大气污染浓度估算模式1课件

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1页，共40页。第四章大气污染物扩散模式1.湍流扩散的基本理论第1页，共41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2页，共40页。第一节湍流扩散的基本理论扩散的要素第2页，共40页。2平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级实源和无穷多个虚源贡献之和第三节污染物浓度的估算粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算对风向稳定、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大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式FinePM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）NOAA－以高斯模式为基础，对有效源高进行修正热力：温度垂直分布不均（不稳定）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城市空气质量模式的发展湍流：扩散比分子扩散快105～106倍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c．源强是连续均匀稳定的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

3.相似理论第3页，共40页。平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级湍流扩散理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4页，共40页。第二节高斯扩散模式高斯模式的有关假定第4页，共40页。4高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系第5页，共40页。高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系第5页，共40页。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方差的表达式由假定d源强积分式（单位时间物料守恒）

第6页，共40页。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高斯烟流的形态第7页，共40页。高斯烟流的形态第7页，共40页。7高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布第8页，共40页。高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布第8页，共40页8高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法实源：像源：第9页，共40页。高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法第9页，共409高架连续点源扩散模式第10页，共40页。高架连续点源扩散模式第10页，共40页。10高架连续点源扩散模式

第11页，共40页。高架连续点源扩散模式第11页，共40页。11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第12页，共40页。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12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－>浮力烟气抬升第13页，共40页。第三节污染物浓度的估算q源强计算或实测1.烟气13SOx[orNOx]+NH3+OHGaussianDispersionModelOH<--->AirToxicsOrganicPM)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（3）地面浓度不超标机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度+hv--->O3EulerianGrid湍流——大气的无规则运动b．全部高度风速均匀稳定ISC3,CALPUFF,AERMOD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第14页，共40页。SOx[orNOx]+NH3+OH烟气抬升高度的14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

第15页，共40页。烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）第15页，共40页。15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

第16页，共40页。烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）第16页，共40页。16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制成图表第17页，共40页。扩散参数的确定P－G曲线法第17页，共40页。17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第18页，共40页。扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用第18页，共4018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第19页，共40页。扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用第19页，共4019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第20页，共40页。扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用第20页，共4020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）

第21页，共40页。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21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，第22页，共40页。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第22页22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23页，共40页。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一23封闭型扩散模式计算简化：第24页，共40页。封闭型扩散模式计算简化：第24页，共40页。24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

第25页，共40页。熏烟型扩散模式假设：D换成hf（垂向均匀分布）；q只包括25熏烟型扩散模式第26页，共40页。熏烟型扩散模式第26页，共40页。26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27页，共40页。第五节城市及山区扩散模式城市大气扩散模式第27页，共40页27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第28页，共40页。城市大气扩散模式2.面源扩散模式第28页，共40页。28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第29页，共40页。城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）第29页，共40页。29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第30页，共40页。城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）第30页，共40页。30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第31页，共40页。常用城市空气质量模式箱模式第31页，共40页。31城市空气质量模式的发展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)ISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel第32页，共40页。城市空气质量模式的发展第一代模式Photochemical32城市空气质量模式的发展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM第33页，共40页。城市空气质量模式的发展第二代模式EulerianG33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第34页，共40页。城市空气质量模式的发展第三代模式（Models-3）－One34第三代模式（Models－3）第35页，共40页。第三代模式（Models－3）第35页，共40页。35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第36页，共40页。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36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37页，共40页。第六节烟囱高度的设计烟囱高度的计算第37页，共40页。37烟囱高度的计算按地面绝对最大浓度计算第38页，共40页。烟囱高度的计算按地面绝对最大浓度计算第38页，共40页。38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第39页，共40页。烟囱高度的计算按一定保证率的计算法第39页，共40页。39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、下沉现象第40页，共40页。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40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1页，共40页。第四章大气污染物扩散模式1.湍流扩散的基本理论第1页，共441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2页，共40页。第一节湍流扩散的基本理论扩散的要素第2页，共40页。42平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级实源和无穷多个虚源贡献之和第三节污染物浓度的估算粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算对风向稳定、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大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式FinePM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）NOAA－以高斯模式为基础，对有效源高进行修正热力：温度垂直分布不均（不稳定）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城市空气质量模式的发展湍流：扩散比分子扩散快105～106倍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c．源强是连续均匀稳定的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

3.相似理论第3页，共40页。平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级湍流扩散理43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4页，共40页。第二节高斯扩散模式高斯模式的有关假定第4页，共40页。44高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系第5页，共40页。高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系第5页，共40页。45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方差的表达式由假定d源强积分式（单位时间物料守恒）

第6页，共40页。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46高斯烟流的形态第7页，共40页。高斯烟流的形态第7页，共40页。47高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布第8页，共40页。高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布第8页，共40页48高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法实源：像源：第9页，共40页。高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法第9页，共4049高架连续点源扩散模式第10页，共40页。高架连续点源扩散模式第10页，共40页。50高架连续点源扩散模式

第11页，共40页。高架连续点源扩散模式第11页，共40页。51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第12页，共40页。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52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－>浮力烟气抬升第13页，共40页。第三节污染物浓度的估算q源强计算或实测1.烟气53SOx[orNOx]+NH3+OHGaussianDispersionModelOH<--->AirToxicsOrganicPM)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（3）地面浓度不超标机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度+hv--->O3EulerianGrid湍流——大气的无规则运动b．全部高度风速均匀稳定ISC3,CALPUFF,AERMOD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第14页，共40页。SOx[orNOx]+NH3+OH烟气抬升高度的54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

第15页，共40页。烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）第15页，共40页。55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

第16页，共40页。烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）第16页，共40页。56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制成图表第17页，共40页。扩散参数的确定P－G曲线法第17页，共40页。57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第18页，共40页。扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用第18页，共4058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第19页，共40页。扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用第19页，共4059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第20页，共40页。扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用第20页，共4060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）

第21页，共40页。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61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，第22页，共40页。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第22页62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23页，共40页。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一63封闭型扩散模式计算简化：第24页，共40页。封闭型扩散模式计算简化：第24页，共40页。64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

第25页，共40页。熏烟型扩散模式假设：D换成hf（垂向均匀分布）；q只包括65熏烟型扩散模式第26页，共40页。熏烟型扩散模式第26页，共40页。66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27页，共40页。第五节城市及山区扩散模式城市大气扩散模式第27页，共40页67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第28页，共40页。城市大气扩散模式2.面源扩散模式第28页，共40页。68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第29页，共40页。城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）第29页，共40页。69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第30页，共40页。城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）第30页，共40页。70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第31页，共40页。常用城市空气质量模式箱模式第31页，共40页。71城市空气质量模式的发展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)ISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel第32页，共40页。城市空气质量模式的发展第一代模式Photochemical72城市空气质量模式的发展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM第33页，共40页。城市空气质量模式的发展第二代模式EulerianG73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]SO