大气扩散与污染控制

第一节主要的气象要素一、气温

表示大气温度高低的物理量。反映一定条件下空气分子平均动能大小。通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。二、气压——大气的压强单位：1Pa=1N/m21mb=100Pa=1hPa，mb—毫巴1atm＝101325Pa＝1013.25mb=760mmHg当前第1页\共有87页\编于星期二\21点三、气湿气湿是大气中水汽含量的物理量。表示气湿的物理量主要有：绝对湿度、相对湿度、水蒸气分压、水气体积分数和露点。

当前第2页\共有87页\编于星期二\21点水平方向的空气运动叫做风（垂直方向－升降气流）风的来向叫风向（常以8或16个方位圆周等分表示）

风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（一定时间如2或10min的平均值）

四、风当前第3页\共有87页\编于星期二\21点五、云

云是飘浮在空中的水汽凝结物，由大量小水滴或小冰晶或两者混合物组成。云高和云量对污染物扩散具有重要意义。云量:天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分）云高:云底距地面底高度低云（2500m以下）中云（2500～5000m）高云（5000m以上）

当前第4页\共有87页\编于星期二\21点云

高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）当前第5页\共有87页\编于星期二\21点六、能见度

正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离级别：0~9级，相应距离为50～50000米当前第6页\共有87页\编于星期二\21点第二节大气的热力学过程一、太阳、大气和地面的热交换【太阳】太阳幅射是地球的主要热源。太阳对地面的辐射以短波辐射为主。【地球】地球表面的陆地、海洋、植物等直接吸收太阳辐射的能力很强。同时，地球表面可以按自身温度向外辐射。地球辐射以低温长波辐射为主。【大气】大气本身吸收短波的能力很弱。但吸收长波辐射的能力很强。因此近地层大气温度变化主要受地表温度的影响，随地表温度的升高或降低，近地面空气自下而上被加热或冷却。当前第7页\共有87页\编于星期二\21点

二、气温的垂直变化1、气块的垂直运动绝热：系统与周围环境无热交换，气块的垂直运动视为绝热过程；

空气块膨胀（做功）耗内能T定性空气块压缩（外界对其做功）T内能（由压力变化引起）当前第8页\共有87页\编于星期二\21点2、干绝热直减率γd干气团绝热上升或下降单位高度(通常100m)的温度变化量称为干绝热直减率，用γd表示，单位K/100m。定义：

表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）100m，温度降低（或升高）约1℃。经推算得：当前第9页\共有87页\编于星期二\21点3、气温直减率

真实大气的气温随高度的变化称为气温直减率γd（递减层结）Tzg¶=-¶ggggdg>正常分布层结≈，中性层结（绝热直减率）＝0，等温层结<0，逆温层结Tzg¶=-¶

gggdg正常分布层结，中性层结（绝热直减率）＝0，等温层结<0，逆温层结当前第10页\共有87页\编于星期二\21点三、大气稳定度定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易发生对流

定性描述：

外力使气块上升或下降气块去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定气块加速上升或下降，不稳定气块匀速运动，中性不稳定条件下有利于扩散当前第11页\共有87页\编于星期二\21点大气稳定度及其判据定量判断

准静力条件：P=Pi假设则有当前第12页\共有87页\编于星期二\21点当前第13页\共有87页\编于星期二\21点用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。当前第14页\共有87页\编于星期二\21点四、逆温定义：逆温是大气温度随高度增加而升高的现象，逆温层结是强稳定的大气层结，不利于污染物的扩散。辐射逆温：在晴朗无云或少云、风力不大的夜晚，地面辐射冷却很快，贴近地面的大气温度下降最多，而高层大气冷却慢，造成温度自下而上的增加，称为辐射逆温。辐射逆温层的产生是有规律的，一般只在夜间形成，早晨随着太阳不断加热地表，地面温度上升，逆温自下而上逐渐消失，一般在上午完全消失。当前第15页\共有87页\编于星期二\21点逆温辐射逆温的生消过程下午日落前1h夜间日出上午10h当前第16页\共有87页\编于星期二\21点逆温2.下沉逆温——由于空气下沉受到压缩而增温所形成的逆温（多在高空大气中，高压控制区内）很厚的气层下沉

压缩变扁

顶部增温比底部多当前第17页\共有87页\编于星期二\21点逆温3.平流逆温暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成（温差越大，逆温越强）4.湍流逆温——由低层空气的湍流混合所形成的逆温。下层湍流混合达上层出现过渡层逆温

当前第18页\共有87页\编于星期二\21点逆温5.锋面逆温冷、暖气团相遇冷暖间逆温

暖气上爬，形成锋面当前第19页\共有87页\编于星期二\21点小结：大气稳定度的判定（定性）：①当γ﹤γd

时，大气是稳定的：②当γ﹥γd时，大气是不稳定的；③当γ=γd时，大气是中性平衡状态。大气稳定度还可细分为A、B、C、D、E、F六个级别，分别代表极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定和稳定。当前第20页\共有87页\编于星期二\21点五、烟流形状与大气稳定度的关系

波浪型（不稳）锥型（中性or弱稳）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）

当前第21页\共有87页\编于星期二\21点

（1）翻卷型（波浪形）：出现于大气不稳定状态下，r﹥rd的情况下，温度随高度的增加而降低，烟云在上下方向上摆动很大，扩散速度较快，烟云呈剧烈翻卷。由于扩散速度较快，靠近污染源地区污染物落地浓度较高，在较远的下风处污染较轻，该种烟云多发生在晴朗的中午。（2）锥形烟流：外形类似一个椭圆锥，当烟流离开排放口一定距离后，云轴基本保持水平。烟流比翻卷形规则，大气处于中性或弱稳定r﹥0，r=rd。扩散速度及落地浓度均比翻卷形低，污染物运输较远。该种烟流多出现在阴天或多云天以及冬季夜晚。（3）扇形烟流：其扩散在垂直方向受到抑制，在水平方向扩散成扇形。大气处于稳定状态r﹤rd，出现逆温层。污染物可以传送到很远的下风向。当前第22页\共有87页\编于星期二\21点（5）熏烟型烟流：烟囱出口上方大气稳定r﹤rd；下方大气不稳定r>rd。这种情况下烟云就好象被盖子盖住一样，只能向下部，象烟熏一样直扑地面。在污染源附近的污染物浓度较高，地面污染严重。（4）屋脊型烟流：烟囱出口上方大气处于不稳定状态r﹥rd；下方大气则处于稳定状态r﹤rd。烟气中污染物不向下方扩散而只向上方扩散，对地面污染较小。该种烟型多出现在日落前后。当前第23页\共有87页\编于星期二\21点第三节大气的运动和风一、引起大气运动的作用力

直接作用力

重力水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）间接作用力地转偏向力（相对运动：方向改变）惯性离心力（大气曲线运动：很小）摩擦力（近地1～2km内明显）

当前第24页\共有87页\编于星期二\21点二、大气边界层中风随高度的变化大气层边界层中，由于摩擦力随高度增加而减少，风速随高度增加而增大对数律模式当前第25页\共有87页\编于星期二\21点指数律模式当前第26页\共有87页\编于星期二\21点三、地方性风场

1．海陆风

当前第27页\共有87页\编于星期二\21点地方性风场

2．山谷风

当前第28页\共有87页\编于星期二\21点地方性风场

3．城市热岛环流

当前第29页\共有87页\编于星期二\21点热岛效应造成危害的案例：东京在2000年夏天超过30摄氏度的日数为67天，有41个热得夜不能寐的夜晚，而10年前只有23天难以入眠。急救车出动次数也从1985年的100次增加到628次，2000年死于热浪的人数达207人。

当前第30页\共有87页\编于星期二\21点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.相似理论3.湍流统计理论泰勒模式萨顿实用模式高斯模式（应用最为广泛）第四节大气扩散模式当前第31页\共有87页\编于星期二\21点一、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）

高斯模式的有关假定当前第32页\共有87页\编于星期二\21点高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系当前第33页\共有87页\编于星期二\21点1、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；当前第34页\共有87页\编于星期二\21点2、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。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当前第35页\共有87页\编于星期二\21点像源贡献：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）当前第36页\共有87页\编于星期二\21点高架连续点源扩散模式（1）（2）（3）当前第37页\共有87页\编于星期二\21点高架连续点源扩散模式

当前第38页\共有87页\编于星期二\21点

上式变为：令ρ’=0当前第39页\共有87页\编于星期二\21点例题：

一工厂在源高H=30m处以20g/s的速度排放SO2，风速为3m/s，在下风向距离1000m处，扩散系数分别取σy=30m

，σz=20m。计算烟流中心线上SO2的浓度；中心线以左60m、以下20m处SO2的浓度。提示：所谓中心线，就是与烟囱等高处做与x轴平行的直线，在高斯坐标系中，y=0，z=H当前第40页\共有87页\编于星期二\21点二、特殊气象条件下的扩散模式前面导出的高斯模式只适用于整层大气都具有同一稳定度、平坦地形的条件下计算污染物浓度。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。1、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，上部逆温层就象盖子使污染物的铅直扩散受到限制，扩散只能在地面和逆温层之间进行。所以又称为封闭型扩散。下面仅讨论该模式中地面轴线浓度的计算当前第41页\共有87页\编于星期二\21点在封闭型扩散中，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10-9得：地面轴线上的污染物浓度为：当前第42页\共有87页\编于星期二\21点DD-HD-H2D-H当前第43页\共有87页\编于星期二\21点封闭型扩散模式的简化计算xD确定方法如下：D-H=2.15σz查表得相应的x即为xD由10-9式当前第44页\共有87页\编于星期二\21点

例题：某电厂烟囱有效源高为150m，SO2的排放量为151g/s，在夏季睛朗的下午，地面风速为4m/s。由于上部锋面逆温将使垂直混合限制在1.5km以内。试估算正下风3km和11km处的SO2浓度。

解：夏季晴朗的下午，太阳辐射为强辐射。在地面风速为4m/s时，由表查得大气稳定度为B级，因此：

σz=（D-H）/2.15=（1500-150）/2.15=628m由表查得XD=4.95km．（1）当X=3km<XD时，查表，σy=395m,σz=363m,则地面轴线浓度为

当前第45页\共有87页\编于星期二\21点（2）当X=11km>2XD时，地面轴线浓度

=7.70×10-5g/m3（1）当X=3km<XD时，查表，σy=395m,σz=363m,则地面轴线浓度为=7.72×10-6g/m3

当前第46页\共有87页\编于星期二\21点2、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。当前第47页\共有87页\编于星期二\21点熏烟型扩散模式——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时当前第48页\共有87页\编于星期二\21点三、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当前第49页\共有87页\编于星期二\21点四、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模式当前第50页\共有87页\编于星期二\21点第五节大气污染浓度的估算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

、扩散参数当前第51页\共有87页\编于星期二\21点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。一、烟气抬升高度的计算

初始动量：速度、内径浮力：烟温度烟气抬升当前第52页\共有87页\编于星期二\21点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抬升高度计算式当前第53页\共有87页\编于星期二\21点

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：当前第54页\共有87页\编于星期二\21点（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。

当前第55页\共有87页\编于星期二\21点例题：位于平原农村的某工厂，有一座高80m，出口直径高1.5m的烟囱，其排放情况如下：υs=20m/s,Ts=165℃,Ta=15

℃,

u10=3m/s,P=1×105Pa，试用不同的抬升公式计算中性情况下的有效烟囱高度。

解：△T=Ts－Ta=(165+273)－(15+273)=150KU80=u10(Hs/10)m=3(80/10)0.15=4.1m/sQυ=υsπd2/4=20π×1.52/4=35.34m3/sQH=0.35PQυ

△T/Ts=0.35×1000×35.34×

150/(165+273)

=4235.96kJ/s采用不同抬升公式计算结果如下表所示：当前第56页\共有87页\编于星期二\21点表烟囱有效高度的计算结果抬升公式霍兰德布里吉斯国标△H(m)21.179.970.1H(m)101.1159.7150.1当前第57页\共有87页\编于星期二\21点二、大气扩散参数（σy，σz）的确定1、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；然后从图中查得对应的扩散参数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。当前第58页\共有87页\编于星期二\21点扩散参数的确定－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当前第59页\共有87页\编于星期二\21点扩散参数的确定：P－G曲线法P－G曲线的应用利用扩散曲线确定和当前第60页\共有87页\编于星期二\21点当前第61页\共有87页\编于星期二\21点扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用地面最大浓度估算当前第62页\共有87页\编于星期二\21点

例题：若石油精炼厂自平均有效源高60m处排放出的SO2浓度为80g/s，有效源高处的平均风速为6m/s，试计算冬季阴天正下风向距烟囱500m处地面轴线的SO2浓度。解：在阴天大气条件下，稳定度为D级，由表查得X=500m处，σy=35.5m，σz=18.1m，将数据代入公式，得当前第63页\共有87页\编于星期二\21点2、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10-46，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。当前第64页\共有87页\编于星期二\21点当前第65页\共有87页\编于星期二\21点扩散参数的确定－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，当前第66页\共有87页\编于星期二\21点例：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。当前第67页\共有87页\编于星期二\21点烟囱的作用：充分利用大气的自净作用，降低地面污染物浓度。烟囱设计需满足以下条件：（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》。烟囱设计的内容：烟囱高度和出口内径。一、烟囱高度的设计计算的思路：在已知污染物地面允许浓度的情况下，运用高斯扩散模式反解烟囱的高度。烟囱的高度：又称为烟囱的几何高度，用HS表示：HS=H－△H第六节烟囱的设计当前第68页\共有87页\编于星期二\21点1、按地面最大浓度计算该法以地面最大浓度不超过规定要求为依据，直接由最大浓度公式求出烟囱高度，简单快速，应用广泛。设允许地面浓度为C允，则HS=H－△H当前第69页\共有87页\编于星期二\21点2、按地面绝对最大浓度计算当前第70页\共有87页\编于星期二\21点代入到4—10：将烟气抬升公式简化为①代入到①式当前第71页\共有87页\编于星期二\21点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。此外还有P值法等根据“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。当前第72页\共有87页\编于星期二\21点当前第73页\共有87页\编于星期二\21点4、烟囱设计中的注意事项（1）烟流下洗或下沉现象的防止

为避免烟流因受周围建筑物的影响而产生的烟流下沉现象（图10-21），烟囱高度应为周围建筑物的2.5倍以上。

为避免烟囱本身对烟流产生的下洗现象（图10-20），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。（2）避开烟囱有效高度与出现频率最高或较多的混合层高度相等当前第74页\共有87页\编于星期二\21点当前第75页\共有87页\编于星期二\21点二、烟囱出口直径的计算烟囱出口直径可按右式计算：式中：d——出口直径，m；Qυ——烟气排放量，m3/s；

υ——烟气出口速度,m/s。对于烟气出口速度υs的选择：1、选择的原则：避免下洗现象或下沉现象的产生；2、选取的方法：按气流下沉的经验法则来选取，一般将υs/u＞2.5作为设计准则。当前第76页\共有87页\编于星期二\21点不出现气流下沉υs/u＞2.0从理论上说，烟道气的向上动量应能克服由烟囱周围吹过的风速所引起的向下压力梯度，不应出现气流下沉1.8＜υs/u＜2.0气流下沉极轻微，一般不出现1.5＜υs/u＜1.8处于气流下沉的边缘υs/u=1.0非常可能出现气流下沉0.8＜υs/u＜1.0烟被吸入整个烟囱背风面的较低压力区，出现气流下沉υs/u＜0.8物理解释条件υs——烟道气出口速度，m/s；u——平均风速，m/s当前第77页\共有87页\编于星期二\21点例：建于平原近郊的工厂，烟囱高110m、出口内径2m。烟气量为4×105m3/h，烟气出口温度150℃，SO2排放量400kg/h，已知某天，当地太阳辐射等级为+3，气温35℃，地面风速3m/s，试求此时距烟囱3000m的轴线浓度和该厂造成的SO2最大地面浓度及产生距离。解：1、确定大气稳定度2、计算烟囱出口处风速：根据辐射等级及地面风速查10－6得稳定度为B。由表10-1得B类稳定度下，m=0.15，再由指数公式得3、计算烟囱有效高度烟气抬升高度采用国标推荐式当前第78页\共有87页\编于星期二\21点Qh=0.35×P×Qv×=0.35×1.013×103×(4×105/3600)×=11176kJ.s-1应采用式10-38，由表10-3取no=0.332,n1=3/5，n2=2/5

H=Hs+△H=110+136=246m由图查得2km处：σy=395mσz=363m当前第79页\共有87页\编于星期二\21点例：某污染源SO2排放量为60g/s，烟气流量为260m3/s，烟气温度为423K，大气温度为293K。这一地区的SO2本底浓度为0.04mg/m3，设

，

m/s