空气污染学第四章理想条件下空气污染物散布的模式处理

1、第四章第四章 理想条件下空气污染物理想条件下空气污染物散布的模式处理散布的模式处理2主要内容主要内容l连续点源高斯扩散计算公式连续点源高斯扩散计算公式l连续线、面源和体源扩散计算公式连续线、面源和体源扩散计算公式l大气扩散参数大气扩散参数l烟流抬升高度烟流抬升高度l非扩散过程的处理非扩散过程的处理l特殊条件下的扩散特殊条件下的扩散3l欧拉扩散方程假设K为常数（即斐克扩散），可得到正态分布形式的解l从统计理论出发，在平稳、均匀湍流的假定下，也可以证明粒子扩散位移的概率分布符合正态分布形式l对连续点源发出的烟流的大量试验研究和观测事实表明，尤其是对于平均烟流的情形，其浓度分布是符合正态（也称高斯）

2、分布的44.1 连续点源高斯扩散公式连续点源高斯扩散公式 5一一 无界情形无界情形（公式及物理意义）（公式及物理意义）l湍流均匀定常，设源位于无界空间，取湍流均匀定常，设源位于无界空间，取X轴与平均风向一致，则污染物浓度在轴与平均风向一致，则污染物浓度在y和和z方向符合高斯分布，可得：方向符合高斯分布，可得：22221( , , )exp()22yzyzQyzq x y zu 6物理意义物理意义lQ：源强，点、面、线、体源，影响直接、明显，影响大源强，点、面、线、体源，影响直接、明显，影响大l大气稀释因子：大气稀释因子： 代表了不同气象条件和地形条件下物质散布的程度及其随空代表了不同气象条件和

3、地形条件下物质散布的程度及其随空间距离的变化间距离的变化l正态分布形式项：在正态分布情况下，分布形式的影响不正态分布形式项：在正态分布情况下，分布形式的影响不敏感敏感zyuzyxq1),(7l镜像全反射镜像全反射-像源法像源法l实源：实源： l像源像源：二二 有界情形有界情形（掌握）（掌握）( , ,)q x y Hz( , ,)q x y Hz8 822221()( , ,)exp22yzyzQyzHqx y zu 实；H222222()()( , ,)exp() expexp2222yzzyzQyzHzHq x y zu ；H总贡献：总贡献：22221()( , ,)exp22yzyzQy

4、zHqx y zu 像；H源强源强平均风速平均风速扩散参数扩散参数有效源高有效源高9烟流有效源高：烟流有效源高：H=hs+h 归一化浓度：归一化浓度：Quq10三三 地面源地面源l取取H0，2222( , ,)exp()exp()22yzyzQyzq x y zu ；0有界情形是无界情形地面浓度两倍有界情形是无界情形地面浓度两倍11四四 地面浓度和地面最大浓度地面浓度和地面最大浓度1 地面浓度地面浓度令令 z=0，可得高架源的地面浓度，可得高架源的地面浓度2222( , ,0)exp()exp()22yzyzQyHq x yu ；H122 地面轴线浓度地面轴线浓度令令y=0,z=0 可得高架源

5、地面轴线浓度可得高架源地面轴线浓度22( ,0,0)exp()2zyzQHq xu ；H13高斯烟流的浓度分布高斯烟流的浓度分布14源高和稳定度的影响源高和稳定度的影响15（1） 与与 之比为常数之比为常数3 地面最大浓度的估算地面最大浓度的估算yz2mzx xH22zmyQqeuH若稳定度不变，增加有效源高若稳定度不变，增加有效源高H H，则会在更远，则会在更远处出现达到最大浓度处出现达到最大浓度qm 所需的扩散参数所需的扩散参数 。z16（2） 若若 与与 之比是变化的之比是变化的zy1/21gmHxpcg1()2211 21()21exp()222()pgmpgpQpgqpgc ceuH

6、g17一一 线源扩散公式线源扩散公式l线源定义为呈线状分布的污染物排放源。如繁忙线源定义为呈线状分布的污染物排放源。如繁忙的公路和城市的街道通常被看作是线源的公路和城市的街道通常被看作是线源l连续线源等价于连续点源沿着线源长度范围的积连续线源等价于连续点源沿着线源长度范围的积分，其浓度场是线上无数点源浓度贡献之和分，其浓度场是线上无数点源浓度贡献之和4.2 连续线、面、体源扩散公式连续线、面、体源扩散公式18l对于直线型的线源，可直接积分求出；对于很不对于直线型的线源，可直接积分求出；对于很不规则的线源，只能用数值求和的方法解决规则的线源，只能用数值求和的方法解决l点源计算一般取点源计算一般取

7、x x轴与风向一致，线源计算时需考轴与风向一致，线源计算时需考虑风向与其交角以及线源的长度虑风向与其交角以及线源的长度191 无限长线源无限长线源 风向与其正交风向与其正交222( , ,0;)exp()22llzzQHq x yHu 为线源源强，为线源源强，mg/(sm)lQ20一般一般 不适用不适用风向与线源成交角风向与线源成交角 时时222( , ,0;)exp()2sin2llzzQHq x yHu 4521 风向与其平行，风向与其平行，只有上风向有贡献，浓度与只有上风向有贡献，浓度与顺风位置无关。顺风位置无关。22( ,0;)exp()22llzzQHqyHu 222 有限长线源有限

8、长线源 设线源长度为范围为设线源长度为范围为 ，根据不同情况取积，根据不同情况取积分有：分有：00,LL2002( , , )exp()()()22 222llzzyyQLyLyzq x y zerferfu 2222()()( , , ;)expexp222 2llzzzQzHzHq x y z Hu 00()()22yyLyLyerferf无界情形有限线源：无界情形有限线源：有界情形高架线源：有界情形高架线源：23二二 面源扩散公式面源扩散公式l在水平方向呈面块状散布的污染物排放源在水平方向呈面块状散布的污染物排放源, , 称面源。如散称面源。如散布很集中而高度低源强小的居民区污染源，可视

9、为面源。布很集中而高度低源强小的居民区污染源，可视为面源。l面源扩散公式，原则上可由点源扩散公式沿面源扩散公式，原则上可由点源扩散公式沿x x和和y y方向积方向积分而得。分而得。l假设面源源强为假设面源源强为 ，自整个上风方的自整个上风方的半平面对半平面对x=0 x=0和和 y=0y=0点造成的浓度贡献可分为两种：点造成的浓度贡献可分为两种： 1. 1.地面面源地面面源( ( 即即H=0 )H=0 )情形情形 2. 2.近地层面源近地层面源( (即即H )H )情形情形smmgyxQA2/,024 由点源沿由点源沿x x和和y y向积分给出，自上风向半平面向积分给出，自上风向半平面对对x=0

10、 x=0，y=0y=0造成的浓度贡献造成的浓度贡献22220(0,0,)exp() exp()22AAAAyzzyQHyqxyHdxdyu 实际运用时，常处理积分并作源的编目和模实际运用时，常处理积分并作源的编目和模式化处理。式化处理。地面面源地面面源25l这里有一个面源如何合理处理的技术问题。经验这里有一个面源如何合理处理的技术问题。经验上采用上采用“虚点源虚点源”法，此法大致分两步：法，此法大致分两步：1 1）把大）把大块面源划分为若干较小的面源块情况下，可将面块面源划分为若干较小的面源块情况下，可将面源化为点源来处理，即将每一面源块（又称面源源化为点源来处理，即将每一面源块（又称面源单元

11、）简化为一个等效的点源单元）简化为一个等效的点源假定整个面源块假定整个面源块的污染物排放集中在该点。这样就可用点源扩散的污染物排放集中在该点。这样就可用点源扩散公式来计算该面源所造成的污染物浓度。（公式来计算该面源所造成的污染物浓度。（2 2）由）由烟流半宽定义有烟流半宽定义有024.3yy26l此时，我们能在上游方向确定出虚拟点源的位置。即此时，我们能在上游方向确定出虚拟点源的位置。即在这一点上，使虚拟点源的扩散参数恰等于该面源的在这一点上，使虚拟点源的扩散参数恰等于该面源的初始扩散参数初始扩散参数 。 这样，可得高架源地面浓这样，可得高架源地面浓度为度为00zy222221exp21exp

12、; 0 ,00zAyyzyyAHyuQHyxq27l在应用上式时在应用上式时,常采用经验方法给出初始扩散参常采用经验方法给出初始扩散参数数 ，如图所示，如图所示 。假设。假设:图中面源方块边长为图中面源方块边长为a,虚拟点源出发的烟流在抵达面源中心位置时的横风向虚拟点源出发的烟流在抵达面源中心位置时的横风向宽度宽度2y。=a，横向初始扩散参数为，横向初始扩散参数为00zy15. 23 . 400yay2822222exp3 . 42exp3 . 4; 0 ,zAyzyAAHayauQHyxq于是上式变成：于是上式变成：29 面积较小的面积较小的虚点源法虚点源法 简简化化为为点点源源的的面面源源

13、模模式式简简化化为为点点源源的的面面源源模模式式30三三 体源扩散公式（自学）体源扩散公式（自学）l与面源类似与面源类似31重点重点l理解记忆掌握点源高斯扩散公式理解记忆掌握点源高斯扩散公式l理解掌握线、面源高斯公式理解掌握线、面源高斯公式32l早期大气扩散参数处理早期大气扩散参数处理l稳定度扩散级别与扩散曲线法稳定度扩散级别与扩散曲线法l扩散曲线讨论扩散曲线讨论l风向脉动与扩散函数法风向脉动与扩散函数法l扩散参数的研究现状扩散参数的研究现状4.3 4.3 大气扩散参数大气扩散参数33一一 早期的扩散参数模式早期的扩散参数模式 格雷厄姆格雷厄姆萨顿，萨顿，英国气象学家。英国气象学家。1903年

14、年2月月4日生于克温坎。毕业于威日生于克温坎。毕业于威尔士大学、阿伯里斯威恩大学和牛津大学。尔士大学、阿伯里斯威恩大学和牛津大学。19261928年在威尔士大年在威尔士大学、阿伯里斯威恩大学任讲师，学、阿伯里斯威恩大学任讲师，19281941年任助理教授。第二次世年任助理教授。第二次世界大战期间从事国防科研工作。界大战期间从事国防科研工作。19421943年任英国国防部防化实验年任英国国防部防化实验所所长。所所长。19431945年任坦克实验所所长。年任坦克实验所所长。19451947年任英国雷达年任英国雷达研究发展中心主任。研究发展中心主任。19501955年任英国大气污染研究委员会主席。年

15、任英国大气污染研究委员会主席。1951年任英国陆军部科学顾问。年任英国陆军部科学顾问。19521953年任英国皇家军事科学院年任英国皇家军事科学院教务长。教务长。1953年任皇家气象学会主席。年任皇家气象学会主席。19531956年任世界气象组织年任世界气象组织常务理事。常务理事。19601966年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主席。席。19651971年任英国自然环境研究委员会主席。在自然环境和气年任英国自然环境研究委员会主席。在自然环境和气象研究方面取得了许多成果。曾获世界气象组织颁发的奖金。著作：象研究方面取得了许多成果。曾获世界气象组织颁发

16、的奖金。著作：大气湍流大气湍流（Atmos-pheric turbulence，1948）；）；微气象学微气象学（Micrometeoro-logy，1953）34具体步骤：具体步骤：1 找出泰勒公式中的拉格朗日相关系数的具体形式，找出泰勒公式中的拉格朗日相关系数的具体形式，即寻找它与某些可测气象参量的关系，代入泰勒即寻找它与某些可测气象参量的关系，代入泰勒公式求扩散参数。公式求扩散参数。2 将扩散参数代入基本高斯扩散，得到萨顿扩散公将扩散参数代入基本高斯扩散，得到萨顿扩散公式。式。22200( )2( )TtyLy TvRd dt 1 萨顿模式萨顿模式353 基于简单物理考虑，认为拉格朗日相

17、关系数与湍流基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征量，宏观黏滞度，时间间隔相关，并通过量纲特征量，宏观黏滞度，时间间隔相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。分析得到所有量的组合。以以y向为例向为例：2( )()LNRfv2( )()nLNRNvn为由风速梯度观测确定的实验常数，为由风速梯度观测确定的实验常数，m为风速廓线幂指数。为风速廓线幂指数。21mnm*0Nu z3622222221()2(1)(2)nnnyyNvTC xnn v22222221()2(1)(2)nnnzzNwTC xnn w22122221224()(1)(2)4()(1)(2)nnynnzNvCnn uuNw

18、Cnn uu萨顿参数萨顿参数最早，但有局限性最早，但有局限性37l萨顿基于拉氏相关函数和泰勒公式导出（萨顿）萨顿基于拉氏相关函数和泰勒公式导出（萨顿）广义扩散参数广义扩散参数; 他的功绩在于将大气扩散参数与他的功绩在于将大气扩散参数与可测量的气象参量联系起来；可测量的气象参量联系起来；l经验系数经验系数N , n , m 需要通过风速梯度观测才能确需要通过风速梯度观测才能确定定; 萨顿曾在平坦地形做了小尺度扩散观测实验萨顿曾在平坦地形做了小尺度扩散观测实验, 直接利用这些数据计算高架连续点源的扩散浓度直接利用这些数据计算高架连续点源的扩散浓度将比实际观测值偏高。数理推导也不严密，应用将比实际观

19、测值偏高。数理推导也不严密，应用也很不方便。故目前已不大使用。也很不方便。故目前已不大使用。38和和 由双向风标测量，反映大气湍流扩散由双向风标测量，反映大气湍流扩散能力。能力。2 直接测量湍流特征量的方法直接测量湍流特征量的方法pyAgzExxH. E. Cramer(1957)提出提出AE脉动风方位脉动风方位角标准差角标准差脉动风高度脉动风高度角标准差角标准差p，g与稳定度、下风向距离及地表粗糙度相关与稳定度、下风向距离及地表粗糙度相关393 BNL模式（模式（M.E.Smith,1951）l特征量：水平风向摆动角的范围特征量：水平风向摆动角的范围l高架源（高架源（108m高塔施放油雾）扩

20、散试验高塔施放油雾）扩散试验l简便、合理、实用，美国机械工程师协会沿用简便、合理、实用，美国机械工程师协会沿用至今至今404 J. S. Hay & F. Pasquill(1959)出发点：出发点：统计理论，泰勒公式统计理论，泰勒公式方法：方法：利用相关函数和湍流能谱关系，由湍流观利用相关函数和湍流能谱关系，由湍流观测资料做谱分析，计算扩散参数。测资料做谱分析，计算扩散参数。总结：总结：模型合理可取，反映湍流场本质，而且准模型合理可取，反映湍流场本质，而且准确度较高，其探讨有一定理论意义，但应用尚确度较高，其探讨有一定理论意义，但应用尚不普遍，观测要求高，计算工作量大。不普遍，观测要

21、求高，计算工作量大。41 由大量扩散试验（含气象观测和示踪物浓度观由大量扩散试验（含气象观测和示踪物浓度观测）资料分析及理论分析得出扩散参数随下风方测）资料分析及理论分析得出扩散参数随下风方距离距离x的变化曲线的变化曲线 P-G法，或者法，或者P-G-T法法l英国气象学家帕斯奎尔(F. Pasquill，1961)基于大量扩散实验资料的分析, 建立了一套扩散参数计算方案,l后经美国核气象学家杰富德(F. Giffod, 1961)和l美国公共卫生局的气象学家特纳尔(D. B. , Turner, 1967)的改进与完善,构成了现今广为引用的P- G-T 扩散曲线系统。二二 稳定度扩散分级与扩散

22、曲线法稳定度扩散分级与扩散曲线法421. P-G曲线法曲线法方法要点方法要点大气分成大气分成A-F共六个稳定度等级共六个稳定度等级 （云，日照，风速。）（云，日照，风速。）xy曲线（六条）曲线（六条） （对应（对应A、B.F稳定度级）稳定度级） 43l帕斯奎尔帕斯奎尔(1961)按表按表3.3给出划分给出划分6个稳定个稳定度扩散级别度扩散级别: A级级极不稳定极不稳定, B级级中等不稳定中等不稳定, C级级弱不稳定弱不稳定, D级级中性中性, E级级弱稳定弱稳定, F级级 中等稳定。中等稳定。44lP-G曲线的应用曲线的应用l根据常规资料确定稳定度级别根据常规资料确定稳定度级别Pasquill

23、（1961）表）表3.345太阳高度角太阳高度角云量云量Turner(1961)引入太阳高度角判定日射强弱的引入太阳高度角判定日射强弱的定量办法，确定稳定度级别。定量办法，确定稳定度级别。日射等级日射等级风速风速稳定度稳定度46表表3.6 日射等级确定规则日射等级确定规则47表表3.7 Turner的稳定度分级方法的稳定度分级方法48lPG曲线的应用（曲线的应用（10分钟平均）图分钟平均）图3.10l利用扩散曲线确定利用扩散曲线确定 和和yz水平扩散参数水平扩散参数垂直扩散参数垂直扩散参数49l用用P-G扩散曲线方法确定扩散参数的步骤是：扩散曲线方法确定扩散参数的步骤是： l根据太阳高度角和云

24、量确定日射等级根据太阳高度角和云量确定日射等级(见表见表3.6) ；l根据日射等级和地面风速确定稳定度等级（见表根据日射等级和地面风速确定稳定度等级（见表3.7) ；l根据稳定度等级和距离根据稳定度等级和距离x可查出扩散参数（见图可查出扩散参数（见图3.10)。50lP-G曲线的应用曲线的应用l地面最大浓度估算地面最大浓度估算HzxsyxsmaxC由由和和由由曲线（图曲线（图3.10b）反查出反查出由由曲线（图曲线（图3.10a）读出）读出由式由式求出求出HzxsmaxcxyxsmaxC由由和和由由由由由式由式ysz2mzx xH3.10按照表按照表3.3或或3.7定出所处稳定度扩散级别定出所

25、处稳定度扩散级别51三三 扩散曲线法的完善扩散曲线法的完善1.国家标准中的修改应用（国家标准中的修改应用（GB/T13201-91）修正太阳高度角的计算方法修正太阳高度角的计算方法适应我国大量地面观测无云高观测适应我国大量地面观测无云高观测的情况的情况5253平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定向不稳定方向提半级方向提半级工业区和城市中心区，工业区和城市中心区，C提至提至B级，级，D、 E、F向不稳定方向提一级向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区丘陵山区的农村或城市，同工业区中国国家标准规定的方法中国国家标准规定的方法542 不同稳定度分类方法不同稳定度分

26、类方法（1）风向脉动标准差（）风向脉动标准差（EPA，1990）5556l以风速做细致调整，观测数据在粗糙度以风速做细致调整，观测数据在粗糙度z0=15cm，10m高度处测量得到。采样时间为高度处测量得到。采样时间为15min。l如果风向发生转折，为了尽量减小风向转折的影响，如果风向发生转折，为了尽量减小风向转折的影响，应该将长时间段分成小段进行计算，例如将应该将长时间段分成小段进行计算，例如将60min的的时间划分为时间划分为15min一段，最终小时量值：一段，最终小时量值： 22221515151560457（2）与温度递减率有关方法）与温度递减率有关方法 以温度递减率，即以两层（以温度递

27、减率，即以两层（10m、60m）的）的垂直温度梯度来表征水平和垂直向的湍流状况。垂直温度梯度来表征水平和垂直向的湍流状况。国际原子能机构国际原子能机构(1980)推荐推荐58 以温度递减率来表征大气稳定度的方法对于稳以温度递减率来表征大气稳定度的方法对于稳定大气的情形比较可靠，不稳定或者高架源的定大气的情形比较可靠，不稳定或者高架源的情形适宜用水平风向脉动标准差方法。情形适宜用水平风向脉动标准差方法。59 以温度递减率和风速相结合（同时考虑以温度递减率和风速相结合（同时考虑支配湍流活动的机械和热力因子）支配湍流活动的机械和热力因子）60 分别以温度梯度和分别以温度梯度和 表征湍流的垂直表征湍流

28、的垂直和水平运动和水平运动 A61EPA(1990)推荐在缺乏云量和云高资料时，推荐在缺乏云量和云高资料时，采用表采用表3.18替换原替换原P-G-T方法方法7003503505062（3）边界层湍流参量法）边界层湍流参量法2gzRiuz2*pTu CTLgH 6364注意：注意：l除了使用公认的已有统一规范的方案，例如除了使用公认的已有统一规范的方案，例如P-P-G-TG-T方案，国家标准给出的修改方案，采用其方案，国家标准给出的修改方案，采用其他任何方案都应当验证其可行性，提供充分的他任何方案都应当验证其可行性，提供充分的实验依据和例证，必要时还应做专门的论证实验依据和例证，必要时还应做专

29、门的论证653 不同源高和不同下垫面的应用不同源高和不同下垫面的应用lP-G扩散曲线实验依据：平坦理想条件，大量扩散曲线实验依据：平坦理想条件，大量低矮源扩散试验。低矮源扩散试验。l不同源高不同源高l不同下垫面不同下垫面66lBriggs，1974内插完善内插完善4 扩散曲线法的内插完善扩散曲线法的内插完善67四 风向脉动和扩散函数法l扩散曲线法试验基础存在较大的经验性，扩散曲线法试验基础存在较大的经验性，方案结果有许多不确定性方案结果有许多不确定性l仅以宏观气象状况为判据，在稳定度级仅以宏观气象状况为判据，在稳定度级别和湍流特性之间缺少清晰关系别和湍流特性之间缺少清晰关系l目前重要发展由风向

30、脉动与扩散函数确目前重要发展由风向脉动与扩散函数确定扩散参数的方法定扩散参数的方法68(1)方法原理方法原理按照湍流扩散理论，在均匀定常条件下，粒子位按照湍流扩散理论，在均匀定常条件下，粒子位移的总体平均由泰勒公式表示。移的总体平均由泰勒公式表示。22,002( , )( )Tty zLv wRd dt 69由泰勒公式可得由泰勒公式可得,()y zv wy zLTTft 为拉格朗日时间尺度为拉格朗日时间尺度Lt0( )LtRdf为普适函数，扩散参数，函数形式随为普适函数，扩散参数，函数形式随源高源高和和稳定度稳定度变化变化70方法原理与湍流统计理论基础一致方法原理与湍流统计理论基础一致舍弃分离

31、的稳定度级别，采用连续性稳定度，舍弃分离的稳定度级别，采用连续性稳定度，接近实际接近实际考虑源高影响，认为考虑源高影响，认为f是稳定度状况函数是稳定度状况函数使用方便，可用于多种情况使用方便，可用于多种情况(2) 特点特点71Pasquill (1976)给出试验资料所得的给出试验资料所得的f(x)数据数据LyLyLLLvyt uxftTftTtTTtT21exp12由泰勒公式积分可得由泰勒公式积分可得(3) 扩散函数扩散函数f 的确定的确定72两者中间范围一致，近范围，理论值稍高，远距离两者中间范围一致，近范围，理论值稍高，远距离相反。相反。73l由试验资料分析求取扩散函数的方由试验资料分析

32、求取扩散函数的方法法-自学（自学（P93）74（4）几种扩散函数表达式）几种扩散函数表达式75五五 扩散参数的现状和发展扩散参数的现状和发展自学完成自学完成76重点重点l大气稀释因子、烟流有效源高、虚拟点大气稀释因子、烟流有效源高、虚拟点源、源、lP-G-T方法方法l国家标准国家标准77一一 烟流抬升烟流抬升(掌握掌握)sHhh有效源高有效源高4.4 烟流抬升高度烟流抬升高度78烟气抬升取决于烟气抬升取决于：动力因子：烟气排放的出口速度动力因子：烟气排放的出口速度热力因子：烟气温度比环境气温高热力因子：烟气温度比环境气温高791烟流抬升的物理模型及影响因子烟流抬升的物理模型及影响因子连续点源的

33、排放模型连续点源的排放模型垂直烟流（无风）垂直烟流（无风）弯曲烟流（有风）弯曲烟流（有风）80 喷出阶段喷出阶段 浮升阶段浮升阶段 瓦解阶段瓦解阶段 变平阶段变平阶段抬升过程分为如下几个阶段抬升过程分为如下几个阶段(掌握掌握)81影响热烟流抬升的基本因子：影响热烟流抬升的基本因子：排放源及排放烟气的性质源排放排放源及排放烟气的性质源排放烟气的初始动量和浮力烟气的初始动量和浮力 环境大气的性质环境大气的性质下垫面性质下垫面性质822 烟流抬升轨迹与终极抬升烟流抬升轨迹与终极抬升烟气排出烟气排出准垂直形式准垂直形式弯曲并扩大弯曲并扩大瓦解变平瓦解变平 终极抬升高度终极抬升高度 烟流抬升轨迹烟流抬升

34、轨迹: z(x)终极抬升距离：终极抬升距离： xT83 烟流是由运动中的流体构成的，于是，烟流是由运动中的流体构成的，于是，大多数烟流抬升模式基于流体力学的基本大多数烟流抬升模式基于流体力学的基本定律，即质量守恒，浮力守恒和动量守恒定律，即质量守恒，浮力守恒和动量守恒来考察烟流抬升问题，通过积分这些守恒来考察烟流抬升问题，通过积分这些守恒表达式表达式(在烟流的截面上积分在烟流的截面上积分)，以方便的，以方便的形式来描述烟流轨迹。形式来描述烟流轨迹。84二二 烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算（1） Holland公式（公式（1953）：适用于中）：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加性

35、大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020） 计算结果明显低估计算结果明显低估2-3倍倍dTTTuDvhsass7 . 25 . 185（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件公式：适用不稳定及中性大气条件 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHuQH:热释放率，单位时间，单位质量烟气升高热释放率，单位时间，单位质量烟气升高T度所释度所释

36、放的热量，单位放的热量，单位cal/s。烟流抬升高度与烟囱高度有关，烟囱高情况下烟流抬升高度与烟囱高度有关，烟囱高情况下计算保守，相反情况计算不安全计算保守，相反情况计算不安全86（3）国家标准）国家标准(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K =0.35 1700kW2100kW1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu (1)当和时(2)当时HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1

37、.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)当或时(4)当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时87 因为对烟流抬升和地面浓度的计算，平因为对烟流抬升和地面浓度的计算，平均风速都具有重要作用，所以在高斯扩散公均风速都具有重要作用，所以在高斯扩散公式和烟流抬升高度计算公式中都有式和烟流抬升高度计算公式中都有平均风速平均风速。一般认为这个量值应该是整个烟流厚度范围一般认为这个量值应该是整个烟流厚度范围里各层风速的平均值。实际工作中常采用源里各层风速的平均值。实际工作中常采用源高处的平均风速，或者也有采用有效源高处高处的平均风速，或者也有采用有效源高处的

38、平均风速。的平均风速。88常用地面风速资料推算要求高度常用地面风速资料推算要求高度处的风速处的风速10()10mzzuu89l烟流抬升过程经过的几个阶段烟流抬升过程经过的几个阶段l终极抬升距离终极抬升距离l烟流热释放率烟流热释放率l浮力参数浮力参数l烟流抬升高度实用计算公式烟流抬升高度实用计算公式l国家标准中的计算国家标准中的计算l利用风速幂指数率的计算利用风速幂指数率的计算904.5 其他非扩散过程其他非扩散过程91非扩散过程非扩散过程:1.烟流抬升作用，增加烟源有效高度烟流抬升作用，增加烟源有效高度2.污染物干沉积、湿沉积和由化学变化形成污染物干沉积、湿沉积和由化学变化形成的迁移转化的迁移

39、转化3.固体下边界（下垫面）的作用固体下边界（下垫面）的作用92一一 大气清除过程的一般表述大气清除过程的一般表述1. 基本机制：基本机制：(1)干沉积干沉积由地面的土壤、水、植物、建筑物由地面的土壤、水、植物、建筑物等通过污染物质的重力沉降、碰撞与捕获、吸收等通过污染物质的重力沉降、碰撞与捕获、吸收与吸附、光合作用或其它生物、化学、物理过程与吸附、光合作用或其它生物、化学、物理过程实现；实现；93 (2)湿沉积湿沉积由云、雾和降水由云、雾和降水(雨，雪等形式雨，雪等形式)等通过等通过污染物质被吸收进入水滴或随水滴被清除。污染物质被吸收进入水滴或随水滴被清除。 此外，化学转化亦是一种清除机制，

40、但它是由一种此外，化学转化亦是一种清除机制，但它是由一种物质转换成另一种物质，因此，它只是对原生污染物质转换成另一种物质，因此，它只是对原生污染物的清除，同时却又滋生新的次生污染物。物的清除，同时却又滋生新的次生污染物。94湿沉积湿沉积：令气体污染物在令气体污染物在(x,y,z)位置，位置，t时刻的平时刻的平均浓度为均浓度为q(x,y,z;t)，而平均的气溶胶尺度分布函，而平均的气溶胶尺度分布函数为数为F(Dp；x,y,z,t)。 函数函数: 冲洗系数冲洗系数,与与离地高度离地高度和和时间时间有关有关( , ) ( , , ; )z t q x y z t(, , ) (, , , ; )pp

41、Dz t F Dx y z t污染气体清除率污染气体清除率气溶胶清除率气溶胶清除率95干沉积干沉积 定义为那些使污染物质在地面被消除的过程。定义为那些使污染物质在地面被消除的过程。物质垂直向下的通量可用一个称之为沉积速度物质垂直向下的通量可用一个称之为沉积速度的经验参数的经验参数 乘上某高度乘上某高度 的物质浓度。的物质浓度。 dv1z),(tzyxqvd96沉积速度沉积速度 与以下诸因素有关：与以下诸因素有关：(1)被清除的粒子种类或物质；被清除的粒子种类或物质；(2)表征近地面层状态的特性的气象参数；表征近地面层状态的特性的气象参数；(3)地面本身的性质。地面本身的性质。dv97 对地面的

42、湿通量对地面的湿通量是自空中所有体积单元是自空中所有体积单元湿清除之和。湿清除之和。( , ) ( , , ; )(, , ) (, , , ; )ppwz t q x y z t dzwDz t F Dx y z t dz气粒98根据此定义湿沉积速度根据此定义湿沉积速度wv( , ,0; )wwvq x yt如果正被清除的物质在厚度为如果正被清除的物质在厚度为H的一层里垂的一层里垂直分布是均匀的直分布是均匀的( , )wvz t dzH 99定义冲洗比定义冲洗比(washout ratio)rw()( , ,0; )rqwq x yt水相湿沉积速度与冲洗比之间有关系湿沉积速度与冲洗比之间有关

43、系00()( , ,0; )( , ,0; )awrwqPvw Pq x ytq x yt水相？100二二 高斯烟流扩散公式的修正形式高斯烟流扩散公式的修正形式经修正的高架连续点源高斯烟流扩散公式经修正的高架连续点源高斯烟流扩散公式:222221/22()exp2( )0.693( , , ;)exp()exp22()exp2szsyzyzv xzHuQ xyxq x y z Hv xuTuzHu 大粒子重大粒子重力沉降力沉降地面反射系数地面反射系数半衰期半衰期随距离变化随距离变化101sv xu1/2T222021( )expdzvzuxHzQ xQdxe大粒子重力沉降的影响。大粒子重力沉降

44、的影响。下垫面反射系数。下垫面反射系数。污染物半衰期时间。污染物半衰期时间。源项随距离源项随距离x的变化的变化102三三 干沉积干沉积-下垫面清除下垫面清除1.大粒子的重力沉降大粒子的重力沉降 大气中各种处于气溶胶状态的粒子污染物有大气中各种处于气溶胶状态的粒子污染物有一定的尺度分布，对于粒径大于一定的尺度分布，对于粒径大于10m的大粒子的大粒子在大气中运动时会产生重力沉降。在大气中运动时会产生重力沉降。103 对于粒径对于粒径2060 m范围的粒子，粘滞性不大范围的粒子，粘滞性不大的情况下，可采用斯托克斯公式计算它们的末速的情况下，可采用斯托克斯公式计算它们的末速度度 ，其大小与粒子的密度，

45、其大小与粒子的密度 有关，即有有关，即有sv2222()99sarrvgg粒子半径粒子半径空气动力空气动力粘滞系数粘滞系数空气空气密度密度104对于粒径更大的粒子，须对斯托克斯公式修正对于粒径更大的粒子，须对斯托克斯公式修正对粒径对粒径200 m的粒子，其沉降速度的粒子，其沉降速度100cm/s，可，可按弹道计算。按弹道计算。对粒子沉降速度在对粒子沉降速度在100cm/s，粒径，粒径200 m ，可采，可采用偏斜烟流模式处理，修改高斯扩散公式，考虑用偏斜烟流模式处理，修改高斯扩散公式，考虑重力沉降的影响。重力沉降的影响。105106当考虑以下斜烟流轴线为基准的扩散时，有当考虑以下斜烟流轴线为基

46、准的扩散时，有2222()( )( , , ;)exp()exp222syzzyv xzHQ xyuq x y z Hu 107考虑地面反射作用考虑地面反射作用222222()exp2( )( , , ;)exp()22()exp2szsyzyzv xzHuQ xyq x y z Hv xuzHu 1082 气体和小粒子的干沉降气体和小粒子的干沉降 气体和很小的粒子气体和很小的粒子(粒径小于粒径小于10-20 m)上述沉降上述沉降作用可忽略不考虑。但由于作用可忽略不考虑。但由于湍流扩散湍流扩散和和布朗运动布朗运动沉沉积到各种表面。吸收、碰撞、光合作用和其它生物积到各种表面。吸收、碰撞、光合作用

47、和其它生物学、化学和物理学过程会使物质沉积到地面。学、化学和物理学过程会使物质沉积到地面。109 一般都假定下垫面对这类小粒子的清除作用一般都假定下垫面对这类小粒子的清除作用不影响大气中污染物的浓度分布不影响大气中污染物的浓度分布形式，而形式，而只影响只影响大气中污染物的总量大气中污染物的总量，或者说影响有效源强。，或者说影响有效源强。 最普遍采用的一种方法是所谓最普遍采用的一种方法是所谓“源损耗源损耗”模模式或称式或称有效源强法有效源强法。222021( )expdzvzuxHzQ xQdxe源项随距离源项随距离x的变化的变化110 干沉积主要是优先清除近地面处的污染，干沉积主要是优先清除近

48、地面处的污染，而并非在整个烟流厚度层范围均匀起作用的而并非在整个烟流厚度层范围均匀起作用的。 故此，源损耗模式尚有必要进一步改善。故此，源损耗模式尚有必要进一步改善。111 重力沉降、湍流运动、布朗运动、惯性作用和重力沉降、湍流运动、布朗运动、惯性作用和静电作用等，是形成干沉积的主要物理过程。静电作用等，是形成干沉积的主要物理过程。 化学反应、溶解、解吸等则是形成干沉积的主要化学反应、溶解、解吸等则是形成干沉积的主要化学过程。化学过程。 对于植被那样的生物沉积表面，植被子生长的形对于植被那样的生物沉积表面，植被子生长的形态特征、生命过程以及静电性质等则是影响干沉积态特征、生命过程以及静电性质等

49、则是影响干沉积的主要生物学特征。的主要生物学特征。 这几方面过程都会受气象条件、污染物性质和沉这几方面过程都会受气象条件、污染物性质和沉积表面的特性的影响。积表面的特性的影响。1123 干沉积速度的理论计算干沉积速度的理论计算干沉积过程可视为三步：干沉积过程可视为三步：由湍流扩散支配物质向贴地层输送；由湍流扩散支配物质向贴地层输送；物质通过紧贴地面的片流子层向吸收体扩散，物质通过紧贴地面的片流子层向吸收体扩散，称为地面输送；称为地面输送；由在地面的物质可溶性或吸收率确定通过片流由在地面的物质可溶性或吸收率确定通过片流子层扩散的物质实际上有多少被消除，这个最后子层扩散的物质实际上有多少被消除，这

50、个最后的过程称为转移过程。的过程称为转移过程。113 根据干沉积速度的定义，它是垂直通量与实根据干沉积速度的定义，它是垂直通量与实测浓度之间的比例常数。整个沉积的三个步骤测浓度之间的比例常数。整个沉积的三个步骤可类同于电流或热量传送的情形。可类同于电流或热量传送的情形。1()dastvrrr1()dast sssvrrrrvv气体气体粒子粒子114四四 湿沉积湿沉积大气中的雨、雪等降水形式和其它水汽凝结物，大气中的雨、雪等降水形式和其它水汽凝结物，如云、雾、霜等都能对空气污染物，包括气体和如云、雾、霜等都能对空气污染物，包括气体和粒子起到清除作用，称为降水清除或湿沉积。粒子起到清除作用，称为降

51、水清除或湿沉积。通常，把由降水造成的污染物清除过程称为雨洗通常，把由降水造成的污染物清除过程称为雨洗(或雪洗或雪洗)，这种过程将空气污染带到地面。按照降，这种过程将空气污染带到地面。按照降水清除过程发生所在高度分成云下清洗水清除过程发生所在高度分成云下清洗(washout)和云中清洗和云中清洗(rainout)。115116 为模拟上述降水清除过程对空气污染物散布为模拟上述降水清除过程对空气污染物散布的影响，一般采用两种方法，即定义清除系数的影响，一般采用两种方法，即定义清除系数和清洗比的处理方法。和清洗比的处理方法。1：清除系数的处理方法：清除系数的处理方法2：清洗比的处理方法：清洗比的处理

52、方法rw117mhmhmzCCCCCCuvwKKKtxyzxxyyzzSRchemis欧拉方法污染物平流扩散方程欧拉方法污染物平流扩散方程平流输送项平流输送项湍能扩散项湍能扩散项源排放项源排放项干湿沉降干湿沉降化学反应化学反应118五五 化学转换和空气污染物的滞留与迁移化学转换和空气污染物的滞留与迁移 排放进入大气层的烟流中，各种化学物质和排放进入大气层的烟流中，各种化学物质和大气成分混合输送，在适当的气象条件下，如辐大气成分混合输送，在适当的气象条件下，如辐射、温度、湿度和降水等，会发生化学反应以致射、温度、湿度和降水等，会发生化学反应以致变性或生成二次污染物，经过在大气层中一定时变性或生成

53、二次污染物，经过在大气层中一定时间的滞留而后迁移。间的滞留而后迁移。119对于空气质量影响的模拟，最普通并具典型意对于空气质量影响的模拟，最普通并具典型意义的此类变化与迁移的例子有如：义的此类变化与迁移的例子有如：(1)由煤的燃烧和其它工业源排放由煤的燃烧和其它工业源排放SO2和和NOx初初级空气污染物氧化生成硫酸盐、硝酸盐和臭氧级空气污染物氧化生成硫酸盐、硝酸盐和臭氧等二次污染物，对区域性在大气酸性和降水酸等二次污染物，对区域性在大气酸性和降水酸化以及臭氧成分的变化有重大作用化以及臭氧成分的变化有重大作用120(2)城市汽车废排放和其它工业源排放的城市汽车废排放和其它工业源排放的HC化合物和

54、化合物和NOx等初级空气污染物在太阳辐射作用下生成光化学烟等初级空气污染物在太阳辐射作用下生成光化学烟雾的过程，其中主要组成成分有臭氧和过氧乙醛硝酸盐雾的过程，其中主要组成成分有臭氧和过氧乙醛硝酸盐(PAN)等二次污染物，对城市区城空气质量和人体健康等二次污染物，对城市区城空气质量和人体健康有重要影响；有重要影响；(3)放射性污染物质的衰变与迁移，如燃料中含有一定放放射性污染物质的衰变与迁移，如燃料中含有一定放射性物质，核反应设施的裂变产物的泄漏或废弃物中的射性物质，核反应设施的裂变产物的泄漏或废弃物中的微量残留物等；微量残留物等；121（4）粒子和气体污染物在干湿清除过程中的化）粒子和气体污

55、染物在干湿清除过程中的化学反应和各种途径的迁移，例如，上节所述气学反应和各种途径的迁移，例如，上节所述气体向水滴输送以及在水滴中可能发生的一些化体向水滴输送以及在水滴中可能发生的一些化学反应，生成的二次污染物质被清除到地，影学反应，生成的二次污染物质被清除到地，影响地面空气污染物浓度的分布并造成危害。响地面空气污染物浓度的分布并造成危害。122123通常，采用最为简单的处理方式，即假设一个通常，采用最为简单的处理方式，即假设一个随时间常数随时间常数 变化的污染物浓度指数化学衰减变化的污染物浓度指数化学衰减率，即有率，即有cT( )exp()(0)cq ttqT124放射性衰变放射性衰变放射性衰

56、变亦是能影响污染物放射性衰变亦是能影响污染物(其中含有放射性其中含有放射性物质物质)迁移的一种简单的清除过程。迁移的一种简单的清除过程。例如，燃料煤和其它工业矿物原料的燃烧都排例如，燃料煤和其它工业矿物原料的燃烧都排放含有一定量的放射性物质，如镭放含有一定量的放射性物质，如镭(Ra)，它们被，它们被引入城市大气层等等。显然，它们的浓度通常引入城市大气层等等。显然，它们的浓度通常都很低，而且都遵循日渐降低简单的衰变规律都很低，而且都遵循日渐降低简单的衰变规律0exp()tqqt125污染物滞留时间污染物滞留时间空气污染物滞留时间亦称居留时间空气污染物滞留时间亦称居留时间(residence time)是表是表征空气污染物在一定时期，一定空间范围里的寿命的征空气污染物在一定时期，一定空间范围里的寿命的一个特征量。一个特征量。它定义为这样一个时间，即假定没有污染物补充，没它定义为这样一个时间，即假定没有污染物补充，没有污染物穿过区域