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1、环境质量评价,第五章 大气环境影响评价 嘉兴学院环境工程系,大气环境质量评价及影响预测,5.1 大气层和大气污染5.2 大气边界层的温度场5.3 湍流扩散的基本理论5.4 烟气抬升与地面最大浓度计算5.5 点源特殊扩散模式5.6 非点源扩散模式5.7 大气湍流扩散参数的计算和测量5.8 大气环境影响评价及预测,5.1 大气层和大气污染,1低层大气的组成 2.描述大气的物理量,包围地球的整个大气圈的总体为大气，大气在地表的密度在标准状态下每升重1.293克，愈向上愈稀薄。组成：干洁空气、水汽、污染物,气温、气湿、气压（大气压力的单位有毫米汞柱(mmHg)、标准大气压(atm)、巴(bar)、毫巴
2、(mbar)、帕(Pa（N/m2）)；）1atm=76 mmHg=101325Pa=101325mbar,风力计算,风速廓线,大气的结构和组成,大气层的结构和组成,大气属于混气合气体，氮、氧、氩合占总体积的.，余为氖、氦、氨、氙、氢等微气量气体。自千米向上原子氧逐渐增加，直到主要是原子氧的层，再向上为原子氦层（高千米）和气原子氢层（千米以上）。臭氧主要分布在千米之间的气层气内，特别集中在千米范围内。大气按温度高度的变化，可分为对流层、平流层、中层、热层及外逸层。,1对流层：,对流层是指由下垫面算起，到平均高度为12km的一层大气。对流层的上界高度是随纬度和季节而变化的，在热带平均为1718km
3、，温带平均为10一12km，高纬度和两极地区为89km夏季对流层上界高度大于冬季的。对流层具有下述四个主要特点。(1)气温随高度的增加而降低，由下垫面至高空每高差109m气温约平均降低0.65。,1对流层,(2)对流层内有强烈的对流运动。这主要是由于下垫面受热不均匀及下垫面物性不同所产生的。一般是低纬度的对流运动较强，高纬度地区的对流运动较弱。由于对流运动的存在，使高低层之间发生空气质量交换及热量交换，大气趋于均匀。(3)对流层的空气密度最大，虽然该层很薄，但却集中了全部大气质量的3/4并且几乎集中了大气中的全部水汽；云、雾、雨、雪等大气现象都发生在这层。(4)气象要素水平分布不均匀，特别是冷
4、、暖气团的过渡带，即所谓锋区。在这里往往有复杂的天气现象发生，如寒潮、梅雨、暴雨、大风、冰雹等。,2平流层,从对流层顶到离下垫面55km高度的一层称为平流层。从对流层顶到30-35km这一层，气温几乎不随高度而变化，故有同温层之称。从这以上到平流层顶，气温随高度升高而上升，形成逆温层，故有暖层之称。由于平流层基本是逆温层，故没有强烈的对流运动；空气垂直混合微弱，气流平稳。水汽、尘埃都很少，很少有云出现，大气透明度良好。对流层和平流层交界处的过渡层称为对流层顶。它约数百米到2km厚；最大可达45km厚。对流层顶的气温在铅直方向的分布呈等温或逆温型。因此，它的气温直减率与对流层的相比发生了突变，往
5、往利用这一点作为确定对流层顶高度的一种依据。,3中间层,从下垫面算起的5585km高度的一层称为中间层。气温随高度的增高而降低，大约高度每增高1km气温降：低1；空气有强烈的对流运动，垂直混合明显；故有高空对流层之称。,4、热成层,从下垫面算起85800km左右高度的一层称为热成层或热层。气温随高度增高而迅速增高，在300km高度上，气温可达1000以上。该层空气在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，处在高度的电离状态，故有电离层之称。电离层具有反射无线电波的能力。因此它在无线电通讯上有重要意义。,5、散逸层,热成层顶以上的大气层，统称为散逸层。该层气温极高，空气稀薄，大气粒子运动速度很高，常可
6、以摆脱地球引力而散逸到太空中去，故称散逸层。,5.2 大气边界层的温度场,5.2.1 气温的垂直分布1.气温层结气温沿铅直高度的变化，称气温层结或层结。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；它系指单位(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。大气中的气温层结有四种典型情况，气温随高度的增加而递减，0，称为正常分布层结，或递减层结；气温随高度的增加而增加，0，称为气温逆转，简称逆温；气温随铅直高度的变化等于或近似等于干绝热直减率，=d称为中性层结；气温随铅直高度增加是不变
7、的，=0，称为等温层结。,2.干绝热直减率,一个质量恒定的空气块，从地面绝热上升时，将因周围气压的减小而膨胀，一部分内能用于反抗外压力膨胀，而做了功，因而它的温度将逐渐下降；反之，当一个质量恒定的空气块从高空绝热下降时，由于外界气压逐渐增大，外压力对气块做压缩功，并转化为它的内能，因而它的温度将逐渐上升。这种性质可用干绝热直减率表示。,5.2.2 大气静力稳定度及其判据,大气的静力稳定度含义可以理解为，如果一空气块受到外部作用，获得了向上或向下的初始运动速度后，可能发生三种情况：(1)气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(2)气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；(3)
8、气块做等速直线运动，称这种大气是中性的。,当-d0，气块加速运动，大气不稳定；当-d0，气块减速运动，大气稳定；当-d=0，大气为中性。,因此，大气静力稳定度可以用温度直减率与干绝热直减率之差来判断，即-d大于、小于和等于零为大气静力稳定度的判据。对于和d的物理意义应具有较确切认识，d是以质量衡定的一块空气团为对象在干绝热条件下沿垂直上升而导出的气温垂直递减率，是一个由气态方程给定的确定值。则是气温的环境层结,是在太阳、地球的热量幅射和其他气象因素作用下形成的实际环境状况。,5.2.3 逆温,图5-4 由于太阳辐射引起逆温的生消过程。,5.3 湍流扩散的基本理论,5.3.1 湍流的基本概念描述
9、湍流运动有两种方法，一种是欧拉法，它在空间划出一个控制体为对象，考察流体流经它的情形，欧拉法注重于特定时刻整个流场及某定点不同时刻的流体运动性质。另一种是拉格朗日法，它在流体运动时，追随研究一个典型的流体单元。5.3.2 湍流扩散理论湍流扩散理论有三种：梯度输送理论，统计扩散理论和相似扩散理论。,5.3.3 点源扩散的高斯模式,坐标系高斯模式的四点假设高斯模式的四点假设为：(1)污染物在空间 yoz 平面中按高斯分布(正态分布)，在 x方向只考虑迁移，不考虑扩散；(2)在整个空间中风速是均匀、稳定的，风速大于lms；(3)源强是连续均匀的；(4)在扩散过程中污染物质量是守衡的。无限空间连续点源
10、的高斯模式,高斯模式的坐标系和基本假设图示,高架连续点源的高斯模式,高斯模式的浓度扩散公式汇总,地面源（H=0）高架源（H0）,地面轴线上点C(x,0,0),地面点C(x,y,0),半无界(任一点)C(x,y,z),无界(任一点)C(x,y,z),5.4 烟气抬升与地面最大浓度计算,5.4.1 烟气抬升高度公式烟流抬升高度的确定是计算有效源高的关键。热烟流从烟囱出口喷出多大体经过四个阶段：烟流的喷出阶段、浮升阶段、瓦解阶段和变平阶段。产生烟流抬升的原因有两个:一是烟囱出口处的烟流具有一定的初始动量，二是由于烟流温度高于周围空气温度而产生的净浮力。影响这两种作用的因素很多，归结起来可分为排放因素
11、和气象因素两类。排放因素有烟囱出口的烟流速度、烟气温度和烟囱出口内径。气象因素有平均风速、环境空气温度、风速垂直切变、湍流强度及大气稳定度。,1.烟气的热释放率,选用抬升公式时首先需要考虑烟气的排放因素，计算出烟气的热释放率。烟气的热释放率是指单位时间内向环境释放的热量，即：这里 T 是烟气温度与环境温度的差值,QN 是烟气折合成标准状态时的体积流量（NM3/s）CP 是标准状态下的定压热容(=1.298 KJ/度.NM3)。当烟气以实际出口温度TsK 时的排烟流量Qv m3/s 表示时，热释放率的计算公式为：,2.霍兰德(Holland)公式,3.布里吉斯（Briggs）公式,5.4.2 我
12、国烟气抬升高度的计算方法,有风时，中性和不稳定条件，热释放率Qh 大于或等于2100KJ/s，且烟气温度与环境温度的差值T 大于或等于35K 时，H 采用下式计算：,式中：no烟气热状况及地表系数，见表5-4；n1烟气热释放率指数，见表5-4；n2排气筒高度指数，见表5-4；Qh烟气热释放率，KJ/s；Hs排气筒距地面几何高度，m，超过 240m时，取Hs=240m；u1排气筒出口处平均风速(m/s)；无实测值时，用10m 处平均风速u10和风速廓线计算。可以看出这一情况使用的是布里吉斯公式。,5.4.2 我国烟气抬升高度的计算方法,有风，中性和不稳定条件,有风，稳定条件,小风、静风,5.4.
13、3 地面的最大浓度,高架源的污染源是在空中，我们时常关心的是污染物到达地面的浓度，而不是空中任一点的浓度。地面浓度是以 x 轴为对称的，x 轴上具有最大值，向两侧方向遂渐减小。因此，地面轴线浓度是我们所关心的。根据地面轴线浓度公式：式中的两项：一项随 x 而减小，一项随 x 而增大；两项共同作用的结果，必然在某一距离 x 处出现浓度 C 的最大值。另一方面，地面最大污染物浓度出现的位置和数值，与高架污染源在空中的位置有关，空中的位置则是以有效源高表现。因此还要考虑气象因素。,1给定风速条件下地面的最大浓度,2危险风速和地面绝对最大浓度 地面最大浓度随风速的变化呈单峰形。在每一个风速下都有一个地
14、面最大浓度，所有地面最大浓度中的极大者，即所谓地面绝对最大浓度。出现绝对最大浓度的风速称为危险风速。在危险风速下，烟流抬升高度和烟囱几何高度相等，有效烟囱高度为烟囱几何高度的两倍。,当 时，Cmax是所有地面最大浓度中的极大值,5.5 点源特殊扩散模式,5.5.1 封闭型扩散模式,把浓度相当于烟流中心线浓度的110处，二点间的距离称为烟流宽度(在y 方向)或烟流高度(在z 方向)。把浓度相当于烟流中心线浓度的 110 处到烟流中心线的距离称为烟流半宽度(在y方向)或烟流半高度(在z 方向)。烟流宽度和高度的定义及烟流按正态分布的规律，可以推导出扩散参数与烟流宽度及烟流高度的关系。,5.5.2
15、熏烟型扩散模式,在夜间，当存在辐射逆温时，高架连续点源排放的烟流排入稳定的逆温层中，形成平展型扩散。这种烟流在铅直方向为漫扩散，在源高度上形成一条狭长的高浓度区。日出以后，太阳辐射逐渐增加，地面逐渐变暖，辐射逆温从地面开始破坏，逐渐向上发展。当辐射逆温破坏到烟流下边缘稍高一些时，在热力湍流的作用下，烟流中的污染物便发生了强烈的向下混合作用，增大了地面的污染物浓度,这个过程称为熏烟(漫烟)过程。,5.5.3 小风和静风时的点源扩散模式,上述各种扩散模式适用于有风条件下，即风速大于 1.5m/s 的条件。小风（1.5m/su100.5m/s），和静风（u100.5 m/s）条件下上述各节的各种模式
16、不再适用。在小风（1.5m/su100.5m/s）和静风（u100.5 m/s)条件下，顺风向(x轴方向)扩散不能忽略,必须考虑三个方向的湍流扩散作用。在高斯扩散模式中，则必须将x 考虑在内。,5.6 非点源扩散模式,5.6.1 线源扩散模式,1.无限长线源扩散模式,2.有限长线源扩散模式,5.6.2 多源和面源排放模式,导则规定平原城区排气筒高度不高于 40m或排放量小于 0.04 t/h的排放源可作为面源处理。面源扩散的处理模式是将评价区在选定的坐标系内网格化。即以评价区的左下角为原点；分别以东（E）和北（N）为 x和 y轴。网格和单元，一般可取11(km2),评价区较小时，可取50050
17、0(m2),建设项目所占面积小于网格单元,可取其为网格单元面积。然后，按网格统计面源的主要污染物排放量t/(h.km2)和面源平均排放高度（m）等参数。,5.6.3 体源扩散模式,5.7 大气湍流扩散参数的计算和测量,5.7.1 由常规气象资料求大气稳定度我国的环境影响评价技术导则中推荐：当使用常规气象资料时，大气稳定度等级可采用修订的帕斯奎尔（Pasquill）稳定度分级法（简记 P.S），分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级。它们分别表示为A、B、C、D、E、F。确定等级时,首先由云量与太阳高度角（日高角）,查出太阳辐射等级数，再由太阳辐射等级数与地面风速确定稳定度等级。
18、,日高角和日高图,太阳高度角（或日高角）是指当时当地太阳实际照射到水平面上的角度。在当地真太阳时正午12点日高角h、太阳倾角（赤纬角）和当地纬度角之间的相互关系。由于太阳到地球的距离远远大于地球的半径，因此-；Sinh=COS=COS(-),任一时刻日高角h的计算式：Sinh=SinSin+CosCosCos,日高图,根据正午12点真太阳时（t=0）和由h=0求得的日出日落真太阳时，在纳布可夫坐标上点出两点并联连成直线，即称为日高图。使用日高图可方便地查出任一时刻的日高角。,例5-2,已知,北京处于 116.28E,40.0N，求三月上旬的日出与日落时间(北京时间),并画出纳布可夫日高图。解：
19、三月上旬-5，计算正午12点h，：h90-（-）=45计算日出日落真太阳时，由 0=SinSin+CosCosCos=85.7，求出距正午12点时间为 t=85.7/15=5.71(h)=5小时43 分；,由经度求时间补偿，t=(120-116.28)4分/度=14.9(分)由日落日出真太阳时:125小时43 分，求得日出的北京时间为 6：02；日落的北京时间为 17：28。,由日高角和云量求幅射等级,由幅射等级和地面风速求稳定度,5.7.2 扩散参数y、z的确定,示踪剂浓度法平移球示踪法（等容球或平衡球）放烟照相法（光学轮廓法）激光测烟雷达法环境风洞模拟实验法,帕斯圭尔和吉福德根据常规气象观
20、测资料确定稳定度级别，在大量扩散试验的数据和理论分析的基础上，总结出每一种稳定度级别的扩散参数随距离变化的经验曲线，解决了扩散参数的取值问题。这一经验曲线一般称为帕斯圭尔一吉福德扩散曲线，简称PG扩散曲线。我国的“环境评价技术导则”采用扩散参数的幂函数表达式数据（取样时间0.5h）,5.7.3 大气湍流扩散参数的测量,5.8 大气环境影响评价及预测,5.8.1 大气环境影响评价通过建设项目大气环境影响评价，查清建设项目周围大气环境质量现状，预测建设项目建成后可能对周围大气环境产生的影响，并作出评价。大气环境影响评价是对建设项目的大气环境可行性的论证。它是大气污染防治设计的依据之一，是环境管理的
21、依据。根据评价项目的主要污染物排放量、周围地形的复杂程度以及当地执行的大气环境质量标准等因素,将大气环境影响评价工作划分为一、二、三级。大气环境影响评价的技术工作程序如图。5.8.2 大气环境影响算例,例5-7某地(P=100 kPa)两工厂烟囱在城市的位置以平面坐标表示A(15,15)、B(150,150)（以 m计），高度分别为100m 和 80m,SO2 排放量分别为180g/s 和130 g/s；TSP 排放量分别为340g/s 和300 g/s；烟气温度均为100,当地平均气温冬季为-10,春秋季节为 15；其烟气流量分别为 135 M3/s和 124M3/s。,1 分别求两污染源在
22、风速与 X 方向平行，C 稳定度和相应情况的热排放率Qh,危险风速,地面绝对最大浓度值及发生部位（以平面坐标表示）。2 若在接受点C(110,950)，风向平行X，地面风速2.5 m/s,C 稳定度，考虑叠加效果。3 若在接受点C(110,950)，地面风速0.8 m/s,其他条件同上，考虑叠加效果。,解：（1）求解地面绝对最大浓度；由5-35式计算污染源热释放率，如 A 源冬季有,抬升公式5-40式：,由表5-4 no=0.292，n1=3/5，n2=2/5；对照公式5-40式,在危险风速条件下，有H=Hs；求得危险风速,由5-51式，地面最大浓度处,查表5-10代入5-46,，解出 xm,
23、并计算,表5-12 地面绝对最大浓度的计算用表,大气环境质量评价及影响预测学习要点,大气污染与污染源和扩散环境有关。主要污染物有粉尘、可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等。大气污染源排放方式有点源、线源和面源三种。了解有关大气层的基本物理量、基本结构及大气污染成因。了解大气边界层中的温度场、风场及湍流特征；掌握气温层结、干绝热直减率、位温、逆温的概念，认识气温层结与大气稳定度的关系。高斯模式是求解点源大气污染物扩散的主要计算方法，掌握各种不同条件下高斯模式的应用公式；掌握烟气抬升高度与地面最大浓度的计算公式，及在环境评价中的应用方法。学习利用常规气象资料确定大气稳定度的分级方法，在此基础上获得大气湍流扩散参数（x，y，z），并在环境评价中应用。认识点源、线源、面源，以及特殊气象条件下大气污染物扩散模式的处理方法。了解大气环境影响评价技术工作程序，练习用Excel模板进行大气环境影响计算。,难点,重点,重点,
