大气高斯扩散

大气高斯扩散第1页/共67页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倍风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接因素。湍流的基本概念

湍流——大气的无规则运动

风速的脉动（上、下）风向的摆动（左、右）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67页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（应用最为广泛）第3页/共67页爱因斯坦在1905年发表了5篇划时代的论文，其中3篇论文震撼了世界，掀起了一场影响百年的物理革命，分别为：

1、《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，讨论了光量子以及光电效应；这篇论文为构成量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。

2、《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》，被认为是第二篇“对世界产生革命性影响”的论文。该文是对现代统计力学的一项重大贡献，其导出的方法可用于模拟空气污染物的行为或股票市场涨落走势。利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大DNA片段所需用的时间，较之当前所用的方法，可省时2/3，而且更廉价且设备更便携。

3、《物体的惯性是否决定其内能》，建立在狭义相对论基础上，表明质量和能量可互换，后来推出最著名的科学方程：E=mc2。

4.《论动体的电动力学》5.《分子大小的新测定》

2003年第4页/共67页1905年，年轻的阿尔伯特·爱因斯坦改变了我们思考空间、时间和物质的方式。

2005年是阿尔伯特·爱因斯坦关键性科学发现一百周年，联合国大会于2004年6月通过了2005年为“国际物理年”的决议

第5页/共67页第6页/共67页第7页/共67页第二节高斯扩散模式坐标系 右手坐标系（食指—x轴；中指—y轴；拇指—z轴），原点：为无界点源或地面源的排放点，或者高架源排放点在地面上的投影点；x为主风向；y为横风向；z为垂直向高斯模式的四点假设

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（大气湍流场是均匀的、定常的）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）

一、高斯模式的有关假定第8页/共67页高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系第9页/共67页第10页/共67页第11页/共67页

二、无界空间连续点源扩散模式ū—平均风速，m/s；q—源强，g/s；σy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，m；σz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，m；第12页/共67页三、高架连续点源扩散模式

高架源须考虑到地面对扩散的影响。根据假设④可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用，按全反射原理，可用“像源法”处理——把P点污染物浓度看成为两部分（实源和像源）作用之和。

建立三个坐标系：1、以实源在地面的投影点为原点；P点坐标为（x，y，z）；2、以实源为原点；3、以像源为原点。（1）实源贡献：P点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为（z-H）。不考虑地面的影响，实源在P点形成的污染物浓度为：ρ1第13页/共67页第14页/共67页（2）像源贡献：P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为（z+H），像源在P点形成的污染物浓度为：ρ2ρ（x,y,z,H）第15页/共67页高架连续点源扩散模式第16页/共67页第17页/共67页地面连续点源扩散模式第18页/共67页高架连续点源扩散模式

第19页/共67页

上式变为：令ρ’=0第20页/共67页例题：

第21页/共67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大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式

地面反射系数第22页/共67页无界空间连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式第23页/共67页第24页/共67页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

、扩散参数第25页/共67页烟云抬升的原因有两个：①是烟囱出口处的烟流具有一初始动量（使它们继续垂直上升）；②是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。这两种动力引起的烟气浮力运动称烟云抬升，烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度。1.烟气抬升高度的计算

初始动量：速度、内径浮力：烟温度烟气抬升第26页/共67页烟气抬升高度的计算（1）

Holland公式：当大气稳定度为中性，计算烟气抬升高度时，经常使用霍兰徳公式：

Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下。在实际计算中，不稳定条件(A、B稳定度)，ΔH需增加10％～20％；稳定条件(D、E、F稳定度)，ΔH需减少10％～20％。

kW抬升高度计算式第27页/共67页

（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件不稳定或中性大气下，布里格斯公式用来确定不同的热释放率和下风向距离条件下的烟气抬升高度：第28页/共67页（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——在没有特别要求时，应优先使用国家标准规定的方法。

第29页/共67页例：某市远郊区电厂烟囱高160m，烟囱排出口内径5m，排烟速度12m/s。烟气温度135℃，周围大气温度15℃。大气稳定度C级，源高处风速612m/s。试分别用霍兰德、布里格斯、国家标准公式计算烟气抬升高度（假设下风向距离x=2km）第30页/共67页大气扩散参数（σy，σz）的确定P－G曲线法帕斯奎尔在1961年推荐一种仅需要常规气象观测资料就能估算σy，σz的方法，吉福德(Gifford)进一步将它制成应用更方便的图表。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：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。该法的要点：首先根据帕斯奎尔划分大气稳定度的方法来确定大气稳定度级别；然后从图4-4和图4-5中查得（或表4-4用内插法求出）对应的扩散参数σy和σz；最后将σy、σz代入前面介绍的一系列扩散模式中，就可估计出各种情况下的浓度值。扩散参数是表征湍流扩散剧烈程度的物理量，是影响污染物浓度的重要参数。第31页/共67页扩散参数的确定－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32页/共67页扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用利用扩散曲线确定和第33页/共67页扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用地面最大浓度估算第34页/共67页扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法我国在修订P-T法基础上产生了国家标准法(GB/T13201-91)。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）

该方法的技术路线是：根据时间、地理位置确定日倾角、太阳高度角，利用天气条件确定辐射等级，然后利用辐射等级和风速确定大气稳定度，最后查扩散参数幂函数表，确定扩散参数。第35页/共67页第36页/共67页第37页/共67页第38页/共67页第39页/共67页第40页/共67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41页/共67页例：某冶炼厂烟囱高150m，烟气抬升高度75m，SO2排放量1000g/s。估算风速3m/s，大气稳定度C级时地面最大浓度是多少？发生在什么位置？（分别用P-G法和国家标准方法计算）第二步：确定出现地面最大浓度的下风向距离。第一步：确定出现地面最大浓度的Z向扩散参数。第三步：确定出现地面最大浓度的y向扩散参数。第四步：计算地面最大浓度。第42页/共67页第四节特殊气象条件下的扩散模式在整层大气都具有同一稳定度（即温度层结构均一，实际中难以实现）、平坦地形的条件下应用高斯模式计算污染物浓度。如果整个大气层不均匀，污染物扩散所涉及的温度层结不止一个，或者地表粗糙度高，地势起伏大就需要特殊处理。下面讨论两种特殊情况：封闭型扩散和熏烟型扩散。一、封闭型扩散模式——有上部逆温层的扩散模式所谓封闭型扩散就是指在上部存在逆温层的气象条件下，污染物受到上部逆温层限制，只能在地面和逆温层之间扩散的情况第43页/共67页第四节特殊气象条件下的扩散模式在封闭型扩散中，假定：污染物完全不向逆温层扩散；上部逆温层对污染物起全反射作用，可用像源法处理；污染源在地面和逆温层之间形成无穷多个像对，污染物浓度是实源和无穷多虚源的贡献之和。由式4-9得：地面轴线上的污染物浓度为：第44页/共67页DD-HD-H2D-H第45页/共67页封闭型扩散模式简化计算：第46页/共67页例：位于北纬40°，东经117°的某化工厂烟囱高50m，H2S排放量9kg/h,排放筒直径0.5m，烟气出口温度50℃。出口气速12m/s。距地面10m处风速为4m/s，早春2月上午8时，天气晴朗，环境气温15℃，距地面500m处出现逆温，试问在下风向5000m、8000m处H2S浓度有多大？第二步：确定H——计算QV、QH-计算50m处风速-计算ΔH。第一步：确定大气稳定度——查太阳倾角-计算太阳高度角-确定辐射等级-查出大气稳定度第三步：确定XD——计算σz，按远郊区查表4-8，反算XD。第四步：按4-9计算5000m处H2S浓度。第五步：按4-9计算XD

处H2S浓度；按4-36计算2XD

处H2S浓度。然后内插，确定5000m处H2S浓度。第47页/共67页熏烟型扩散模式熏烟过程：早晨太阳升起后，地面得到来自太阳的辐射逐渐加热，夜间产生的逆温层逐渐抬升，当逆温破坏到烟流下边缘以上时，使烟流发生向下的强烈混合，地面污染物浓度增大，产生熏烟过程。熏烟过程一般多在早晨发生，持续时间不超过2小时。第48页/共67页熏烟型扩散模式——地面浓度hf——逆温层消失高度；σyf——熏烟条件下Y向扩散参数即hf=H时第49页/共67页第五节城市及山区扩散模式（自学）线源扩散模式面源扩散模式封闭山谷扩散示意图山谷扩散第50页/共67页第六节烟囱高度的设计烟囱高度的计算（1）达到大气污染物稀释扩散的作用；（2）尽量节省投资（造价正比于H2

）；（3）地面浓度不超过《环境空气质量标准》。

1、按地面最大浓度计算

第51页/共67页2、按地面绝对最大浓度计算第52页/共67页代入到4—10：将烟气抬升公式简化为①代入到①式第53页/共67页3、按一定保证率的计算法由地面最大浓度计算法→HS较矮，当u＜ū时，地面浓度可能超标；由地面绝对最大浓度计算法→HS较高，无论u多大，地面浓度不超标，但烟囱造价高。从环保和经济两方面来看，在选择一个可接受的保证率后，ū、稳定度取一定值后代入上述公式，可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度，较前面较合理。4、P值法根据“指定大气污染物排放标准的技术方法”GB/T13201-91中规定的点源烟尘允许排放率计算式：式中：Qe－烟尘允许排放速率，t/h；Pe－烟尘排放控制系数，t/(h·m2)；H－有效源高，m。第54页/共67页第55页/共67页烟囱设计中的几个问题烟囱高度计算公式的校核

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（也有人认为一般选霍氏公式）。烟流下洗现象的防止

为避免烟流因受周围建筑物的影响而产生的烟流下洗现象，烟囱高度应为周围建筑物的2倍以上。

为避免烟囱本身对烟流产生的下洗现象，烟囱出口气速不得低于该高度处平均风速的1.5倍。一般宜在20~30m/s。烟温宜在100℃以上。第56页/共67页第57页/共67页公式中与气象有关的参数取值方法：ū的取值：①取多年平均值；②取某一保证率的值：如已知ū＞3m/s的频率为80%，取3m/s可保证有80%不超标，而地面平均最大浓度可能比规定标准更低。烟囱出口直径的计算：第58页/共67页例：地处丘陵的某炼油厂进行扩建，拟新建一烟囱排放污染物。烟囱排放条件为：出口内径3m，出口速度15m/s，烟温140℃

，大气温度17℃

，H2S排放量7.2kg/h。离该厂2500m处有一城镇，大气中H2S现状浓度是0.5μg/m3，为使该城镇H2S的浓度低于10μg/m3

，问要建多高的烟囱才能满足要求？设计风速取3m/s。提示：烟气抬升采用霍兰德公式。第59页/共67页第七节厂址选择一、所需气候资料

1、风向和风速气候资料：如图是风速和风向频率复合图，矢线长度代表风向频率大小，矢线末端的风速羽代表平均风速）静风（风速<1.0m/s）或微风（风速为1～2m/s）情况大气通风条件差，容易引起高浓度污染，尤其是长时间静风会使污染物大量积累，引起严重污染。因此，在空气污染分析中不仅应统计静风频率，有条件还要统计静风持续时间。

第60页/共67页2、大气稳定度的气象资料可根据p-T法，利用已知的气象资料对当地大气稳定度进行分类，统计出月（年、季）各稳定度频率，作出必要的图表。3、混合层高度的确定混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数。具体指出污染物在铅直方向的扩散范围。混合层愈高，则污染物垂直扩散的范围越大。受太阳辐射的影响，午后混合层高度最大。第61页/共67页二、长期平均浓度的估算（略）在厂址选择和环境评价中，人们更关心的长期平均浓度的分布。气象部门提供的风向资料是按16方位给出的，每个方位相当于一个22.5º的扇形。因此，可按每个扇形计算长期平均浓度。推导时作以下假定：（1）同一扇形内各角度的风向频率相同，即在同一扇形内同一距离上，污染物浓度在y方向是相等的。（2）当吹某一扇形风时，全部污染