第11章 污染物的稀释法控制

下 . （1）当QH >2100kJ/s，ΔT>35K 时
H

n0QHn1
H
n2 s
u
1
QH

0.35 PQv
T Ts
T Ts Ta
. （2）当 1700kJ/s < QH <2100kJ/s
时
H

H1

(H 2

H1)
QH 1700 400
H1 2(1.5vsd 0.01QH ) / u
• 夜晚，地面冷却放热，紧贴山坡的空气比谷中部同高度 上的空气冷却快，故密度差而使冷而重的山坡空气沿山坡 滑向谷底，形成“山风”。
• 当谷底层出现山风（或谷风）时，由于补偿作用，在上 层大气中将会出现反山风（或反谷风），从而在铅直方向 组成闭合的环流。在山谷风转换期，风向来回极不稳定， 因而污染物不易向外输送，在山沟中停留时间长，有可能 造成严重污染。
y2
2
2 y

(z H)2
2
2 z
]
• 那么，P点的浓度为
C(x,
y,
z,
H
)

2
Q

u
y
z
exp(
y2
2
2 z
)
{
exp[
(
z
H
2
2 z
)2
]

[
(
z
H
2
2 z
)2
]}
上式就是通常所讲的高斯扩散模式，也是 高架连续点源扩散的基本公式。由这个公式 可以计算下风向任意一点是污染物浓度。几 种特殊情况下的高斯模式计算公式如下：
• 有地面存在下的高斯公式的坐标系取法与无界情况下不 同，如图11-17所示
• 坐标原点为 地面排放点或 高架源排放点 铅直地面投影 点，x轴正向 指向平均风向， y轴在水平面 上垂直于x轴， z 轴垂直于 oxy平面上延 伸，烟流中心 线在oxy平面 的投影与x轴 重合。
• 现在关键在于如何考虑地面对扩散的影响。 前面已经假设过污染物在扩散中无衰减和增生， 那么地面对污染物没有吸收、吸附作用。就象 一面镜子，对污染物起着全反射的作用。
流，其浓度分布是符合正态分布的。 • 高斯扩散模式正是在污染物浓度符合正态分布的前
提下导出的，其基本的假设是： • 烟羽的扩散在水平和垂直方向都是正态分布；在扩
散的整个空间风速是均匀的、稳定的； • 污染源排放是连续的、均匀的； • 污染物在扩散过程中没有衰减和增生； • 在 x 方向，平流作用远大于扩散作用； • 地面足够平坦。 • 从这些假定出发，可以导出高斯扩散模式。
H 1.6F1/3x2/3u1，（x xF )
H 2.（4 F / u S）1/3，（x xF )
.式 中
xF u /
S，F

gvs
d 2（Ts Ta 4 Ts
），S

g（
Ta
/
Z）
. 当大气为中性或不稳定 / Z 0
时
H 1.6F1/3x2/3u1，（x 3.5x)
• 从图中可以看出，城市地区的粗糙度比郊区和平坦乡村 大得多，在同一高度上风速比郊区和乡村要小，风速梯度 也小，因而城市上空的大气污染物混合的快，移动的慢。
• 根据湍流的半经验理论，可以导出最为常用的两个反映 边界层内风速随高度变化的规律：
１）对数律
u

u k
ln( z
/
zo
)
2 ）指数律
u u1(z / z1)m
• 从图中可以看出，随着高度的增加， 风速的增大，风向享有偏转，到达边界 层顶时，风的大小 方向完全与地转风 （自由大气中的风）一致。
• 3 局地风
• 风对排入大气的污染物有两种作用，一种是 输送作用，即把污染物输送到较远的地方，从 而决定了污染区的方位总是在污染源的下风向； 另一种是对污染物的冲淡稀释作用，风速愈大， 单位时间内混入废气的清洁空气愈多，从而废 气的稀释效果就愈好。
H H S H
• 由于有效烟囱高度直接影响烟气的湍流扩散，因而准
确地估算烟气抬升高度，确定有效烟囱高度，对污染浓 度和烟囱高度计算都有重要意义。
• 11.２.１ 影响烟气抬升的因素
• 烟气的抬升过程如图14－16所示。烟气抬升分为四个阶段：
• ①喷出阶段 这个阶段主要依靠烟流本身的初始动量向上 喷射。
（2）海 陆 风
白天，风从海洋吹向陆地；夜晚，风从陆地吹向海洋，这种风叫海陆风。
其形成和山谷风类似，主要是由于海洋和陆地的热力性质差异而引起的。 由海风和陆地风形成环流如图11-6所示。这种环流的形成，使夜间吹向海 面的污染物，在白天又吹回来。从而造成严重污染
• （3）城市热岛效应
• 工业的发展，人口的集中，使城市热 源和地面覆盖物与郊区形成显著的差异， 从而导致城市比周围地区热的现象，称 之为城市热岛效应。
由于气象上测的地面风速通常为10m 高度的风速， 所以上式又可以写成
u u10 (z /10)m
• （2）大气边界层中风向随高度的变化
• 根据揣流运动方程可以导出边界层中 风矢量的公式，根据这个公式可以计算 出不同高度上的风矢量，把它们投影到 一个平面上，在把风矢量的顶端连接起 来，就是所谓的爱克曼螺线，如图14-4 所示 。
• （1）高架连续点源地面浓度。令式（14-30） 中 z=0，可以得到地面浓度计算公式：
C(x, y, o; H ) Q exp( y 2 ) exp( H 2 )

u y z
2
2 y
2
2 z
（2）高架连续点源地面轴线浓度。地面轴线浓 度由式（11-31）在y=0时得：
• 1. 无界情况 • 当污染源位于无界的空间，x 轴与烟流轴线重
合时，空间某点的浓度可根据正态分布假定写出
C(x, y, z) A(x) exp( ay2 ) exp( bz2 )
• 由方差 的定义得
y 2Cdy

2 y

0
0 Cdy
z 2Cdz

2 z

0
实源贡献：由于坐标原点位移，前式中的z在新 坐标中应为（z-H）：
C实（无界）
Q

2 u y z
exp[ y 2
2
2 y

(z H)2 ]
2
2 z
虚源贡献：坐标原点下移H距离，式（14-27） 中的 z在新坐标系中应为（z+H）：
C虚（无界）
Q

2 u y z
exp[
• 由于城市温度经常比农村高（特别是 夜间），其压较低，在晴朗平稳的天气 下可以形成一种从周围农村吹向城市的 特殊局地风，称之为城市风，如图11-7 所示。
• 这种风在城市市区辐合产生上升气流，周围地区的 风向向城市中心汇合，这就使城郊工业区的污染物在 夜间向城市中心输送，从而导致市区的严重污染，特 别是当上空有逆温层在时更为突出。
• 影响大气扩散能力的气象因素主要有：风， 湍流，大气层结和大气稳定度。
• 11.1.1 风
• １.风的定义及表示方法
• 风是指水平方向的空气运动，垂直方 向的空气运动称为升降气流。风具有方 向（指风的来向）和大小（m/s）。风向 的表示方法有：
• （１）方位表示法，一般把圆周分为１ ６个方位，两相邻风向方位夹角22.5度；
H 1.6F1（ /3 3.5x)2/3u1，（x 3.5x)
. 当F<55 时 . 当F>55 时
x 14F 5/3 x 34F 2/5
. Briggs推荐式适合于中小型热源的烟云抬升 计算，火力发电厂的烟源多采用此式。
. 3. 国家标准推荐
式. 国标GB/T13201-91推荐的烟气抬升公式如
• 由谷地吹向山坡的风称为谷风，由山坡吹向谷地的风称 为山风。由山风和谷风形成的山谷风环流如图14-5所示。
• 白天，地面吸收太阳辐射而增热，山坡上的空气比山谷 中部同高度的空气增热快，因而在水平方向形成温度差， 温度差引起密度差，即山坡上的空气比同一高度处山谷上 空空气密度低，进而使谷底空气沿山坡上升，形成“谷 风”。
• 11.２.２ 烟气抬升高度公式
• 烟气抬升由于其影响因素复杂，至今尚未从 理论上解决这个问题。现在实用的烟气抬升公
式都是经验的或半经验的。下面介绍几个常用 的烟气抬升公式。
１. 霍兰德式
H

vsd u
1.5
2.7 Ts Ta Ts
d

. 2. Briggs推荐式
. 当大气稳定时 / Z 0
0 Cdz
由连续条件可写出

u Cdydz
联解可得
Q A(x)

2 y z u
a

1/
2
2 y
b

wk.baidu.com
1/
2
2 z
那么，上式可改写为
C(x, y, z) Q exp[( y 2 z 2 )]

2 u y z
2
2 y
2
2 z
• 1. 有界情况
. （3）QH <1700kJ/s或ΔT<35K时 时
H 2(1.5vsd 0.01QH ) / u
. （4）凡地面以上10m高度年平均风速 <1.5m/s
时
H

5.50QH1/
4
(
dTa dZ
0.0098)3/8
11.3 污染物落地浓度
• 大气扩散的基本问题是研究湍流传播和物质浓 度衰减的关系问题。目前可用梯度输送理论、统 计理论和相似理论来处理这个问题。
• 从这些理论体系出发，可以导出许多扩散模式， 其中应用最广的是根据统计理论导出的正态高斯 分布假定下的扩散模式，也就是通常所说的高斯 扩散模式。
• 许多实用的各种状况下的扩散模式都是在高斯 模式的基础上，根据其特殊情况作某中修正而得 到的。
• 11.3.1 高斯扩散模式
• 大量的实验和理论研究表明，对于连续性的平均烟
• 然而在某些局部地区，由于受到下垫面的强 烈影响，形成了与一般情况下截然不同的风场， 风的这两种作用也产生了完全不同的效果，因 而有必要对局部风场进行讨论。
• 局地风按其成因可分为由地形引起的和由热 力引起的局部循环。实际上这两者相互结合在 一起，很难截然分开。
• （1）山谷风
• 由于热力原因，在山和平地之间发展起来的固有风系称 为山谷风。
• 按照全反射的原理，可以用“像源法”来 解决这个问题。如图11-18所示，空间某点P的 浓度可以看成两部分贡献之和：一部分是不存 在地面时P点所具有的浓度；另一部分是由于 地面反射而增加的浓度。这相当于位置（0，0， H）的实源和在（0，0，-H）的虚源单独存在 时对P点造成的浓度之和，即：
C C实（无界） C虚（无界）
• （２）角度表示法，以正北为０度，将 圆周分为360度，沿顺时针方向增加（如 图11－1）。
一般情况下，风都是以风玫瑰图表示。
• 图11－２（a）为风向玫瑰图，即风向频率图；
• 图11－２（b）是风向风速玫瑰图，它表示各 风向的发生频率及平均风速的大小。
• 图11－２（c）则是风向风速综合表示图，它 不仅给出风向的发生频率，同时还给出每个风 向各种风速的相对频率。
• ２.大气边界层中风速随高度的变化
• 从地面向上约１０００m的大气层，因直接受 地面的影响，称之为大气边界层。在边界层之 上的大气，由于受地面的影响甚微，称之为自 由大气。污染物的扩散主要发生在大气边界层。
• （１）大气边界层中风速随高度的变化，不同粗 糙度下风速随高度的变化情况如图11—３所示。
第11章 污染物的稀释法控制
• 稀释法
• ——采用高烟囱排放污染物，通过大气的输 送和扩散作用降低其“着地浓度”，使污染物 的地面浓度达到规定标准的方法。
• 11.1 影响大气污染的气象因子
• 在一个地区或一个城市里，即使从污染源排 向大气的污染物量并没有很大变化，但不同时 段对周围环境造成的污染效应却有很大不同。 这是由于在不同气象条件下，大气具有不同的 扩散稀释能力所致。
• ②浮升阶段 由于烟流的热力作用，烟气密度比空气小， 产生浮力上升。
• ③瓦解阶段 当烟气上升到一定高度后，烟流与空气混合， 失去动量和浮力开始随风飘动，发生较大的波动。
• ④变平阶段。这时烟流完全变平，在大气湍流的作用下， 作上下左右扩散，使烟流愈扩愈大。
• 从烟气抬升过程可以看出，影响抬升的主要因素有烟流本 身的热力和动力性质、当地的气象条件和下垫面条件，前面 二种因素与工厂有关，后二种与环境条件有关。
11．2 烟气的抬升高度
• 从烟囱排出的烟气，在其本身具有的动力（由排烟速 度引起）和浮力（烟温比大气温度高而产生浮力）的作 用下，往往可以上升到很高的高度，然后在湍流作用下 进行扩散，烟气所达到的高度称为有效烟囱高度，而烟 气上升的那段高度称为烟气抬升高度。
因此，有效烟气高度Ｈ 应为烟囱的几何高度Ｈs， 加上抬升高度ΔＨ，即