4大气污染.ppt

1 第四章大气扩散浓度估算模式 教学内容 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 7厂址选择 2 第4章大气扩散浓度估算模式 1 教学要求要求了解湍流扩散的基本理论 理解和掌握高斯扩散模式 烟囱高度的设计和厂址的选择 2 教学重点掌握影响污染物稀释扩散法控制的有关条件 污染物浓度估算的高斯模式 烟囱高度的设计方法 3 教学难点污染物稀释扩散法控制 污染物浓度估算的高斯模式 3 1湍流扩散的基本理论 一 湍流概念简介扩散的要素风 平流输送为主 风大则湍流大湍流 扩散比分子扩散快105 106倍1 什么是湍流 除在水平方向运动外 还会由上 下 左 右方向的乱运动 风的这种特性和摆动称为大气湍流 有点象分子的热运动 或者说湍流是大气的无规则运动 2 湍流与扩散的关系把湍流想象成是由许多湍涡形成的 湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似 3 湍流起因有两种形式 热力 温度垂直分布不均 不稳定 机械 垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度 4 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 雷诺数 Re 临界雷诺数试验 圆管 表明 当Re 2000时的流体流动是湍流当Re0 1m s则Re 6000所以通常认为大气运动都是湍流运动 5 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散相同 是十分自然的 通过泰勒 G I Tayler 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 6 二 湍流扩散理论简介 2 湍流统计理论 泰勒 G I TaYler 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 7 图4 1由湍流引起的扩散 8 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 9 10 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 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 11 2高斯扩散模式 一 高斯模式的有关假定1 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oxy平面的投影为x轴 2 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 12 高斯扩散模式坐标系 高斯扩散模式的坐标系 13 二 无界空间连续点源扩散模式 14 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x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x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 15 16 17 1 高斯烟流的形态 18 2 高斯烟流的浓度分布 高斯烟流中心线上的浓度分布 19 三 高架连续点源扩散模式高架源既考虑到地面的影响 又考虑到高出地面一定高度的排放源 地面对污染物的影响很复杂 根据假设 可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用 按全反射原理 可用 像源法 处理这类问题 可以把P点污染物浓度看成为两部分作用之和 一部分不存在地面时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点所产生的浓度之和 1 实源作用 由于坐标原点选在地面上 现移到源高为H处 相当于原点上移H 即原式 中的Z在新坐标系中为 Z H 不考虑地面的影响 则 20 21 22 23 24 以上模式适用于气态污染物和粒径小于15 m的飘尘 对于大15 m的颗粒物 由于自身的沉降作用 浓度分布将有所改变 7 倾斜烟云模式在预测上述颗粒时 假设沉积和无沉积有相同的分布形式 但在整个烟云离开源以后 便以重力终端速度下降 ut 此时 只要将高斯模式中有效源高H用 来置换即可得到倾斜烟云模式 25 26 四 颗粒物扩散模式 粒径小于15 m的颗粒物可按气体扩散计算大于15 m的颗粒物 倾斜烟流模式 地面反射系数 27 3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 一 烟气抬升高度的计算 28 一 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 29 一 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 30 一 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 31 二 扩散参数的确定 P G曲线法P G曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表 32 1 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 33 1 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 34 1 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 35 2 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P T法 36 2 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0 5h 按表4 8查算 平原地区农村和城市远郊区 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 37 4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 温度层结均一 实际中难以实现 封闭型扩散模式 上部逆温 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 38 一 封闭型扩散模式 计算简化 39 二 熏烟型扩散模式 假设 D换成hf 垂向均匀分布 q只包括进入混合层部分 则仍可用上面公式 40 二 熏烟型扩散模式 41 5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 42 一 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 43 一 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两倍 正态分布 确定 之后即可按点源计算面源浓度 44 一 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的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定 45 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 ERT模式高斯模式 只对有效源高进行修正 NOAA和EPA模式NOAA 以高斯模式为基础 对有效源高进行修正EPA 与NOAA相似 只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正 46 6烟囱高度的设计烟囱不单是一排气装置 也是控制空气污染 保护环境的重要设备 烟囱高度 出口直径 喷出速度等工艺参数应满足减少对地面污染的需要 增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染 大体上C地面 1 H2 但超过一定高度后再增加高度 对地面浓度的影响甚微 而烟囱的造价却随高度增加而急剧增大 烟囱的造价 H2 所以并不是烟囱愈高愈好 设计烟囱高度的基本原则是既要保证排放物造成的地面最大浓度或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准 又应做到投资最省 一 烟囱高度计算烟囱高度的计算分为 精确计算法 简化计算法 烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算 据对地面浓度要求不同 有两种计算法方法 一 保证地面最大浓度不超过国家标准的浓度限值的计算方法 二 保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法 1 按地面最大浓度的计算方法以地面最大浓度不超过规定为依据 保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算公式 47 48 一 烟囱高度的计算 2 按地面绝对最大浓度计算 49 3 根据一定保证率计算烟囱高度 由地面最大浓度计算法 HS较矮 当u 时 地面浓度超标 由地面绝对最大浓度计算法 HS较高 无论u多大 地面浓度不超标 但烟囱造价高 在确定保证率后 稳定度取一定值后代入上述公式 可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度 较前面较合理 4 根据点源烟尘允许排放率设计 P值法计算烟囱高度 根据 指定大气污染物排放标准的技术方法 GB T13201 91中规定的点源烟尘允许排放率计算式 式中 Qe 烟尘允许排放速率 t h Pe 烟尘排放控制系数 t h m2 H 有效源高 m 由此得烟囱高度为 50 二 烟囱设计中的若干问题1 分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率 正确选用烟囱高度计算公式 烟型不同产生的地面最大浓度不同 烟囱高度的计算公式不同 因此确定烟型很重要 常用两种方法 1 选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式 2 选择保证一定的地面最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱高度计算公式 波型 发生在天气晴朗 风速不大 比较缓和的日子里 近距离造成短时间的污染浓度比锥形高 近地层中 低矮烟囱发热量小的污染源以此烟型为例 并应校核逆温层情况 锥型 100m左右的烟囱多发生此烟型 此烟型发生在温度层结近中性或中等到大风的情况 即发生在多云有风的白天或有风的夜晚 平展型和漫烟型 较大的发电厂以漫烟型为主 夜间多为平展型 日出后一段时间发生漫烟型 封闭型 大于200m的较高烟囱以此型为主 观测发现 当混合层厚度在760 1065m间时 它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍 Cmax可持续2 4小时 常出现在早晨和中午 51 地面最大浓度与B H关系很大 在某一比值以后 污染浓度主要取决于B 烟囱高度只起次要作用 此时靠增加Hs减少污染浓度不经济 总之 目前Hs计算以锥形模式为主 对超高型烟囱无成熟可靠的方法 2 抬升公式很多 用何公式应按具体情况而定 一般选霍氏公式3 公式中与气象有关的参数取值有两种方法 取多年平均值 取某一保障频率的值 如已知 3m s的频率为80 取3m s可保证有80 不超标 而地面平均最大浓度可能比规定标准更低 上述计算公式实际上会遇到许多问题 必须予以考虑 如上述模式仅适于锥形扩散 实际是变化的 要根据建厂地区的气象条件等来取值 52 53 7厂址选择 一 选择厂址所需的气候资料气候资料是指气象资料的常年统计形式 1 风向和风速气候资料 为了一目了然 常把风资料画成风玫瑰图 图a是风向玫瑰图 图b风速玫瑰图是各个风向的平均风速绝对值 图c是风速和风向频率复合图 该图矢线长度代表风向频率大小 矢线末端的风速羽代表平均风速 每一羽可表示0 5或1 0m s 风向 风速 玫瑰图 在8个或16个方向上给出风向 风速 的相对频率或绝对值 用线段表示 连接各端点即成 风玫瑰图可按多年 5 10年或更长 的平均值作 也可按某月或某季的多年平均值作 山区地形复杂 风向 风速随地形和高度而变 可做出不同地点和高度的风玫瑰图 静风 风速 1 0m s 或微风 风速为1 2m s 情况大气通风条件差 容易引起高浓度污染 尤其是长时间静风会使污染物大量积累 引起严重污染 因此 在空气污染分析中不仅应统计静风频率 有条件还要统计静风持续时间 54 55 2 大气稳定度的气象资料一般气象台没有近地层大气逆温层结的详细资料 但可据P T法利用已知的气象资料进行分类 统计出月 年 季 各稳定度频率 作出必要的图表 3 混合层高度的确定混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数 由于温度层结的昼夜变化 混合层高度也随时间变化 混合层高度可看作气块作干绝热上升运动的上限高度 即 干绝热递减率上限高度 混合层愈高 则污染物垂直扩散的范围越大 具体指出污染物在铅直方向的扩散范围 受太阳辐射的影响 午后混合层高度最大 在温度 高度图上 从上午最大地面温度作干绝热线 与早晨温度探空曲线的交点高度为午后混合层高度 即最大混合层高度 见下页图示 大范围内的平均污染浓度 可以认为与混合层高度和混合层内的平均风速的乘积成反比 通常定义D 为通风系数 D 单位时间内通过与平均风向垂直的单位宽度混合层的空气层 通风系数越大 污染浓度越小 56 57 二 长期平均浓度的计算在厂址选择和环境评价中 人们更关心的长期平均浓度的分布 下面讨论长期平均浓度的计算方法 气象随提供的风向资料是按16方位给出的 每个方位相当于一个22 5 的扇形 因此 可按每个扇形计算长期平均浓度 推导时作以下假定 1 同一扇形内各角度的风向频率相同 即在同一扇形内同一距离上 污染物浓度在y方向是相等的 2 当吹某一扇形风时 全部污染物都落在这个扇形里 58 59 60 61 三 厂址选择从环境保护角度出发 理想的建厂位置是污染本底值最小 扩散稀释能力强 排出的污染物