大气扩散浓度估算模式
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大气扩散浓度估算模式
• 由此可以求出下方向任一点的浓度。 • 1）地面浓度模式 • 令z＝0，得
y2 H2 exp x , y ,0, H exp 2 2 2 2 令y＝0、z＝0，得
第四章 大气扩散浓度估算模式
• • • • • • • 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 大气扩散 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区的扩散模式 烟囱高度设计 厂址选择
4.1 大气扩散
• 污染物进入大气后，随着大气的运动发生迁移、扩 散稀释及降解转化。
• 4.2.4 无界空间连续点源扩散模式
• 正态分布函数
x, y, z A x e
• 式中
ay 2
e
bz 2
a
• 则
1 2
2 y
b
1
2 2 z
2 y2 Q z x, y , z exp 2 2 2 2 2 u y z y z
• 4.1.2.2 湍流扩散
• 1）大气的无规则运动称为大气湍流。根据其成因可把湍流 分为两类：
• 热力湍流：垂直方向温度分布不均匀，使空气发生垂直运动 并进一步发展形成。其强度主要取决于大气稳定度。 • 机械湍流：由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起 的湍流。其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。
H2 x ,0,0, H exp 2 u y z 2 z Q
• 3）地面最大浓度模式
max
z 2Q 2 uH e y
z
x x max
H 2
• 4.2.6 地面连续点源扩散模式 • 令H=0，得
y2 H2 exp x , y ,0, H exp 2 2 2 2 令y＝0、z＝0，得
第四章 大气扩散浓度估算模式
• • • • • • • 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 大气扩散 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区的扩散模式 烟囱高度设计 厂址选择
4.1 大气扩散
• 污染物进入大气后，随着大气的运动发生迁移、扩 散稀释及降解转化。
• 4.2.4 无界空间连续点源扩散模式
• 正态分布函数
x, y, z A x e
• 式中
ay 2
e
bz 2
a
• 则
1 2
2 y
b
1
2 2 z
2 y2 Q z x, y , z exp 2 2 2 2 2 u y z y z
• 4.1.2.2 湍流扩散
• 1）大气的无规则运动称为大气湍流。根据其成因可把湍流 分为两类：
• 热力湍流：垂直方向温度分布不均匀，使空气发生垂直运动 并进一步发展形成。其强度主要取决于大气稳定度。 • 机械湍流：由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起 的湍流。其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。
H2 x ,0,0, H exp 2 u y z 2 z Q
• 3）地面最大浓度模式
max
z 2Q 2 uH e y
z
x x max
H 2
• 4.2.6 地面连续点源扩散模式 • 令H=0，得
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。
4大气扩散
8
2
2
第四章 大气扩散浓度估算模式
4.2.3 高架连续点源扩散的高斯模式 必须考虑地面的影响，认为污染物在地面全部反射， 采用像源法处理，由实源和虚源污染物浓度叠加而成。 坐标系：以污染源在地面的投影为坐标原点，则：
Q y (z H ) C实 ( x, y, z ) exp( 2 ) exp[ ] 2 2 y 2 z 2 u y z
例：已知，Hs＝100m，d＝5m，ū＝12m/s，Ts＝1000C， Ta＝200C，Qn＝250m3/s，求抬升高度。 解：q H
C p (Ts Ta )Qn
1.298 (373 293) 250 25960kW
H n0 q H H s u
n1 n2
1
1.3 25960 69.1m
u ——平均风速，m/s；
Q——源强，g/s
7
第四章 大气扩散浓度估算模式
4个方程，4个未知数, 解积分，得：
a
1 2 y
2
b
1 2 z
2
Q A( x) 2 u y z
Q y z C ( x, y, z ) exp( 2 ) exp( 2 ) 2 y 2 z 2 u y z
26
第四章 大气扩散浓度估算模式
27
第四章 大气扩散浓度估算模式
c、影响抬升的因素 ①、初始动量，取决于烟流出口速度v和烟囱出口内径 初始动量大，烟气向上的惯性大，可获得较大的抬升 高度
②、烟温高于周围气温而产生的浮力 烟气温度高于周围大气之间的温差，Ts-Ta，
③、风速 另外，风速垂直切变、大气稳定度、地面粗糙度
第四章 大气扩散浓度估算模式
第四章 大气扩散浓度估算模式 4.1、湍流扩散理论简介 *、梯度输送理浓度估算模式
2
2
第四章 大气扩散浓度估算模式
4.2.3 高架连续点源扩散的高斯模式 必须考虑地面的影响，认为污染物在地面全部反射， 采用像源法处理，由实源和虚源污染物浓度叠加而成。 坐标系：以污染源在地面的投影为坐标原点，则：
Q y (z H ) C实 ( x, y, z ) exp( 2 ) exp[ ] 2 2 y 2 z 2 u y z
例：已知，Hs＝100m，d＝5m，ū＝12m/s，Ts＝1000C， Ta＝200C，Qn＝250m3/s，求抬升高度。 解：q H
C p (Ts Ta )Qn
1.298 (373 293) 250 25960kW
H n0 q H H s u
n1 n2
1
1.3 25960 69.1m
u ——平均风速，m/s；
Q——源强，g/s
7
第四章 大气扩散浓度估算模式
4个方程，4个未知数, 解积分，得：
a
1 2 y
2
b
1 2 z
2
Q A( x) 2 u y z
Q y z C ( x, y, z ) exp( 2 ) exp( 2 ) 2 y 2 z 2 u y z
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第四章 大气扩散浓度估算模式
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第四章 大气扩散浓度估算模式
c、影响抬升的因素 ①、初始动量，取决于烟流出口速度v和烟囱出口内径 初始动量大，烟气向上的惯性大，可获得较大的抬升 高度
②、烟温高于周围气温而产生的浮力 烟气温度高于周围大气之间的温差，Ts-Ta，
③、风速 另外，风速垂直切变、大气稳定度、地面粗糙度
第四章 大气扩散浓度估算模式
第四章 大气扩散浓度估算模式 4.1、湍流扩散理论简介 *、梯度输送理浓度估算模式
4大气扩散浓度估算模式
H2 ( x,0,0, H ) exp 2 2 u y z 大浓度)模式：
2Q z max 2 u H e y
z
x xmax
H 2
四. 地面连续点源扩散模式
y2 z 2 ( x, y, z,0) exp 2 2 u y z 2 z2 y Q
（2）当1700kW<QH<2100kW时：
QH 1700 H H1 H 2 H1 400
2(1.5vs D 0.01QH ) 0.048 (QH 1700 ) H1 u u
H2 0.332Q
3/ 5 H
H
2/ 5 s
u
1
（3）当QH≤1700kW或∆T<35K时：
吉福德（Gifford）
1. 根据常规气象资料确定稳定度级别
表4-4 稳定度级别划分表 地面风速u10 /m.s-1 <2 白天太阳辐射 强 A 中 A-B 弱 B 阴天的白 天或夜间 D 有云的夜晚 薄云遮天或低云≥5/10 云量≤4/10
2-3
3-5 5-6 >6
A-B
B C C
B
B-C C-D D
kw24875273140201402509783510024875303一pg扩散曲线法帕斯奎尔pasquill吉福德gifford根据常规气象资料确定稳定度级别表44稳定度级别划分表地面风速u10ms1白天太阳辐射阴天的白天或夜间有云的夜晚薄云遮天或低云510云量41023ab1稳定度级别中a为强不稳定b为不稳定c为弱不稳定d为中性e为较稳定f为稳定2稳定度级别ab表示按ab级的数据内插3夜间定义为日落前一小时至日出后一小时4不论何种天气状况夜间前后各一小时算作中性5强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于60的条件弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角为1535
大气污染控制工程课件大气扩散浓度估计模式
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。
2
Q
2 u y z
exp[( y2
2
2 y
(z H)2
2
2 z
)]
P点的实际污染物浓度应为实源和像源作用之和，即
ρ =ρ 1+ρ 2
(x, y, z, H)
Q
y2
(z H)2
(z H)2
exp[( ){exp[
] exp[
]}
2 u y z
2
2 y
H2
2
2 z
)
(2)地面轴线浓度模式
地面浓度是以x轴为对称的，轴线x上具有最大值、 向两侧（如y方向）逐渐减小，由式 (4—8)在y＝0 时得到地面轴线浓度。
(x,0,0, H )
Q
u y z
exp(
H2
2
2 z
)
(3)地面最大浓度(地面轴线最大浓度)模式
σy和σz是(x距,0离,0x,的H函) 数，u而Q且y随z exx的p增(大2H而2z2增) 大。
高斯公式要求u≥1m/s, 当u＜1m/s时就不用高斯模 式而用其它模式处理。
变量 实际计算时风速如何取 ? 烟流抬升相对稳定后 整个烟云垂直范围内的平均风速。
六、高斯模式使用条件
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。
2
Q
2 u y z
exp[( y2
2
2 y
(z H)2
2
2 z
)]
P点的实际污染物浓度应为实源和像源作用之和，即
ρ =ρ 1+ρ 2
(x, y, z, H)
Q
y2
(z H)2
(z H)2
exp[( ){exp[
] exp[
]}
2 u y z
2
2 y
H2
2
2 z
)
(2)地面轴线浓度模式
地面浓度是以x轴为对称的，轴线x上具有最大值、 向两侧（如y方向）逐渐减小，由式 (4—8)在y＝0 时得到地面轴线浓度。
(x,0,0, H )
Q
u y z
exp(
H2
2
2 z
)
(3)地面最大浓度(地面轴线最大浓度)模式
σy和σz是(x距,0离,0x,的H函) 数，u而Q且y随z exx的p增(大2H而2z2增) 大。
高斯公式要求u≥1m/s, 当u＜1m/s时就不用高斯模 式而用其它模式处理。
变量 实际计算时风速如何取 ? 烟流抬升相对稳定后 整个烟云垂直范围内的平均风速。
六、高斯模式使用条件
大气污染控制工程课件04大气扩散浓度估计模式
2、烟气抬升的原因
原因：
(1)排放源及排放烟气的性质 初始动量 流速和烟囱口内径 温度差 浮力项 (2)环境大气的性质 和烟流与周围大气的混合速率 （3）下垫面性质与烟流抬升
此外,平均风速、风速垂直切变及大气稳定度 等对烟流抬升都有影响。
2、烟气抬升计算公式
烟气抬升公式 1霍兰德公式 2布里吉斯公式 3我国的“制订原则和方法” 中推荐的公式 由于影响烟流抬升的因素多而复杂，还没 有一个通用的计算公式。现在所用都是的 经验或半经验公式。
高斯模式的有关假定-坐标系
2、四点假设
(1) 污染物浓度在 y 、 z 轴上的分布符合高斯分布 ( 正态分 布 )； (2)在全部空间中风速是均匀的、稳定的 (3)源强是连续均匀的 (4)在扩散过程中污染物质量是守恒的。 对后述的模式，只要没有特别指明，以上四点假设条 件都是遵守的。
二、无限空间连续点源扩散的高斯模式
T TS
3、中国国家标准
（2）1700 kW＜QH＜2100 kW时 Q 1700 H △H= △H1+(△H2-△H1)
400
2(1.5vs D 0.01QH ) 0.048(QH 1700 ) △H1= u u
△H2=n0 QHn1 Hs n2 u-1 计算的抬升高度。 （3） 当QH≤1700 kW或（Ts- Ta）＜35 K时： 是霍兰德公式计算值的2倍
(1)地面浓度模式 我们时常关心的是地面污染物浓度， 而不是任一点的浓度。由 式(4-7)在z=0时得到地面浓度
y2 H2 ( x, y,0, H ) exp ( 2 ) exp( 2 ) 2 y 2 z u y z Q
(2)地面轴线浓度模式 地面浓度是以x轴为对称的，轴线x上具有最大值、 向两侧（如y方向）逐渐减小，由式 (4—8)在y＝0 时得到地面轴线浓度。
第四章 大气扩散浓度估算模式
由正态分布的假定①可以写出下风向任一点 （x, y, z）的污染物平均浓度的分布函数：
(x, y, z) A(x)eay2 eby2
（4－1）
由概率统计理论可以写出方差的表达式：
y 2 dy
2
0
y
0 dy
2 z
z 2 dy
0
dy
0
由假定④可以写出源强的积分式：
Q udydz
（4－2） （4－3）
由上面四个方程组成的方程组，其中可以测量或计算的已 知量有源强Q、平均风速ū、标准差σy，σz，未知量有浓 度ρ，待定函数A（x），待定系数a和b。因此方程组可 以求解。
1
a
2
2 y
b 1
2
2 z
A( x)
Q
2 u y z
将上式（4－4）和（4－5）代入式（4－1）中，便得到 无界空间连续点源扩散的高斯模式：
②利用扩散曲线确定σy和σz 。 图4－4和图4－5便是帕斯奎尔和吉福德给出的不同稳
定度时σy和σz随下风距离x变化的经验曲线，简称P-G曲 线图（两图对应的取样时间为10 min）。在按表4一3确 定了某地某时属于何种稳定度级别后，便可用这两张图查 出相应的σy和σz值。
此外，英国伦敦气象局还给出了表4-4，用内插法可 求出20 km距离内的σy和σz值。
2、湍流统计理论 泰勒于1921年提出了著名的泰勒公式。图4-1是从污染 源排放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情 况。假定大气湍流场是均匀、定常的，从原点放出的一个 粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。 如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓 度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。 高斯（Gaussian）在大量实测资料分析的基础上，应用 湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即通常 所说的高斯模式。
(x, y, z) A(x)eay2 eby2
（4－1）
由概率统计理论可以写出方差的表达式：
y 2 dy
2
0
y
0 dy
2 z
z 2 dy
0
dy
0
由假定④可以写出源强的积分式：
Q udydz
（4－2） （4－3）
由上面四个方程组成的方程组，其中可以测量或计算的已 知量有源强Q、平均风速ū、标准差σy，σz，未知量有浓 度ρ，待定函数A（x），待定系数a和b。因此方程组可 以求解。
1
a
2
2 y
b 1
2
2 z
A( x)
Q
2 u y z
将上式（4－4）和（4－5）代入式（4－1）中，便得到 无界空间连续点源扩散的高斯模式：
②利用扩散曲线确定σy和σz 。 图4－4和图4－5便是帕斯奎尔和吉福德给出的不同稳
定度时σy和σz随下风距离x变化的经验曲线，简称P-G曲 线图（两图对应的取样时间为10 min）。在按表4一3确 定了某地某时属于何种稳定度级别后，便可用这两张图查 出相应的σy和σz值。
此外，英国伦敦气象局还给出了表4-4，用内插法可 求出20 km距离内的σy和σz值。
2、湍流统计理论 泰勒于1921年提出了著名的泰勒公式。图4-1是从污染 源排放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情 况。假定大气湍流场是均匀、定常的，从原点放出的一个 粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。 如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓 度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。 高斯（Gaussian）在大量实测资料分析的基础上，应用 湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即通常 所说的高斯模式。
大气扩散浓度估算模式
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xCkF ∂∂-= 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。
4大气污染浓度估算模式
4大气污染浓度估算模式气污染是指空气中存在的有害物质的浓度超过了对人类和环境健康的安全限值。
为了准确估算大气污染浓度，科研人员提出了多种模式，以下介绍四种常用的大气污染浓度估算模式。
1.高斯模型高斯模型是一种常用的空气污染浓度估算模式，也被称为点源模型。
这种模型假设污染物在大气中的传输和扩散过程符合高斯分布，即呈现出一个钟形曲线。
它通过输入源点的位置、排放速率、周围环境条件等参数，估算出不同距离和方向上的浓度。
高斯模型适用于估算点源的扩散浓度，如烟囱排放的污染物。
2.插值模型插值模型是一种基于测量而非计算的方法，用于估算大范围区域内的污染物浓度。
它通过采集分布在空间上的有限浓度数据点，并通过数学插值技术来推断其他地点的浓度。
插值模型可以更好地描述污染物随空间变化的趋势和分布规律。
常用的插值方法包括反距离权重插值法、克里金插值法等。
3.气象-扩散模型气象-扩散模型是一种综合考虑大气环境条件和物质扩散规律的模型。
它根据气象因素（如风速、风向、湍流强度等）和地理地形（如高度、植被覆盖等）等参数，模拟污染物的输送和扩散过程。
气象-扩散模型可以提供更准确的大范围区域内的污染物浓度预测，适用于城市、地区或国家层面的空气质量评估。
4.化学传输模型化学传输模型是一种综合考虑化学反应和扩散过程的模型，用于估算大范围区域内的污染物浓度。
它通过输入大气环境条件、污染物排放源的位置和排放量等参数，模拟和计算污染物在大气中的传输、转化和沉降过程。
化学传输模型可以评估不同化学物质的影响，预测和分析复杂的气象和污染过程。
这四种大气污染浓度估算模式各有优势和适用范围，可以根据具体情况选择合适的模型进行预测和分析。
【清华】4 大气扩散浓度估算模式-第二部分20150325_525306696
ISC3, AERMOD, CALPUFF
(for primary pollutants)
OZIP/EKMA
(for ozone)
/scram001/tt22.htm
30
八、空气质量模式的新进展
1.空气质量模式的发展
第二代模式
Eulerian Grid Models :
1 2π
exp
p2 2
dp
p1 y1 / y
p2 y2 / y 注意“边缘效应”！
11
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
例题： 在阴天情况下，风向与公路垂直，平均风速为4m/s， 最大交通量为8000辆/h，车辆平均速度为64km/h，每辆车排 放CO量为2×10-2 g/s，试求距公路下风向300m处的CO浓度。
2Q πuH 2e
z y
烟气抬升高度与风速的关系：
H B u
，代入
H
Hs
B u
令 dmax / du 0 ，得到危险风速 uc B / Hs
将
H
B uc
Hs
H 2
代入可得
absm
Q z 2πeHsB y
Q
2πeH
2 s
u
c
z y
Hs
≥
2πeu c
查P-G曲线 －> xD
2. 当 x 2xD ，z向浓度混合均匀，z分布函数为
3. xD x 2xD
x xD
x 2xD －>内插（假定变化为线性）
4
五、特殊气象条件下的扩散模式
2.熏烟型扩散模式
大气浓度扩散估算模式课件
排污许可证管理
03
依据核定的排放总量，发放排污许可证，对排污单位实施许可
管理，确保污染物排放符合总量控制要求。
空气质量预报与预警
气象资料分析
收集历史气象资料，分析气象要素与污染物扩散的关系，建立气 象条件数据库。
模式预测
利用大气浓度扩散估算模式，结合实时的气象数据，对未来一定 时间内的空气质量进行预测。
THANKS
感谢观看
模型建立
结合工业园区内的生产工艺、排放源强、地形地貌等信息，构建污染物扩散模型，考虑 气象条件、地形和局地小气候等因素对污染物扩散的影响。
结果分析
分析不同排放情景下，园区周边环境中的污染物浓度分布，评估园区对周边环境的污染 影响程度，为工业园区的规划和管理提供科学依据。
大气污染联防联控模拟案例
案例概述
应用
用于模拟和分析湍流状态下的大气污染物扩散过程，有助于更好地理 解污染物的扩散机制。
污染物扩散模型
定义
污染物扩散模型是用来模拟和预测污染物在大气中扩散的数学模型。
原理
通过建立数学方程来描述污染物的扩散过程，利用数值方法求解方 程，得到污染物浓度的空间分布和时间变化。
应用
广泛应用于大气污染防治、环境影响评价和城市规划等领域，为决 策者提供科学依据。
扩散和传输过程。
未来展望
随着科技的不断进步和应用需求 的提高，大气浓度扩散估算模式 将继续发展，考虑更多的影响因 素和复杂条件，提高模拟精度和
实用性。
02
大气浓度扩散估算模式的理论基 础
大气对流扩散理论
定义
应用
大气对流扩散理论是研究在大气流动 过程中，污染物如何在大气中传播、 扩散和稀释的理论。
第四章 大气污染浓度估算模式1
地面连续点源扩散模式
对高架连续点源模式令有效源高 H
0，可得：
y2 Q z 2 c( x, y, z, 0) exp 2 2 2 2 z u y z y
地面连续点源造成的污染物浓度恰好是无界空间连续点源所造成的浓度的2倍。
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
风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素
2、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 主要有三种广泛应用的领域： 梯度输送理论、湍流统计理论、相似理论
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
• 由于烟温高于周围气温而产生一定的浮力。浮力大小主要取决于
烟气于周围环境的温差。 • 平均风速、风速垂直且编辑大气稳定度等对烟气抬升均有影响。
常用的烟气抬升计算公式
霍兰德(Holland)公式 适用于中性大气
用于非中性大气时：
• 对于不稳定条件，烟气抬升高度增加10%-20%；
• 对于稳定条件，烟气抬升高度减少10%-20%；
颗粒物扩散模式
对于排气筒排放的粒径小于15 m的颗粒物，其地面浓度可按气体
扩散模式计算。
对于粒径大于15 m的颗粒物，由于具有明显的重力沉降作用，将
是浓度分布有所改变，可以按倾斜烟流模式计算地面浓度：
(1 a ) q y2 ( H vt x / u ) 2 c( x, y ,0, H ) exp( 2 ) exp[ ] 2 2 y 2 z 2πu y z d p2 p g vt 18
湍流统计理论
对高架连续点源模式令有效源高 H
0，可得：
y2 Q z 2 c( x, y, z, 0) exp 2 2 2 2 z u y z y
地面连续点源造成的污染物浓度恰好是无界空间连续点源所造成的浓度的2倍。
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
风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素
2、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 主要有三种广泛应用的领域： 梯度输送理论、湍流统计理论、相似理论
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
• 由于烟温高于周围气温而产生一定的浮力。浮力大小主要取决于
烟气于周围环境的温差。 • 平均风速、风速垂直且编辑大气稳定度等对烟气抬升均有影响。
常用的烟气抬升计算公式
霍兰德(Holland)公式 适用于中性大气
用于非中性大气时：
• 对于不稳定条件，烟气抬升高度增加10%-20%；
• 对于稳定条件，烟气抬升高度减少10%-20%；
颗粒物扩散模式
对于排气筒排放的粒径小于15 m的颗粒物，其地面浓度可按气体
扩散模式计算。
对于粒径大于15 m的颗粒物，由于具有明显的重力沉降作用，将
是浓度分布有所改变，可以按倾斜烟流模式计算地面浓度：
(1 a ) q y2 ( H vt x / u ) 2 c( x, y ,0, H ) exp( 2 ) exp[ ] 2 2 y 2 z 2πu y z d p2 p g vt 18
湍流统计理论
大气污染控制工程_大气扩散浓度估算模式
2
z
X XC max
H 2
则风速不变时，可导出c max
Q euH 2
17
5、地面连续点源扩散模式 令 H=0 的地面连续点源扩散模式
y2 z2 Q C exp 2 exp 2 2 2 u y z y z
4
二、湍流扩散理论简介
1.梯度输送理论 2.湍流统计理论
5
3.研究湍流的主要方法
目前研究湍流的主要方法有两种： 一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研 究边界层大气运动； 是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法， 结合经验事实，采用适当的参数。 虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问 题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学 家和工程技术人员对此比较感兴趣 另一种是湍流统计理论方法，即物理上把湍流视为大 大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍 流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统 计途径，来分析研究湍流内部结构。 将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统 计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科 学家就致力于这方面的研究。
y 2 z H 2 C2 exp 2 2 2 2 u y z 2 y z Q
（3）P 点的实际浓度为两源作用之和：
C C1 C 2 y2 Q exp 2 2 2 u y z y z H 2 z H 2 exp exp 2 2 2 2 z z
2
§1 湍流扩散的基本理论
一、湍流概念简介 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 1、什么是湍流？ 除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的 乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（ 有点 象分子的热运动） 或者说湍流是大气的无规则运动 。 2、湍流与扩散的关系 把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运 动而形成它与分子运动极为相似。 3.湍流起因有两种形式 ： 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
《大气污染控制工程》第三章大气污染气象学第四章大气扩散浓度估算模式
瓦解阶段:烟体不断膨胀过程中使得大气湍流作用明显加强，烟体结构瓦解，逐渐失 去抬升作用的；
变平阶段:在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的。
烟囱高度的计算
计算方法2:按地面绝对最大浓度计算
Cmax
2q ( z uH 2e y
)
（4-10）Cmax
u
H H (3 21) Cmax
的技术方法》
（P点源排放控制系数，表4-9,4-10）
二、烟囱设计中的几个问题
对于设计的高烟囱（大于200m），若所在地区上部逆温 出现频率较高时，则应按有上部逆温的扩散模式（封闭型 或熏烟型模式）校核地面污染物浓度
烟气抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环 优先采用国家标准中的推荐公式
气象参数的选取 多年平均值；某一保证频率的值
1. 大气稳定度的概念 指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。
定性理解：
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
不稳定条件下有利于扩散
大气稳定度与烟流 型的关系
波浪型（不稳） 锥型（中性or弱稳） 扇型（逆温） 爬升型（下稳，上
考虑地面轴线浓度模式
c(x,
y,
z,
H
)
q
u y
z
exp(
H2
2
2 z
)
上式，x增大，则 、y 增z 大，第一项减小，第二 项增大，必然在某x 处有最大值
第三章 大气污染气象学 第四章大气扩散浓度估算模式
扩散的要素
水平方向：风（平流输送）为主 垂直方向：湍流（脉动风速） 风速越大，湍流越强，大气污染扩散速度越快
变平阶段:在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的。
烟囱高度的计算
计算方法2:按地面绝对最大浓度计算
Cmax
2q ( z uH 2e y
)
（4-10）Cmax
u
H H (3 21) Cmax
的技术方法》
（P点源排放控制系数，表4-9,4-10）
二、烟囱设计中的几个问题
对于设计的高烟囱（大于200m），若所在地区上部逆温 出现频率较高时，则应按有上部逆温的扩散模式（封闭型 或熏烟型模式）校核地面污染物浓度
烟气抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环 优先采用国家标准中的推荐公式
气象参数的选取 多年平均值；某一保证频率的值
1. 大气稳定度的概念 指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。
定性理解：
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
不稳定条件下有利于扩散
大气稳定度与烟流 型的关系
波浪型（不稳） 锥型（中性or弱稳） 扇型（逆温） 爬升型（下稳，上
考虑地面轴线浓度模式
c(x,
y,
z,
H
)
q
u y
z
exp(
H2
2
2 z
)
上式，x增大，则 、y 增z 大，第一项减小，第二 项增大，必然在某x 处有最大值
第三章 大气污染气象学 第四章大气扩散浓度估算模式
扩散的要素
水平方向：风（平流输送）为主 垂直方向：湍流（脉动风速） 风速越大，湍流越强，大气污染扩散速度越快
大气污染控制工程 大气扩散浓度估算模式
1.利用高斯扩散模式计算污染物浓度
• 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。
• 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。
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§第三节 污染物浓度的估算
2. 扩散参数的确定
（1）P－G曲线法
P－G曲线由.根据常规气象资料估算 再由Gifford制成方便的图表
§第三节 污染物浓度的估算 P－G曲线的应用
根据常规资料确定稳定度级别
§第三节 污染物浓度的估算
利用扩散曲线确定 y和 z
§第三节 污染物浓度的估算
H =0.362QH x u
1/3 2/3 1/3 2/3
1 1
H =1.55QH H s u
H =0.332QH 3/5 H s 2/5
3/5 3/5 6 / 5
x*=0.33QH H s u
§第三节 污染物浓度的估算
（3）我国国家标准（GB/T13201-91)中规定的公式
0
源强积分式
（单位时间物料守恒）
q
ucdydz
§第二节 高斯扩散模式
q y2 z2 c( x, y , z ) exp[ ( )] 2 2 2 y 2 z 2πu y z
§第二节 高斯扩散模式
高斯烟流中心线上的浓度分布
§第二节 高斯扩散模式
3. 高架连续点源扩散模式
熏烟型的污染示意图
§第四节 特殊气象条件下的扩散模式
• 例题4-6： • 某电厂烟囱有效高度150m，SO2排放量151g/s。 夜间和上午地面风速为4m/s，夜间云量3/10。 若清晨烟流全部发生熏烟现象，确定下风向 16km处的地面轴线浓度。
例题4-6
• 解：夜间u=4m/s、云量=3/10时，由表4-3查 得稳定度为E级。由E级和x=16km查表4-4得 σy=544m，σz=100m。则求得：
§第三节 污染物浓度的估算
（1） Holland（霍兰德）公式：
适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加
10％～20％）
vs D Ts Ta 1 H (1.5 2.7 D) (1.5vs D 9.6 10 3 QH ) Ts u u
Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较
2
2 q z 不变 y y ( ) 取样时间大于0.5h， 1
1
§第四节 特殊气象条件下的扩散模式
封闭型扩散模式
相当于两镜面之间无穷次全反射 实源和无穷多个虚源贡献之和
实源在两个镜子里分别形成n个像 n为反射次数，在地面和逆面
( H 2nD ) 2 C exp[ ] 2 2 z πu y z q
2q z πuH 2e y
由此求得
cmax
z |x x
cmax
H 2
4. 地面连续点源扩散模式
地面源高斯模式（令H＝0）：
y2 z2 c( x, y , z,0) exp[ ( 2 )] 2 2 y 2 z πu y z q
相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）
（加地面风速）
§第三节 污染物浓度的估算
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）
y 1 x , z x
a1
2
a2
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
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
像源的贡献
q y 2 ( z H )2 c( x, y , z, H ) exp[ ( 2 )] 2 2 y 2 y 2 πu y z
实际浓度
§第二节 高斯扩散模式
地面浓度模式：取z＝0代入上式，得
y2 H2 c( x, y ,0, H ) exp( 2 ) exp( 2 ) 2 y 2 z πu y z q
地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式
H2 c( x,0,0, H ) exp( 2 ) 2 z πu y z q
H2 exp( 2 ) 0.0756m g / m3 2 z u y z Q
当x=11km>2xD时，地面轴线浓度（4-39）
Q 0.00809 m g / m3 2 uD y
§第四节 特殊气象条件下的扩散模式
二、熏烟型扩散模式
假设：D 换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层 部分， 则仍可用上面公式
地面最大浓度估算
由 H 和 z |x x
cmax
H z 2
由 z ~ x 曲线（图4-5）反查出 xcmax 由 y ~ x 曲线（图4-4）查 y 由式（4-10）求出Cmax
§第三节 污染物浓度的估算
（2）改进的P－T法
太阳高度角 云量 （式4-29，地理纬度，倾角） 辐射等级 稳定度
第四章 大气扩散浓的基本理论
高斯扩散模式
§第三节 污染物浓度的估算
§第四节 §第五节
§第六节
特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区的扩散模式
烟囱高度的设计
§第七节
厂址选择
§第一节 湍流扩散的基本理论
1）湍流的基本概念
湍流——大气的无规则运动
扩散最直接最本质的要素
§第二节 高斯扩散模式
高斯扩散模式的坐标系
§第二节 高斯扩散模式
2. 无界空间连续点源扩散模式
由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布
c( x, y, z) A( x)e
方差的表达式
ay 2 bz 2
e
由假定d
2 y
0
y cdy
2
0
cdy
z2
0
z 2cdz c dz
q y2 ( z H )2 c( x, y , z, H ) exp[ ( 2 )] 2 2 y 2 z 2 π u y z
q y2 ( z H )2 ( z H )2 c( x, y , z, H ) exp( 2 ){exp[ ] exp[ ]} 2 2 2 2 2 2 π u y z y y z
2 qL H 2 P2 1 P2 exp( ) exp( )dP P 2 z 1 2π 2 2 π u z
• 例4-7在阴天情况下，风向与公路垂直，平均风 速为4m/s，最大交通量为8000辆/h，车辆平均 速度为64km/h，每辆车排放CO量为2*10-2g/s， 试求距公路下风向300m处的CO浓度。
风：平流输送为主，风大则湍流大 5 6 湍流：扩散比分子扩散快10 ～10 倍
强度取决于 地面粗糙度 风速梯度 地面粗糙 度
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
§第一节 湍流扩散的基本理论
2）湍流扩散理论简介
主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系
H2 y2 exp( ) exp( 2 )dy 2 z 2 y πu y z >45o） 风向和线源不垂直时 （交角 qL
( x,0,0, H )
2 qL H2 exp( 2 ) 2 z 2 π u z sin
有限长线源
( x,0,0, H )
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 湍流统计理论
泰勒公式，正态分布 萨顿实用模式 高斯模式
§第二节 高斯扩散模式
1. 高斯模式的有关假定
坐标系
右手坐标，y为横风向，z为垂直向
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 d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）
q
p
F ( x, y,0, H )
1 1 exp( P 2 )dP 2 y2 2π exp( 2 ), 2 yf 2π uh f yf
y H 8
P (h f H ) / z
yf
2.15 y H tg15o 2.15
§第四节 特殊气象条件下的扩散模式
强的情况下偏差更大。
§第三节 污染物浓度的估算
（2）Briggs（布里格斯）公式：适用不稳定及中性大气条件
当QH 21000kW时 x 10 H s x 10 H s
当QH 21000kW时 x 3x * x 3x * H =0.362QH x u
1/3 1/3 1
( 1 ) 当 Q H 2 1 0 0 k W 和 (Ts Ta ) 3 5 K 时 H n 0Q H n1 H s n 2 u Q H = 0 .3 5 Pa Q V T Ts H 1)
1
T Ta Ts
(2)当1700 kW Q H 2100 kW 时 Q H 1700 2 400 2 (1 .5 v s D 0 .0 1Q H ) 0 .0 4 8 ( Q H 1 7 0 0 ) H 1= u u (3)当 Q H 1700 kW 或 T 35K 时 H =H 1 (H 2 (1 .5 v s D 0 .0 1Q H ) u ( 4 ) 当 1 0 m 高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于 1 .5 m /s 时 H = H = 5 .5 Q H 1 / 4 ( d Ta 0 .0 0 9 8 ) 3 / 8 dz
h f H 2 z 350m H 563m 8 Q 0.0764m g / m 3 2 uh f yf