第04章 大气污染浓度估算模式

1、1.湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论2.高斯扩散模式高斯扩散模式3.污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法4.特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式5.城市及山区的扩散模式城市及山区的扩散模式6.烟囱高度设计烟囱高度设计介绍大气扩散的基本概念及基本原理，重要的知识介绍大气扩散的基本概念及基本原理，重要的知识点有点有正态分布理论正态分布理论、高斯扩散模式高斯扩散模式、烟云抬升高度烟云抬升高度、扩散参数扩散参数、封闭扩散、城市扩散模式、山区扩散模、封闭扩散、城市扩散模式、山区扩散模式和烟囱高度等。式和烟囱高度等。要求学生掌握要求学生掌握高斯扩散模式及其常见形式，学会初高斯扩散模式及

2、其常见形式，学会初步估算烟云高度，能够根据地形、背景浓度以及风步估算烟云高度，能够根据地形、背景浓度以及风向、风速、温度层结等气象因素及模式计算大气污向、风速、温度层结等气象因素及模式计算大气污染浓度，可以根据不同要求估算烟筒高度染浓度，可以根据不同要求估算烟筒高度。 扩散的要素扩散的要素n风风：平流输送为主，风大则湍流大平流输送为主，风大则湍流大n湍流：扩散比分子扩散快湍流：扩散比分子扩散快10105 510106 6倍倍湍流的基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大气的无规则运动大气的无规则运动 w风速的脉动风速的脉动w风向的摆动风向的摆动起因与两种形式起因与两种形式 n热力：温度垂直分布不

3、均（不稳定）热力：温度垂直分布不均（不稳定）n机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.1.梯度输送理论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2.2.湍流统计理论湍流统计理论 泰勒泰勒图图4-1，正态分布，正态分布 萨顿实用模式萨顿实用模式 高斯模式高斯模式 高斯模式的有关假定高斯模式的有关假定n坐标系坐标系 右手坐标，右手坐标，y为横风向，为横风向，z为垂直向为垂直向n四点假设四点假

4、设 wa污染物浓度在污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布, ,即在即在Y Y轴向轴向有有 ；在；在Z Z轴向有轴向有 。其中。其中C C0 0为为x x处烟流中处烟流中心线上的浓度，心线上的浓度，a a和和b b为待定系数为待定系数wb全部高度风速均匀稳定，全部高度风速均匀稳定，wc源强源强Q Q是连续均匀稳定的是连续均匀稳定的wd扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）；地面对其起全反射扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）；地面对其起全反射作用，不发生吸收或吸附作用作用，不发生吸收或吸附作用 20bzCC e20ayCC eu 常数高斯扩散模式的坐标系高斯扩散模式的坐标系由正态

5、分布假定，得下风向任一点的浓度分布由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布方差的表达式方差的表达式由假定由假定d 源强积分式源强积分式 （单位时间物料守恒）（单位时间物料守恒） 22( , , )( )eeaybzc x y zA x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z2222( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 2222( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 镜像全反射镜像全反射-像源法像源法n实源实源 P P点坐标点坐标n像源像源 P P点坐标点坐标2222()( , , ,)exp ()222

6、yyyzqyzHc x y z Hu n实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的贡献像源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的贡献像源的贡献222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实际浓度实际浓度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x

7、 y z Hu n实际浓度实际浓度c()x,y,z- Hc()x,y,z+ H2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面浓度模式：取地面浓度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面浓度模式：取地面浓度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y

8、y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上式，上式，x增大，则增大，则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值地面最大浓度模式：地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上式，上式，x增大，则增大，则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值yz上式，上式，x增大，则增大，则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某

9、x 处有最大值处有最大值地面最大浓度模式：地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H

10、H0 0）：）：相当于无界源的相当于无界源的2 2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）倍（镜像垂直于地面，源强加倍）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H0 0）：）：相当于无界源的相当于无界源的2 2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）倍（镜像垂直于地面，源强加倍）粒径小于粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算的颗粒物可按气体扩散计算大于大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式的颗粒物：倾斜烟流模式 地面反射系数地面反射系数2222(1)(/ )( , ,0,)exp()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp

11、18tdgvq 源强源强 计算或实测计算或实测 平均风速平均风速 多年的风速资料多年的风速资料 H 有效烟囱高度有效烟囱高度 、 扩散参数扩散参数uyz1.烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算 初始动量：初始动量： 速度、内径速度、内径烟温度烟温度 浮力浮力烟气抬升烟气抬升sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高抬升高度计算式抬升高度计算式 （1） Holland公式公式：适用于中性大气条件适用于中性大气条件（稳定时减小，（稳定时减小，不稳时增加不稳时增加1020） HollandHolland

12、公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu抬升高度计算式（抬升高度计算式（续）续）（2 2）BriggsBriggs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QxxHQxuxxH

13、QHxQHu抬升高度计算式抬升高度计算式 （续）（续）（ 3 3 ） 我 国） 我 国 “ 制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方法法”(GB/T13201-91)(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

14、)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1.5m/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PG曲线法曲线法PG曲线曲线Pasquill常规气象资料估算常规气象资料估算Gifford制成图表制成图表PG曲线的应用曲线的应用n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PG曲线的应用曲线的应用n利用扩散曲线确定利用扩散曲线确定 和和yzPG曲线的应用曲线的应用n地面最大浓度估算地面最大浓度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲线（图曲线（图4-5）反

15、查出）反查出w由由曲线（图曲线（图4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出w由由曲线（图曲线（图4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出yn 优点：用简单的常规气象资料确定稳定度级别优点：用简单的常规气象资料确定稳定度级别n 缺点：对太阳辐射强弱的划分不够确切、云量的缺点：对太阳辐射强弱的划分不够确切、云量的观测带有主观性。观测带有主观性。稳定度分类方法稳定度分类方法n改进的改进的PT法法 太阳高度角太阳高度角 （式（式4-

16、29，地理纬度，倾角），地理纬度，倾角） 辐射等级辐射等级 稳定度稳定度 云量云量（加地面风速）（加地面风速） 扩散参数的选取扩散参数的选取n扩散参数的表达式为（取样时间扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表，按表4-8查算）查算）n平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级向不稳定方向提半级n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向不稳定方向向不稳定方向提一级提一级n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n取样时间大于取样时间大于0.5h， 不变，不变，1221,aayzxx2121()qyyz主要指气象

17、条件与高斯模式不一样主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结均一，实际中难温度层结均一，实际中难以实现）以实现） 封闭型扩散模式封闭型扩散模式n相当于两镜面之间无穷次全反射相当于两镜面之间无穷次全反射n实源和无穷多个虚源贡献之和实源和无穷多个虚源贡献之和 nn为反射次数，在地面和逆面为反射次数，在地面和逆面n实源在两个镜子里分别形成实源在两个镜子里分别形成n个像个像22(2)exp2zyzqHnDCu 计算简化：计算简化：3.当当D4545o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw无限长线源

18、无限长线源n风向和线源不垂直时风向和线源不垂直时 （交角（交角4545o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源2.面源扩散模式面源扩散模式qxuD1niiqxuD n箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）（划分为更小的面源

19、单元）qxuD1niiqxuD n箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）（划分为更小的面源单元）n简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式n简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式2.面源扩散模式（续）面源扩散模式（续）n简化为点源的面源扩散模式（续）简化为点源的面源扩散模式（续）w形心上风向距形心上风向距x x0 0 处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好与正方形宽度相等与正方形宽度相等 w烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍 n（正态分布：（正

20、态分布： ） w确定确定 、 之后即可按点源计算面源浓度之后即可按点源计算面源浓度0024.30yy0yx0zx12222200000001/1/000121( , ,0,)exp2 ()() ()(), 4.32.15(), ()yyzzyyzzyzyzyzqyHx yHuWHxx2.面源扩散模式（续）面源扩散模式（续）n窄烟流模式窄烟流模式w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两侧单元对其影响很小w某点的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定某点的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定0qAu某市在

21、环境质量评价中，划分面源单元为某市在环境质量评价中，划分面源单元为1000m1000 m，其中一个单元的，其中一个单元的SO2排放量为排放量为10 g/s，当时的风速为，当时的风速为3 m/s，风向为南风。平均，风向为南风。平均有效源高为有效源高为15 m。试用虚拟点源的面源扩散模式计。试用虚拟点源的面源扩散模式计算这一单元北面邻近单元的中心处算这一单元北面邻近单元的中心处SO2的地面浓度，的地面浓度，其中大气稳定度为其中大气稳定度为C。烟囱高度的计算烟囱高度的计算要求：要求：n（1）达到稀释扩散的作用达到稀释扩散的作用n（2）造价最低，造价最低， 造价正比于造价正比于H H2 2n（3 3）

22、地面浓度不超标）地面浓度不超标 n按地面最大浓度计算按地面最大浓度计算 max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度0C标准浓度bC本底浓度n按地面绝对最大浓度计算按地面绝对最大浓度计算1BHu（代入sBHHu2maxcsd0dCBuHu（危险风速危险风速危险风速危险风速）1BHu（代入sBHHu2maxcsd0dCBuHu（危险风速危险风速危险风速危险风速）uHH(4 - 22)ma

23、xC(4 -10) maxC出现极值出现极值按一定保证率的计算法按一定保证率的计算法n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值法值法n国标国标GB/T 13201-916s10qHHP上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，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需要用封闭型或熏烟型模式校核烟气抬升高度的选取烟气抬升高度的选取n优先采用国家标准中的推荐公式优先采用国家标准中的推荐公式烟流下洗、下沉现象烟流下洗、下沉现象点源排气筒高度不得低于从属建筑物高度的点源排气筒高度不得低于从属建

24、筑物高度的2倍；倍；Hs=H0+2/3He（H0为计算得到的高度，为计算得到的高度，He四周需保护四周需保护建筑物群的平均高度）建筑物群的平均高度）排放大气污染物的排气筒，高度不低于排放大气污染物的排气筒，高度不低于15m；总量控制区，二氧化硫排放率超过总量控制区，二氧化硫排放率超过14kg/h，或氮氧化，或氮氧化物排放率超过物排放率超过9kg/h或或CO排放率超过排放率超过180kg/h，排气，排气筒高度高于筒高度高于30m；Vs1.5ue；排排气筒高度比主厂房最高点高出气筒高度比主厂房最高点高出3m以上；以上；Vs宜取宜取2030m/s；需设多个烟囱时，应尽量采用多管集合烟囱。需设多个烟囱时，应尽量采用多管集合烟囱。某城市火电厂某城市火电厂SO2排放量为排放量为80g/s，烟气流量为，烟气流量为265 m3/s，烟气温度为，烟气温度为418K，大气温度为，大气温度为293K，这一，这一地区的地区的SO2本底浓度为本底浓度为0.05mg/m3，设，设 =0.5， =3m/s，m=0.25，试按，试按环境空气质量标准环境空气质量标准的的二级标准来设计烟囱的高度和出口直径，大气稳定度二级标准