大气污染物扩散模式
大气污染扩散及浓度估算模式概述
大气污染扩散及浓度估算模式概述大气污染是指空气中某些物质或能量的浓度超过了一定的标准，对人类健康、生态系统和环境产生一定危害的现象。
而大气污染扩散及浓度估算模式则是一种基于数学、物理学原理的模拟工具，用来描述和预测大气污染物在大气中的扩散传播过程及其浓度分布情况。
扩散模式的基本原理大气污染物的扩散传播是受到气象条件、地形地貌、大气污染物排放源等多种因素的影响。
因此，扩散模式一般包括了以下几个基本原理：1.对流扩散：大气中的对流运动是造成大气污染物扩散的主要因素之一。
通过对流运动，大气中的污染物会随着空气的流动在近地层逐渐扩散。
2.湍流扩散：湍流是大气中涡动和乱流的运动形式，对大气污染物的扩散传播起着重要作用。
湍流扩散模式一般基于大气边界层内的湍流动力学理论建立。
3.稳定度影响：大气的稳定度会影响大气污染物的扩散情况。
在稳定的大气层中，扩散较小，而不稳定的大气层则容易形成污染物下沉和较大范围的扩散。
4.地形地貌影响：地形地貌会对大气污染物的扩散产生重要的影响，如山脉、山谷等地形特征会对污染物传播产生局部影响。
浓度估算模式的发展随着大气环境科学的发展和计算机技术的进步，大气污染扩散及浓度估算模式得到了长足的发展。
目前，常用的大气污染扩散及浓度估算模式主要包括了以下几种：1.高斯模型：高斯模型是最简单的扩散模型之一，假设大气污染物的传播呈现高斯分布。
其适用于平坦地形、均匀排放源的情况。
2.拉格朗日模型：拉格朗日模型是一种基于粒子运动轨迹的扩散模式，可以更准确地描述污染物的扩散传播路径。
3.欧拉模型：欧拉模型是一种基于流体动力学方程的扩散模型，适用于描述大气边界层内的湍流扩散过程。
4.数值模拟模型：数值模拟模型是最常用的大气污染扩散及浓度估算模式之一，利用数值计算方法对复杂的大气扩散传播过程进行模拟。
应用及展望大气污染扩散及浓度估算模式在环境保护、城市规划、应急响应等领域具有重要的应用意义。
通过对大气污染物的扩散传播过程进行模拟和预测，可以帮助政府及相关部门制定合理的环境政策和控制措施。
大气污染物扩散模式
四、烟流型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）
第二节 高斯扩散模式
一、高斯模式的有关假定
（一）坐标系 原点为排放点或高架源排放点在地面上的
三、高架连续点源扩散模式
（一）实际浓度
镜像全反射---->像源法
实源： c(x, y, z, H z)
像源： c(x, y, z, H z)
实源的贡献
c(x, y, z, H ) Qq exp( y2 ) exp[ (z H )2 ]
2 u y z
2
2 y
2
2 y
像源的贡献
c(x,
车流量 Ql = 平均车速 ×每辆车单位时间污染物排放量
c(x,0,0)
2Ql
2 u
z
• exp
H
2 e
2
2 z
（三）形成原因与两种形式 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
二、大气稳定度
（一）概念
指气层的稳定度，即大气中某一高度上的气团在垂直方 向上相对稳定的程度。
受密度层结和温度层结共同作用。
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 气块停在外力去掉处，中性
H
2 2
1
2
（五）地面连续点源扩散模式（令H＝0）：
c(x,
y, z, 0)
u y z
exp[(
y2
2
2 y
大气环境污染物的迁移与扩散
大气环境污染物的迁移与扩散大气环境污染物是指在大气中存在的并对环境和人类健康造成负面影响的物质，包括但不限于颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物和重金属等。
这些污染物的迁移与扩散过程对于评估和治理大气污染至关重要。
本文将探讨大气环境污染物的迁移与扩散机制、影响因素及相关治理措施。
一、迁移与扩散机制1.湍流扩散湍流扩散是大气污染物迁移与扩散的主要机制之一。
大气中存在着各种气流运动，如对流和湍流。
污染物的扩散过程会受到这些气流运动的影响，形成不同尺度上的湍流涡旋，使得污染物在大气中的传输产生随机性。
2.稳定层限制稳定层限制是另一个影响大气污染物扩散的重要因素。
稳定层限制时，大气中的温度垂直分布呈现逆温趋势，导致污染物在较低的空间高度上聚集，难以扩散到更高空间层次。
3.地理地形地理地形对大气污染物的迁移与扩散也有显著影响。
山脉、山谷和海洋等地形特征会改变风向和风速，影响大气污染物的传输路径和速度。
二、影响因素1.气象条件气象条件是影响大气污染物迁移与扩散的关键因素之一。
风向、风速、温度和湿度等气象要素都会对污染物的传输路径和速度产生重要影响。
2.排放源强度和位置污染物的排放强度和位置直接决定了污染物释放到大气中的数量和速率。
高排放源和密集排放源会导致周围地区的浓度升高，使得污染物在迁移和扩散过程中产生更大的影响。
3.化学性质不同污染物的化学性质有所不同，这会影响它们的迁移与扩散行为。
一些污染物在不同环境条件下会发生化学反应，形成新的物种，进而影响它们的迁移和扩散特性。
三、治理措施1.源头治理源头治理是最为有效的大气污染物治理措施之一。
通过控制工业排放、交通尾气和机动车污染等措施，减少大气污染物的排放量，从根本上降低污染物的迁移与扩散程度。
2.空气净化技术空气净化技术可以有效去除大气中的污染物，改善空气质量。
常见的空气净化技术包括静电吸附、活性炭吸附和光催化等方法。
3.政策与法规完善的政策与法规对于大气污染物的治理至关重要。
大气污染物扩散模式
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
我国在修订P-T法基础上产生了国家标准法(GB/T 13201-91)。
*
（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。
*
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6 12m/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）
*
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。
*
*
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：
*
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10 μg/m3 ，问要建多高的烟囱才能满足要求？设计风速取3m/s。
大气污染物扩散模式
2
• 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、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，
z
y y ( 2 )q 1
2 1
例：在C级大气稳定条件下,求高架点源下风向800米处的扩散参数.
2 qL H2 ( x,0,0, H ) exp( 2 ) 2 z 2 π u z sin
有限长线源
2qL H 2 P2 1 P2 ( x,0,0, H ) exp( ) exp( )dP P 2 z 1 2π 2 2 π u z
37
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
像源的贡献
q y 2 ( z H )2 c( x, y , z, H ) exp[ ( 2 )] 2 2 y 2 z 2 π u y z
实际浓度
q y2 ( z H )2 ( z H )2 c( x, y , z, H ) exp( 2 ){exp[ ] exp[ ]} 2 2 2 y 2 y 2 z 2 πu y z
z y
图4-5
图4-4
式4-10
27
例题4-3
计算地面最大浓度.
28
2.中国国家标准规定的方法
• （１）稳定度分类方法
太阳高度角 （式4-29） 辐射等级 稳定度
地面风速
云量
29
2.中国国家标准规定的方法
• （２）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）
第三章 第四节大气扩散模式
大气环境污染的扩散
大气环境污染的程度，首先决定于污染源
排放的污染物特性和排放总量，其次还与
气象要素、地形等因素有关，其中以气象
要素的影响最为突出。
一、影响大气污染扩散的气象因素 影响污染物在大气中运动的气象 因素主要有风、湍流、逆温和大 气稳定度等。
1、风
风是指空气在水平方向的运动。风的运动规律可
用风向和风速描述。风向是指风吹来的方向。可
用8个方位或16方位表示。风速是指空气在单位时 间内水平运动的距离。 排入大气中的污染物在风的作用下，会沿着下风 向迁移、输送、扩散和稀释，风速越大，污染物 被输送的距离越远，其浓度越低。 大气污染不仅受风向，也受风速的影响。
某一风向频率越大，其下风向受污染的机 率就越高；反之机率越低。也就是说，大 气污染程度与风向频率成正比。 某一风向的风速越大，则下风向的污染程 度越小，因为来自上风向的污染物输送、 扩散和稀释能力加大，使大气中污染物浓 度降低，即大气污染程度与风速成反比。
逆温又静风的条件下。
根据逆温生成的过程，可将逆温分为：
辐射逆温 下沉逆温 平流逆温 锋面逆温
湍流逆温
（1）辐射逆温
在晴空无云（或少云）的夜晚，当风速较小（小于3
米/s）时，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，近
地面的气温也随之下降。越接近地面的空气降温越 大，而远离地面的空气降温较小，因而形成了自地 面开始向上的逆温层，如图所示，称作辐射逆温。 随着地面辐射冷却的加剧，逆温逐渐向上扩展，黎
明时达最强。一般日出后，太阳辐射逐渐增强，地
面很快增温，逆温便逐渐自下而上消失。
辐射逆温的生消过程
图为辐射逆温在一昼夜间从生成到消失的过程。 (a)是下午时递 减温度层结；(b)是日落前1h逆温开始生成的情况；随着地面辐 射的增强，地面迅速冷却，逆温逐渐向上发展，黎明时达到最强 (图c)；日出后太阳辐射逐渐增强，地面逐渐增温，空气也随之自 下而上增温，逆温便自下而上的逐渐消失(图d)；大约在上午10 点钟左右逆温层完全消失(图e)。
第四章 大气扩散浓度模式
σy和σz是距离x的函数，而且随x的增大而增大。
Q
H2 ( x,0,0, H ) exp( ) 2 2 z u y z Q
随x的增大而减小。
u y z
H2 exp( ) 2 2 z
随x的增大而增大。共同作用的结果，必然在 某一距离x处出现浓度的最大值。
几种特殊情况下的计算公式
使用范围：中性大气条件 对非中性大气条件修正：对不稳定条件，烟气抬升高 度增加10%-20%，对稳定条件， 烟气抬升高度减 少10-20%
2、布里格斯公式
计算值和实测值比较接近，不稳定和中性。 当QH＞21000 kW时 x＜10Hs △H=0.362 QH1/3x2/3u-1
x＞10Hs △H =1.55 QH1/3 Hs 2/3 u-1 当QH＜21000 kW时, x＜3x* △H =0.362 QH1/3x1/3 u-1 x＞3x* △H =0.332 QH3/5Hs 2/5 x* = 0.33 QH2/5 Hs 5/3 u -6/5 x*：大气湍流特征距离 x＞x* 时， 大气湍流对烟 气抬升起主要作用。
高架连续点源高斯模式的推导
实源的作用：P点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标(距烟流中心线的垂直 距离)为(z-H)。当不考虑地面影响时，它在P点所造成的污染物浓度按式(4-6)
Q y2 ( z H )2 1 exp[ ( )] 2 2 2 y 2 z 2 u y z
像源的作用：P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标 (距像源的烟流中心线 的垂直距离)为(z十H)。它在P点产生的污染物浓度也按式〔4-6〕计算，则为
二、湍流扩散理论简介
三种理论：梯度输送理论、湍流统计理论和相似 理论。 1、 梯度输送理论 与菲克扩散理论的类比而建 立起来的。 假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类比 于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度 成正比。为了求得各种条件下某污染物的时、 空分布，必须大气湍流场的边值条件下求解。 由于边值往往很复杂，只能在特定条件下求出 近似解。
空气污染物的扩散模式
7
沿煙柱中心線的地面濃度分佈(y=0 , z=0)
2 Q 1 H C( x , 0 , 0 , H ) exp u y z 2 z
vs h d u
1.4
Ts T 1 Ts
Qh 0.444 h 4.71 u 0.694
11
Briggs 公式
引用公式時，會涉及二個重要參數：第一個為穩 定參數 S；另一個則為浮力參數 F。
g dT S T dZ
第 四 章 空氣污染的擴散模式
4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 高斯分佈函數 空氣污染物的擴散模式 擴散係數 煙囪有效高度 地面最大濃度 模式相關問題之探討 固定盒模式
1
空氣污染物的散佈特徵
1. 污染物離開煙囪口後，擴散過程 仍會持續上浮一段距離，此上浮 的距離加上煙囪本身的高度稱為 「煙囪有效高度」。 2. 以煙囪有效高度為中心線，空氣 污染物的濃度將會最高，且沿此 中心線向四周以高斯分佈函數形 式擴散。 3. 空氣污染物隨著向下風處擴散， 因其擴散的空間明顯增大，因此 污染物濃度急速降低，但氣象條 件為穩定時為例外。
6
地面點污染源 (H=0)
2 2 Q 1 y 1 z exp C( x , y , z , 0) exp u y z 2 2 y z
地面的污染物濃度 (z=0)
C( x , y , 0 , H )
v h d s u
13
地面最大濃度
大气污染物扩散模式
第四章大气扩散浓度估算模式第一节湍流扩散的基本理论一湍流1定义：大气的无规则运动风速的脉动风向的摆动2•类型：按形成原因热力湍流：温度垂直分布不均（不稳定）引起，取决于大气稳定度“匚机械湍流：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起3 •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倍二湍流扩散理论（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•梯度输送理论通过与菲克扩散理论类比建立起来的（菲克定律：单位时间内通过单位断面上的物质的数量与浓度梯度呈正比）类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比式中，F —污染物的输送通量k —湍流扩散系数 C —污染物的浓度X —与扩散截面垂直的空间坐标（扩散过程的长度）——浓度梯度:x要求得各种条件下某污染物的时、空分布，由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能是在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况进行修正。
2•湍流统计理论泰勒首先将统计理论应用在湍流扩散上图4-1显示：从原点0放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散。
粒子的位置用y表示，则结论为：①y随时间变化，但其变化的平均值为零②若从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓席分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。
萨顿实用模式：解决污染物在大气中扩散的实用模式高斯模式：应用湍流统计理论得出正态分布假设下的扩散模式3•相似理论第二节高斯扩散模式坐标系的建立一右手坐标系二高斯模式的有关假定1污染物浓度在 y 、z 轴上的分布为正态分布;f (y)二1 二八2二exp(-22 2)2rf(z)二exp(匚 z • 2 二化合、分解及地面吸收、吸附 & - x f 丿，CX1原点0:无界点源或地面源， 0为污染物的排放点高架源，0为污染物的排放点在地面上的投影点补充：点源高架源 连续源 固定源 线源 地面源间歇源流动源面源2.x 轴：正向为平均风向，烟流中心线与 x 轴重合3. y 轴：垂直于x 轴4. z 轴：垂直于xoy 平面匚y ,匚z —分别为污染物在y 和z 方向上分布的标准差,2•全部高度风速均匀稳定，即风速 U 为常数; 3•源强是连续均匀稳定的，源强Q 为定值；4•扩散中污染物是守恒的，不考虑转化，即烟云在扩散过程中没有沉降、作用发生；—=05•在x 方向上，输送作用远远大于扩散作用，即U \ex6.地面足够平坦。
污染物扩散模型
污染物扩散模型概述污染物扩散模型是一种用于模拟和预测污染物在大气中的传播和扩散过程的数学模型。
它是环境科学和空气质量管理领域中重要的工具，被广泛用于评估污染物的来源、传输路径、浓度分布和对人类健康和环境的影响。
模型建立污染物扩散模型通常采用数值模拟方法建立，其中最常用的方法包括高斯模型、拉格朗日模型和欧拉模型。
高斯模型高斯模型基于高斯分布理论，通过假设污染物的扩散呈现高斯分布，来预测污染物在空间中的传播和浓度分布。
该模型适用于平坦地表和相对简单的地形条件下的污染物扩散预测。
拉格朗日模型拉格朗日模型基于污染物的运动轨迹来模拟扩散过程。
它采用随机模拟方法，将污染物的源点和初始速度作为输入，通过模拟污染物粒子的运动路径，来预测污染物在空间中的分布。
拉格朗日模型适用于地形复杂、污染源多变或移动的情况。
欧拉模型欧拉模型是一种基于流体动力学原理的模型，它通过对大气流场进行数值模拟，来预测污染物在空间中的传播。
欧拉模型适用于研究大气中较大尺度上的污染物扩散过程，能够考虑地形、气象因素和污染源的作用。
模型输入污染物扩散模型的输入包括以下几个方面：污染源数据污染源数据是指污染物在空间中的来源和排放信息，包括源位点、污染物排放速率、时间和空间分布等。
这些数据通过监测和测量获得，在模型中用于确定污染物的初始条件。
大气条件数据大气条件数据是指影响污染物传播和扩散的气象因素，包括风速、风向、温度、湿度和气压等。
这些数据通常通过气象站观测或数值模拟获得，在模型中用于确定污染物的传播路径。
地形和建筑物数据地形和建筑物数据是指地表和建筑物对污染物传播和扩散的影响。
地形数据包括地表高度、坡度和植被覆盖等，建筑物数据包括建筑物高度、密度和分布等。
这些数据通常通过遥感技术或测量获得，在模型中用于确定污染物的传播路径和浓度分布。
模型输出污染物扩散模型的主要输出包括以下几个方面：污染物浓度分布图污染物浓度分布图是模型预测的污染物浓度在空间上的分布情况。
大气污染控制工程 大气扩散浓度估算模式
• 主要参数：
uQ、 、H、x、y、 zy、 z
27
四、污染物浓度的估算
2.烟气抬升高度的计算
有效源高
• 起因与两种形式
热力：温度垂直分布不均。 机械：风速分布不均匀
及地面粗糙度。
• 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。
3
一、大气污染物扩散的基本描述
2.湍流扩散的基本理论
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，将浓度梯度作为物质扩散的驱动力； ➢ 应用欧拉法研究每一空间位置上运动质点的特征量； ➢ 基本参数：湍流扩散系数K；气象资料：风速及K的垂直廓线； ➢ 限制条件：小尺度湍涡。
拉格朗日法(质点系法)：跟踪 并研究每个流体质点的运动情 况，把它们综合起来以掌握整 个流体运动的规律。
5
一、大气污染物扩散的基本描述
3.大气污染物浓度估算模式
概念：模拟大气污染物的输送、扩散、迁移过程，预测在 不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度 时空分布的数学模型，是大气中污染物迁移和扩散规律的、 简单化的数学描述。 应用：城市、区域、全球的气象、气候和大气污染研究。
13
三、高斯扩散模式
2.高斯扩散模式的假定
① 污染物浓度在y、z风 向上分布为正态分布; ② 全部高度风速均匀稳 定; ③ 源强是连续均匀稳定 的; ④ 扩散中污染物质量守 恒 ⑤ （不考虑转化）。
14
三、高斯扩散模式
3.高斯扩散模式的推导
x方向的扩散通量； k—— 湍流扩散系数,
m2/s。
15
✓ 作为法规模型支持空气质量评估和大气污染控制规划制定； ✓ 作为研究工具识别大气输送与扩散机理。
大气污染物传输与扩散规律研究
大气污染物传输与扩散规律研究一、引言大气污染是一个严重的环境问题，不仅对人类健康产生危害，还对生态系统造成严重破坏。
为了有效应对大气污染问题，研究大气污染物的传输与扩散规律至关重要。
本文将探讨大气污染物的传输路径、主要影响因素以及对环境的影响，旨在为大气污染治理提供一定的参考。
二、大气污染物的传输路径大气污染物的传输路径主要有两种：水平传输和垂直传输。
水平传输指污染物在地表大气中的横向扩散，通常由气流和风向决定。
气流的强弱以及风向的变化会对污染物的浓度分布产生重要影响。
垂直传输则是指污染物在大气中的上下扩散，通常由气流的垂直运动、太阳辐射以及地表条件等因素共同作用。
三、大气污染物传输与气候因素的关系大气污染物的传输与扩散规律与气候因素密切相关。
气温、湿度、气压以及降水等因素对大气污染物的传输和化学反应产生直接影响。
例如，高温天气下，大气中的湿度较低，污染物的扩散能力会增强，浓度较低。
而在潮湿的环境中，大气污染物更容易附着在气溶胶颗粒上，形成雾霾等有害物质。
四、大气污染物传输与地理因素的关系地理因素也是影响大气污染物传输与扩散规律的重要因素之一。
城市化程度、地形地貌、地表覆盖等都会对大气污染物的传播和沉积产生影响。
例如，山脉等地形障碍会阻碍污染物的扩散，导致山区地区的大气污染问题加剧。
而城市中的高楼大厦等建筑物也会影响气流的流动，进一步加重污染物的积累。
五、大气污染物传输与人类活动的关系人类活动是造成大气污染的主要原因之一，同时也是影响大气污染物传输与扩散的重要因素。
工业排放、交通尾气以及农业活动等都会释放大量的污染物，进而对大气环境造成污染。
近年来，伴随着人口增长和经济发展，人类活动对大气污染的影响愈发显著。
六、大气污染物的环境影响大气污染物的传输与扩散规律对环境产生重要影响，不仅影响着空气质量，还会对生态系统和人类健康造成威胁。
大气污染物附着在植被表面会破坏叶片结构，干扰光合作用；沉积在土壤中则会影响土壤的肥力和生物多样性。
AE大气扩散模型算法
3高斯计算公式
对于在恒定气象条件（指风向、风速、大气稳定度不随时间而变）下的高架点源的连续排放，在 考虑了烟羽在地面的全反射后，下风向任一点的污染物浓度C(x,y,z)可由下式计算：
C(x,
y, z)
Q
1 相关菜单的添加
在空间分析主菜单中添加如下图所示菜单项。
2 大气污染扩散分析窗口的设计
设计一个大气污染扩散分析窗口。
这些Label的 AutoSize属 性设置为： False BorderStyle 属性设置为： Fixed3D
一些主要控件的属性设置如下：
控件编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
diffusedParameter50[2].Qz = 0.996;
diffusedParameter50[3].Py = 0.640;
y Py X qy 、 z Pz X qz 是下风距离X及大气稳定度的函数，而下风方向的 距离X是一变量，它是风速和时间的函数。高架电源烟气扩散是三维 扩散过程，x方向上风速较大，以对流扩散为主，y方向和z方向则以弥 散扩散为主。本实例编程只是实现了二维扩散模型。即只是实现了xy 方向上的扩散模拟。
1>大气稳定度的确定
Pasquill根据五类地面风速、三类日间的日射和两类夜间 云量把扩散天气分为6类，即强不稳定、不稳定、弱不稳 定、中性、较稳定和稳定。分别用英文字母A、B、C、D、 E和F表示。
在国标“制订地方大气污染排放标准的技术原则和方法” （GB3840-83）与“环境影响评价技术原则”(HJ/T2.1-93) 中，建议采用下属修订的帕斯奎尔稳定度分类方法。首先 由云量与太阳高度角按表1查出太阳辐射等级数，再由太 阳辐射等级数与地面风速按表2查找稳定度等级。
大气污染扩散模型
第一节大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论1.湍流低层大气中的风向是不断地变化，上下左右出现摆动；同时，风速也是时强时弱，形成迅速的阵风起伏。
风的这种强度与方向随时间不规则的变化形成的空气运动称为大气湍流。
湍流运动是由无数结构紧密的流体微团——湍涡组成，其特征量的时间与空间分布都具有随机性，但它们的统计平均值仍然遵循一定的规律。
大气湍流的流动特征尺度一般取离地面的高度，比流体在管道内流动时要大得多，湍涡的大小及其发展基本不受空间的限制，因此在较小的平均风速下就能有很高的雷诺数，从而达到湍流状态。
所以近地层的大气始终处于湍流状态，尤其在大气边界层内，气流受下垫面影响，湍流运动更为剧烈。
大气湍流造成流场各部分强烈混合，能使局部的污染气体或微粒迅速扩散。
烟团在大气的湍流混合作用下，由湍涡不断把烟气推向周围空气中，同时又将周围的空气卷入烟团，从而形成烟气的快速扩散稀释过程。
烟气在大气中的扩散特征取决于是否存在湍流以及湍涡的尺度(直径)，如图5－7所示。
图5－7（a）为无湍流时，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，烟团的扩散速率非常缓慢，其扩散速率比湍流扩散小5～6个数量级；图5－7（b）为烟团在远小于其尺度的湍涡中扩散，由于烟团边缘受到小湍涡的扰动，逐渐与周边空气混合而缓慢膨胀，浓度逐渐降低，烟流几乎呈直线向下风运动；图5－7（c）为烟团在与其尺度接近的湍涡中扩散，在湍涡的切入卷出作用下烟团被迅速撕裂，大幅度变形，横截面快速膨胀，因而扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；图5－7（d）为烟团在远大于其尺度的湍涡中扩散，烟团受大湍涡的卷吸扰动影响较弱，其本身膨胀有限，烟团在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。
实际上烟云的扩散过程通常不是仅由上述单一情况所完成，因为大气中同时并存的湍涡具有各种不同的尺度。
根据湍流的形成与发展趋势，大气湍流可分为机械湍流和热力湍流两种形式。
机械湍流是因地面的摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，或者由于地面障碍物(如山丘、树木与建筑物等)导致风向与风速的突然改变而造成的。
空气污染扩散模式
z y
x
風速 u
點污染源 質量流率 Q
C
Q uyz
exp
1 2
y 2y2
z 2 z2
地面上點污染源的濃度分布圖
然工業上污染物皆是從煙囪上排放污染物出來，在考慮煙囪
有 效 高 度 (He) 後 ， 可 藉 由 z 軸 之 座 標 轉 換 (coordinate transformation)，由 z 轉換變成 z－He，則濃度分布方程式可 重新修正。經積分後得污染物濃度隨不同位置的分布情形：
度。 越小代表探討樣本的一致性(uniformity)越明顯，因此 分布的曲線將愈向中央集中，其所表現出來特性即是曲線最
大值會愈高，反之，若 越大，則意味探討樣榜的差異愈大，
因此曲線的分布會較平緩，且最大值會下降。
(4) 若將方程式(1)針對 x 作無限積分則可得其積分值為 1，亦即
著時間而改變，故 C t 0
(2) 氣流的流動屬於一維(one dimension)現象，僅在 x 方向流動，
則 v = w = 0。
(3) 在氣流流動的方向濃度之擴散，若比較對流(convection)與擴
散(diffusion)對空氣污染物散佈的效應，則後者可忽略不計，
即
Dx
2C x 2
(17)
污染物離開煙囪口後因本身具有速度同時其溫度較外界為高因此在擴散的過程中仍會持續上浮一段距離此上浮的距離加上煙囪本身的高度稱之為煙囪有效高度stackeffectiveheight空氣污染物隨著向下風處擴散因其擴散的空間明顯增大因此污染物濃度急速降低但氣象條件為穩定時則例外
空氣污染擴散模式
1. 空氣污染物的擴散現象 一般而言，空氣污染物是以噴煙型態排放到大氣中，而後以 煙柱形狀散佈。 在三維(three dimension)的散佈過程中，污染物沿著順風方向 被帶到下風處。通常以 x 軸代表風流動的方向，z 代表離地面 的高度。
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第四章 大气扩散浓度估算模式第一节 湍流扩散的基本理论一 湍流1．定义：大气的无规则运动风速的脉动 风向的摆动2．类型：按形成原因 热力湍流：温度垂直分布不均（不稳定）引起，取决于大气稳定度机械湍流：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起3．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倍二 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.梯度输送理论通过与菲克扩散理论类比建立起来的（菲克定律：单位时间内通过单位断面上的物质的数量与浓度梯度呈正比）类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比xC kF ∂∂-= 式中，F — 污染物的输送通量k — 湍流扩散系数 C — 污染物的浓度X — 与扩散截面垂直的空间坐标（扩散过程的长度）xC∂∂— 浓度梯度 要求得各种条件下某污染物的时、空分布，由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能是在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况进行修正。
2.湍流统计理论泰勒首先将统计理论应用在湍流扩散上图4-1显示：从原点O 放出的粒子，在风沿着x 方向吹的湍流大气中扩散。
粒子的位置用y 表示，则结论为：①y 随时间变化，但其变化的平均值为零②若从原点放出很多粒子，则在x 轴上粒子的浓度最高，浓席分布以x 轴为对称轴，并符合正态分布。
萨顿实用模式：解决污染物在大气中扩散的实用模式高斯模式：应用湍流统计理论得出正态分布假设下的扩散模式 3.相似理论第二节 高斯扩散模式一 坐标系的建立—右手坐标系1．原点O ：无界点源或地面源，O 为污染物的排放点高架源，O 为污染物的排放点在地面上的投影点补充：点源 高架源 连续源 固定源线源 地面源 间歇源 流动源 面源2．x 轴：正向为平均风向，烟流中心线与x 轴重合 3．y 轴：垂直于x 轴 4．z 轴：垂直于xoy 平面二 高斯模式的有关假定1．污染物浓度在y 、z 轴上的分布为正态分布；)2exp(21)(22y yy y f σπσ-=)2exp(21)(22z zz z f σπσ-=y σ，z σ— 分别为污染物在y 和z 方向上分布的标准差，m2．全部高度风速均匀稳定，即风速u 为常数；3．源强是连续均匀稳定的，源强Q 为定值；4．扩散中污染物是守恒的，不考虑转化，即烟云在扩散过程中没有沉降、化合、分解及地面吸收、吸附作用发生；0=∂∂tC5．在x 方向上，输送作用远远大于扩散作用，即 )(xCk x x C u x ∂∂∂∂>>∂∂； 6．地面足够平坦。
三 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C （x ，y ，z ）的浓度分布函数为：方差的表达式： 源强积分式（单位时间物料守恒）： 联立以上各式，得到无界空间连续点源扩散的高斯模式：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=)22(ex p 2)0,,,(2222z y z y z y u Q z y x C σσσσπ四 高架连续点源扩散的高斯模式—像源法高架连续点源的扩散问题，必须考虑地面对扩散的影响．根据前述假定，可以认为地面象镜面一样、对污染物起全反射作用。
按全反射原理，可以用像源法来处理这一问题。
P 点的污染物浓度可看成是两部分贡献之和：①不存在地面时P 点所具有的污染物浓度，由源点A （0，0，H ）造成 ②由地面的反射作用所增加的污染物浓度，由像点A ′（0，0，-H ）造成P 点在以源点A （0，0，H ）为原点的坐标系中的坐标为C （x ，y ，z-H ） P 点在以像点A ′（0，0，-H ）为原点坐标系中的坐标为C （x ，y ，z+H ）源点A 的贡献为：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+-=)2)(2(ex p 222221z y z y H z y u Q C σσσσπ像点A ′的贡献为：22(,,)()e e --=ay bzc x y z A x 22d d ∞∞=⎰⎰y y c y c y σ2200d d ∞∞=⎰⎰z z c zc zσd d ∞∞-∞-∞=⎰⎰q uc y z⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++-=)2)(2(ex p 222222z y z y H z y u Q C σσσσπ则P 点的实际浓度为： C （x ，y ，z ，H ）= C 1+C 2⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+---=)2)(exp()2)(exp()2exp(2),,,(222222z z y zy H z H z y u Q H z y x C σσσσσπ讨论：1）地面浓度模式（公式中z=0）⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=)22(ex p ),0,,(2222z y z y H y u QH y x C σσσσπ 2）地面轴线浓度模式（再取y=0）)2exp(),0,0,(22z zy H u QH x C σσσπ-=3）地面最大浓度模式考虑地面轴线浓度模式)2exp(),0,0,(22z zy H u QH x C σσσπ-=，随x 增大，y σ，z σ增大，第一项减小，第二项增大，则必然在某x 处有最大值。
设y σ/z σ=const （（实际中成立）） 由0),0,0,(=z d H x dC σ求得， yz e H u QC σσπ*22max = 2maxH c x x z==σ4）地面连续点源扩散的高斯模式（H=0）⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=)22(ex p )0,,,(2222z y z y z y u Qz y x C σσσσπ 地面连续点源造成的浓度恰是无界连续点源造成浓度的两倍第三节 污染物浓度的估算一 烟气抬升高度的计算1．抬升高度有效源高 H H H s ∆+= 式中：s H — 烟囱的几何高度H ∆— 烟流的抬升高度烟气抬升——初始动量： 速度、内径——烟气温度—浮力2．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％）A Q V s =υ，24D A π=，m Z Z u u )(11=Holland 公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下，偏差较大2）Briggs 公式：适用不稳定及中性大气条件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3s s a H s 1(1.5 2.7)(1.59.610)--∆=+=+⨯s v D T T H D v D Q T u uH 1 1/32/3s H1 1/32/3s H 21000kW 10 =0.362 10 =1.55--><∆⋅⋅>∆⋅⋅当时s Q x H H Q x u x H H Q H u H 11/31/3H 3/52/5H s 6/5 3/53/5H s 21000kW 3* =0.362 3* =0.332 *=0.33--<<∆⋅⋅>∆⋅⋅⋅当时Q x x H Q x u x x H Q H x Q H u 12H s a 1 n n0H s H a V a s H H 121s H 12100k W ()35K =0.35 1700k W 2100k W 1700=()4002(1.50.01)0.04 =s Q T T H n Q H u T Q P Q T T T T Q Q H H H H v D Q H u -≥-≥∆=⋅⋅∆∆=-<<-∆∆+∆-∆+∆-(1)当和时(2)当时H H 8(1700)1700k W 35K Q u Q T -≤∆<(3)当或时二 扩散参数的确定1．P －G 曲线法（Pasquill —Gifford ）方法要点：首先根据常规气象观测资料，即太阳辐射情况(云量、云状和日照)和离地面10m 高度处的风速(地面风速)，将大气的扩散稀释能力划分为A —F 六个稳定度级别．然后根据大量扩散实验的数据和理论上的考虑，用曲线来表示每一个稳定度级别的，y σ，z σ随距离x 的变化．这样就可用前面导出的扩散模式进行浓度估算了。
2．P —G 曲线法的应用1）根据常规资料确定稳定度级别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）根据稳定度和x 值，利用扩散曲线确定y σ和z σ或由表3-5英国伦敦气象局给出20km 内的y σ和z σ3）地面最大浓度估算计算步骤：①用有效源高H 和2maxH c x x z==σ计算出z σ②由z σ～x 曲线（图4-5）反算出m ax c x ③由y σ～x 曲线（图4-4）反算出y σ ④由yz e H u QC σσπ*22max =求出C max 例题：课本P96，例4-2；P99，例4-3。
3．中国国家标准规定的方法1）稳定度分类方法（改进的P －T 法 ）a 先由表4-7根据当时当地的时间和月份查出或由公式4-30计算出太阳倾角δ；b 由太阳倾角δ、当地的地理经度和纬度、观测时间按公式4-29计算出太阳高度角h 0；c 再由太阳高度角h 0和云量查表4-5，得出太阳辐射等级；d 最后由太阳辐射等级和地面风速查表4-6得出大气稳定度级别 2）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）具体选取方法如下：a 平原地区和城市远郊区，D 、E 、F 向不稳定方向提半级b 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c 丘陵山区的农村或城市，同工业区 例题：课本P99，例4-4。
第四节 特殊气象条件下的扩散模式一 封闭型扩散模式实际中经常出现这样的温度层结：低层为不稳定大气，在离地面几百米到l ～2km 的高空存在一个明显的逆温层，即通常所说的有上部逆温的情况．它使污染物的垂直扩散受到限制，只能在地面和逆温层底之间进行．因此，有上部逆温的扩散称“封闭型扩散”。
用“像源法”求解：任一点污染物的浓度可看成是实源和无穷多个像源在Z 方向上的叠加贡献之和 1）把逆温层底看成是和地面一样能起全反射作用的镜面1221,a ay z x x σγσγ==2）相当于两镜面之间无穷次全反射3）任意一点的污染物浓度看成实源和无穷多个虚源贡献之和 4）n 为反射次数，在地面和逆温层底之间 5）实源在两个镜子里分别形成n 个像则任一点污染物的浓度为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+--=∑2222222))(2(exp 2))(2(exp )2exp(2)...(Z Z y z y H Z nD H Z nD y u Q H z y x C σσσσσπD ——混合层高度或逆温层底高度，m 则地面轴线上的污染物浓度为：计算简化：（1）当x ≤x D 时，烟流扩散尚未受到上部逆温的影响，用高架源扩散模式计算15.2HD z -=σ，用P-G 曲线法或国标法确定x D （2）当x ≥2x D 时，z 向浓度混合均匀，y 向正态分布，用下式计算地面轴线浓度)2exp(2),(22y yy D u Q y x C σπσ-=（3）当x D <x<2x D 时，情况介于两者之间，较复杂用x=x D ，x=2x D 两点的浓度内插（假设为线性变化） 例题：课本P101，例4-5。