大气污染控制工程课件05

第四章大气污染物扩散模式主要内容: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.烟囱高度设计学习要求:掌握大气扩散的理论和扩散模式，学会估算污染物浓度、烟气抬升高度，确定烟囱高度和厂址

第四章大气污染物扩散模式主要内容:1第一节湍流扩散的基本理论扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大湍流：扩散比分子扩散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大气的无规则运动

风速的脉动风向的摆动起因与两种形式

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第一节湍流扩散的基本理论扩散的要素2湍流扩散理论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高斯模式

湍流扩散理论主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系3第二节高斯扩散模式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

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）

第二节高斯扩散模式高斯模式的有关假定4高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系5无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布(4-1)方差的表达式(4-2)由假定d源强积分式（单位时间物料守恒）(4-3)未知量：浓度C，待定函数A(x)，待定系数a,b把式(4-1)代入(4-2)中，积分得：

（4-4）无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定，得下风向任一点的浓度6将式（4-4）和（4-1）代入式（4-3）中，积分得：（4-5）将式（4-4）、（4-5）代入式（4-1）得无界空间连续点源扩散的高斯模式：（4-6）将式（4-4）和（4-1）代入式（4-3）中，积分得：7高斯烟流的形态高斯烟流的形态8高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布9高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法实源：像源：（4-7）高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法（4-7）10高架连续点源扩散模式（4-8）（4-9）高架连续点源扩散模式（4-8）（4-9）11高架连续点源扩散模式

（4-10、11）（4-12）高架连续点源扩散模式（4-10、11）（4-12）12颗粒物扩散模式粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式地面反射系数颗粒物扩散模式粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算地13第三节污染物浓度的估算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1.烟气抬升高度的计算

初始动量：速度、内径烟温度－>浮力：温差烟气抬升第三节污染物浓度的估算q源强计算或实测1.烟气14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偏差更大烟气抬升高度的计算抬升高度计算式Holland公式比较保守15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

烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）16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

烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）17例4-1某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟气流速12.7m/s，温度100℃，流量250m3/s。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度20℃，试确定烟气抬升高度及有效源高。解：用公式（4－23）计算烟囱的热释放率QH=0.35×978.4×250×(140-20)/(140+273)=24875kW>2100kW，且ΔT≧35K，运用式（4－22）计算，查表4－2得n0=1.303,n1=1/3,n2=2/3按“制定原则和方法”的公式，抬升高度ΔH=1.303×248751/3×1002/3×4-1=204.9m则有效源高H=Hs+ΔH=100+204.9=304.9m例4-1某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟18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制成图表扩散参数的确定P－G曲线法19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扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用20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扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用21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扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用22例4-2某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的SO2量为80g/s，有效源高处的平均风速为6m/s，试估算冬季阴天正下风向距离烟囱500m处地面上的SO2浓度。解：在阴天条件下，大气稳定度为D级，由表4-4查得，在x=500m处，=35.3m，=18.1m。代入式（4-9）得：例4-2某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的SO2量为23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

太阳高度角

（式4-29，地理纬度，倾角）

辐射等级稳定度云量（加地面风速）

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太阳高度24（4-29）式（4-29）式25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，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26[例4-3]在例4-1的条件下，当烟气排出的SO2速率为150g/s时，试计算阴天的白天SO2的最大着地浓度及其出现的距离。解：（1）确定大气稳定度：根据题设，阴天的白天为D级。根据扩散参数的选取方法，城区中的点源，D级向不稳定方向提一级，则应为C级。（2）计算最大着地浓度：由例4-1计算结果，有效源高H=304.9m，由式（4-11）求得出现最大着地浓度时的垂直扩散参数：查表4-4或按表4-8中的幂函数计算，在C级稳定度，=215.6m时，由式4-10求得最大着地浓度：[例4-3]在例4-1的条件下，当烟气排出的SO2速率为27第四节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（温度层结构均一，实际中难以实现）

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个像第四节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一28封闭型扩散模式计算简化：（4-33）封闭型扩散模式计算简化：（4-33）29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

熏烟型扩散模式假设：D换成hf（垂向均匀分布）；q只包括30熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式31第五节城市及山区扩散模式城市大气扩散模式1.线源扩散模式第五节城市及山区扩散模式城市大气扩散模式32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城市大气扩散模式2.面源扩散模式33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城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）34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城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）35常用城市空气质量模式箱模式单箱模式多箱模式——如目前用于我国城市空气污染指数预报的CAPPS模式城市多源模式如EPA推荐的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化学模式如EPA推荐的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式线源模式如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放常用城市空气质量模式箱模式36城市空气质量模式的发展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)/scram001/tt22.htmISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel城市空气质量模式的发展第一代模式Photochemical37城市空气质量模式的发展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm城市空气质量模式的发展第二代模式EulerianG38城市空气质量模式的发展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念AirToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH

--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere城市空气质量模式的发展第三代模式（Models-3）－One39第三代模式（Models－3）/asmdnerl/models3/第三代模式（Models－3）http://www.epa.40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41第六节烟囱高度的设计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

第六节烟囱高度的设计烟囱高度的计算42烟囱高度的计算按地面绝对最大浓度计算烟囱高度的计算按地面绝对最大浓度计算43烟囱高度的计算按一定保证率的计算法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值法国标GB/T13201-91烟囱高度的计算按一定保证率的计算法44烟囱设计中的几个问题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烟气抬升高度的选取优先采用国家标准中的推荐公式烟流下洗、下沉现象烟囱设计中的几个问题上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较453.2某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的SO2质量为80g/s，有效源高处的平均风速为6m/s，试估算冬季阴天正下风方向距烟囱500m处地面上的SO2浓度。解：根据题设条件，由表4-3查得稳定度级别为D，由表4-4查得σy=35.3mσz=18.1m

C（x,0,0,H）=

=

=2.73×10-5g/m3

=2.73×10-2mg/m33.2某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的SO2质量463.3据估计，某燃烧着的垃圾堆以3g/s的速率排放氮氧化物。在风速为7m/s的阴天夜里，源的正下风方向3km处的平均浓度是多少？假设这个垃圾堆是一个无有效源高的地面点源。

解：根据题设条件，

由表4-3查得，稳定度级别为D，由表4-4

查得σy=173mσz=79.1m

C（3000,0,0,0）=

=9.97×10-3mg/m3

3.3据估计，某燃烧着的垃圾堆以3g/s的速率排放氮氧化47大气污染控制工程课件0548第四章大气污染物扩散模式主要内容: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.烟囱高度设计学习要求:掌握大气扩散的理论和扩散模式，学会估算污染物浓度、烟气抬升高度，确定烟囱高度和厂址

第四章大气污染物扩散模式主要内容:49第一节湍流扩散的基本理论扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大湍流：扩散比分子扩散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大气的无规则运动

风速的脉动风向的摆动起因与两种形式

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第一节湍流扩散的基本理论扩散的要素50湍流扩散理论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高斯模式

湍流扩散理论主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系51第二节高斯扩散模式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

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）

第二节高斯扩散模式高斯模式的有关假定52高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系53无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布(4-1)方差的表达式(4-2)由假定d源强积分式（单位时间物料守恒）(4-3)未知量：浓度C，待定函数A(x)，待定系数a,b把式(4-1)代入(4-2)中，积分得：

（4-4）无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定，得下风向任一点的浓度54将式（4-4）和（4-1）代入式（4-3）中，积分得：（4-5）将式（4-4）、（4-5）代入式（4-1）得无界空间连续点源扩散的高斯模式：（4-6）将式（4-4）和（4-1）代入式（4-3）中，积分得：55高斯烟流的形态高斯烟流的形态56高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布57高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法实源：像源：（4-7）高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法（4-7）58高架连续点源扩散模式（4-8）（4-9）高架连续点源扩散模式（4-8）（4-9）59高架连续点源扩散模式

（4-10、11）（4-12）高架连续点源扩散模式（4-10、11）（4-12）60颗粒物扩散模式粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式地面反射系数颗粒物扩散模式粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算地61第三节污染物浓度的估算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1.烟气抬升高度的计算

初始动量：速度、内径烟温度－>浮力：温差烟气抬升第三节污染物浓度的估算q源强计算或实测1.烟气62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偏差更大烟气抬升高度的计算抬升高度计算式Holland公式比较保守63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

烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）64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

烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）65例4-1某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟气流速12.7m/s，温度100℃，流量250m3/s。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度20℃，试确定烟气抬升高度及有效源高。解：用公式（4－23）计算烟囱的热释放率QH=0.35×978.4×250×(140-20)/(140+273)=24875kW>2100kW，且ΔT≧35K，运用式（4－22）计算，查表4－2得n0=1.303,n1=1/3,n2=2/3按“制定原则和方法”的公式，抬升高度ΔH=1.303×248751/3×1002/3×4-1=204.9m则有效源高H=Hs+ΔH=100+204.9=304.9m例4-1某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟66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制成图表扩散参数的确定P－G曲线法67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扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用68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扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用69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扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用70例4-2某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的SO2量为80g/s，有效源高处的平均风速为6m/s，试估算冬季阴天正下风向距离烟囱500m处地面上的SO2浓度。解：在阴天条件下，大气稳定度为D级，由表4-4查得，在x=500m处，=35.3m，=18.1m。代入式（4-9）得：例4-2某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的SO2量为71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

太阳高度角

（式4-29，地理纬度，倾角）

辐射等级稳定度云量（加地面风速）

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太阳高度72（4-29）式（4-29）式73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，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74[例4-3]在例4-1的条件下，当烟气排出的SO2速率为150g/s时，试计算阴天的白天SO2的最大着地浓度及其出现的距离。解：（1）确定大气稳定度：根据题设，阴天的白天为D级。根据扩散参数的选取方法，城区中的点源，D级向不稳定方向提一级，则应为C级。（2）计算最大着地浓度：由例4-1计算结果，有效源高H=304.9m，由式（4-11）求得出现最大着地浓度时的垂直扩散参数：查表4-4或按表4-8中的幂函数计算，在C级稳定度，=215.6m时，由式4-10求得最大着地浓度：[例4-3]在例4-1的条件下，当烟气排出的SO2速率为75第四节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（温度层结构均一，实际中难以实现）

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个像第四节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一76封闭型扩散模式计算简化：（4-33）封闭型扩散模式计算简化：（4-33）77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

熏烟型扩散模式假设：D换成hf（垂向均匀分布）；q只包括78熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式79第五节城市及山区扩散模式城市大气扩散模式1.线源扩散模式第五节城市及山区扩散模式城市大气扩散模式80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城市大气扩散模式2.面源扩散模式81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城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）82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城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）83常用城市空气质量模式箱模式单箱模式多箱模式——如目前用于我国城市空气污染指数预报的CAPPS模式城市多源模式如EPA推荐的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化学模式如EPA推荐的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式线源模式如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放常用城市空气质量模式箱模式84城市空气质量模式的发展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)/scram001/tt22.htmISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel城市空气质量模式的发展第一代模式Photochemical85城市空气质量模式的发展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm城市空气质量模式的发展第二代模式EulerianG86城市空气质量模式的发展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念AirToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH

--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere城市空气质量模式的发展第三代模式（Models-3）－One87第三代模式（Models－3）/