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1、第四章 污染气象,2009年10月14日晚上，第30届尤金史密斯人道主义纪实基金在美国纽约美国亚洲协会举行隆重的颁奖仪式，来自中国的卢广以关注中国污染的专题摄影获得了尤金史密斯人道主义摄影奖,河南安阳市范家庄离炼钢炉只有一墙之隔，村里每天都下铁雨，村民在这污染严重的环境下生活 2008年3月24日,宁夏石嘴山湖滨工业园区高大的烟囱上粉尘从天而降，当地居民叫苦连天，他们出门就得做好防范措施 2006年4月22日,内蒙古拉僧庙发电厂二条黑色的巨龙覆盖着村庄 2005年7月26日,河北省涉县天津钢铁厂是重污染企业，企业规模还在不断扩大，严重影响当地居民的生活 2008年3月18日,江西省胡口县化工园
2、区在长江边上，化工厂私自填埋长江堤岸，扩大化工厂规模。2009年6月25日,在黄河边放羊的老汉受不了第三排水沟散发的臭气 2006年4月23日,15岁的甘肃天水人杨新闰，上完小学二年级就辍学了，跟着父母来到黑龙贵工业区，他一天能赚16元 2005年4月8日,江苏连云港盐场工人在愤怒地说，风往我们这边吹时，化工厂排入的气体又臭又刺鼻受不了，到了晚上毒气放得更多 2008年7月19日,每天大量粉尘吸进肺部。在这里干一、二年，他们就感到身体不适，甚至发病，这些民工大多是贫困地区来的,电厂和炼油厂的污染可使附近果树不结实，农作物减产，牲畜死亡。如我国在20世纪50年代投产的望亭电厂、微水电厂，因粉尘与
3、二氧化硫污染，向附近农民赔过款。广东马坝冶炼厂，在不利的气象条件下，烟雾排不出去，曾经被迫停产。1952年12月58日英国伦敦的严重污染事故曾一次使30004000人死亡。,寂静的春天1962年在美国问世时，是一本很有争议的书，是标志着人类首次关注环境问题的著作。它那惊世骇俗的关于农药危害人类环境的预言，不仅受到与之利害攸关的生产与经济部门的猛烈抨击，而且也强烈震撼了社会广大民众。,寂静的春天是一本引发了全世界环境保护事业的书，书中描述人类可能将面临一个没有鸟、蜜蜂和蝴蝶的世界。作者是美国海洋生物学家蕾切尔卡逊，于1962年出版。这是这本不寻常的书，在世界范围内引起人们对野生动物的关注，唤起了
4、人们的环境意识，这本书同时引发了公众对环境问题的注意，促使环境保护问题提到了各国政府面前，各种环境保护组织纷纷成立，从而促使联合国于1972年6月12日在斯德哥尔摩召开了“人类环境大会”，并由各国签署了“人类环境宣言”，开始了环境保护事业。,化学研究进入误区。,膨大剂、三聚氰胺、瘦肉精,4.1 气象与大气污染4.1.1 大气污染概述4.1.2 大气污染的危害和影响4.1.3 影响大气污染的气象因子和天气形势,4.2 大气污染浓度计算4.2.1 大气扩散的基本理论4.2.2 大气扩散模式4.2.3 扩散参数的估计,4.3 大气污染的控制与管理4.3.1 城市的全面规划和合理布局4.3.2 工厂厂
5、址选择和烟囱高度设计4.3.3 城区集中供暖、供热4.3.4 改变燃料构成和净化汽车尾气4.3.5 增大城市绿化面积4.3.6 大气质量标准4.3.7 主要大气污染物的治理技术,4.4 空气污染预报4.4.1 空气污染气象条件预报4.4.2 空气污染浓度预报,4.1 气象与大气污染,4.1.1 大气污染概述,氮、氧、氩等含量几乎不变,二氧化碳、水汽、臭氧,灰尘、烟粒、氮氧化物、硫化物等,大气,4.1,4.1,大气污染与空气污染没有实质的差别，严格来说是研究的范围不同，大气污染是指大区域或全球性的，空气污染是指某个场所或局部地区的污染。,1、大气污染的含义,当大气中的人为废弃（包括可变成分和微量
6、成分）含量及存在时间达到一定限值，对人、动物、植物产生的有害影响达到可监测程度时，大气就被污染了。,4.1,4.1,2、大气污染源,图4.1大气污染源分类,4.1,一个能将污染排放到大气中的装备，称为污染源或排放源，如烟囱、汽车、核反应堆等。,4.1,连续点源一般指排放大量污染物的烟囱、放散管、通风口等。,4.1,4.1.2 大气污染的危害和影响,1、对人体健康的危害,（1）烟尘和粉尘,大于10m的颗粒物，大多被鼻腔和咽喉所捕集，但不进入肺部；小于10m的飘尘经过呼吸道沉积于肺泡，部分飘尘被溶解后进入血液，造成血液中毒，未溶解的部分被细胞吸收。,4.1,PM2.5可入肺颗粒物,？,（2）二氧化
7、硫,主要刺激人体呼吸道，通常与多种污染物共存，危害更大。,表4.1 SO2浓度对人体的影响,4.1,（4）光化学氧化剂,（3）氮氧化物（NO、NO2）,NO对人的生理影响目前不十分清楚，但高浓度的NO会使动物的中枢神经发生病变；NO2会引起肺水肿或慢性支气管炎，NO2的飘尘最易侵入肺部。,氮氧化合物和碳氢化合物进入大气后，在阳光照射下，经光化学反应形成二次污染光化学烟雾。浓度高时对眼睛、呼吸道影响。,4.1,一氧化碳（CO）浓度为900ppm时，人接触1小时后头痛、眼睛呆滞；浓度为1200ppm时，人神经麻痹，有生命危险。,（5）其它有害物质,碳氧化物 种类很多，对眼、鼻和呼吸道都有强烈的刺激
8、作用，在一定的条件下，对肝、肾和心血管系统的功能产生破坏作用。,氟化物对眼睛和呼吸道有强烈的刺激作用。高浓度的氟化物可引起肺水肿和支气管炎，对骨骼、造血系统、神经系统、牙齿造成损坏。,4.1,2、对气候的影响,（1）对太阳辐射能的影响,以南京为例，冬季大气污染物随耗煤量的增加，到达地面的直接辐射逐年减少,明显增加（见表2）,总辐射（城市比郊区低10%-20%），辐射平衡（见表4.3）、紫外线三者都减少,太阳高度角较小时减弱30%-50%，角度大时削减5%-10%,4.1,表4.2 不同风向的散射辐射,测站在下风向时，散射辐射增大明显,4.1,表4.3 混合污染物对辐射平衡的影响,污染区下风方向
9、的辐射平衡要比上风方向减少36%（表4-3）,大气中的二氧化碳CO2对太阳的短波辐射几乎没有消弱作用，但对地表来的长波辐射有较强的吸收作用。因此CO2对地表有保温作用。如果CO2浓度增加，保温作用增强；大气中的尘埃，犹如地球的遮阳伞，反射和吸收太阳辐射，降低地面温度。尘埃作为凝结核使云雾降水的频率增加，对地表也有冷却作用。,4.1,大气中的污染物愈多，大气愈浑浊，能见度降低（见表4.4）。能见度较低时，交通事故明显增多。由于能见度的观测比大气污染浓度测定方便，因此有时用能见度估计大气污染的程度。,表4.4 不同风向的散射辐射,能见度是影响海、陆、空交通运输的重要因素而低能见度的出现不但影响交通
10、运输的正常进行还具有极大的危险性是诱发重大交通事故的主要气象条件,4.1,由于大气中的污染浓度的增加，特别是二氧化碳浓度的增加，使气温上升（图4-2），但大气中的尘埃等混合污染物的增加，使到达地表的太阳辐射减小而使温度降低。,近污染浓度的增加导致大气浑浊度的增加，如华盛顿上空的浑浊度增加了57%，瑞士增加了70%。浑浊度的增加使太阳光的反射率也增加，导致到达地面的太阳辐射能减少，气温下降。当反射率增加1%，大气温度下降1.7。如果大气中浑浊度按每10年30%的速度增加，则几十年后，北半球就会降到过去冰河时期的低温。,二氧化碳的保温效应,不可忽视浑浊度的降温作用,！,4.1,大气浑浊度（atmo
11、spheric turbidity）,大气浑浊度是指无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光程度。铅直气柱中气溶胶含量越大，大气浑浊度也越大。大气浑浊度T的定义有两种：,铅直气柱中实测气溶胶与分子消光的总光学厚度与分子消光的光学厚度h之比，即T/h，林克浑浊因子（F.Linke于1922年提出）即属此范畴。,铅直气柱中气溶胶的光学厚度。埃斯屈朗（A.ngstrm）发现与波长的关系。,4.1,大气浑浊度随时间和地理位置而变化。一般夏季高于冬季，下午高于上午，并在夏季中午前后达最大值，冬季日变化较小。在北半球，从高纬度地区向赤道，大气浑浊度可增加约12倍，冬季增加的幅度最大。其变化规律对于研究大气气
12、溶胶的分布和输送、垦荒的气候效应、大气污染及全球辐射平衡过程都有一定价值。,4.1,EL（m）是干洁大气状态到达地面的辐射能（不涉及水汽杂质等）,E（m）是到达地面的辐射能,E0是到达大气外界辐射能（太阳常数）,4.1,3、使酸沉降增多,酸沉降是指大气中的污染物如氧化硫和氧化氮等在空气中发生反应后形成含有硫酸或硝酸的雨雪雾露等湿沉降与酸性气体、颗粒等物质的干沉降的总称。是大气污染带来的直接后果。,酸沉降造成湖泊和土壤的酸化、危害森林和农作物、直接威胁人类的健康，诱发各种疾病、腐蚀金属、建筑物和文明古迹等，严重破坏了生态平衡,4.1,大气污染物的分布，取决于当时当地的大气层结、风向风速、温度的水
13、平分布等气象要素的影响,4.1.3 影响大气污染的气象因子和天气形势,影响最大,4.1,4.1,1、大气湍流与稳定度,（1）大气湍流,湍流是指没有规则的流体运动，也称为乱流。是大气运动的主要形式，大气运动是由大小不一的湍涡、在近地层进行极其复杂的、无规则的随机运动构成的。,无湍流时，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大（如右图），烟团的扩散速率非常缓慢，其扩散速率比湍流扩散小56个数量级；,a,4.1,当湍流的尺度远比烟团尺度小时（如图b），烟团沿风向水平漂流，同时由于湍涡的搅拌，其边缘和周围空气混合，体积缓慢扩大，烟团内污染物浓度缓慢降低。烟流几乎呈直线向下风运动。,风向,b,4.1,当烟团进入比
14、自己大得多的湍涡流场中时（如图c），烟团被湍流运动所挟带，随湍涡环流绕行，本身增长有限。烟团在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动(下风方向）,c,4.1,当烟团尺度与湍涡的大小相仿时（如图d），烟团被湍涡迅速拉开撕裂而大幅度变形，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烟团内污染物浓度快速降低。,实际大气湍流中，以上三种方式同时存在，当大气湍流越强时，污染物散布的范围越大，大气中污染物的浓度越低,d,4.1,（2）大气稳定度,因下垫面摩擦力和空气粘滞性引起的风速垂直切变造成的，称为动力湍流,热力条件引起的对流,4.1,低层大气中，大气的温度层结对湍流的强弱起主要作用，层结越
15、不稳定，湍流越强。在大气污染的研究及大气环境评价中，通常以大气稳定度反映湍流的强弱，以及污染物的扩散和稀释状况。,温度（位温）梯度方法,4.1,理查孙（.ichardson）数i,Ri1，湍流易于发展，Ri1不易发展,4.1,帕斯圭尔（Pasquill)方法,按风速、日射、云量（云状）分成六个稳定度等级,表4.5帕斯圭尔稳定度分级,AF，极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定、稳定,中纬度地区盛夏的晴天中午为强日照，冬季中午为弱日照。此方法仅适宜平坦开阔地,4.1,帕斯圭尔-特纳尔（Pasquill-Turner)方法,简称P-T法,由于帕斯圭尔划分稳定度的方法带有一定的主观性，特别是精确确
16、定日射等级较困难，特纳尔提出依据太阳高度角、云量确定辐射等级，再利用辐射等级和风速来确定稳定度分类的方法。如表4.6和4.7.,此方法仅仅利用气象常规资料就可以划分稳定度的类别，简单易行，而且有一定的物理意义和气象意义，应用较广。,4.1,表4.6 P-T太阳辐射等级,4.1,表4.7 P-T大气稳定度等级,大气层结较稳定时，不利于污染物的扩散，因此一个地方污染物的排放时间要根据大气层结稳定度合理安排。,4.1,风廓线方法,近地层风随高度的变化常用幂函数来表示，即：,用50米和10米两个高度的风速资料确定,表4.8 风廓线大气稳定度等级,Roland(洛兰德,1980年)给出的a值,4.1,表
17、4.9 各稳定度对应的温度梯度,温度（位温）梯度法,根据北京320米高度铁塔的温度资料，对于帕斯圭尔大气稳定度类别的温度梯度值，划分大气稳定度（表4-9）,位温：气体从原有的压强与温度出发，绝热膨胀或压缩到标准压强时的温度。可用来比较不同气压下的气体热状态。用表示,气象方面上的定义,4.1,把某一水样从任一深度以绝热方式提升到海面时所具有的温度，叫做位温。常以表示，即位温。如现场水温5，把它从6000米深处绝热提升到海面时的=0.80，故海水位温=5-0.80=4.20。位温可根据绝热温度梯度计算，由于海水具有压缩性，当水块上升时，因压力减小而体积膨胀，内能减小，温度降低；当水块下降时，因压力
18、加大而使其体积缩小，内能增加，温度升高。位温不是深度的函数，它是海水热性质的一种指标，可用来研究水团运动的途径。,4.1,2、温度,（1）温度的垂直分布,即温度层结，是衡量大气稳定度的标志,气温沿铅直高度的变化，称温度层结或层结。气温随高度变化快慢这一特征可用气温垂直递减率来表示。气温垂直递减率的数学定义式为,-dT/dz；它是指单位(通常取100m)高差气温变化速率的负值。如果气温随高度增高而降低，为正值，如果气温随高度增高而增高，为负值。,处于不同平衡状态的小球,层结稳定，湍流减弱，层结不稳定，湍流加强。在不同的温度层结下烟云类型可分为以下5类。,4.1,波浪型（翻卷型、环链型）,整层空气
19、处于不稳定状态（），烟云摆动大，扩散快,一般出现在夏季晴天日射强的中午，此时对流强，有微风，一般不会发生污染危害，但在烟囱比较密集的地方，烟囱附近会出现高浓度污染。,锥型,当地面和上空的气温差别不大时，即温度的垂直递减率小于干绝热递减率（），空气层呈中性或稳定状态，这时垂直扩散较慢。当高空风较大时，出现水平扩散大于垂直扩散，烟云呈横向圆锥形。,多发生在阴天的中午和冬季的夜间，地面污染浓度较低,4.1,扇型（平展型）,当从地面到上空，气层很稳定或有一个深厚的逆温层时，烟囱排除的烟气既不能向上扩散也不能向下扩散，只能在水平方向呈扇型逐渐散开。,4.1,多发生在晴天的夜间或清晨、微风、湍流很弱时。地
20、面浓度较低，但遇到山或高大的建筑物阻挡时，该地区会造成严重污染,熏烟型（下扩散型、漫烟型）,当从地面到烟囱大气层结不稳定，烟囱以上的层结是稳定的或有逆温层存在，烟气只能在烟囱以下的区域扩散，不能向上扩散，形成地面下风方向的严重污染。,4.1,多发生在冬季早晨逆温比较深厚时，日出后，下部的逆温层破坏，但上面的逆温层仍然存在的状况下,4.1,大气层结与熏烟型相反，从地面到烟囱顶部大气层结稳定或有逆温层，烟囱顶部以上大气层结不稳定，烟气下部平直，上部有一定的扩散，是最佳的扩散条件。,多发生在傍晚时,屋脊型（上升型、城堡型）,4.1,由于温度层结对污染的扩散有很大的影响，因此在实际工作中用来分析污染物
21、单位扩散程度。也可用逆温强度、厚度、频率来分析大气温度层结对污染物扩散的影响。,逆温是指气温随高度的增加而增加的现象,大气层结稳定,由于逆温层的阻挡作用（阻碍空气对流运动），使近地层的污染物不易穿过逆温层的屏障向上扩散，在逆温层的下部有限的空间内聚集，形成高浓度的污染区域。逆温层强度越大，厚度越厚、维持时间越长，造成的污染危害越大。,污染气象学中常分析,逆温的强度（？/100米）,逆温的顶、底高度（距离地面）,逆温的厚度（顶、底高度之差）,逆温的频率（出现次数占总观测次数）,逆温的生消规律、逆温与污染源高度之间的关系、有逆温时污染浓度分布特点,4.1,辐射逆温的生成过程,4.1,下沉逆温的生成
22、过程,4.1,（2）温度的水平分布,4.1,由于不同下垫面的物理性质的差异，引起热状况在水平方向上分布的不均匀。特别是在弱的天气系统条件下，这种热力差异会产生一些局地环流，如海陆风、城郊风、山谷风等地方性环流（影响污染物输送范围和路径，影响污染浓度）,海陆风对沿岸地区空气污染的影响,沿海和大湖沿岸常见的局地环流,4.1,4.1,当海风入侵时，海洋的冷空气位于陆地暖空气之下，如图4.5，称为海风锋面。锋面的弱逆温层结。对锋面下得污染物扩散构成一个倾斜的“顶盖”，阻碍污染物向上扩散。因此在海风锋面路径上有较大的排放源时，地面污染浓度会骤然增加，一般维持几十分钟到一个小时。锋面过后，海风风速较大，也
23、清洁，对空气有净化作用。,有可能形成沿岸的循环污染（海陆风的日变化）。另外在白天地面盛行海风，高空盛行陆风，当污染源抬升较强时，也可形成污染物的倒流。,4.1,4.1,城市的年平均气温比郊区高0.3-1.8，在特殊气象条件下可高达4-6，这种现象称为热岛效应。城市与郊区形成热岛环流（城郊风）。污染物在局地环流的作用下，聚集在城市上空，形成烟幕。,城郊风对市区空气污染的影响,静风时城郊之间的环流,有地方性风时城郊之间的环流,4.1,城市内街道和建筑物吸热和放热的不均匀性，还会在群体空间形成类似山谷风的小型环流或涡流。这些热力环流使得不同方位街道的扩散能力受到影响，尤其对汽车尾气污染物扩散的影响最
24、为突出。如建筑物与在其之间的东西走向街道，白天屋顶吸热强而街道受热弱，屋顶上方的热空气上升，街道上空的冷空气下降，构成谷风式环流。晚上屋顶冷却速度比街面快，使得街道内的热空气上升而屋顶上空的冷空气下沉，反向形成山风式环流。由于建筑物一般为锐边形状，环流在靠近建筑物处还会生成涡流。当污染物被环流卷吸后就不利于向高空的扩散。,4.1,排放源附近的高大密集的建筑物对烟流的扩散有明显影响（阻碍了气流运动，引起局部环流）例如，当烟流掠过高大建筑物时，建筑物的背面会出现气流下沉现象，并在接近地面处形成返回气流，从而产生涡流。结果，建筑物背风侧的烟流很容易卷入涡流之中，使靠近建筑物背风侧的污染物浓度增大，明
25、显高于迎风侧，如图所示。如果建筑物高于排放源，这种情况将更加严重。通常，当排放源的高度超过附近建筑物高度2.5倍或5倍以上时，建筑物背面的涡流才不对烟流的扩散产生影响。,4.1,4.1,山谷风是山区常见的一种局地环流。白天谷底的冷空气沿坡向上爬行形成谷风，夜间坡上的冷空气向下流泄形成山风。,山谷风对空气污染的影响,（1）风对大气污染物的输送扩散,4.1,风对污染的作用,地面至1-1.5km之间的大气层，称为边界层（行星边界层或摩擦层）,3、风,污染物的主要扩散层,一是将污染物整体输送到下风方向，风速即污染物的移动速度，风速越大，烟云移动越快,二是污染物在被风吹离的过程中不断与干净空气混合，浓度
26、降低,风对污染物的输送扩散作用除受风速大小、风向变化影响外，还受下垫面（建筑物、地形、水体、植被）的影响。当风速增大时，有利于高架连续电源烟气的水平输送和稀释作用，但风速增大又压低了烟气的上升高度，而使地面污染物增加。当风速增大到某一临界值时，地面可能出现最大浓度（一般情况最大浓度出现在烟气轴线上），称为地面绝对最大浓度，此时的风速称为临界风速。,4.1,该图是某城市11月份和12月份SO2浓度的观测数据。随着风速的提高，SO2浓度值降低，但变化趋势有所不同。当u（23）m/s时，SO2浓度值随着风速的增加迅速减小，而u（23）m/s后，SO2浓度值基本不变，表明此时的风速对污染物的扩散稀释影
27、响甚微。,4.1,（2）边界层内风速随高度的变化,4.1,风随高度的变化，除用幂函数（100米高度以上）外，还用对数形式（地面到几十米高度）表示，如：,高度z处的风速,高度z1处的风速,Z0为下垫面的粗糙度,（4-3）,表4-10 各类下垫面的粗糙度Z0值,注：*表示积雪高10时的Z0,下垫面愈粗糙，Z0愈大,风廓线指数a除与大气稳定度有关（表4-8），还与粗糙度有关，粗糙度愈大，大气层结越稳定，a值就越大。,4.1,（3）边界层内风向随高度的变化,4.1,在大气边界层内，风向随高度的变化一般遵循爱克曼（）螺线，即风向随高度向右偏转。在各季节均存在风向右偏的现象，只是在夏季由于湍流运动较强，偏
28、转频率和角度均较少，冬季偏转较多。,4.1,降水对大气污染物有净化作用，除了雨雪对污染物颗粒的冲洗和对污染气体的溶解外，还包括云雾对污染物的吸收溶解。净化作用的大小取决于降水量的大小、持续时间、污染气体的溶解度、雨滴（云滴、雾滴）污染物颗粒的大小等。表4.11降水前后大气中气溶胶的比较,4、降水,自然降水净化了大气。但却使地面污染加剧。被云滴雾滴吸附的污染物，云雾消散时就会重新进入大气中。低层大气中的雾与氮氧化物和硫化物的反应，产生的次生污染会在大气低层形成酸沉降。不仅影响污染物的扩散，还危害生态。,表4.11 降雨前后大气层中气溶胶和气体浓度比较（德国，法兰克福，g/m）,4.1,5、天气形
29、势,主要与当时的气象条件（温度、风、云大气稳定度等有关,与天气形势密切相关，如移动缓慢的反气旋与地形结合，污染加重,受大范围的天气形势和大气环流所制约,4.1,气象在防止大气污染中的作用,工业废气排放标准的制定,污染浓度的测定和计算,城市和工业区的布局,烟囱高度的设计,空气质量的预报和控制,4.2.1 大气扩散的基本理论,4.2,4.2 大气污染浓度计算,1、梯度-输送理论（K理论）,通过与菲克分子扩散理论的类比建立,菲克（Fick）定律假设，在单位时间内物质经过单位面积输送上网通量与浓度梯度成正比。如果将大气分子拟为分子扩散运动，则可以认为由扩散引起的污染物的输送通量也与浓度梯度成正比。即,
30、4.2,污染物质的输送通量,空气密度,湍流扩散系数,污染物的浓度,扩散截面垂直的空间坐标即平均风向,4.2,当K随x和q变化时，其三维扩散方程为：,Kx、Ky、Kz分别为三个方向的扩散率，反映湍流扩散的强度。该方程只有在给定初始浓度并且对K作某些假设的条件下才可求解。当烟气的垂直尺度小于烟轴离地面的高度时，可以近似地认为各向K值不随坐标x而变化，得到的解为：,4.2,源强（g/m),在有风时，污染物的平流是,与平流相比，x方向的扩散可以略去，上式变为：,（4-7）,4.2,假设K=常数，并且边界条件是：,连续条件是：,对所有x0,则方程4-7的解为：,4.2,梯度理论导出的解得到的定性结论：,
31、浓度与源强成正比；离源越远，浓度越小扩散率越大浓度越小；与烟轴正交的截面上，在y方向和z方向上浓度遵从正态分布，即二维正态分布。,这些结论与实验观测结果定性符合，但梯度输送理论有严重缺点，污染物湍流扩散的通量常常不与梯度成线性关系，q与x-1成比例的结论与实际情况有很大的偏离；在不同气象条件下，K变化较大，K随x变化，难以确定；在不稳定层结中实际烟流的整体有摆动，比浓度梯度分布有更大影响，由于以上原因，梯度理论尚难应用,4.2,2、统计理论,假定大气湍流场是均匀、定常的。则从污染源放出的污染粒子在x方向的浓度分布以x轴对称，浓度分布一般为正态分布。浓度分布的标准差，即扩散系数y，等于粒子经过T
32、时间在x方向移动的均方差y,湍流强度,标记粒子运动的拉格朗日相关系数,T为扩散时间,是为了寻求粒子的概率分布,（4-9）,接近正态分布,4.2,当扩散时间增加到一定程度后，扩散系数y与扩散T时间的平方根成正比。但因实际大气不符合均匀、常定的假设，所以仅在下垫面平坦开阔、气流稳定的小尺度扩散情况下才有意义，因此统计理论受到很大的限制。通常都假设污染粒子的浓度分布是二维正态（高斯）分布，因为当K为常数时，梯度分布理论的微分方程的解是正态分布。,此外当样本容量足够大时，样本平均值遵从正态分布，污染浓度的平均值也遵从这种分布，这种假定与观测结果比较符合。然后利用泰勒公式求出标准差，污染粒子的浓度分布就
33、可以确定。,4.2,3、相似理论,相似理论是在量纲分析的基础上发展的，是研究近地层大气湍流的一种理论方法。它假定流场的拉格朗日性质仅仅决定于表征流场欧拉性质的已知参量。这样污染粒子的扩散特征就与拉格朗日性质相关，并与风速和温度的空间分布联系起来了。,相似理论的结论在近地层几十米内是正确的，在这个高度以上须考虑科氏力等因子的作用（使分析复杂化，资料也少），实际应用不多,4.2.2 大气扩散模式,4.2,1、高斯（Gauss）扩散模式,假设污染物浓度符合正态分布,高斯扩散模式适用于均一的大气条件，以及地面开阔平坦的地区，点源的扩散模式。排放大量污染物的烟囱、放散管、通风口等，虽然大小不一，只要不是
34、讨论烟囱底部很近距离的污染问题，均可视其为点源。,以上三种大气扩散的理论都有较大的局限性，实际中给予一定的假设，在从统计、经验等方面分析污染的模式。以下主要介绍适用于开阔平坦地形上，高架连续点源的小尺度（10km)扩散模式。,4.2,高架连续点源扩散中，烟流截面上的浓度不是均匀的，而是呈正态分布。高斯模式是目前应用最广的模式。,湍流扩散模型,4.2,2、萨顿（）模式,假定湍流是平稳的而且具有普遍性，则大量粒子的统计特征与起始时间无关，大量粒子的平均值可以用一个粒子的长时间平均代替。,萨顿模式是高斯模式和泰勒公式的结合，理论上仅适用于平稳和均匀湍流流场。由于模式本身有不足之处，近年来以被高斯模式
35、等方法取代。,4.2.3 扩散参数的估计,4.2,1、帕斯圭尔扩散曲线法（P-G法）,只要利用当地常规气象观测资料，查取帕斯奎尔大气稳定度等级，即可确定扩散参数。扩散参数具有如下规律：随着离源距离增加而增大；不稳定大气状态时的值大于稳定大气状态，大气湍流运动愈强，值愈大；以上两种条件相同时，粗糙地面上的值大于平坦地面。,由于P-G法在概念上和一般意义下得稳定度比较接近，所以分类结果与其他的稳定度指标的分类结果比较一致，且简便易行，但常规资料的稳定度分类粗略，由于短时间污染浓度的误差较大。,根据表4-6，利用常规气象资料云量和太阳高度角将太阳辐射分为6级，然后再根据表4-7，利用太阳辐射分级和风
36、速把大气稳定度分为6级（A、B、C、D、E、F），最后利用上图给出每一个大气稳定度下得y和z随距离x的变化。,y随x的变化,z随x的变化,4.2,2、风向脉动法,3、方程求解法,4、地面浓度及其离源距离法,此外还有示踪剂浓度测量法、光学轮廓法、“标记粒子”轨迹法、风洞模拟法、激光雷达探测烟云法等方法估算扩散参数。,烟流抬升的过程,4.3,大气污染控制从两方面来理解，一是从立法的角度，指用法律来限制或禁止污染物的扩散。另一方面，“控制”具有防止的意思。用什么方法来防止大气污染发生呢？取消污染源之外(是否可行？），控制和防治是保护环境的首选。主要任务有：,4.3 大气污染的控制与管理,城市的全面规
37、划和合理布局、工厂厂址的选择和烟囱的高度设计、集中的采暖、改变燃料构成和净化汽车尾气、增大绿化面积、大气质量标准的制定、采用先进的工业治理污染的技术,4.3.1 城市的全面规划和合理布局,4.3,工业布局是否合理与形成大气污染关系极为密切。工业过分集中的地区，大气污染排放量必然过大，不易被稀释扩散；相反地，将工厂合理分散布设，将有利于污染物的稀释扩散。选择厂址时要充分考虑地形、气象等条件，以利于污染物的扩散。另外，工厂区和生活区要有一定的间隔距离，尽可能留出一些空地，绿化造林，以减轻污染危害。一个城市工厂要布置在盛行风的下风向，以减少废气对城市居民区的危害。,城市的全面规划和合理布局,（1）分
38、析盛行风向和风速（2）污染系数的计算（3）污染物的重叠和污染时间,由大气污染扩散模式计算的长期平均浓度分布图，或由现状评价（观测）给出的长期平均浓度图，均可作为城市规划的依据,在没有明显的盛行风向的地方，结合风速计算污染系数，或称为烟污强度系数，卫生防护系数。,4.3.2 工厂厂址选择和烟囱高度设计,4.3,合理选择工业区和居民区，科学设计烟囱高度均可减轻和防治污染。,1、工厂厂址选择,厂址选择是一个需要综合性考虑的问题，涉及到社会经济和科学技术等各个领域。从大气环境保护的角度出发，合理的厂址应是本底环境中的污染物浓度低，大气对污染物的扩散稀释能力强，以及所排放的污染物应被输送到对人类居住区域
39、影响小或污染危害轻的地方。仅对气象条件和地形状况对厂址选择的影响进行讨论,本底环境浓度是指某地区现有的某些污染物的浓度水平，又称作背景浓度。超过国家大气环境质量标准规定的地区不宜再建排放污染物的新厂，有些地方本底环境浓度没有超标，但加上拟建厂的排放物后浓度将会超标，而且在相当长的时期内无法克服，也不宜建厂。因此，厂址应选择本底环境浓度小的地区。,（1）本底环境浓度,厂址选择应考虑风对附近的生活区、工作区以及农作物区的影响，尤其是风向频率。厂址应设置在居住区等主要污染受体最小频率风向的上侧，排放量大或废气毒性大的企业应尽可能设在最小频率风向的最上侧，使居住区受污染的时间达到最少；应尽量减少各企业
40、之间发生重叠污染，不宜将各污染源布置在最大频率风向一致的直线上，分布应该有一定的夹角；污染源应尽可能设置在对农作物和经济作物损害最小的生长季节的最大频率风向的下方。,（2）风向风速,大气污染的危害程度与污染的停留时间和浓度两个因素有关，而风速与浓度成反比，所以影响大气污染物扩散稀释的因素是风速。如果仅考虑按风向频率布局，只能保证居民区受污染的时间最短，但不能确保该区域受到的污染程度最轻，因此在确定污染源与和被污染区的相对位置时，可定义一个污染系数来综合考虑风向频率f和平均风速u两个因素,f/u,某方位的风速大而风向频率小，该方位的污染系数就小，则其下风向的大气污染程度就轻。因此，污染源应该设在
41、使污染地区的污染系数达到最小的方位上风向。,污染系数没有考虑风速对烟流抬升的影响，即排放源下风向污染程度最轻的地方并非总是污染系数值为最小。随着风速的增大，一方面使大气污染物的扩散稀释能力增强，直接减小地面最大浓度；另一方面使烟流抬升高度减小，反而增大了地面最大浓度，而风速达到危险风速时，地面出现绝对最大浓度。所以，只有当风速超过危险风速后，才出现风速越大，地面浓度越小的现象。当烟囱的几何高度一定时，地面最大浓度将随风速由小增大而出现最大值。见下图。,对于中、矮烟囱，烟流抬升较弱，危险风速只有12 m/s，此时仍可用污染系数来考虑厂址的选择。但对抬升高度很高的发电厂、冶炼厂，危险风速非常高，可
42、能超过10m/s，如果风速小于危险风速，随着风速增大，地面浓度反而增高，因此不能仅利用污染系数估算污染的程度，还要根据烟流特性和气象资料进行分析计算。,对于静风(u1.0m/s)和微风(u12m/s)出现频率高，辐射逆温频率大，持续时间长的地区，由于大气的扩散能力差，容易引起大气中污染物的浓度增高而造成污染。因此要统计静风频率和静风的持续时间，绘制出静风持续时间频率图进行分析，尽量避免在全年静风频高或静风持续时间长的地方建厂。对于地形复杂的山区，随着地形高度的不同，风向风速变化很大，应选择适当的测点绘出局部污染系数玫瑰图。,地面200300m以内的逆温对低矮烟源影响很大，此时地面风速较小，污染
43、物扩散稀释缓慢，往往在排放源附近污染物浓度很高，因此具有低矮排放源的工厂不宜建在近地层逆温频率高、持续时间长的地区。如果排放源的有效高度高于近地逆温层的顶部，污染物难以向下运动，将产生爬升型扩散，对防止污染最为有利。如果高大烟源位于逆温层内，在逆温消解时会产生短时间的熏烟型污染，其它时间一般不会使烟源附近出现高浓度污染，但扩散速度缓慢，污染范围较大，远距离地面浓度偏高。,（3）温度层结,上部逆温主要对高大烟源扩散的影响较大，即使增加烟囱高度也不能明显降低污染物的地面浓度，它对低矮烟源的扩散无明显的影响。,厂址选择还要适当考虑其它象条件。如低云和雾较多的地区容易形成更大的污染，而降水较多的地区由
44、于雨水可以净化空气中的污染物，使得污染物浓度降低，空气往往较洁净。当降雨与固定的盛行风常常同时出现的地区，厂址选择中应考虑被污染的雨水可能会被风吹向下风方向的问题。,不同的地形，在其上空会产生不同的扩散条件。如果厂址选择在不利于污染物扩散稀释的地形位置，可能在小范围内造成污染物的聚积，产生较高的浓度，严重时会引起大气污染。因此，选择厂址时应考虑地形对污染物扩散的影响，最基本考虑的因素有：,（4）地形,在低洼地区，应考虑四周山坡上的居民区及农田。当排放源的有效高度不能超过山坡上的农田与居民区的高度时，不宜建厂；对于高山或四周很高的深谷，由于静、微风频率高且持续时间长，以及逆温层经常不易消散，污染
45、物可能持久在深谷内聚积，浓度很高，不宜建厂,在山坡，排放源的有效高度必须能够超过背风坡的湍流区及下坡风的厚度，否则不宜建厂，因为烟流会很快压向背风坡地面，造成高浓度的污染。如果要在背风坡建厂，工厂的排放源应设在远离背风坡湍流区的地方，而一般不宜将居住区设在背风面的污染区。,走向与盛行风向交角为45135的较深长的山谷，谷内风速一般较低，经常出现静风与微风现象，污染物不易扩散稀释。因此排放源的有效高度应高于山谷内静风或微风的高度，否则不宜建厂。在风速有规律变化或日平均风速经常很小的山谷中也不宜建厂,在海陆风比较稳定的大型水域，如果沿岸与山地毗邻，靠山地区不利于污染物的稀释扩散，不宜作为厂址。如果
46、在水域毗邻的陆地建厂时，应该使生活区与厂区的排列与海岸平行，以减少海陆风环流对生活区造成的污染,由于地形对大气污染的影响是多种多样的，也非常复杂，选址必须对实地情况作具体分析。如果在地形复杂的地区选址，应当根据地形和专门的气象观测判断可能出现的主要大气污染现象，一般应进行现场扩散实验或风洞模拟实验。这样，才能对当地的大气扩散能力、建厂条件，以及厂外布置等做出准确的评价，为确定必要的对策或防护措施提供依据,4.3,高架连续点源的典型代表就是孤立的高烟囱。烟囱的作用除了利用热烟气与环境冷空气之间的密度差产生的自生通风力来克服烟气流动阻力向大气排放外，还要把烟气中的污染物散逸到高空之中，通过大气的稀
47、释扩散能力降低污染物的浓度，使烟囱的周边的环境处于允许的污染程度之下。,2、烟囱高度设计,烟囱的设计应合理地确定烟囱高度，做到既减少污染又不浪费。因为高烟囱虽然非常有利于污染物浓度的扩散稀释，但烟囱达到一定高度后，再继续增加高度对污染物落地浓度的降低已无明显作用，而烟囱的造价也近似地与烟囱高度的平方成正比。因此，烟囱高度设计的基本要求是，在排放源造成的地面最大浓度不超过国家规定的数值标准下，使得建造投资费用最小,烟囱高度对地面污染物浓度分布的影响,烟囱高度的计算一般采用按烟气在有效高度h处的正态分布扩散模式推导确定的简化公式，主要以地面最大浓度为依据。,烟囱高度应尽量高于夜间常出现的辐射逆温层
48、顶的高度，高于周围1-2内的障碍物（包括建筑物）的高度，烟囱高度比附近建筑物高2.5倍以上，尽量利用地形，建在比较高的地方。,影响烟囱设计高度的因素：,地面最大浓度的数值、出现的频率与持续时间,气象参数。主要的气象参数有风速和扩散参数,烟流出口速度,根据烟气流速度即可计算烟囱出口截面的内直径,烟气的干、湿沉降,烟囱的散热,4.3,排放方式不同扩散效果也不同。目前采用的是高烟囱排放和集合式烟囱排放。提高烟囱的有效高度，使烟气得到充分的稀释，减轻污染浓度。但高排烟的范围扩大了。集合式排放，就是将几个（一般2-4个）排烟设备集中到一个烟囱排放。使排放的烟气温度升高，提高烟气出口速度。这种高温、高速的
49、烟流呈环状吹向天空，扩散效果良好，矮烟囱起到高烟囱的作用。,3、排烟方式的选择,4.3.3 城区集中供暖、供热,4.3,分散于千家万户的炉灶和市区密集的矮烟囱是大气烟尘的主要污染源。北方城市冬季取暖用煤量往往超过工业用煤量。采取区域集中供暖、供热，即在城市的郊外设立大的热电厂和供热站，以代替千家万户的炉灶，这是消除烟尘的有效措施。其优点是可以提高锅炉设备的效率，降低燃料消耗量；可以利用废热，提高热利用率；集中供热的大锅炉适于采用高效率的降尘器，从而大大减少粉尘的排放量；可以减少燃料的运输量。,4.3.4 改变燃料构成和净化汽车尾气,4.3,1、改变燃料构成,对燃料进行选择和处理，是减少污染物产
50、生的有效措施。各种燃料中灰分数量有很大差别，煤的灰分量为5%-20%，石油为0.2%，天然气中灰分量更少。所以应量选用灰分量少的燃料。我国燃料构成中以煤炭为主，应逐步扩大煤的气化设施和供应煤气的气体燃料。另外，应加强新能源的开发利用研究，如太阳能、风能、氢燃料、地热能等，以代替煤炭燃料，减轻污染,4.3,2、净化汽车尾气,汽车尾气污染物主要包括：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒（某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾）、臭气（甲醛等）。据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约3000kg，碳氢化合物200-400kg，氮氧化合物50-150kg；美国洛杉矶市汽车等流动污染源排放
