第04章大气污染浓度估算模式

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）

高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系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

…………(1)由统计理论给出方差的表达式

…(2)

……..(3)

由假定d源强积分式（单位时间物料守恒）

…….(4)上式中：ū—平均风速；Q—源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常：（ⅰ）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；（ⅱ）连续点源以单位时间的释放量表示；（ⅲ）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；（ⅳ）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。δy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m；δz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m；未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b；式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。高斯烟流的形态高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法实源：像源：高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式

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）（3）我国的《环境影响评价技术导则—大气环境(HJ/T2.2-93)中的公式

大气扩散参数（σy，σz）的确定1、扩散参数的性质①随着扩散距离的加长，σ增大。②随着水平和垂直湍流的强烈交换，大气处于不稳定状态，σ较大，即σ与稳定度密切相关。σ=f（稳定度）。③稳定度、扩散距离一定时，σ与粗糙度有关。粗糙度越趋于稳定，σ越小。2、确定σ的方法①示踪实验法；②风标法；③经验方法（应用最广泛）3、帕斯奎尔（F.Pasquill）—吉福特（F.A.Gifford）扩散曲线法（简：P-G扩散曲线法）帕斯奎尔在1961年首先提出应用观测到的风速、云量、云状和日照等天气资料，将大气扩散稀释能力分为6个等级：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A—极不稳定，B—不稳定，C—弱不稳定，D—中性，E—弱稳定，F—稳定。若稳定级别为A～B，则表示按A、B级的数据内插。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曲线的应用地面最大浓度估算扩散参数的确定－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个像封闭型扩散模式计算简化：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（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）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二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm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第三代模式（Models－3）/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

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、下沉现象厂址选择从环境保护角度出发，理想的建厂位置是污染本底值最小，扩散稀释能力强，排出的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方。1、本底浓度本底浓度超标的地区不宜建厂，本底浓度虽未超标，但加上拟建厂贡献，短期内又无法改进的也不宜建厂，应选择本底浓度小的地区建厂。2、扩散稀释能力扩散稀释能力主要决定于该地区的气象条件和地形。（1）风向、风速污染物危害的程度和受污染的时间及浓度有关，所以居住区、作物生长区都希望能设在受污染时间短、污染浓度低的位置，因而确定工厂和居民区的相对位置时要考虑风向、风速两个因素。污染系数表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响程度。其表达式为：污染系数=某风向污染系数小，表示该风向吹来的风所造成的污染小，因此污染源可布置在污染源在污染系数最小风向的上侧。结合某地风向频率及污染系数分析。（2）稳定度由于一般污染物扩散是在距地面几米高范围内进行的，所以离地面几百米范围内的大气稳定度对污染物的扩散稀释过程有重要影响，选厂址必须注意收集逆温层的强度、厚度、出现频率和持续时间等资料，要特别注意逆温同时出