医学环境科学导论大气环境和污染问题课件

环境科学导论大气环境和污染问题温度层结的定义：大气中气温在垂直方向上的分布称为温度层结。

大气中温度层结有四种类型：（1）气温随高度增加而递减，即r>0，称为正常分布层结或递减层结；（2）气温垂直递减率等于或近似等于干绝热递减率，即r=rd，称为中性层结；（3）气温不随高度变化，即r=0，称为等温层结；（4）气温随高度增加而增加，即r<0，称为逆温。

4.2大气稳定度大气稳定度的定义：指在垂直方向上大气稳定的程度。污染物在大气中扩散与大气稳定度有密切关系。

一个空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后，当外力去除后，可能发生三种情况：(1)气块减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定；(2)气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定；(3)气块被外力推到那里就停到那里或作等速运动，称这种大气是中性。

大气稳定度可以用气温垂直递减率与干绝热递减率之差来判别。一个空气气块在大气中运动的加速度计算公式为：

当r–rd>0

a>0

大气不稳定(正常温度层结)当r–rd<0

a<0

大气稳定(正常、等温或逆温层结)当r=rd

a=0

大气是中性

一般来说，r越大，大气越不稳定，反之，大气越稳定。

4.3逆温层

气温随高度增加而增加的气层，即r<0或r=0，称为逆温层。等温层可视为逆温层的一个特例。大气近地面层空气的温度的变化主要受地面长波辐射的影响。大气温度层结一般是r>0，但在特定的条件下，也会发生r<0或r=0的现象，即发生了逆温或等温现象。根据大气稳定度分析，发生逆温时，大气是稳定的。逆温层的存在，大大阻碍了气温的垂直运动，也将逆温层称为阻挡层。污染气体多积聚在逆温层下面，往往导致严重大气污染。

逆温的类型：根据逆温生成的过程，可将逆温分为（1）辐射逆温（2）下沉逆温（3）平流逆温（4）锋面逆温（5）湍流逆温其中，辐射逆温和平流逆温与大气污染的关系最密切。

辐射逆温：在晴空无云（少云）的夜晚，当风速较小（<2-3m/s）时，地面因强烈的有效辐射的减少而很快冷却，近地面气层冷却最为强烈，较高的气层冷却较慢，因而形成了自地面开始逐渐向上发展的逆温层，称为辐射逆温。以冬季最强。a表示下午时分；b表示日落时分；c黎明时分；d表示日出后的早晨；e表示上午10点左右

平流逆温：暖空气平流到冷空气表面而形成的逆温。原因：低层空气受表面影响大，降温多，上层空气降温少所致的。当冬季中纬度沿海地区的海上暖空气流到大陆上，以及暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气上面时，皆可形成平流逆温。地形逆温：常发生在山地、盆地和谷地中。由于山坡散热快，山坡上的冷空气沿山坡下沉到谷底，谷底原来较暖的空气被冷空气抬挤上升，从而出现温度的倒置现象。这样的逆温主要是在一定的地形条件下形成的，所以称为地形逆温。

4.4不同温度层结和大气稳定度下的烟型

烟形性状大气状况发生情况与风、湍流关系地面污染状况波浪形烟云在上下左右方向摆动很大，扩散速度快，烟云呈剧烈翻卷状，烟团向下风向输送。γ>0，γ>γd，大气不稳定，对流强烈出现于阳光较强的白天伴随有较强的热扩散，微风由于扩散速度快，近污染源地区污染物落地浓度较高，一般不会形成烟雾事件锥形烟云离开排放口一定距离后，云轴基本上保持水平，外形似椭圆锥，烟云规则扩散能力比波浪型弱。γ>0，γ=γd，大气处于中性稳定状态出现于多云或阴天的白天，强风的夜晚或冬季夜间。高空风较大，扩散主要靠热力和动力作用。扩散速度、落地浓度较前者低，污染物输送较远。平展形烟云在垂直方向扩散速度小，厚度在纵向变化不大，在水平方向上有缓慢扩散。γ<0，γ<γd，，出现逆温层，大气处于稳定状态多出现于弱晴朗的夜晚和早晨。微风，几乎无湍流发生。污染物可传送较远地方，遇阻时不易扩散稀释，在逆温层下污染物浓度大。爬升形烟云下侧边缘清晰，呈平直状，而其上部出现湍流扩散。排出口上方：γ>0，γ>γd，大气处于不稳定状态；排出口下方：γ<0，γ<γd，大气处于稳定状态多出现于日落后，因地面有辐射逆温，大气稳定，高空大气不稳定。排出口上方有微风，伴有湍流；排出口下凡，几乎无风，无湍流。烟囱高度处于不稳定层时，污染物不向下扩散，对地面污染较小。漫烟形烟云上侧边缘清晰，呈平直状，下部有较强的湍流扩散，烟云上方有逆温层。排出口上方：γ<0，γ<γd，大气稳定；排出口下方：γ>0，γ>γd，大气不稳定日出后地面低层空气增温，使逆温自下而上逐渐破坏但上部仍保持逆温。烟云下部有明显热扩散，上部热扩散很弱，风在烟云之间流动。烟囱低于稳定层时，烟云就像被盖子盖住似的，烟云只向下扩散，地面污染严重。翻卷型烟型平展型烟型上升型烟型4.5大气的水平运动和湍流运动

大气的水平运动(风)对于大气污染物的第一个作用就是输送作用；第二个作用是对污染物浓度的冲淡稀释作用。

大气湍流（1）大气湍流：大气的上下左右无规则摆动运动。（2）成因：（A）由于垂直方向温度分布的不均匀性引起的热力湍流，它的强度取决于大气稳定度。（B）由于垂直方向上风速分布的不均匀性和地面粗糙度引起的机械湍流，它的强度取决于风速梯度和地面粗糙度。（3）作用：湍流具有极强的扩散能力，风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物的浓度也越低。

4.7影响大气污染的地理因素

影响大气污染的主要地理因素有：（1）地形和地物的影响（2）局地环流（包括山谷风，海陆风和城市热岛环流）的影响。

地形地物的影响（1）山脉（2）高大建筑物：在建筑物背风面局部形成涡流。

局地环流的影响

由于地形的差异，往往会造成地表热力性质的不均匀性，进而形成各种局地环流。局地环流的形成对当地的大气污染的形成作用较为明显。

城市热岛环流

定义：由于城市温度经常比农村高(特别是夜间)，气压比乡村低，所以可以形成一种从周围农村吹向城市市区的特殊的局地风，称为城市热岛环流或城市（郊）风。城郊风在市区汇合产生上升气流。当城市周围有较多产生大气污染的工厂时，就会使污染物在夜间向市中心输送，造成严重污染，特别是夜间城市上空有逆温层存在。

城市热岛环流。

产生城乡温度差异的主要原因(1)城市人口密集、工业集中，能耗水平高；(2)城市覆盖物(如建筑、水泥路面等)热容量大，白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层空气变暖；(3)城市上空笼罩一层烟雾和CO2，吸收地面长波辐射。

第5节大气污染物扩散模式

有界大气扩散：大气污染物排放源多位于近地面或接近地面的大气边界层，因此，污染物在大气中的扩散多在边界层中进行，并受到地面的影响，我们称这种大气扩散为有界大气扩散。

5.1一般高斯扩散模式

高斯(Gaussion)扩散模式是大气扩散模式中最为著名和应用最广泛的大气扩散模式，其中，点源高斯扩散模式又最为常用。

1、高斯扩散模式的坐标系

原点为地面源排放点或高架源排放点在地面的投影点，x轴向为平均风向,y轴在水平面上垂直于x轴，正向在x轴的左侧，Z轴垂直于水平面oxy，向上方为正向，即为右手坐标系。

2、高斯扩散一般模式成立的假设条件·污染物浓度在y轴和z轴上的分布符合正态分布；·在全部空间中风速是均匀和稳定的；·源强是连续均匀的（mg/s）；·污染物在扩散过程中质量是守恒的，化学性质是稳定的，不发生沉降现象；·排放源周边地区较平坦开阔3、高架连续点源高斯扩散模式及几种常见的形式

一般形式：

Q为污染源的源强（mg/s），H为烟囱有效高度(m)，U为烟囱实际高度处的平均风速(m/s)，δy,δz为y轴和z轴上的扩散系数（即污染物浓度在y轴和z轴上正态分布的标准偏差）C(x,y,z,H)

为污染源下风向任一点(x,y,z)

处的污染物浓度(mg/m3)。

几种特殊形式(1)下风向地面任何一点的污染物浓度(z=0)

(2)下风向烟流中心线地面任何一点污染物浓度(z=0,y=0)

(3)地面轴线最大污染物落地浓度

将上式代入到地面轴线浓度计算公式,可得出

出现地面轴线最大落地浓度点时的Z轴的扩散系数为δz∣xCmax=H/

(4)地面连续源高斯扩散模式

令高架连续点源高斯扩散模式的一般形式中的H=0,便得到地面连续源在其下风向任何一点(x,y,z)的污染物浓度值计算公式：

由以上地面连续源高斯扩散模式，可得出地面源的地面任何一点（x,y,0）和地面轴线上任何一点（x,0,0）的污染物浓度扩散模式：

5.2

TSP扩散—沉降模式（高斯倾斜烟流扩散模式）

在以上一般高斯模式中，认为颗粒物的粒径小于10微米，因此，其沉降作用可以忽略。当颗粒物的粒径大于10微米时，颗粒物除了随平流场运动以外，还由于重力下沉作用，使得烟羽的中轴线逐渐向地面倾斜，为了反映颗粒物的沉降作用，必须在以上一般高斯扩散模式基础上加以修改，即得到高斯倾斜烟流扩散模式。α为可沉降颗粒物(10~100um)在TSP中所占的比重，0<α<1,

vs为颗粒物沉降速度，

vs由斯托克公式计算：

VS=式中：

ρ：颗粒物的密度(g/cm3)g：重力加速度(980cm/s)

d：颗粒物平均粒径（cm）u：空气的粘滞系数（1.8×10-2g/m·s）

5.3高斯扩散模式中各参数的估算

1、有效源高（烟羽的有效高度）

从烟囱中排出的烟气，由于具有一定的向上初始速度和高于周围大气的温度，因此，排出后，烟气将会上升。

有效源高：指烟囱本身的高度与烟气抬升高度之和：

He=Hs+△H

2、影响烟气抬升高度的因素

（1）烟气的抬升首先决定于具有的初始动能和浮力

初始动能决定于烟囱的内直径和排气速度。浮力决定于烟气与周围大气的温度差。（2）烟气的抬升决定于烟气与周围大气混合的速率

烟气与周围大气混合的越快，烟气所具有的初始动能和热量损失的也越快，从而抬升的高度也越低。决定烟气与周围大气混合速率的主要因素是周边大气的平均风速和湍流强度，平均风速越大，湍流强度越强，混合就越快，烟气抬升的就越低。（3）温度层结的影响

稳定的温度层结对烟气抬升有抑制作用。

3、烟气抬升高度计算公式

A．霍兰德公式根据3个电厂的烟囱的实测资料数据为依据推导出来的经验公式。一般认为适用于中小型工厂的烟囱在大气稳定度为中性的情况，计算烟气抬升高度。霍兰德认为如大气稳定度为不稳定时，应将计算结果增加10-20%，稳定时则应减少10-20%。霍兰德公式曾风靡一时，但现在许多人认为该公式计算的结果往往偏低。

霍兰德公式表达式一

H=

式中H：烟气的抬升高度(m),

VS：烟囱气体排出的速度(m/s)d：烟囱的出口处直径(m),u：烟囱口高度的平均风速(m/s)TS:烟气的绝对温度(k),Ta：周围大气的绝对温度(k)霍兰德公式表达式二

Qh为烟气热排放速率(J/s)在不同高度的风速，一般按照以下公式估算：

u=α·v0

v0指距地面10米处的平均风速，α是修正系数，具体值见下表.烟囱高度m20406080100120风速修正系数α

1.151.301.401.461.501.54H=1.5d+

B.

摩西——卡森公式

适用于大型烟源（排放烟气热量大于8.36×106J/s）,有风（us>1m/s）的情况下，计算公式为：

H=

式中：为排放烟气热量(J/s)C1和C2为系数，是大气稳定度的函数，见下表。

C1和C2系数表大气稳定度

C1

C2

稳定

1.040.145中性0.350.171不稳定3.470.33

C．布里格斯公式

适用于静风条件下（ux<1m/s），霍兰德公式不适用，这时需采用布里格斯公式：H=1.4

式中：ΔT/ΔZ为大气竖向温度梯度(℃/m)。一般白天取0.003℃/m，夜晚取0.01℃/m.QH为排放烟气热量(J/s)

4、大气稳定度的划分大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的一个十分重要的因素。大气处于不稳定状态，气流上下运动强烈，烟气扩散迅速，地面上空不易聚集污染物；大气处于稳定状态，一般出现逆温层，烟气不易扩散，污染物积聚在地面上空，形成严重的大气污染。在高斯扩散模式中，直接受到大气稳定度影响的参数为扩散系数δy,δz。目前用的较多的大气稳定度分类有帕斯奎尔法(Pasquill)和吕查得松(Richardsm)法。帕斯奎尔法(Pasquill)：帕斯奎尔根据地面风速、日照量、云量等参数，将大气的稳定度从极不稳定到稳定划分为A、B、C、D、E、F六个稳定度级别。A为极不稳定，B为不稳定，C为弱不稳定，D为中性，E为弱稳定，F为稳定。A一B表示按A、B级的数据内插。夜间前后各1小时作为中性，即D级稳定度。夜间定义为日落前l小时至日出后l小时。该方法根据一般的气象参数确定大气稳定度等级，应用较方便。

帕斯奎尔稳定度级别划分表

地面风速m/s白天太阳辐射阴天的白天或夜间有云的夜间强中弱薄云遮天或低云≥5/10云量≤4/10<2AA-BBD--2-3A-BBCDEF3-5BB-CCDDE5-6CC-DDDDD<6CDDDDD1.A——极不稳定，B——不稳定，C——弱不稳定，D——中性，E——弱稳定，F——稳定；2.A-B按A、B数据内插（用比例法）；3.日落前1小时至日出后1小时为夜晚；4.不论何种天空状况，夜晚前后各1小时算做中性；5.仲夏晴天中午为强日照，寒冬晴天中午为弱日照（中纬度）

5、扩散系数δy,δz的估算

扩散参（系）数δy,δz是高斯扩散模式中重要的参数。扩散参（系）数δy,δz是由污染源到下风向计算点在x轴上距离x和大气稳定度共同决定的.` 目前确定扩散系数δy,δz最常用的方法包括:(1)帕斯奎尔模型法(2)帕斯奎尔-吉福德曲线法（即P-G曲线法）(3)我国国标中规定的方法

A．帕斯奎尔模型法

δy=(a1lnx+a2)x

δz=0.465exp(b1+b2lnx+b3ln2x)

式中x:距污染源下风向的距离（m）a1,a2,,b1,b2,b3

分别是大气稳定度的函数，为常数.稳定度分类ABCDEFa1-0.023-0.015-0.012-0.006-0.006-0.003a20.350.2480.1750.1080.0880.054b10.88-0.958-1.186-1.35-3.88-3.80b2-0.1520.820.850.7931.2551.419b30.1470.0170.0050.002-0.042-0.055B．帕斯奎尔—吉福德曲线法（P-G曲线法）P-G曲线图第6节环境标准

6.1环境标准的定义

环境标准是有关控制污染、保护环境的各种标准的总称。它是国家为了保护人民身体健康，促进生态的良性循环，根据环境政策和法规，在综合分析自然环境特征、生物学毒理实验，污染控制的经济能力和技术可行性的基础上，对环境中污染物的允许含量及污染源排放污染物的数量和浓度所作出的规定。

6.2环境标准的发展概述

环境标准的建立和发展在一定程度上反映了一个国家环境保护法律建设状况和社会经济发展水平。英国工业革命发展最早，环境污染对其影响也较早，早在1863年，英国为了防止大气污染就制定了世界上第一个附有污染物排放量限制的《碱业法》。20世纪中叶，随着震惊世界的环境污染事件接连在工业发达国家发生，这些国家认识到了需要采用立法的手段来防止环境污染，环境标准也就随着环境法的建立而不断发展。环境标准和环境法密切相关。

我国随着第一次环境保护会议在1973年的召开，环境法的建立和环境标准的建立逐步得到重视。1973年制定了我国第一个环境标准《工业三废排放试行标准》。1979年，全国人大通过了《中华人民共和国环境保护法》（试行）之后，我国环境保护事业进入了一个新阶段.

上个世纪80年代，相继制定了大气、地表水、地下水、饮用水、噪声等一系列的环境保护法规和相应的环境标准。90年代制定了固体废物防治法和相应的环境标准。

6.3环境标准体系

按照环境要素分：大气、水、噪声、土壤环境质量标准。按照用途分：环境质量标准、污染物排放标准、污染物控制技术标准、污染警报标准等。

我国环境标准分类

(1)环境质量标准(2)污染物排放标准(3)环境监测、分析和统计方法标准(4)环境监测样品标准(5)环境保护基础标准

环境质量标准：是各类环境标准的核心，是对各环境要素中主要污染物的最高允许浓度值作出的限制性规定，是进行环境管理的依据。

污染物排放标准：是以实现环境质量标准为目标，对污染源排入环境中的污染物浓度作出的限制，是控制污染物排放量的依据，也是环境管理部门执法的依据。

我国环境质量标准一般分为3级，一级要求最高，也最严格，达到一级的地区的环境质量最好。

同样，一类环境质量地区的环境质量最好，如国家自然保护区、风景游览区等.

大气污染物排放标准《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）

该标准规定了33种大气污染物的排放限值，同时规定了标准执行中的各种要求。我国目前的国家大气污染物排放标准体系中，按照综合性排放标准与行业性排放标准不交叉执行的原则，适用于现有污染源大气污染物排放管理，以及建设项目的环境影响评价、设计、环境保护设施竣工验收及其投产后的大气污染物排放管理。环境空气质量标准（GB3095—1996）浓度单位：mg/m3污染物名称取值時间一级标准二级标准三级标准总悬浮颗粒物（TSP)年平均日平均0.080.120.200.300.300.50可吸入颗粒物（PM10)年平均日平均0.040.050.100.150.150.25一氧化碳（CO)日平均1小時平均4.0010.004.0010.006.0020.00环境空气质量标准（GB3095—1996）污染物名称取值時间一级标准二级标准三级标准二氧化硫（SO2)年平均日平均1小時平均0.020.050.150.060.150.500.100.250.70二氧化氮（NO2)年平均日平均1小時平均0.040.080.120.080.120.240.080.120.24臭氧（O3)1小時平均0.160.200.20浓度单位：mg/m36.4环境质量标准制订的原则

(1)科学性:以环境基准为主要依据.(2)可行性:经济和技术水平是决定各国环境质量标准不同的原因。

环境基准:通过对环境中各种污染物浓度对人体、生物的危害影响进行综合分析，必要时进行生物毒理学实验和流行病调查，来分析污染物剂量与环境效应、人群健康之间的相关性。通常将这些相关性研究的结果称为环境基准。

环境基准和环境标准的区别环境基准：是科学实验和社会调查的研究结果，是环境污染物与特定对象之间“剂量—反应”关系的科学总结，不考虑社会、经济和技术等人为因素。

环境标准：环境标准是以环境基准为依据，考虑社会、经济和技术等人为因素，经过综合分析而制定的，并由政府颁布的具有法律效力的法规。

大气中固体颗粒污染物与燃料燃烧关系密切。改变燃料的构成采用控制设备将尘除掉

目前使用的主要除尘装置：干式机械除尘、过滤式除尘、湿式除尘、静电除尘。第七节烟尘控制技术简介A.

沉降室除尘利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的,颗粒受力分离的过程。

仅利用重力、惯性力及离心力等沉降作用去除气体中粉尘粒子的装置。1.干式机械除尘装置B.旋风除尘器利用旋转的气流产生的离心力，将颗粒污染物从气体中分离出来的过程。

优点：结构简单、占地面积小、操作维修方便，动力消耗不大，