大气污染控制学 (9)

1第四章大气扩散浓度估算模式4.1湍流扩散的基本理论目的要求：了解湍流的概念及分类；重点：湍流的分类；授课方式：讲授一、湍流概念1、概念大气的无规则运动称为大气湍流。风速的脉动（或涨落）和风向的摆动就是湍流作用的结果；2、分类（1）按照湍流形成原因可分为两种湍流：热力湍流：由于垂直方向温度分布不均匀引起的，其强度主要取决于大气稳定度；机械湍流：由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的，其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度；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，风速越大，湍流越强，污染物扩散速度越快，污染物的浓度就越低；其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀释的；二、湍流扩散理论大气扩散的基本问题，是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减的关系问题。目前处理这类问题有三种广泛应用的理论：梯度输送理论、湍流统计理论和相似理论；1、梯度输送理论梯度输送理论是通过菲克扩散理论的类比建立起来的。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；【扩散的概念：当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于物质的热运动而导致质点的定向迁移过程；扩散是一种传质过程；扩散的本质是质点的热运动；菲克第一定律：在扩散过程中，单位时间通过单位横截面积的质点数目J正比于扩散质点的浓度梯度C；CJDx】22、湍流统计理论泰勒应用统计学方法研究湍流扩散问题，提出了著名的泰勒公式。图4-1，从污染源排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、定常的，从原点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。萨顿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。高斯应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即通常所说的高斯模式。高斯模式是目前应用较广的模式。4.2高斯扩散模式目的要求：理解无界空间连续点源扩散模式及地面连续点源扩散模式；理解并掌握高斯模式的有关假定，高架连续点源扩散模式及相关计算公式；重点：高架连续点源扩散模式及相关计算公式；难点：镜像法推导高架连续点源高斯模式；授课方式：讲授一、高斯模式的有关假定1、坐标系高斯模式的坐标系如图4-2所示，其原点为排放点（无界点源或地面源）或高架源排放点在地面的投影点，x轴正向为平均风向，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xoy，向上为正向，即为右手坐标系。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。2、四点假设大量的实验和理论研究证明，特别是对于连续点源的平均烟流，其浓度分布是符合正态分布的。因此做如下假设：（1）污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布（正态分布）；（2）在全部空间中风速是均匀的、稳定的；3（3）源强是连续均匀的；（4）在扩散过程中污染物质的质量是守恒的；二、无界空间连续点源扩散模式由假设（1）可以写出下风向任一点（x，y，z）的污染物平均浓度的分布函数：22(,,)()aybyxyzAxee（4-1）由概率统计理论可以写出方差的表达式：222200,00ydyzdzyzdydz（4-2）由假设（4）可以写出源强的积分式：Qudydz（4-3）式中：`yz——污染物在y、z方向分布的标准差，m；——任一点处污染物的浓度，g/m3；u——平均风速，m/s；Q——源强，g/s；由上面四个方程组成的方程组，其中可以测量或计算的已知量有源强Q、平均风速u、标准差`yz，未知量有浓度、待定函数A（x）、待定系数a、b。因此方程组可以求解。将式（4-1）代入式（4-2）中，积分后得2211,22yzab（4-4）将式（4-1）和（4-4）代入式（4-3），积分后得2yzQAxu（4-5）再将式（4-4）和（4-5）代入式（4-1）中，便得到无界空间连续点源扩散的高斯模式：2222(,,)exp[()]222yzyzQyzxyzu（4-6）三、高架连续点源扩散模式4高架连续点源的扩散问题，必须考虑地面对扩散的影响。按全反射原理，用“像源法”来处理这一问题。如图4-3所示，可以把P点的污染物浓度看成两部分的贡献之和：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。这相当于不存在地面时由位置在（0，0，H）的实源和在（0，0，-H）的像源在P点所造成的污染物浓度之和（H为有效源高）。实源的贡献：P点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标（距烟流中心线的垂直距离）为（z-H）。当不考虑地面影响时，它在P点所造成的污染物浓度按（4-6）计算，即为：22122()exp[()]222yzyzQyzHu像源的贡献：P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标（距烟流中心线的垂直距离）为（z+H）。当不考虑地面影响时，它在P点所造成的污染物浓度按（4-6）计算，即为：22122()exp[()]222yzyzQyzHuP点的实际污染物浓度应为实源和像源贡献之和，即222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222yzzyzQyzHzHxyzHu（4-7）式（4-7）即为高架连续点源在正态分布假设下的高斯扩散模式。由此模式可以求出下风向任一点的污染物浓度。1、地面浓度模式：由式（4-7）在z=0时得到地面浓度：2222(,,0,)exp()exp()222yzyzQyHxyHu（4-8）2、地面轴线浓度模式：轴线x上具有最大浓度值，向两侧（y方向）逐渐减小。522(,0,0,)exp()22zyzQHxHu（4-9）3、地面最大浓度（即地面轴线最大浓度）模式：地面最大浓度及其出现距离的计算公式：max22zyQuHe（4-10）max2zxxH（4-11）四、地面连续点源扩散模式地面连续点源扩散模式可由高架连续点源模式（4-7）令其有效源高H=0而得到，即2222(,,,0)exp[()]22yzyzQyzxyzu（4-12）比较（4-6）和（4-12）可发现，地面连续点源造成的污染物浓度恰好是无界空间连续点源所造成的浓度的两倍。五、颗粒物扩散模式对于排气筒排放的粒径小于15微米的颗粒物，其地面浓度可按前述的气体扩散模式计算。对于大于15微米的颗粒物，由于具有明显的重力沉降作用，将使浓度分布有所改变，可以按倾斜烟流模式计算地面浓度：2222()(1)(,,0,)exp()exp[]222ytzyzHvxuQyxyHu（4-13）218pptdgv式中：——颗粒的地面反射系数，按表4-1查取；tv——颗粒的重力沉降速度，m/s；dp——颗粒直径，m；p——颗粒密度，kg/m3；6——空气粘度，aPs；g——重力加速度，m/s2；4.3污染物浓度的估算目的要求：掌握烟气抬升高度的计算方法，了解扩散参数的确定，从而进行污染物浓度的估算；重点：烟气抬升高度的计算方法；难点：利用各种扩散模式进行污染物浓度的估算；授课方式：讲授一、烟气抬升高度的计算连续点源的排放大部分是采用烟囱排放的。具有一定速度的热烟气从烟囱出口排出后，可以上升到很高的高度。这相当于增加了烟囱的几何高度。因此，烟囱的有效高度H应为烟囱的几何高度Hs与烟气抬升高度ΔH之和，即H=Hs+ΔH（4-15）产生烟气抬升有两方面的原因：一是烟囱出口烟气具有一定的初始动量；二是由于烟温高于周围气温而产生一定的浮力。初始动量的大小决定于烟气出口流速和烟囱出口内径，而浮力大小则主要决定于烟气与周围大气之间的温差。下面介绍几种常用的烟气抬升高度计算公式：1、霍兰德（Holland）公式31(1.52.7)(1.59.610)ssasHsvDTTHDvDQTuu（4-16）式中：vs—烟气出口流速，m/s；D—烟囱出口内径，m；u—烟囱出口处的平均风速，m/s；Ts—烟囱出口处的烟气温度，K；Ta—环境大气温度，K；QH—烟气的热释放率，kW；式（4-16）适用于中性大气条件。72、布里格斯（Briggs）公式用因次分析方法导出的用实测资料推算的常数项。计算值与实测值比较接近，应用较广。下面给出适用于不稳定和中性大气条件下的计算公式：当HQ21000kW时：x10Hs113230.362HHQxu（4-17）x10Hs113231.55HsHQHu（4-18）当HQ21000kW时：*3xx113130.362HHQxu（4-19）*3xx35250.332HsHQH（4-20）56*25350.33HsxQHu（4-21）3、中国国家标准中规定的公式我国的《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T13201-91）中对烟气抬升高度计算公式作了相关规定，（1）当QH≥21000kW和ΔT≥35K时：1210nnHsHnQHu（4-22）0.35HavsTQPQT（4-23）saTTT（4-24）式中：0n、1n、2n——系数，查表4-2选取；aP——大气压力，hPa，取临近气象站年平均值；Qv——实际排烟量，m3/s；（2）17000kWQH21000kW时：1211700()400HQHHHH（4-25）812(1.50.01)0.048(1700)sHHvDQQHuu（4-26）ΔH2是按（4-22）计算的抬升高度。（3）QH≤17000kW或ΔT35K时2(1.50.01)sHHvDQu（4-27）（4）当10m高处的年平均风速小于或等于1.5m/s时：14385.5(0.0098)aHZdTHQdT（4-28）式中：aZdTdT为排放源高度以上气温直减率，K/m，取值不得小于0.01K/m。例4-1，掌握烟气抬升高度及有效源高的计算；二、扩散参数的确定应用大气扩散模式估算的污染物浓度，在有效源高确定后，还必须解决扩散参数y和x的确定问题。扩散参数可以现场测定，也可以风洞模拟实验确定，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。1、P-G扩散曲线法（Pasquill-Gifford）（1）P-G扩散曲线法的要点：仅需常规气象观测资料就可以估算y和x的方法，作成图表的形式。这种方法首先根据太阳辐射情况（云量、云状和日照）和距离地面10m高处的风速10u将大气的扩散稀释能力分为A-F六个稳定度级别。然后根据大量扩散实验数据和理论上的考虑，用曲线来表示每一个稳定度级别的y和x随下风距离的变化；（2）P-G扩散曲线法的应用1）根据常规气象资料确定稳定度级别。9标准如表4-3所示，主要依据太阳辐射情况和距离地面10m高处的风速10u。2）利用扩散曲线确定y和x。图4-4和图4-5简称P-G曲线图，在按表4-3确定了某地某时属于何种稳定度级别后，便可以使用这两张图查处相应的y和x值；3）浓度估算当确定了y和x之后，扩散方程中其他参数也相应确定下来，利用前述的一系列扩散模式，就可以估算出各种情况下的浓度值。例4-2应用P-G曲线法计算地面轴线浓度。2、中国国家标准规定的方法（1）稳定度的分类方法中国国家标准方法（GB/T13201-91），先计算太阳高度角（式4-29），然后按太阳高度角和云量确定太阳辐射等级（表4-5），最后按辐射等级和地面风速确定稳定度级别（表4-6）；（2）扩散参数的选取P-G曲线是帕斯奎尔根据地面源的实验结果等总结出来的，1km以外的曲线是外推的结果。此外，它也未考虑地面粗糙度对扩散的影响，因为不适用于城市和山区，对于开阔的乡村地区较为可靠；我国在标准GB/T13201-91中规定，