大气污染控制工程-第四章-大气污染浓度估算模式

第四章大气污染物扩散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7.厂址的选择扩散的要素风：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湍流扩散理论:主要阐述湍流与烟流传播及物质浓度衰减的关系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，用分子扩散方程描述。湍流统计理论泰勒－统计学方法，正态分布萨顿实用模式高斯模式

相似理论

粒子浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。由湍流引起的扩散:xy微粒平均风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7.厂址的选择坐标系

右手坐标，x为平均风向，z为垂直方向四点假设

a．污染物浓度在y、z上分布为正态分布b．全部空间中风速均匀稳定c．源强是连续均匀稳定的d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化和沉降）第二节高斯扩散模式一、高斯模式的有关假定高斯扩散模式的坐标系高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布c——任一点处的污染物浓度，g/m3u

——平均风速,m/sq——源强，g/s

σy

，σx——污染物在x、y方向的标准差二、无界空间连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法实源：像源：二、有界情形连续点源扩散模式（掌握）总贡献：源强平均风速扩散参数有效源高实源的贡献像源的贡献令z=0，可得高架源的地面浓度令y=0,z=0

可得高架源地面轴线浓度三、高架点源地面扩散模式

四、高架点源地面轴线扩散模式

取H＝0，有界情形是无界情形地面浓度两倍五、地面点源扩散模式

高斯烟流的浓度分布六、地面最大浓度的估算

3源高和稳定度的影响六、地面最大浓度的估算

若稳定度不变，增加了H，则会在更远处出现最大浓度及扩散参数。六、地面最大浓度的估算

粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式六、颗粒物扩散模式

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7.厂址的选择q源强：计算或实测平均风速：多年的风速资料

H?σy?σz?第三节污染物浓度的估算连续点源的排放模型垂直烟流（无风）水平烟流（有风）一、烟气抬升高度的计算烟气排出准垂直形式弯曲并扩大瓦解变平

终极抬升高度一、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？有效源高：HS-----烟囱几何高度；△H------烟气抬升高度一、烟气抬升高度的计算Holland公式Briggs公式中国国家标准中规定的公式

计算方法：第三节一、烟气抬升高度的计算

适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％）

计算结果明显低估2－3倍（1）Holland公式（1953）适用不稳定及中性大气条件

QH:热释放率，单位时间，单位质量烟气升高△T度所释放的热量，单位cal/s。烟流抬升高度与烟囱高度有关，烟囱高情况下计算保守，相反情况计算不安全

2、Briggs公式

3、国家标准（GB/T13201-91）

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140℃，流量250m3/s。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度20℃，当地气压978.4hPa，试确定烟气抬升高度及有效源高。例题作业某排放源年烧煤15万吨，该煤含硫量为3%，燃烧效率为80%，年生产300天。烟囱高度为30m烟囱出口内径为1.0m烟气出口速度为5m/s,出口烟气温度为122℃。已知当地年平均风速为3m/s,年平均温度为22℃，试求源强Q，烟流抬升高度Δh（注：风速幂指数为0.20，抬升公式为其中=1.29kg/m3,=1.004KJ/(kg·k)）

H?

σy?σz?第三节污染物浓度的估算

P－G曲线法P－G曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表方法要点大气分成A-F共六个稳定度等级(云、日照、风速……)x~σy曲线（6条）分别对应6个稳定度等级应用二、扩散参数的确定

根据常规资料确定稳定度级别

P－G曲线的应用：太阳高度角云量Turner(1961)引入太阳高度角判定日射强弱的定量办法，确定稳定度级别。日射等级风速稳定度利用扩散曲线确定扩散参数和水平扩散参数垂直扩散参数P－G曲线的应用地面最大浓度估算H~zxsmaxcx~yxsmaxCw由和w由曲线（图反查出w由曲线（图w由式（求出H~zxsmaxcx~yxsmaxCw由和w由曲线（图4-5）w由曲线（图4-4）查w由式（ys4-10)（1）不稳定类：A、B、C；（2）中性类：D（3）稳定类：E、F

ABCDEF强不稳定不稳定弱不稳定中性较稳定稳定大气稳定度的分类

1.国家标准中的修改应用（GB/T13201-91）修正太阳高度角的计算方法适应我国大量地面观测无云高观测的情况扩散曲线法的完善

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，同工业区中国国家标准规定的方法：大气稳定度的选取

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，某城市火电厂的烟囱排放烟流的有效高度为304.9m,，烟气排放速率为150g/s，烟囱出口处的平均风速4m/s，试计算阴天白天的SO2的最大落地浓度及出现的距离。例题例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4-3]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：3.2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/m33.3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

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7.厂址的选择第四节

特殊气象条件下的扩散模式有上部逆温的扩散示意图边界层存在高架逆温层—‘边界层中的夹卷层’该层湍流交换弱，界面交换只是分子扩散和重力破碎-----------垂直扩散受抑制观测表明：逆温层底上下的污染物浓度通常可相差5—10倍，污染物实际上被限制在地面和逆温层底之间的混合层内，这时的扩散称为封闭型扩散一、封闭型扩散计算

通常发生在晴天，高压控制区域封闭型扩散使地面污染物浓度明显增加尤其对于高架源一、封闭型扩散计算

一、封闭型扩散计算

两个反射面一、封闭型扩散计算

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，在地面和逆温面实源在两个镜子里分别形成n个像若求地面浓度，则有：若求地面轴线浓度，则有一、封闭型扩散计算

简化计算：一、封闭型扩散计算

熏烟型的污染二、熏烟型扩散计算

在晴夜，地面辐射冷却形成自地面向上的逆温层，其上部仍为递减状态。日出后，地面受太阳照射增温，夜间形成的辐射逆温层自下而上逐渐消散破坏，变成不稳定层结。这一温度垂直分布状况的转变会形成一种特殊的空气污染物分布形式——熏烟型扩散。这是因为，一旦逆温层自下而上消散至一定向度，原先积聚在稳定层结气层中的空气污染物，一方面因上方有未消散殆尽的逆温层而使向上扩散仍受抑；另一方面却会受热力湍流交换支配而垂直向下混合到地，形成熏烟形式的散布，在一定范围明显增大地面浓度。二、熏烟型扩散计算

一般发生在早上，持续时间10-20分钟范围小，浓度高熏烟型扩散特点：1：夜间以地面为底，整层处逆温状态2：日出后，逆温层由地面向上被破坏；3：破坏消散达烟流上缘时，上方仍为逆温层，下部则已由逆温变成递减的不稳定状态。二、熏烟型扩散计算

封闭与熏烟的比较二、熏烟型扩散计算

(1)熏烟型扩散过程的烟流原先处于稳定层结气层内，然后，污染物由积聚到熏蒸到地；

封闭型扩散过程的烟流原先处于不稳定层结气层内，污染物无积累，对地面浓度影响略轻。(2)熏烟型扩散过程持续时间很短暂，

封闭型扩散过程往往会持续相当长的时间。(3)熏烟型扩散过程造成的地面污染物高浓度落地点范围窄小但离源距离变化很大，受逆温强度、地面加热率、平均风速和有效源高等而定；

封闭型扩散过程造成的范围较大，影响相对稳定。二、熏烟型扩散计算

封闭与熏烟的比较假设：

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

二、熏烟型扩散计算

几个特殊位置:二、熏烟型扩散计算

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7.厂址的选择城市一、线源扩散模式

大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量<0.04t/h城市箱模式简化为点源的面源模式窄烟流模式一、面源扩散模式

箱模式假定污染物浓度在混合层内均匀分布划分为更小的面源单元简化为点源的面源模式z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窄烟流模式山区封闭山谷中的扩散模式

NOAA和EPA模式

ERT模式封闭山谷中的扩散模式距离污染源一段距离处，横向均匀分布

NOAA和EPA模式

NOAA：以高斯模式为基础，对有效源高进行修正

EPA：只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正

ERT模式

以高斯模式为基础，对有效源高进行修正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7.厂址的选择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HS2（3）地面浓度不超标

第六节烟囱高度的设计烟囱高度？按地面最大浓度计算按地面绝对最大浓度计算按一定保证率计算P值法一、面源扩散模式

（1）按地面最大浓度计算

（2）按地面绝对最大浓度计算(4-10)（3）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（4）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优先采用国家标准中的推荐公式烟流下洗、下沉现象，烟囱高度不得低于所从属建筑物高度的2倍烟囱设计示例南京市某开发区某污染源SO2排放量为80g/s，烟气流量为265m3/s，烟气温度为418K，大气温度为293K。这一地区的SO2本底浓度为0.05mg/m3，设σz/σy＝0.5，地面平均风速u10＝3m/s，稳定度参数m=0.25，试按《环境空气质量标准》（GB3095－1996）的二级标准来设计烟囱的高度和出口直径。

方法一：按地面最大浓度计算烟流抬升高度热释放率烟囱出口风速选择烟气抬升公式按城市及近郊区条件，参考表4－2，取n=1.303，n1=1/3，n2=2/3，代入P91（4－22）得

方法一：按地面最大浓度计算计算烟囱几何高度

《环境空气质量标准》的二级标准限值为0.06mg/m3（年均），代入P109（4－62）

采用牛顿切线法迭代：Hs1＝160，Hs2＝182.6，Hs3＝182.7，取Hs＝183m＝方法一：按地面最大浓度计算计算烟囱出口内径烟囱出口烟气流速不应低于该高度处平均风速的1.5倍，即：v≥1.5×1.687×1830.25=9.31m/s

；但为保证烟气顺利抬升，出口流速应在20~30m/s。取v=20m/s，则有实际直径可取为4.0m。方法二：按地面绝对最大浓度计算计算烟囱几何高度代入数据，整理得：即Hs≥183.3m，取Hs＝184m危险风速＝6.97m/s；此时地面风速＝3.36m/s。v取20m/s，大于危险风速的1.5倍，则D可取4.0m方法三：P值法最大允许排放率QQ＝80g/s＝288kg/h＝0.288t/h污染物点源排放控制系数PP＝βPic0其中β为点源调整系数，可取β＝1；Pi为地理区域性点源排放控制系数，可查表，对于南京总量控制区域，Pi＝50～75；c0为环境空气质量标准中的日平均限值，mg/m3。取Pi＝50，c0＝0.15mg/m3P＝1×50×0.15＝7.5t/(h.m2）方法三：P值法计算烟囱几何高度代入数据，即采用牛顿切线法迭代：Hs1＝100，Hs2＝61.5，Hs3＝63.43，Hs4＝63.44，取Hs＝64m结果分析与讨论《大气污染物综合排放标准》（GB16297－1996）中规定的烟囱高度Hs≥130m（按外推法计算）方法一与方法二计算结果可行；方法三计算结果不可行。问题一：为何方法一与方法二计算结果相近？问题二：方法三计算结果为何与方法一、方法二计算结果相差很大？问题三：采用方法一和方法二计算时c0能采用环境质量标准中的日平均限值和小时平均限值吗？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7.厂址的选择

收集气候资料

风向、风速、气稳定度、混合层高度长期平均浓度的估算厂址选择

本底浓度；风向、风速；温度层结；地形第七节厂址选择风向和风速：风玫瑰图大气稳定度混合层厚度的确定一、气象资料

计算公式：（考虑风速、风向、大气稳定度的概率组合）按风向方位计算的平均浓度假定：同一扇形内下风下y