12Hsa1nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K=0.351700kW2100kW1700=()4002(1.50.01)0.04=sQTTHnQHuTQPQTTTTQQHHHHvDQHu(1)当和时(2)当时HHsH1/43/8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01)=10m1.5m/sd=5.5(0.0098)dQuQTvDQHuTHQz(3)当或时(4)当高处的年平均风速小于或等于时一、烟气抬升高度的计算3.我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式12Hsa1nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K=0.351700kW2100kW1700=()4002(1.50.01)0.04=sQTTHnQHuTQPQTTTTQQHHHHvDQHu(1)当和时(2)当时HHsH1/43/8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01)=10m1.5m/sd=5.5(0.0098)dQuQTvDQHuTHQz(3)当或时(4)当高处的年平均风速小于或等于时第四章大气扩散浓度估算模式＜[例4-1]某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟气流速12.7m/s，温度140℃，流量250m3/s。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度20℃，当地气压978.4hPa。试确定烟气抬升高度及有效源高。第四章大气扩散浓度估算模式28二.扩散参数的确定应用大气扩散模式估算污染物浓度，在有效源高确定后，还必须确定扩散参数σy、σz。扩散参数可以现场测定，也可以用风洞模拟实验确定，还可以根据实测和实验数据归纳整理出来的经验公式或图表来估算。第四章大气扩散浓度估算模式二.扩散参数的确定1、P-G扩散曲线法（1）P-G扩散曲线法的要点帕斯奎尔（Pasquill）推荐了一种仅需常规气象观测资料就可估算σy、σz的方法。吉福德（Gifford）进一步将其制作成应用更方便的图表，因此该方法又称P-G曲线法。第四章大气扩散浓度估算模式30二.扩散参数的确定1、P-G扩散曲线法（1）P-G扩散曲线法的要点首先根据太阳辐射情况（云量、云状和日照）以及距地面10m高处的风速将大气的稀释扩散能力划分为A、B、C、D、E、F六个稳定度级别，然后根据大量扩散实验的数据以及理论上的考虑，用曲线来表示每一个稳定度级别的σy、σz随下风距离x的变化，再利用扩散模式计算污染物浓度。第四章大气扩散浓度估算模式（2）帕斯奎尔扩散曲线法的应用①根据常规资料确定稳定度级别稳定度级别中，A为极不稳定，B为不稳定，C为弱不稳定，Ｄ为中性，Ｅ为弱稳定、Ｆ为稳定。321、帕斯奎尔扩散曲线法的应用②利用扩散曲线确定和yz1、帕斯奎尔扩散曲线法的应用②利用扩散曲线确定和yz34[例4-2]某石油精炼厂自平均有效源高60m的烟囱排放的SO2量为80g/s，有效源高处的平均风速为6m/s，试估算冬季阴天正下风向距离烟囱500m处地面上的SO2浓度。352、国家标准规定的扩散参数取用原则我国《环境影响评价技术导则—大气环境》（HJ/T2.2-93）中规定了大气污染物环境方法。（1）大气稳定度的分级方法大气扩散稳定度的确定采用修订的帕斯奎尔稳定度分级法。先按太阳高度角和云量确定太阳辐射等级，再由辐射等级和地面风速确定稳定度级别。第四章大气扩散浓度估算模式2、国家标准规定的扩散参数取用原则(1)大气稳定度的分类方法300)-cos(15tcoscossinsinarcsin0[h第四章大气扩散浓度估算模式h0—太阳高度角φ—当地的地理纬度λ—当地的地理经度δ—太阳倾角t—进行观测时的北京时间稳定度分类方法改进的P－T法2、国家标准规定的扩散参数取用原则2、国家标准规定的扩散参数取用原则（2）扩散参数的选取GB/T13201-91规定，取样时间在30分钟，扩散参数可按下列原则取用：平原地区和城市远郊区，D、E、F级向不稳定方向提半级。工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级。丘陵山区的农村或城市，同工业区。第四章大气扩散浓度估算模式（2）扩散参数的选取GB/T13201-91中规定，取样时间为0.5小时，扩散参数按以下幂函数表达式计算：1221,aayzxx2、国家标准规定的扩散参数取用原则第四章大气扩