大气污染物扩散模式

y z
exp[
(
y2
2
2 y
z2
2
2 z
)]
高架连续点源扩散模式
实际浓度
c( x,
y,
z,
H
)
q
2πu
y
z
exp(
y2
2
2 y
){exp[
(z H
2
2 y
)2
]
exp[
(z H
2
2 z
)2
]}
地面浓度模式：取z＝0代入上式，得
c(x, y,0, H ) q exp( y2 ) exp( H 2 )
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
y2
y1
( 2 1
)
q
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）
第一步：确定出现地面最大浓度的Z向扩散参数。
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
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％。
（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QH 21000kW时 x 10Hs x 10Hs
由 y ~ x 曲线（图4-4）查 y
由式（4-10）求出Cmax
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)。
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。
大气扩散参数（σy，σz）的确定
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。 • 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，
H
=
5
.5
Q
H
1
/
4
(
d Ta dz
0.0098) 3/8
• 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）
烟气抬升
初始动量： 速度、内径 浮力：烟温度
烟气抬升高度的计算
抬升高度计算式
（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：
H
vs D u
(1.5
2.7 Ts
Ta Ts
D)
1 u
(1.5vs D
9.6 103QH )
kW
➢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
高斯扩散模式
• 高斯扩散模式的坐标系
二、无界空间连续点源扩散模式
c( x,
y, z)
q
2πu
y z
exp[(
y2
2
2 y
z2
2
2 z
)]
稳态
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；
设 y z k
则 y k z
上式变为：
＝ Q exp( H 2 ) A exp( H 2 )
uk
2 z
2
2 z
2 z
2
2 z
‘＝A（
1
2 z
）’
exp(
H
2
2
2 z
)
1
2 z
（ exp(
H
2
2
2 z
)）‘
＝A（
1
2 z
）’ exp(
H2
2
2 z
)
1
2 z
exp(
H2
2
2 z
)（
H2
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
c( x,
y, 0,
H
)
(1 a)q
2πu y z
exp(
y2
2
2 y
) exp[
(H
vt x
2
2 z
/
u)2
]
vt
d
2 p
p
g
18
地面反射系数
无界空间连续点源扩散模式
c( x,
y,
z)
q
2πu
H
=H 1
(H
2
H 1)
QH
1700 400
H 1=
2 (1 .5 vs D
u
0 .0 1Q H )
0.048(Q H u
1700)
(3)当 QH 1700kW 或 T 35K时
H = 2 (1 .5 vs D 0 .0 1Q H ) u
(4)当10m 高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于 1.5m /s时
（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：
实源的贡献
c( x,
ρ1
y, z, H )
q
2πu
y z
exp[(
y2
2
2 y
(z H )2
2
2 y
)]
（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：
• q 源强 计算或实测
• •
平均风速 多年的风速资料
Hu 有效烟囱高度
• 、 扩散参数
y z
1.烟气抬升高度的计算
有效源高 H Hs H
Hs ――烟囱几何高度
H ――抬升高度
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。
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。
πu y z
2
2 y
2
2 z
地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式
c(x,0,0, H )
q
πu y z
exp(
H2
2
2 z
)
地面最大浓度模式（续）：
设
y z
const （实际中成立）
dc(x,0,0, H ) 0
d z
由此求得
cmax
2q πuH 2e
z y
| H2 z xxcmax
第三节 污染物浓度的估算
• 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
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
(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。
(1)当 Q H 2100kW 和 (Ts Ta ) 35K 时
H
n 0Q H n1
H
n2 s
1
u
Q H =0.35
Pa Q V
T Ts
T Ta Ts
(2)当1700kW QH 2100kW 时
像源的贡献
c(x, y, z, H )
ρ2
q
2πu
y z
exp[
(
y2
2
2 y
(z H )2
2
2 z
)]
实际浓度
ρ（x,yc,(zx,,yH, z）, H
)
q 2πu
y
z
exp(
y2
2
2 y
){exp[
(z H
2
2 y
)2
]
exp[
(z H
2
2 z
)2
]}
高架连续点源扩散模式
地面浓度模式：取z＝0代入上式，得
第二步：确定出现地面最大浓度的下风向距离。
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。
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。
高架连续点源扩散模式
地面最大浓度模式（续）：
设
y z
const （实际中成立）
dc(x,0,0, H ) 0 d z
由此求得
cmax
2q πuH 2e
z y
| H2 z xxcmax
地面源高斯模式（令H＝0）：
c( x,
y, z,0)
q
πu y z
exp[(
y2
2
2 y
z2
2
2 z
)]
相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）
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 y
z
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
由 和 H
| z xxcmax
H 2
z
由 z ~ x 曲线（图4-5）反查出 xcmax
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）
第二节 高斯扩散模式
一、 高斯模式的有关假定
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）
H =0.362QH1/3 x2/3 u1 H =1.55QH1/3 H s2/3 u1
当QH 21000kW时
x 3x *
H =0.362QH1/3 x1/3 u1
x 3x *
H
=0.332QH
3/5
H
2/5 s
x*=0.33QH
3/5
H
3/5 s
u
6
/
5
（3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”
c(x, y,0, H ) q exp( y2 ) exp( H 2 )
πu y z
2
2 y
2
2 z
地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式
c(x,0,0, H )
q
πu y
z
exp(
H2
2
2 z
)
地面最大浓度模式：
考虑地面轴线浓度模式
c( x, 0, 0,
H)
q
πu y
z
exp(
H2
2
2 z
)
上式，x增大，则 y 、 z 增大，第一项减小，第二 项增大，必然在某x 处有最大值
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：
2
2 z
）（ 1
2 z
）’
令ρ’=0
0＝1 1 H 2
wenku.baidu.com
2 z
2
z＝ H
2
m
ax＝
Q
u y
z
exp(1) Q z
u
y
2 z
e
Q z 2 u y e H 2
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=20 m。计算烟流中心线上SO2的浓度；中心线以左60 m 、 以下20 m处 SO2的浓度。
太阳高度角 云量
（式4-29，地理纬度，倾角）
辐射等级
稳定度
（加地面风速）
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）
– –
平工原业地区区和和城城市市中远心郊区y 区， ，C提1xDa、至1 ,BE级、z ，F向D2 不、xa2稳E、定F方向向不提稳半定级方向提一
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
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。