大气污染控制工程 第四章 大气污染物扩散模式

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.烟囱高度设计第一节 湍流扩散的基本理论w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105106倍w湍流的基本概念 湍流大气的无规则运动 w风速的脉动w风向的摆动w起因与两种形式 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湍流扩散理论w主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系w1.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

2、高斯模式 3.相似理论 第二节 高斯扩散模式w高斯模式的有关假定坐标系 右手坐标，y为横风向，z为垂直向四点假设 wa污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布wb全部高度风速均匀稳定wc源强是连续均匀稳定的wd扩散中污染物是守恒的（不考虑转化） 高斯扩散模式w高斯扩散模式的坐标系无界空间连续点源扩散模式w由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布w方差的表达式w由假定d 源强积分式 （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

3、y zu 高斯烟流的形态2222( , )exp ()222yzyzqyzc x y zu 高斯烟流的浓度分布高架连续点源扩散模式w镜像全反射-像源法实源： 像源：( , ,)c x y z Hz( , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实实源源的的贡贡献献2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实实源源的的贡贡献献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像像源源的的贡贡献献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyz

4、Hc x y z Hu 像像源源的的贡贡献献222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 实实际际浓浓度度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu 实实际际浓浓度度高架连续点源扩散模式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

5、上式，得22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式：再再取取y y= =0 0代代入入上上式式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式：再再取取y y= =0 0代代入入上上式式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上上式式，x增增大大，则则、 增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值地地面面最最大大浓浓度度模模式式：考考虑虑地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上上式式，x增增大

6、大，则则、 增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值yz上上式式，x增增大大，则则、 增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值地地面面最最大大浓浓度度模模式式：考考虑虑地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式高架连续点源扩散模式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czxxH地地面面最最大大浓浓度度模模式式（续续）：设设（实实际际中中成成立立）由由此此求求得得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx

7、xH地地面面最最大大浓浓度度模模式式（续续）：设设（实实际际中中成成立立）由由此此求求得得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相当当于于无无界界源源的的2 2倍倍（镜镜像像垂垂直直于于地地面面，源源强强加加倍倍）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相当当于于无无界界源源的的2 2倍倍（镜镜像像垂垂直直于于地地面面，源源强强加加倍倍）颗粒物扩散模式w粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算w大于15m的颗粒物：倾斜烟流模

8、式 地面反射系数地面反射系数2222(1)(/ )( , ,0,)exp()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp18tdgv第三节 污染物浓度的估算wq 源强 计算或实测 w 平均风速 多年的风速资料 wH 有效烟囱高度 w 、 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烟烟囱囱几几何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高sHHHsHH烟烟囱囱几几何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高烟气抬升高度的计算w抬升高度计算式 （1） Holland公式：适

9、用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020） HollandHolland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(1.5 2.7)(1.59.6 10) svDTTHDvDQTuu烟气抬升高度的计算w抬升高度计算式（续）（2）Briggs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 *

10、=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu烟气抬升高度的计算w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 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12 1 0 0 k W()3 5 K = 0 .3 5 1 7 0 0 k W2 1 0 0 k W1 7 0 0 =() 4 0 02 (1 .50 .0 1)0 .0 4 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu ( 1 ) 当和时( 2 ) 当时HHsH1 / 43 / 8aH8(1 7 0 0 )1 7 0 0 k W3 5 K2 (1 .

11、50 .0 1) = 1 0 m1 .5 m /s d = 5 .5(0 .0 0 9 8 )dQuQTv DQHuTHQz( 3 ) 当或时( 4 ) 当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时扩散参数的确定wPG曲线法PG曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表扩散参数的确定PG曲线法wPG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wPG曲线的应用利用扩散曲线确定 和yz扩散参数的确定PG曲线法wPG曲线的应用地面最大浓度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出w由由曲线（

12、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y扩散参数的确定中国国家标准规定的方法w稳定度分类方法改进的PT法 太阳高度角太阳高度角 （式（式4-29，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） 扩散参数的确定中国国家标准规定的方法w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

13、算）平原地区和城市远郊区，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，1221,aayzxx2121()qyyz第四节 特殊气象条件下的扩散模式w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） w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22(2)exp2zyzqHnDCu 封闭型扩散模式w计算简化：1.当当（尚尚未未到到封封闭闭阶阶段段）w（烟烟流流半半宽宽度度）w查查PG曲曲线线w4-9

14、式式计计算算 地地面面轴轴线线浓浓度度Dxx2.15zDHDx1.当当（尚尚未未到到封封闭闭阶阶段段）w（烟烟流流半半宽宽度度）w查查PG曲曲线线w4-9式式计计算算 地地面面轴轴线线浓浓度度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD011d1DzDD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22(

15、, )exp()22yyqyc x yuDDD2xxx3. DxxD2xx内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值DD2xxx3. DxxD2xx内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值熏烟型扩散模式w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 22211exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH熏烟型扩散模式第五节 城市及山区扩散模式w城市大气扩散模式1.线源扩散模式w无无限限长长线线源源风风向向和和线线源源不不垂垂

16、直直时时 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw无无限限长长线线源源风风向向和和线线源源不不垂垂直直时时 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有有限限长长线线源源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有有限

17、限长长线线源源城市大气扩散模式w2.面源扩散模式w大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量 O3SOx or NOx + NH3 + OH - (NH4)2SO4 or NH4NO3SO2 + OH - H2SO4NO2 + OH - HNO3VOC + OH -Orgainic PM OH Air Toxics(POM, PAH, Hg(II), etc.) Fine PM，(Nitrate, Sulfate, Organic PM) NOx + SOx + OH (Lake Acidification, Eutrophication) 第三代模式（Models3）Meteorolo

18、gyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVE/asmdnerl/models3/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模式模式高斯模式，只对有效源高进行修正高斯模式，只对有效源高进行修正 NOAA和和EPA模式模式NOAA以高斯模式为基础，对有效源高进行修正以高斯模式为基础，对有效源高进行修正EPA与与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正第六节 烟囱高度的设计w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 max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu C