大气污染控制工程-第四章-大气污染物扩散模式

第四章大气污染物扩散模式1.湍流扩散的基本理论2.高斯扩散模式3.污染物浓度的估算方法4.特殊气象条件下的扩散模式5.城市及山区的扩散模式6.烟囱高度设计第一节湍流扩散的基本理论湍流的基本概念湍流——大气的无规则运动风速的脉动风向的摆动湍流扩散比分子扩散快105～106倍两种形式湍流的起因热力湍流：温度垂直分布不均机械湍流：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度湍流扩散理论主要阐述湍流与烟流传播及物质浓度衰减的关系1.梯度输送理论类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比2.湍流统计理论泰勒－图4-1，正态分布萨顿实用模式高斯模式第二节高斯扩散模式1.高斯模式的有关假定坐标系坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴，正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。四点假设a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布b．全部高度风速均匀稳定c．源强是连续均匀稳定的d．扩散中污染物的质量是守恒的（不考虑转化）高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系2.无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布方差的表达式由假定4源强积分式（单位时间物料守恒）22(,,)()eeaybzcxyzAx2200ddyycycy2200ddzzczczddqucyz2222(,,)exp[()]222πyzyzqyzcxyzu（4-1）（4-2）（4-3）3.高架连续点源扩散模式镜像全反射----像源法实源：像源：(,,,)cxyzHz(,,,)cxyzHz2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度z-Hz+H2222(,,0,)exp()exp()22πyzyzqyHcxyHu地面浓度模式：取z＝0代入上式，得2222(,,0,)exp()exp()22πyzyzqyHcxyHu地面浓度模式：取z＝0代入上式，得22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHu地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHu地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHuyz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHuyz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值yz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式污染物在x轴的某一点会达到最大值，称为地面轴线最大浓度。3.高架连续点源扩散模式yzconstd(,0,0,)0dzcxHmax22πzyqcuHemax|2czxxH地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得yzconstd(,0,0,)0dzcxHmax22πzyqcuHemax|2czxxH地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得（常数）3.高架连续点源扩散模式4.地面连续点源扩散模式2222(,,,0)exp[()]22πyzyzqyzcxyzu地面源高斯模式（令H＝0）：相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）2222(,,,0)exp[()]22πyzyzqyzcxyzu地面源高斯模式（令H＝0）：相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度高架连续点源浓度5．颗粒物扩散模式粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散模式计算大于15μm的颗粒物具有重力沉降作用：倾斜烟流模式地面反射系数α2222(1)(/)(,,0,)exp()exp[]222πtyzyzaqyHvxucxyHu2pp18tdgv颗粒的重力沉降速度第三节污染物浓度的估算q源强计算或实测平均风速多年的风速资料H有效烟囱高度、扩散参数uyz初始动量：速度、烟囱内径烟温度大于环境温度产生浮力烟气抬升原因：sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高1．烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（1）Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％）Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下偏差较大。3ssaHs1(1.52.7)(1.59.610)svDTTHDvDQTuu1．烟气抬升高度的计算（2）Briggs公式：适用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QxxHQxuxxHQHxQHu1．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（4-22）ΔH2根据4-22计算adTdZ为排放源高度以上气温直减率92页例4-12.扩散参数的确定(1)P－G曲线法P－G曲线：Pasquill常规气象资料估算；Gifford制成图表σy和σz随下风距离x的变化曲线扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别A为强不稳定，B为不稳定，C为弱不稳定，D为中性，E为弱稳定，F为稳定。A～B表示按A、B级的数据内插。扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用利用扩散曲线确定和yz另外，英国气象局给出了表4-4，用内插法可求出和yz扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用地面最大浓度估算Hmax|2czxxzH~zxmaxcx~yxmaxC由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）查由式（4-10）求出yHmax|2czxxzH~zxmaxcx~yxmaxC由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）查由式（4-10）求出y例题：某火电厂的有效烟囱高度198m，烟囱口处平均风速5m/s，SO2排放速率180g/s，试计算：（1）白天阴天SO2的地面轴线最大浓度及其出现的距离；（2）在x=xcmax，y＝500m处地面浓度。解由式（15－42）得mHCmxxz1402/1982由表15－6得阴天白天大气稳定度为D级，由σz＝140m查表15－7得mcx=6000m；由mcx=6000m反查表15－7得σy=315m，代入式（15－43）得地面轴线最大浓度，即)/(096.03151401985100018022)198;0,0,6000(322maxmmgeHueQCyzx=mcx，y=500m处的地面浓度为)/(027.0)3152/(500exp[096.0)]2/(exp[)198;0,500,6000(32222maxmmgyCCy4-114-3得4-44-44-10扩散参数的确定－(2)中国国家标准规定的方法稳定度分类方法改进的P－T法(Turner)太阳高度角（式4-29，地理纬度，倾角表4-7）辐射等级稳定度云量（加地面风速）扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间为0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F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取样时间大于0.5h，不变，1221,aayzxx2121()qyyz12,q—取样时间—时间稀释指数位于北纬40°、东经120°的某城市远郊区(丘陵)有一火力发电厂，烟囱高度120m,烟囱口径3.0m，排放SO2的源强为800kg／h，排气温度413K，烟气出口速度18m／s。当地大气压为990hPa。8月中旬某日17点（北京时间）云量5／4，气温303K，地面10m高处风速2.8m／s。试计算有效源高。解：1．确定稳定度由表15－11查得δ=14°，并由式(15—59)计算太阳高度角h0，即h0=arcsin[(sin40°sin14°+cos40°cos14°cos(15×17+120-300)o)＝20.36°根据h0＝20.36°及云量5／4，查表15－9得太阳辐射等级为+1，又根据太阳辐射等级及地面风速2.8m／s，查表15－10得当地当时的大气稳定度为C类。2．校正风速查表15－2，得C类稳定度的风指数m＝0.20，则可由式（15－18）计算源高处风速：)/(6.4)10120(8.2)10(20.010smHuumS表4-74-29表4-5表4-6表3-33-233．计算有效源高先算排烟量（Qv）和排热率（QH）:)/(2.1271840.314.34322smUdQsv)(117394133034132.12799035.035.00kWTTTQPQSSvaH因2100kWQH21000kW，且TS-Ta35K，故按式（15－54）计算△H，查表15－5得n0=0.332，n1=3/5，n2=2/5，则)(1356.4/12011739332.0/5/25/3021muHQnHnSnHH=HS+△H=120+135=255(m)第四节特殊气象条件下的扩散模式主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中难以实现）封闭型扩散模式（上层逆温）相当于两镜面之间无穷次全反射实源和无穷多个虚源贡献之和n为反射次数，在地面和逆面实源在两个镜子里分别形成n个像22(2)exp[]2πzyzqHnDCuC(x,0,0,H)封闭型扩散模式计算简化：1.当（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）查P－G曲线4-9式计算地面轴线浓度Dxx2.1