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1、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.烟囱高度设计掌握大气扩散的理论和扩散模式，学会估算污染物浓度、烟气抬升高度，确定烟囱高度和厂址,建议学时数：4学时,第一节 湍流扩散的基本理论,扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大湍流：湍流扩散比分子扩散快105106倍湍流的基本概念 湍流大气的无规则运动 风速的脉动风向的摆动起因与两种形式 热力：温度垂直分布不均（不稳定）大气稳定度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度,4.湍流运动的判据雷诺数,雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据雷诺
2、数（Re）临界雷诺数试验（圆管）表明：当Re2000时的流体流动是 湍流当Re0.1m/s则Re6000所以通常认为大气运动都是湍流运动,湍流扩散理论,主要阐述湍流与烟流传播及湍流与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 3.相似理论,二、湍流扩散理论简介,主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.梯度输送理论德国科学家菲克，在1855年发表了一篇题为“论扩散”的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩
3、散相同，是十分自然的。”通过泰勒（）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。为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。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。,二、湍流扩散理论简介,2.湍流统计理论：泰勒(GITaYler)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
4、名的泰勒公式。湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。图4-1表示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。,图4-1由湍流引起的扩散,3.相似理论,湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家的贡献，使湍流扩散
5、相似理论得到很大发展。湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出与实际大气污染扩散相符合的计算模式。,大气湍流与污染物的扩散,图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰
6、，边缘不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度也不断地降低。图8.3b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。图8.3c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述几种过程共同完成的。,4.研究湍流的主要方法,目前研究湍流的主要方法有两种：一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研究边界层大气运动；是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法，结合经验事实，采用适当的参数。虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学家和工程
7、技术人员对此比较感兴趣另一种是湍流统计理论方法，即物理上把湍流视为大大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统计途径，来分析研究湍流内部结构。将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科学家就致力于这方面的研究。,第二节 高斯扩散模式,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。食指x轴；中指y轴；拇指z轴。此坐标系中，烟流中心与x轴重合或烟流在ox
8、y平面的投影为x轴。右手坐标，y为横风向，z为垂直向四点假设 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,无界空间连续点源扩散模式（坐标原点排放点）,由正态分布假定a，得下风向任一点的浓度分布方差的表达式由假定d 源强积分式（单位时间物料守恒）,（46）,（41）,（42）,（43）,上式中：平均风速；Q源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常：（）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；（）连续点源以单位时间的释放量表示；（）连续线源
9、以单位时间单位长度的排放量表示；（）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。y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；z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、组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。,高斯烟流的形态,（47）,高架连续点源扩散模式（坐标原点在地面）,镜像全反射-像源法实源：像源：,P点污染物浓度,重要,重点,高架连续点源扩散模式:几种特殊情况下的计算公式：,高斯烟流的浓度分布,高斯烟流中心线上的浓度分布,高架连续点源扩散模式,不随距离x变化,颗粒物扩散模式,粒径小于
10、15m的颗粒物可按气体扩散计算大于15m的颗粒物：重力沉降作用，倾斜烟流模式,地面反射系数,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,1.烟气抬升高度的计算,第三节 污染物浓度的估算,烟气抬升大体上分为以下四个阶段。喷出阶段 烟气自烟囱口垂直向上喷出，因自身的初始动量继续上升，此阶段也称为动力抬升阶段。显然烟囱出口处烟气的垂直速度vs愈大，初始动量愈大，动力抬升的高度也越高。浮升阶段 烟气离开烟囱后，由于烟气温度Ts比周围大气温度Ta高，则烟气比周围空气密度小，从而产生浮力，温差愈大，浮力上升愈高。初始动量的主导作用渐渐消失，随后主要
11、是烟气本身的热量在环境中造成的浮力抬升。对于热烟气来说，这是烟气抬升的主要阶段 瓦解阶段 在浮升阶段的后期，烟气在抬升过程中由于周围空气被卷夹进来使烟体膨大，内外温差和上升速度都显著降低，烟流的浮升速度已经很慢，环境湍流使烟气体积进一步地增大，烟流自身的结构也在短时间内瓦解，烟气原先的热力和动力性质丧失殆尽，抬升结束。变平阶段 在有水平风速u的情况下，空气给烟气以水平动量，随着垂直速度迅速降低，烟云很快倾斜弯曲，环境湍流继续使烟气扩散膨胀，烟流逐渐趋于变平。因此通常认为抬升高度和风速成反比。,第三节 污染物浓度的估算,影响烟云抬升现象的因素：烟囱出口处的烟气流速vs、烟气温度TS、环境温度即大
12、气温度Ta、风速u、大气稳定度近地层下垫面的状况等。,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（修正：稳定时减小1020，不稳时增加1020）,Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下,2.68x10-5p,9.79,烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式（续）（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件,抬升高度计算随距离变化,烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式（续）（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,排放源高度以上的气温直减率r,扩散参数的确定,PG曲线法PG曲线Pasquil
13、l常规气象资料估算Gifford制成图表（图44，45）表44,表43,查图44,曲线查表45,或查表44,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用利用扩散曲线确定 和,扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用地面最大浓度估算,扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,稳定度分类方法改进的PT法,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（表48）扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，A、B、C级按表中直接查，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，A、B级不提级，C提至B级
14、，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，,思考题：什么是烟囱有效高度？烟囱抬升的主要原因是什么？抬升高度的影响因素有哪些？作业：4.2、4.3、4.6,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,地面轴线浓度,封闭型扩散模式,计算简化：,2.15z处为烟流边缘,式436,封闭型扩散模式,计算简化：,对数内插法,熏烟型扩散模式,假设：D 换成hf（垂向均匀分布）；q只包
15、括进入混合层部分，则仍可用上面公式,hf,436,注意：y、z用稳定层,熏烟型扩散模式,hf,按封闭式扩散模型,式436,H,式439,第五节 城市及山区扩散模式,一、城市大气扩散模式1.线源扩散模式,X,y,参照高架连续点源地面浓度公式48,城市大气扩散模式,2.面源扩散模式大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量0.04t/h,面源源强指q=Q/S，S为城市面积，单位g/s。,x,D,W,u,城市大气扩散模式,2.面源扩散模式（续）简化为点源的面源扩散模式（续）形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好与正方形宽度相等 烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的2.15倍（正
16、态分布：）确定、之后即可按点源计算面源浓度,用x+xy0,x+xz0查表48得到y1（x+xy0）1，z1（x+xz0）2,412,城市大气扩散模式,2.面源扩散模式（续）窄烟流模式某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向两侧单元对其影响很小某点M的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定,城市边缘,x,（式455）,吉福德给出：A值不稳定 中性 稳定 长期平均50 200 600 225,常用城市空气质量模式,箱模式单箱模式多箱模式如目前用于我国城市空气污染指数预报的CAPPS模式城市多源模式如EPA推荐的ISC模式（Industrial Source Complex Model
17、）光化学模式如EPA推荐的UAMV（Urban Airshed Model）模式线源模式如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放,城市空气质量模式的发展,第一代模式,光化学模式,城市空气质量模式的发展,第二代模式,Eulerian Grid Models:UAM,RADM,REMSAD,ROM,http:/,欧拉格栅模式,城市空气质量模式的发展,第三代模式（Models-3）One Atmosphere的概念,第三代模式（Models3）,气象,排放,空气质量,二、山区扩散模式,山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔
18、及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多,山区扩散模式,封闭山谷中的扩散模式：借鉴封闭型扩散模式求出yW/4.3 时的XDxxD时，污染物在横向近似为均匀分布。,地面连续点源：,地面浓度：,高架源：,山区扩散模式,NOAA和EPA模式对有效源高进行修正高架点源烟流受起伏地形的影响，NOAA以高斯模式为基础，仅对有效源高进行修正。修正方法如下：1）所有稳定度的划分仍用P-T法，仅适当修正了级别；2）在中性和不稳定时，假设烟流中心线与地面始终平行，有效源高不作修正，地面轴线浓度仍用（49）；3）稳定时，假定烟流中心线保持水平，地面轴线浓度：EPA与NOAA相似，只
19、是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正,当hTH时，用HhT0,山区扩散模式,ERT模式高斯模式，只对有效源高进行修正HhT时，用（HhT/2），HhT时，用（H/2）作有效源高。采用平原的扩散系数，低估了山区的扩散速率,第六节 烟囱高度的设计,烟囱高度的计算要求：（1）达到稀释扩散的作用（2）造价最低，造价正比于H2（3）地面浓度不超标 按地面最大浓度计算,风速不变化,烟囱高度的计算,按地面绝对最大浓度计算,实际风速是变化的,（422）,由于风速所引起的稀释和有效排放高度的作用达到了平衡，使地面最大浓度达到最大值。,危险风速,绝对最大浓度,烟囱高度的计算,按地面绝对最大浓度计算,代入式410
20、,上,Q,Q,Q,烟囱高度的计算,按一定保证率的计算法取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数P值法国标GB/T 13201-91P-某种污染物点源排放控制系数t/h m2,烟囱设计中的几个问题,上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，需要用封闭型或熏烟型模式校核烟气抬升高度的选取优先采用国家标准中的推荐公式为防止烟流下洗、下沉现象，烟气出口速度高于平均风速1.5倍。一般宜在2030m/s，排烟温度宜在100以上。,第七节 厂址选择,一 厂址选择中所需的气候资料1风向和风速资料。风向频率、风速复合玫瑰图。静风0.5m/s单独分析。2大气稳定度的气候资料。3混合层高度的确定：
21、平均浓度与通风系数（Du）成反比（式436）。,日最高地温,早晨温度层结曲线,干绝热过程线,第七节 厂址选择,二 长期平均浓度的估算1 长期平均浓度计算公式：式468，fijk有风时风向方位i、稳定度j、风速段k发生的联合频率。ijk联合频率为fijk时下风距离x处的平均浓度。fLijk静风或小风时风向方位i、稳定度j、风速段k发生的联合频率。Lijk联合频率为fLijk时下风距离x处的平均浓度。风向方位i一般取16，稳定度j（稳定、中性、不稳定），风速段k大于3。,第七节 厂址选择,2按风向方位计算平均浓度按风向的16个方位分成16个扇型，吹某一扇型风时弧AB上的平均浓度：,代入地面浓度公式
22、48,第七节 厂址选择,三、厂址选择。1本底浓度2风向、风速污染系数风向频率/平均风速污染系数玫瑰图。,第七节 厂址选择,厂址选择。3温度层结：最不利情况是近地层逆温和上部逆温，静风和小风，近地层逆温：对高架源：一种是高架源出口位于逆温层中，远距离地面浓度高，附近浓度小，逆温层破坏时产生短时间漫烟型污染。另一种是高架源出口高于逆温层，将产生爬升型扩散，最为有利。对地面源影响大，造成近距离很高的污染浓度。,第七节 厂址选择,上部逆温，对地面源影响小，对高架源影响较大。降水、低云和雾的影响。4地形：6条注意。,思考题和作业,思考题：封闭型和熏烟型扩散现象发生在怎样的气象条件下？有何不同？对地面浓度
23、的影响。作业：4.6、4.8、4.9、4.11、4.12,小结：高斯扩散模式,无界空间连续点源扩散模式（坐标原点排放点）,式46,小结：高斯扩散模式,高架连续点源扩散模式（坐标原点在地面）,式47,小结：高斯扩散模式,几种特殊情况下的计算公式：,式48,式49,小结：高斯扩散模式,几种特殊情况下的计算公式：,式410,式411,小结：高斯扩散模式,几种特殊情况下的计算公式：,式412,小结：特殊气象条件下的扩散模式,封闭型扩散模式,式436,小结：特殊气象条件下的扩散模式,封闭型扩散模式,对数内插法,小结：特殊气象条件下的扩散模式,熏烟型扩散模式,用封闭式扩散模型,式441(36),439,小
24、结：城市大气扩散模式,1.线源扩散模式,式446,445,小结：城市大气扩散模式,2.面源扩散模式,式449,447,简化为点源的面源扩散模式,小结：城市大气扩散模式,3.窄烟流模式,454,小结：山区扩散模式,封闭山谷中的扩散模式NOAA和EPA模式ERT模式,15,烟囱抬升高度,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,1.烟气抬升高度的计算,烟囱抬升高度,烟囱抬升高度,烟囱抬升高度,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1020）,烟囱抬升高度,抬升高度计算式,2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件,烟囱抬升高度,抬升高度计算式,3）我国标准(GB/T13201-91)中的公式,烟囱高度的设计,按地面最大浓度计算,462463,烟囱高度的设计,按地面绝对最大浓度计算,465466,P值法,467,
