工程环境保护与可持续发展第章大气污染扩散

1、第五章 大气污染扩散第一页，共五十一页。第一节 大气结构与气象一、大气的结构 1. 对流层 2. 平流层 3. 中间层 4. 暖层二、气象要素 1. 气压 2. 气温 3. 气湿 4. 云 5. 能见度 6. 风第二页，共五十一页。三、大气温度的垂直分布 1. 气温直减率 2. 大气的温度层结 3 . 干绝热直减率四、大气的稳定度 1. 大气稳定度 2. 大气稳定度的分类第三页，共五十一页。第二节 大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论 1. 湍流 2. 湍流扩散与正态分布的基本理论二、高斯扩散模式（一）连续点源的扩散 1. 大空间点源扩散 2高架点源扩散 3. 地面点源扩散（二）连续线源的扩

2、散（三）连续面源的扩散三、扩散参数及烟流抬升高度的确定 1. 扩散参数y、z的估算 2. 烟流抬升高度h的计算第四页，共五十一页。第三节 影响大气扩散的若干因素一、气象因子影响 1. 大气稳定度 2. 风二、地理环境状况的影响 1. 地形状况 2. 地面物体三、污染物特征的影响第五页，共五十一页。第四节 烟囱高度及厂址一、烟囱高度的设计方法 1. 烟囱高度对烟气扩散的影响 2. 烟囱高度的设计方法 3. 影响烟囱设计高度的因素二、厂址的选择 1. 本底环境浓度 2. 风向和风速 3. 温度层结 4.地形 第六页，共五十一页。第一节 大气结构与气象 一、大气的结构大气层：地面1200 km的空气

3、层。质量98.2集中在30 km以下。大气结构：根据竖直方向大气密度、温度、组成的分布状况可分为：对流层、平流层、中间层、暖层。 第七页，共五十一页。 对流层。10 km，大气质量75，几乎全部水蒸气、微尘杂质，主要天气现象。地表吸热， H，t ，0.65/ 100m，垂直混合较强烈。大气边界层（摩擦层），1.5 km，污染物扩散稀释主要层； 1.5 km，自由大气。平流层。10 55 km，大气质量24.9 ，稀薄，干燥。22km为同温层，H，t =C。 2225km臭氧层，吸热， H，t ，竖直混合微弱，处于平流运动。中间层。 80km，质量10-3。 H，t ，对流强烈，垂直方向混合明显

4、。暖层（电离层）。800km，质量10-5。强烈紫外线下， H，t ，昼夜变化大。电离层。第八页，共五十一页。二、气象要素气象要素：气压、气温、气湿、云、风、能见度以及太阳辐射等。风和湍流运动直接影响污染物扩散，气温垂直分布又制约着风场与湍流结构。1. 气压 大气压强，Pa（mbar、Pa）。273K，450海平面，p0=1013.25hPa为标准大气压。H，p。2. 气温 1.5 m处百叶窗内测量到的大气温度。3. 气湿 大气湿度，空气水蒸气含量。绝对湿度、水蒸气分压、露点、相对湿度和比湿。第九页，共五十一页。4. 云 微小水滴或冰晶构成的汇集物质。云吸收或反射太阳的辐射，反映了气象要素的变

5、化和大气运动的状况。云量：云遮蔽天空的份额。我国将视野天空分10等分，阴天为10；晴天为0。云高：云底距地面的高度。低云 2500m；中云25005000m；高云5000m。5. 能见度 正常视力，从水平方向中能够看到或辨认出目标物的最大距离。反映大气混浊/透明的程度。10个级别，0级50m，9级50km。 第十页，共五十一页。6. 风 空气在水平方向的运动。风向：风的来向。用16或8个方位表示。用角度表示，北风为0o，顺时针方向夹角称为风向角。风速：单位时间水平运动的距离。距地10m，一定时间内观测到的平均值。自由大气为水平匀速运动。大气边界层，H，u n与大气稳定度有关。中性，开阔平坦，n

6、1/7。 日变化。日出：地面吸热，大气上升运动，上下混合强烈，下层风大，高层风小；夜间：地面冷却，湍流停止，下层风小，高层风大。 第十一页，共五十一页。 海陆风。陆地和海洋差异产生的热力效应，日变化。陆地热容量海水，地温升、降快。 海风：白天，陆地气温海洋，陆地空气上升，低层气压海上。下层空气从海面陆地，高层空间由陆地海洋，形成闭合环流；陆风：夜间，陆地气温海洋，海洋空气上升，低层气压陆地。下层空气从陆地海洋，高层空间由海洋陆地，形成闭合环流。第十二页，共五十一页。季风：海、陆差异热力效应，四季周期变化的大气环流，影响范围比海陆风大得多。夏季：大陆气温海洋，低层空气从海洋大陆，高层相反流动，类

7、似于白天海风环流。东南风（太平洋高压控制）冬季：大陆气温海洋，低层空气从大陆海洋，类似于夜间陆风环流。西北风（蒙古高压控制） 。 峡谷风：气流从开阔地区进入流动截面积缩小的狭窄峡谷口，气流加速而形成的强风。 第十三页，共五十一页。山谷风：山区地理差异产生热力作用，日变化。谷风：白天，山坡吸热强，气温高，空气上升，从谷底沿山坡向上流动。谷底上空气流下降，形成热力循环。（阴风）山风：夜间，山坡冷却快，气温低，空气密度大，沿山坡向谷底流动。 第十四页，共五十一页。三、大气温度的垂直分布 1. 气温（垂）直（递）减率 实际大气的气温沿垂直高度的变化率 2. 大气的温度层结 气温随垂直高度的分布规律。坐

8、标图上为温度层结曲线。反映沿高度的大气状况是否稳定，直接影响空气的运动，以及污染物质的扩散过程和浓度分布。第十五页，共五十一页。递减层结。H，t，0。晴朗白天，风力较小。空气团降温速度慢，加速上升，不稳定。等温层结。H，tC，0。阴天、多云、大风。空气团降温速度快，上升运动将减速并转而返回，趋于稳定。逆温层结。 H，t，0。大气在竖直方向基本停滞，强稳定状态。对大气污染扩散影响极大，有第十六页，共五十一页。辐射逆温：地面快速冷却形成。晴天夜间，地面冷却，离地近，气温冷却快，离地远，降温慢，自地面向上形成辐射逆温，日出前充分发展。日出后，地面吸热，逆温层又自下而上消失，上午九点钟全部消失。第十七

9、页，共五十一页。下沉逆温：高压区，某层空气下沉，使下层空气被压缩升温。湍流逆温：绝热状态下的大气湍流；平流逆温：暖空气水平流至冷地表上空；锋面逆温：冷暖空气相遇，暖空气爬到冷空气上面。上层逆温：离地面数十米至数千米的高空。第十八页，共五十一页。干绝热直减率（干空气温度绝热垂直递减率）: 干空气团在绝热升降过程中，其温度随高度的变化值。 干空气团绝热上升时，因周围气压减小而膨胀，内能用于膨胀做功，而使其温度降低；反之，当气团绝热下降时，由于外界压力增大，外部压力对其压缩做功，使其内能增加，因而气团温度上升.根据热力学第一定律：状态方程 ：压力分布： 推导得到：第十九页，共五十一页。四、大气的稳定

10、度 1. 大气稳定度 大气在垂直方向上的稳定程度。 外力作用，空气团加速上升或下降。到某一位置时消除外力：继续加速向前运动，不稳定大气；匀速运动，中性大气；逐渐减速返回，稳定大气。 大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快。 第二十页，共五十一页。0：d，a0，气团加速，不稳定；d，a0，中性；d，a0，气团减速，弱稳定 0：等温、逆温，强稳定 d大气稳定性判据。 第二十一页，共五十一页。2. 大气稳定度的分类 与天气现象、时空尺度、地理条件密切相关.帕斯奎尔（Pasquill）法： 根据风速、太阳辐射、夜间云量状况，将稳定度分为AF六个级别（极不稳定、不稳定、弱不稳定，中性、弱稳定、稳定）。 常

11、规气象资料确定，简单易行，但没有确切描述太阳辐射强度，云量的确定也不准确，粗略。特纳尔(Turner)法： 根据太阳高度角h和云量(10分制)，确定太阳辐射等级，再由太阳辐射等级和风速确定大气稳定度的级别。第二十二页，共五十一页。第二节 大气污染物的扩散 一、湍流与湍流扩散理论 1. 湍流： 风的强度与方向随时间不规则的变化。 特征尺度（高度）大，湍涡发展不受空间限制，较小速度下就有很高的雷诺数。 机械湍流地面摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，地面障碍物使风向与风速突然改变。 热力湍流地表受热不均匀、大气温度层结不稳定，在垂直方向产生温度梯度而造成的。第二十三页，共五十一页。烟气在大气中的扩散

12、: （a）无湍流，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，扩散速率缓慢； （b）烟团尺度湍涡 边缘受小湍涡扰动，与周边空气混合，缓慢膨胀，烟流呈直线向下风运动； （c）烟团尺度湍涡，烟团被迅速撕裂，大幅度变形，快速膨胀，扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动； （d）烟团尺度湍涡，受大湍涡卷吸扰动影响较弱，本身膨胀有限，在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。第二十四页，共五十一页。2. 湍流扩散与正态分布的基本理论 大气处于湍流状态。污染物排入大气后，一方面；（1）随大气整体飘移；（2）另一方面，从高浓度区向低浓度区扩散、稀释。 大气扩散理论就是在各种气象、下垫面条件下，用数理方法模拟不同的大气污染

13、扩散过程，预报污染物浓度时空变化规律。 扩散理论：梯度输送理论、相似理论、统计理论（都有较大局限性） （湍流统计理论体系的）高斯扩散模式： 排放源：地面源(Z0)、高架源(Z=H)。风向平行于x轴。 假定：源强q均匀连续；风速u均匀恒定；污染物在y,Z轴符合正态分布；污染物在扩散中质量守恒。 第二十五页，共五十一页。二、高斯扩散模式1.连续点源的扩散（1） 大空间点源 假设：流场稳定，风速均匀，风向平直；浓度在y、z轴符合正态分布污染物质量守恒；源强均匀、连续。图：源于坐标原点o，风向与x轴平行、正向同向。扩散具有y与z两个方向的二维正态分布，分布密度为一维分布函数的乘积。 第二十六页，共五十

14、一页。由正态分布，得浓度分布函数为： C浓度； A（x）待定系数；y、z水平、垂直方向的扩散系数。由质量守恒和连续，在任一垂直于x轴的烟流截面上有： q源强，单位时间内排放的污染物；u平均风速。 第二十七页，共五十一页。（519） C代入,由风速稳定，A与y、z无关，考虑到和，积分得A（x）y、z与大气稳定度有关，随x增大而增加。当y0，z0时，A（x）即为x轴上的浓度，为垂直于x轴横截面上的最大浓度Cmax。当x时，y及z，则C0，完全扩散。第二十八页，共五十一页。（2）高架点源地面o为原点，有效源在z轴上， Hh（烟囱几何高度）h（ 抬升高度）地面全反射时：像源法求解k点 (0，0，H)实

15、源在k点扩散和地面反射浓度的叠加。反射视为与实源对称的位于(0，0，H)像源扩散到k点浓度。第二十九页，共五十一页。实源：坐标沿z轴向下平移距离H，(z-H) （520） 像源：坐标沿z轴向上平移距离H，(zH) （521） K点的浓度： CCsCx （522） 地面全吸收时：Cx0， CCs 式（520） 第三十页，共五十一页。地面浓度（假定为全反射时）：最关心地面，尤其是最大浓度值和离源头距离。在式（522）中，令z0：x轴线上浓度分布：再令y0，则 （523）（524）第三十一页，共五十一页。x轴：排放源附近C0，顺风向C，某处达到Cmax，以后C。H， z 、 xmax，则Cmax点离

16、源越远。H和u，则Cmax值，防止污染物在某一局部聚积。 假定y/z常数，式（524）求导可得：第三十二页，共五十一页。（3）地面点源 全反射：全反射高架源扩散式（522）中H0，则C2C大空间式（519）全吸收：式（520）H0， CC大空间式（519） 高斯扩散模式的一般适用条件是： 地面开阔平坦，下垫面以上大气湍流稳定； 扩散处于同一大气温度层结中，范围10km； 扩散中无化学反应，地面全反射； 平均风向和风速平直稳定，且u12m/s。2.连续线源的扩散（自学）3.连续面源的扩散（自学）第三十三页，共五十一页。三、扩散参数y、z及抬升高度h的确定 公式应用效果依赖于各参数的准确性。u取常

17、规气象数据；源强q计算或测定，y、z、h与气象条件和地面状况密切相关。1. 扩散参数y、z的估算y、z实验确定。帕斯奎尔(Pasquill) 和吉福特(Gifford) 的PG扩散曲线：先由气象资料得到稳定度等级，然后即可确定。规律：离源距离，；大气湍流，； （粗糙地面）（平坦地面）。 第三十四页，共五十一页。PG曲线简便实用。但由观测资料及理论分析得到，应用具有一定的经验性和局限性。较适用于近地源的小尺度扩散和开阔平坦的地形。也可采用经验公式确定y、z。第三十五页，共五十一页。2. 烟流抬升高度h的计算喷出阶段：本身的初始动量垂直向上喷射；浮升阶段：密度差形成浮力，渐趋于水平方向；瓦解阶段：

18、大气湍流加强，烟体结构瓦解；变平阶段：随风飘移。 热力抬升：由于浮升力作用；动力抬升：由于烟气出口动量。热烟流从烟囱中喷出直至变平，可分为以下阶段：第三十六页，共五十一页。烟流抬升的发展受到气象条件和地形状况的制约：浮升力取决于烟流与环境的温差；初始动量与烟囱内径有关。温差和vs，h 。（但vs过大，h。）大气湍流强度，h；u，湍流， h；地面粗糙度，近地层湍流，h。h的计算尚无统一的理想公式。应用较广的有霍兰德(Holland)公式：我国采用自己的计算式。 第三十七页，共五十一页。第三节 影响大气扩散的若干因素 一、气象因子（大气稳定度、风）1.大气稳定度 与气温层结有关。越不稳定，扩散越快

19、。稳定度不同，扩散型态也不一样，从而形成以下5这种典型烟云：波浪型：不稳定。即0，d。湍流强烈，左右剧烈翻卷的波浪状，晴朗白天。地面落地浓度较高，最大浓度点距排放源较近。锥型：中性或弱稳定。0，d。扩散能力弱于波浪型，圆锥形扩散，阴白天/强风夜间。输送距离较远，落地浓度较低。带型（扇型）：逆温稳定。0，d。无湍流，水平缓慢扩散，弱风晴朗夜晚和早晨。不易扩散，输送较远。地面污染与源高有关。 第三十八页，共五十一页。爬升型（屋脊型）。上不稳定，0；下稳定，0。有辐射逆温日落前后，地面浓度小。 熏烟型（漫烟型）。上稳定，0；下不稳定，0。日出之后，辐射逆温消失时。地面污染最严重。 第三十九页，共五十

20、一页。2. 风 污染源下风向的污染程度较严重。C1/u，u，C，污染轻。某城市SO2浓度观测数据：u23，SO2；u23，SO2基本不变，风速扩散影响甚微。 第四十页，共五十一页。二、地理环境的影响 （ 地形状况、地面物体 ）地形状况 陆地、海洋、平地、山地扩散产生不同影响。 局部地形的热力作用促使形成地方风，最终影响污染物扩散。海陆风：形成局部环流，抑制向远处扩散。例如白天（海风），海岸附近的污染物从高空向海洋扩散出去，随着海风环流回到内地；日出、日落后，海风与陆风交替，大气相对稳定，甚至逆温；季风与海陆风交汇，东南沿海夏季风，夜间与陆风相遇，污染物浓度也较高。山谷风：形成局部环流，污染物在

21、环流中长时间滞留。峡谷风：不利于污染物的扩散，并造成峡谷下游地区的污染。第四十一页，共五十一页。2. 地面物体热岛效应：城市人口、工业集中。消耗燃料成为热源，建筑材料热容量高，白天吸收热不宜冷却，成为蓄热体。t城市t郊区，夏季1.5，冬季7。城市热气流上升，乡村冷空气侵入，形成城乡环流。加强湍流，有助于源附近的扩散，但环流使周围污染物回流。 第四十二页，共五十一页。街道和建筑吸放热不均匀，形成小型环流。如白天屋顶吸热强，街道受热弱，屋顶热空气上升，街道上冷空气下降，构成谷风式环流。晚上反向形成山风式环流。影响街道扩散能力（汽车）。源附近高大建筑物。建筑物使风速减小，还会引起局部环流的扩散。如建

22、筑物背面气流下沉，并在地面处形成返回气流，产生涡流。第四十三页，共五十一页。三、污染物特征的影响 除扩散外，不同性质污染物还存在沉降、化合分解等净化作用。干沉积、湿沉积、放射性衰变。干沉积。重力沉降：粒子d，沉降v，应考虑l0m颗粒的沉降速度；下垫面清除作用：l0m污染物碰到下垫面的地面、水面、植物与建筑物等，因碰撞、吸附、静电吸引或动物呼吸等作用被逐渐从烟流中清除出来(计算时可不考虑)。湿沉积。水汽凝结物与降水的净化作用。放射性衰变。放射物质可能产生的衰变现象。可能减少某种污染物，但也可能增加新的污染物。非常复杂，尚未掌握它们对污染物浓度变化的规律性。 第四十四页，共五十一页。第四节 烟囱高

23、度及厂址一、烟囱高度的设计方法高烟囱的作用：克服流动p（自然通风）；污染散逸到高空，降低浓度。1. 烟囱高度对烟气扩散的影响 地面浓度Cmax与H2成反比。C(高h2)C(低h1)，长距离后逐渐接近。Xmax(h2)Xmax(h1)，Cmax(h2)Cmax(h1) 。高烟囱使下风处约10 km的烟气浓度都降低。 第四十五页，共五十一页。2. 烟囱高度的设计 烟囱达到一定高度后，增加高度对落地浓度降低已无明显作用，而烟囱的造价也近似地与烟囱高度的平方成正比。 烟囱高度设计的基本要求是： 在排放源造成的地面Cmax不超过国家规定的标准数值下，使得建造投资费用最小。 第四十六页，共五十一页。3.

24、影响烟囱设计高度的因素 计算公式。各种公式对地形、气象条件依赖性强，计算差别大。选择适合相应条件的公式。 气象参数。风速：u，扩散Cmax；但u使得H Cmax（抬升高度减小）存在一Cmax最大值的风速。第四十七页，共五十一页。烟流出口速度VS。 VS ，H 、Cmax。一般要求VS /u1.5。可采用集合式烟囱以提高VS 。烟气的干、湿沉降。为避免建筑物造成的干、湿沉降现象，而导致烟囱地区污染增加。要求：烟囱与建筑物相距约20倍h；（烟囱高度）h 2.5倍建筑物高度；排放粉尘烟囱， h15m， VS 2030m/s.烟囱的散热。尽量减少烟道与烟囱的散热，以提高出口烟温，增加热力抬升能力。如，排烟温度150， u 5 m/s，每提高1烟气温度热力抬升高度增加约1.5m。 第四十八页，共五十一页。二、厂址的选择 从环境