第三章 大气污染及污染扩散模型建立(v1.7)..
空气污染学 第三章 污染扩散基本理论
湍流运动尺度广 瞬时：烟道窄，不规则，随方向摆动，浓度高 长时间：烟道宽，规则，趋于平均，浓度低 注：采样时间不同，污染物浓度不同，要说明采 样时间
由湍流运动引起 的局地质量通量 与该地被扩散物 质的平均浓度梯 度成正比，称为 梯度输送理论, 又 称K理论
q u q K x x q vq K y y q wq K z z
qi qi qi qi (u ' qi ') (v ' qi ') (w ' qi ') u v w t x y z x y z
平流输送项
湍能扩散项
Si Ri chemis
源 排 放 项 干 湿 沉 降 化 学 反 应 分子扩散项 忽略不计
qi qi qi qi (u ' qi ') (v ' qi ') (w ' qi ') u v w t x y z x y z
将 u j u j u ' j 代入方程，并求雷诺平均(参考stull,第三章)
qi 2 qi ' ' ' ' (u j qi ) u j q i Di Ri ( q1 q 1 ,........ qN q N , T ) Si ( x, t ) t x j x j x j x j
欧拉方法和拉格朗日方法比较
欧拉方法－污染物平流扩散方程
qi 2 qi u j qi Di Ri (q1 , q2 ........qN , T ) Si ( x, t ) t x j x j x j
局 地 变 化 项 平 流 项 分 子 扩 散 项 化 学 反 应 项 源 项
【精选】第三章-大气污染及污染扩散模型建立(v1.7)..幻灯片
（d）降尘：颗粒粒径大于10微米的颗粒物；
（e）飘尘：颗粒粒径大于10微米的颗粒物。
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
【4】危害
①遮挡阳光，使气温降低，或形成冷凝核心， 使云雾和雨水增多，以致影响气候 ； ②使可见度降低，交通不便，航空与汽车事故 增加； ③可见度差，照明耗电增加，燃料消耗随之增 多，因此空气污染也更严重．形成恶性循环； ④燃煤时生成的SOx，再加上微粒的作用，对呼 吸系统的危害特别大； ⑤用四乙基铅作汽油的防爆剂时，排入空气中 的铅有97％为直径小于0.5微米的微 粒，分布 很广，危害很大。
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物 1、颗粒物
【1】颗粒物的粒度、性质和成因
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
【2】几种颗粒物的区分 （a）粉尘（dust） 粒径1～200微米，主要机械作用或是土壤、岩石的风化 形成的，如粘土粉尘、煤粉等。 （b）烟（fume） 粒径0.01～1微米，主要由冶金过程熔融物质挥发后生 成的气态物质的冷凝物，如PbO烟、ZnO烟等。 （c）飞灰（fly ash） 燃料燃烧产生的烟气排出的分散的较细的灰分。 （d）黑烟（smoke） 燃料燃烧产生的能见气溶胶。 （e）雾（fog） 气体中液滴悬浮体的总称，如水雾、酸雾、油雾。
3、氮氧化物（NOx）
【1】主要污染物：NO、NO2 【2】性质：棕黄色、有刺激性气味（黄龙）； 【3】主要来源：燃料燃烧、汽车尾气、部分生产或使
用硝酸的工厂排放的尾气； 【4】燃烧过程中NOx的产生情况：热力（热解）NOx
、燃料（燃烧）NOx和瞬时NOx。 【5】危害： （a）毁坏棉花，尼龙等织物； （b）损害植物——使柑桔落叶、发生萎黄病和减产； （c）引起急性呼吸道病变。会导致光化学烟雾。
污染物扩散模型的构建与模拟分析
污染物扩散模型的构建与模拟分析随着现代工业化及城市化的不断发展，环境污染问题越来越突出，这对人类的健康、生态环境及生物多样性等方面都带来了极大的威胁。
而污染物的扩散是导致环境污染的主要原因之一。
因此，对污染物的扩散模型的构建与模拟分析具有重要的理论和实际意义。
一、污染物扩散模型的基本概念污染物扩散模型是指对污染物在大气、水体、土壤等介质中扩散传播过程进行数学建模的过程。
其核心思想是通过数学公式描述污染物扩散、转化与传递规律，对污染物的特征、分布、浓度、影响等进行评估和预测，为环境保护和污染控制提供支持。
在污染物扩散模型中，其中一个关键要素是扩散系数，它主要考虑污染物的扩散现象。
扩散系数大小与被扩散的分子量、临界温度、扩散介质温度、压力等成正比例关系。
此外，影响扩散的还有风速、风向、湍流强度等气象因素。
因此，在具体构建模型时需要考虑多方面因素的影响。
二、污染物扩散模型的分类理论上，污染物扩散模型可以分为两大类，即基于经典物理学的扩散模型和基于统计物理学的扩散模型。
前者主要是基于物质的微观规律进行建模，如分子运动、质量传递、动能转移等；后者则是基于大量粒子的统计规律，如统计热力学、热力学平衡等。
在实际应用中，也可以根据具体的扩散介质、污染物种类、浓度范围等多种因素，将扩散模型进行进一步分类。
例如，大气扩散模型可以分为高斯模型、拉格朗日模型、欧拉模型等；水体扩散模型可以分为点源模型、面源模型、非定常模型、在线模型等。
在具体的应用中，需要根据污染物的种类、具体的观测数据、模拟环境等情况，选择适合的模型类型。
三、模型参数估计及优化在进行污染物扩散模型构建时，需要确定相关的模型参数。
而在实际操作过程中，往往难以对所有模型参数进行测量和确定。
此时，需要通过已有的或者历史数据，进行参数估计或反演，以得到合理的参数值。
传统的参数估计方法包括拟合法、极大似然法、贝叶斯反演等。
其中，拟合法最为常见，即根据已有的观测数据，通过试探性调整参数值，将模型预测值与实际观测值拟合。
大气污染源扩散模拟的实现及应用-v
污染源扩散模拟的实现及应用突发性环境污染事故是一种威胁人类安全和健康、破坏生态环境、危害性大的污染事故。
近年来，随着经济的发展，越来越多的突发环境事故爆发，造成严重的环境污染，不仅给国家人民财产造成了损失，同时还严重的危害了周边人民的健康。
因此，加强突发性环境污染事故应急监测，研究其处理技术，对污染物的扩散进行预报是环境监测和环境保护领域中一项非常重要的工作。
1 大气扩散模型研究的意义突发性环境污染事故主要是由于高压容器、储罐、输送管道节门的破裂等诸多原因引起的，它可导致有毒有害气体外泄。
其特点是没有固定的排放方式和排放途径，突然发生、来势凶猛，在短时间内排放大量有毒有害的污染物，有毒气体外泄后，随大气弥散，中心位置浓度最高，向外逐步扩散稀释，下风向形成相应的时空浓度分布。
对于重大突发事故分析，目前国内外普遍采用仿真技术，通过建立数学模型进行分析，而且已建立了很多适用于不同条件的数学模型。
当前应用较为广泛的应急大气扩散模型有：SLAB，DEGADIS，ALOHA，ARCHIE，DEMRA和LPDM,其中比较著名的有RADM、ADOM、STEMD等模型、美国Sigma公司于八十年代中期建立的HPDM模型以及英国剑桥研究院开发的ADMS模型。
这些模型通过对早期的CRSTER的法规式模式做了一些改进和发展，从而产生新一代扩散模型。
这些算法以扩散统计理论为出发点，假设污染物的浓度分布在一定程度上服从高斯分布。
模式系统可用于多种排放源（包括点源、面源和体源）的排放，也适用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面污染物排放模拟、区域环境容量计算与总量控制等多种功能。
这些扩散模型的特点是基于专有平台实现，自成系统。
并且在这些系统中大多考虑了扩散模型源排放、平流输送、湍流扩散、干沉积、湿沉积、气象化学等众多因素，系统功能庞大。
但同时它们基于专有平台，自成系统，所以很难同环保局具体的业务系统进行整合。
考虑到天津某区环保监控与应急指挥系统的实际情况和具体需求，我们基于高斯扩散模型，并根据实际情况加以改造，最终在GIS系统中进行了展现。
大气污染物迁移与扩散模拟模型
大气污染物迁移与扩散模拟模型近年来，随着工业化的迅猛发展，大气污染问题成为世界各国共同面临的挑战。
大气污染物的迁移与扩散模拟模型的研究，对于理解和预测大气污染物的传播路径和浓度分布具有重要意义。
大气污染物的迁移与扩散过程受到多种因素的影响，包括气象条件、地形地貌和污染源的特征等。
为了将这些复杂情况模拟并预测大气污染物的迁移与扩散，研究者们开发了各种模拟模型。
在大气污染物迁移与扩散模拟模型中，气象条件起着重要的作用。
气象因素如风速、风向和大气稳定度可以直接影响污染物的传播路径和浓度分布。
通过使用气象数据，可以对大气污染物的迁移与扩散进行预测和模拟。
此外，地形和地貌也对大气污染物的传播具有重要影响。
地形中的山脉、山谷和河流等地貌特征会影响风的流动，从而改变污染物的传播路径和浓度分布。
通过对地形和地貌的建模，并与气象数据结合，可以更准确地模拟大气污染物的迁移与扩散过程。
污染源的特征也是影响大气污染物迁移与扩散的重要因素。
不同污染源的类型和排放强度将影响污染物在大气中的浓度分布。
对于不同类型的污染源，研究者们利用不同的排放模型进行模拟和预测。
通过与实际监测数据进行对比验证，可以提高模拟模型的准确性。
在大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究中，数学模型和计算机模拟技术起着核心作用。
利用数学和物理方程来描述气象条件、地形地貌和污染源的特征，再结合计算机模拟技术进行模拟计算和预测。
这些模型可以提供各种研究大气污染问题的工具和方法。
近年来，随着计算机性能的提升和数据获取的便捷，大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究也得到了迅猛发展。
研究者们不断改进和完善模型，提高其预测准确性和适用性。
同时，也将模型与实际监测数据相结合，对模拟结果进行验证和修正，以提高模拟模型的可靠性。
大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究对于环境管理和政策制定具有重要意义。
通过预测和模拟大气污染物的传播路径和浓度分布，可以为各国政府提供科学依据，制定相关政策和措施来减少大气污染。
大气污染扩散模型Calpuff
02
03
计算效率
AERMOD计算效率较高，适用于快速 评估，而Calpuff计算效率较低，但结 果更为精确。
与CAMx模型比较
空间分辨率
Calpuff具有较高的空间分辨率，可以更好地模拟污染物 的空间分布，而CAMx则空间分辨率较低。
化学机制
CAMx包含了详细的化学机制，可以模拟复杂的化学反应 过程，而Calpuff则简化了化学机制，主要关注物理传输 过程。
预警系统建立
基于浓度分布图和风险评估结果，可以建立大气污染预警 系统，及时向公众发布污染预警信息，提醒公众采取必要 的防护措施。
污染源贡献分析
污染源识别
通过分析浓度分布图和排放清单数据，可以 识别出主要的污染源及其排放特征。
污染源贡献量评估
利用模型模拟结果和相关分析方法，可以定量评估 不同污染源对污染物浓度的贡献量。
突发大气污染事件应急响应案例分析
案例背景
某地区发生突发大气污染事件， 需要快速响应并制定应急措施。
01
03 应急响应措施制定
基于模型模拟结果和实时监测数 据，制定针对性的应急响应措施 ，如疏散受影响人群、实施交通 管制等。
Calpuff模型应用
02 利用Calpuff模型模拟突发大气污 染事件的扩散情况，预测污染物 的浓度分布和影响范围。
03
Calpuff模型计算过程
气象场模拟
1 2
气象数据输入
读取地面观测站、探空气球、卫星遥感等多源气 象数据。
气象场插值
采用空间插值方法，生成高分辨率的气象场，包 括风速、风向、温度、湿度等参数。
3
气象场模拟
运用中尺度气象模型（如MM5或WRF）模拟大 气边界层结构，提供Calpuff模型所需的气象场 。
大气风场及污染物扩散的数学模型研究
文章编号:1004-9762(2002)04-0376-04大气风场及污染物扩散的数学模型研究刘长威1,陈义胜2,胡银枝2(1 包头钢铁学院科研处,内蒙古包头 014010;2 包头钢铁学院冶金工程研究所,内蒙古包头 014010)关键词:大气风场;污染物扩散;数学模型中图分类号:X132 文献标识码:A摘 要:在湍流模型的基础上建立了大气风场数学模型和与之耦合的污染物扩散数学模型 模拟给出了一个开放空间内风遇地面建筑物的绕流过程,以及由建筑物中排放出的污染物在空气中的扩散过程The mathematical model study of polluting fountaindiffusion concentration in air pollutionLIU Chang wei1,CHEN Yi sheng2,HU Yin zhi2(1.Department of Scientific Research,UIST Baotou,Baotou014010,China;2.Insti tute of Metallurgical Engineering,UIS T Baotou,Baotou 014010,China)Key words:flow field;polluting fountain diffusion;mathematical modelAbstract:Based on the turbulent mathematical model,the models of air flow field and polluting diffusion were built.Processes in the open space were simulated which included both the wind flow detour while passing through buildings on the ground and the di ffusi on of pollu tan ts sent out from the buildings in to the air.分析和预报污染物在大气中的扩散过程必须要考虑大气自身的运动特点,只有掌握了大气的运动规律才能很好地研究污染物扩散以及污染源对周边环境的影响 目前,国内外多数学者普遍采用传统的高斯模式来研究污染物在大气中的扩散问题,而高斯模式是基于对大气流动、下垫面条件和污染物扩散等几点假设的前提下建立的,因而,在应用过程中存在一定的局限性[1~3] 随着计算技术的飞速发展,应用数学模型,通过计算机模拟来分析大气污染的过程已成为研究大气污染的最有效手段之一[1,4]1 大气湍流流动过程的数学描述对于近地面局部区域的大气运动规律应该具备这样的特点:(1)地面是风场的固体边界,具有湍流流动固体边界的作用[5];(2)地面上的建筑物对风场有扰动作用,扰动作用的大小取决于建筑物高度和迎风面积;(3)大气层结造成的空气上下对流作用对近地面风场影响相对于主风向风力影响可以忽略;(4)在选取相对建筑物足够大的范围研究近地风场时,可以近似认为风沿主风向平行流动1 1 风场数学模型1 1 1 基本假设基于以上对近地风场特点的分析,在模型建立中提出如下几点假设:(1)在研究区域内,上部自由界面没有物质交换;(2)在选取的足够大的研究区域内,沿主风向的2个侧面近似为对称面1 12 数学模型连续性方程:x j( u j)=0;(1)动量方程:2002年12月第21卷第04期包头钢铁学院学报Journal of Baotou Universi ty of Iron and Steel TechnologyDecember,2002Vol.21,No.4收稿日期:2002-10-03作者简介:刘长威(1964-),男,内蒙古呼和浩特人,包头钢铁学院副研究员x j ( u i u j )=- p x i +x j [ e ff ( u i x j + u j x i)]+ g i ;(2)描述湍流运动的k 双方程模型:k 方程: j ( u j k )= j ( e ff k k j )+G - ;(3)方程:x j ( u j )= x j ( e ff x j )+(C 1G -C 2 2)/k,(4)其中,G = tu i x j ( u i x j + u jx i) 写成统一的控制方程为: x j ( u j )= x j ( eff x j)+S .(5)1 1 3 边界条件(1)地面边界用固体边界来处理,具体为u =v =w =0;(2)研究区域2个侧面用对称边界,即ux=0, wz=0;(3)主风向上的2个边界,按入口和出口边界处理;(4)顶部按自由界面处理1 2 污染物扩散数学模型1 2 1 基本假设(1)从建筑物排放出的污染物可以近似为点源;(2)污染源排放出的污染物随时间没有变化;(3)污染源是孤立源 1 2 2 数学模型污染物扩散控制方程:u iCx i =D x 2C x 2i+R x (6)1 2 3 边界条件(1)地面边界按反射边界处理,即 Cx i=0;(2)研究区域2个侧面用对称边界,即 Cx i=0;(3)主流出入口边界,入口按C =0,出口按出口边界计算;(4)顶部按自由界面处理2 模拟研究方法选取长8km,宽4km,高800m 的1个包围孤立污染源的区域进行模拟研究 建筑物高60m,宽400m,长500m,处于研究区域的上风向 平均风速2 5m/s 建立1个直角坐标系,把研究区域划分成微元体,进行数值模拟 对以上微分方程进行差分处理,转化成微元体上的代数方程,然后编制成计算机程序进行迭代求解,得到数值解3 模拟结果与讨论3 1 大气风场模拟结果分析如图1,2所示的模拟结果可以得出,建筑物前方气流均匀稳定地进入模拟区域,遇到建筑物后,气流无论是速度还是方向都发生了很大变化 在建筑物下风向后气流紊乱,速度减小,形成1个扩散型扰动尾翼,尾翼呈扩展趋势,向水平的2个侧面和高空扩展,但影响强度在不断地减弱 离开建筑物越远,气流扰动逐渐消除,气流有逐渐恢复到进入模拟区以前的流动状态的趋势图1 建筑物上方大气流场图Fig.1 Flow field upper building377刘长威等:大气风场及污染物扩散的数学模型研究图2 近地面风场Fig.2 F low field near ground3 2 污染物在运动大气中扩散模拟结果分析如图3~5所示的模拟结果可以得出,在本模拟条件下,由于有较强的单向风作用,污染物的污染区域仅仅在建筑物(污染源)的下风向形成 靠近污染源的地方,污染物集中,扩散程度很小;越远离污染源,污染物扩散程度和范围越大,且污染区域沿着风的方向远离污染源在本模拟研究过程中,假设将1个污染源群近似看作点源,且排放流量为40000m 3/s 污染物在大气中的浓度为1 29 106C,C 为图3~5中的百分比浓度值,以图中7 10-6值为例,则该值表示污染物在大气中的浓度为1 29 106 7 10-6=9.03mg/m 3 如果以污染物CO 为例,按照二级标准(商业交通居民混合区、文化区等)的污染物排放限值规定,C O 时均浓度值应 10mg/m 3[6,7],从图3,4中可以得出,在污染源的水平面方向上,横风向离开污染源约1000m 以上,CO 在大气中的浓度即小于二级标准的浓度限值;横风向离开污染源约小于1000m,CO 在大气中的浓度即超过了二级标准的浓度限值图3 建筑物上部水平面污染物扩散图Fig.3 Polluting fountain diffusion in horizontal plane upper building378包头钢铁学院学报2002年12月 第21卷第4期图4 水平地面平面污染物扩散图Fig.4 Polluting fountain diffusion on plane in horizontalground图5 沿风向垂直面污染物扩散图Fig.5 Polluting fountain diffusion on vertical plane along w ind direction4 结论(1)运动的大气流遇到建筑物时,在建筑物的阻挡下会在下风向产生扰动 扰动范围随离开建筑物的距离增加而增加,但扰动强度减弱(2)从建筑物中排出的有害气体在建筑物下风向会产生局部污染,污染范围与排出污染物浓度、风向、风速有关(3)应用计算机数学模型模拟大气流场和污染物扩散的过程,模拟结果和理论分析的一致性较好,该方法是研究大气污染的一种有效手段 参考文献:[1] 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室 空气污染数值预报模式系统[M] 北京:气象出版社,1999[2] 郝吉明,马广大,等 大气污染控制工程[M] 北京:高等教育出版社,1989[3] 李宗恺,潘云仙,孙润桥 空气污染气象学原理及应用[M] 北京:气象出版社,1985[4] 宋文彪 空气污染控制工程[M] 北京:冶金工业出版社,1985[5] 张 胤,贺友多,李士琦,等 二维非稳定态流场计算[J] 包头钢铁学院学报,1999,18(2):98 102[6] HJ/T2 2 93,中华人民共和国环境保护行业标准:环境影响评价技术导则 大气环境[S][7] GB3095 1996,中华人民共和国环境空气质量标准[S]379刘长威等:大气风场及污染物扩散的数学模型研究。
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
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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。
大气污染模型
大气污染模型目录中文摘要—————————————————————————— 3 英文摘要—————————————————————————— 4 第一章、模糊概念—————————————————————— 51、1模糊集合论的基本原理—————————————————— 51、1、1模糊的产生————————————————————51、1、2 模糊集合论的基本原理—————————————— 61、2 系统的模糊性—————————————————————— 71、2、1环境质量的好坏和环境质量的价值——————————71、2、2 环境系统的复杂性意味着模糊性———————————81、3模糊理论在环境科学和地理信息系统中的研究现状—————— 91、3、1模糊理论在地理信息系统中的研究现状————————91、3、2糊理论在环境科学研究现状及存在的主要问题—————11 第二章、MATLAB简介—————————————————————132、1 MATLA语言简介————————————————————— 13 2、2 MATLAB语言编程基础———————————————————132、2、1函数调用语句———————————————————142、2、2矩阵的MATLAB表示—————————————————142、2、3 MATLAB语言的程序流程语句—————————————192、2、4 MATLAB中新的数据结构———————————————19 2、3 MATLAB语言与科学计算——————————————————202、3、1矩阵的非线性运算————————————————— 202、3、2数据插值————————————————————— 21 第三章、大气污染模型的创建和简化———————————————243、1 地理信息系统中建立模型—————————————————243、1、1地学模型的特点——————————————————— 243、1、2地理信息系统中模型的表达方式————————————253、1、3地理信息系统中模型的存贮——————————————263、1、4 地学建模方法概述————————————————— 27 3、2 大气扩散模式———————————————————————293、2、1 有风时(u10≥1.5m/s)，气态污染物点源扩散模式—————293、2、2 一次地面最大落地（C m）浓度及距离（X m）——————313、2、3 有风时(u10≥1.5m/s)，气态污染物后置点源（面源）扩散模式—————————————————————————————— 313、2、4 小风（1.5m/s>U10≥0.5m/s）、静风（U10<0.5m/s）扩散模式—————————————————————————————— 313、2、5 逆温层破坏时的熏烟模式———————————————323、2、6 日均浓度计算公式——————————————————323、2、7卫生防护距离估算——————————————————33 3、3 适用范围—————————————————————————33 3、4 程序计算时需输入的参数—————————————————— 34第四章、系统的设计和实现————————————————————354、1 系统简述————————————————————————35 4、2 MATLAB函数在方程中的用法———————————————354、2、1 MATLAB的具体函数————————————————354、2、2 此设计的流程图——————————————————37 4、3 MATLAB函数在方程组中的用法———————————————43 4、4 数据库的简单介绍—————————————————————44摘要数据模型就是按专业的要求，用数字方式描述自然界的事物或现象以及他们的关系。
污染物大气扩散模型构建与应用教程
污染物大气扩散模型构建与应用教程大气污染是全球面临的一项严重问题，其不仅对人类健康和生态环境造成威胁，还对气候和全球变暖产生负面影响。
为了了解和研究污染物在大气中的传输和扩散规律，科学家们发展了各种大气扩散模型。
本篇文章将针对污染物大气扩散模型构建与应用进行详细介绍。
1. 污染物大气扩散模型的基本原理污染物大气扩散模型是建立在大气动力学和污染物输送理论基础上的数学模型。
它通过模拟大气环境中的污染物传输过程，预测和评估污染物浓度分布和扩散范围。
一般而言，污染物大气扩散模型可分为随机模型和确定性模型两类。
随机模型基于概率统计理论，通过考虑风速、大气不稳定度、地形、排放源和污染物本身的特性等因素，采用概率分布函数描述污染物的扩散过程。
其中，最常用的随机模型是高斯扩散模型，它基于高斯曲线假设，将传输过程简化为了扩散、平流等过程。
确定性模型则基于物理和数学原理，通过求解一系列大气动力学方程和污染物传输方程，来模拟污染物的扩散过程。
常见的确定性模型有Box模型、Eulerian模型和Lagrangian模型等。
2. 污染物大气扩散模型的构建与参数选择构建可靠的污染物大气扩散模型需要准确选择和确定一系列关键参数。
首先，要考虑大气条件，包括风速、风向、大气稳定度和地形等因素。
这些参数直接影响污染物传输过程中的平流和湍流扩散效应。
根据实际情况和需求，可以采用风速计、气象站等设备获取风速和风向数据，并通过测站数据、气象预报模型或卫星数据获取大气稳定度等信息。
其次，需要考虑污染物特性和排放源的参数。
不同的污染物具有不同的化学和物理特性，例如挥发性有机物（VOCs）、颗粒物（PM2.5、PM10）等。
确定污染物的溶解度、迁移速率等参数，有助于准确模拟污染物的传输过程。
排放源的位置、排放速率和时间等参数也是模型构建的重要输入。
可以通过实地调查、监测数据或排放源模型来获取相关信息。
最后，还需要确定模型的空间和时间分辨率。
空间分辨率决定了模型的空间尺度和网格精度。
大气污染扩散
此标准中对大气扩散稳定度级别的划分采用特纳尔法 （Turner），同时还考虑下垫面状况对扩散的影响，作了 如下规定：
①平原地区的农村及城市远郊区：A、B、C级稳定度直接 由附表二（a）附表二（b）扩散参数幂函数值查算。D、 E、F级稳定度则需要向不稳定方向提半级后查算。
②工业区的城区：A、B级不提，C级提到B级，D、E、F 向不稳定方向提一级半，再按附表二（a）、（b）查算。
当X0→∞时
γ——离源距离 可见其浓度分布与顺风向ห้องสมุดไป่ตู้置无关。
（三）风向与线源成任意交角
当风向与线源成任意交角φ＝（φ＜90°），可用 简单的内插方法估算。
C（φ）＝C（垂直）Sin2φ＋C（平行）
cos2φ
（4．16）
这里介绍的线源模式属于高斯扩散模式体系，运 用条件与高斯烟流模式相同。城市街道两侧高大建 筑物会产生动力效应，上述线源模式不能用来计算 街面和街道两侧浓度分布，必须发展适当的子模式 来模拟城市街道和建筑物对扩散的影响。另外，在 公路附近，排放的污染物的初始散布尺度对污染浓 度有很大影响，必须给扩散参数加上适当的初始量 以免对近距离估计过高。
将（4.1）式代入（4.2）式并进行积分有：
其中U是常数，A＝A（x）与y、Z无关，最后可得到：
把（4．3）代回到（4．1）则可得到无界空间连续高架点源 的高斯扩散公式：
二、有界条件下的高斯模式
设源高为H，以源所在地面的投影作为坐标原点，x轴仍指向 平均风速方向（如图（4－2）b图所示）。
这部时分空浓间度某的一叠点加：P（x，y，z）的浓度可看成是两
一部分相当于无界时P点具有的浓度，
另一部分是由于地面反射作用增加的浓度。 这相当于不存在地面时位置在（0，0，H） 的实源在P点造成的浓度以及因地面反射造成 的相当于位置在（0，0，—H）的“虚源” 在P点造成的浓度之和，如图（4－3）所示。 实源的贡献是：
大气污染教案-第三章56节
注：原点O为排放点或高架源排放点在地面的投影。X轴的正方向为平均风向；
Y轴在水平面上垂直于X轴，指向纸里面为正；Z轴通过原点O垂直于XOY平面，
向上为正。
大气污染教案-第三章56节
2、正态分布的几点假设
由于烟流浓度分布按高斯模型符合正态分布， 因此可作出下述假设： （1）污染物浓度在Y、z轴上的分布为正态分布； （2）在空间中风只在一个方向上做均匀的稳定的运 动； （3）污染物在扩散的过程中没有衰减和增生，遵守质 量守恒定律； （4）源强连续均匀； （5）地表面足够平坦； （6）在X轴方向上，污染物平流输送作用（平均通量） 远大于该方向上的湍流扩散作用。
大气污染教案-第三章56节
3、无限空间中的扩散模式
当污染源位于无限空间中，X轴与烟流轴线重 合，在上述假设的条件下，可以导出无限空间连续 点源扩散的模式:
大气污染教案-第三章56节
y z Cx, y, z)
q
2
y
2
2
exp ( 2
22
2
)
z
y
z
式中 σy ,σz——污染物在y, z方向的标准差,m
大气污染教案-第三章56节
H C max 2q
2e •
z y
x H
x
z
C max
2
大气污染教案-第三章56节
(4)地面连续点源的扩散模式：地面连续点源扩 散模式可由高架连续点源扩散 模式中令H=0而 得到：
y z Cx, y, z)
q
y
2
2
exp ( 2
22
2
)
z
y
z
y z Cx, y, z)
第三章 大气污染扩散
实源的贡献是：
虚源的贡献是：
所以P（x，y，z）点的浓度为：
式中C（x，y，Z，H）为有效源高H的源在点P（x，y，z）处 造成的浓度（mg／m3），Q为源强（mg／s），U为源高处 平均风速（m／s）， σy ，σz分别为横向、垂直向扩散参数 （m）。
公式（4．5）是估算高架点源浓度分布常用
把（4．3）代回到（4．1）则可得到无界空间连续高架点源
的高斯扩散公式：
二、有界条件下的高斯模式
设源高为H，以源所在地面的投影作为坐标原点，x轴仍指向
平均风速方向（如图（4－2）b图所示）。
这时空间某一点P（x，y，z）的浓度可看成是两
部分浓度的叠加： 一部分相当于无界时P点具有的浓度， 另一部分是由于地面反射作用增加的浓度。 这相当于不存在地面时位置在（0，0，H） 的实源在P点造成的浓度以及因地面反射造成 的相当于位置在（0，0，—H）的“虚源” 在P点造成的浓度之和，如图（4－3）所示。 实源的贡献是：
第三节 扩散参数的估计
上述高斯扩散中，欲计算出大气污染物浓度及其分
布，则必须知道源强Q、平均风速U，有效源高H和 大气扩散参数σy和σz。其中Q和U往往是通过测量或 由工程设计给出，于是问题归结于如何给出有效源 高和大气扩散参数。下面我们首先讨论扩散参数的 估算方法。 扩散参数（σy、σz）是下风向距离x，大气稳定度、 地面粗糙度等的函数。目前广泛使用的确定扩散参 数的方法是根据大量扩散试验总结出来的经验方法 和经验公式。
的基本模式。需要说明的是模式中的H是指 有效源高，有关有效源高的问题将在下面进 行专门讨论。式中平均风速是指烟云扩散范 围内的平均风速，通常可简单地取排放面高 度处的风速。
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。
第三章 空气污染散布的基本理论处理
空气污染物 散步的基本 理论处理
主要内容
梯度输送理论 湍流统计理论 相似理论
§3.1 空气污染物散布 的一般性描述
1 描述的基本途径
空气污染物扩散过程由湍流运动和气 流平均速度差决定
常用两种方法描述： 欧拉方法 拉格朗日方法
欧拉方法：相对固定坐标系描述污染 物的输送和扩散。采用雷诺平均的扩 散方程，存在不闭合问题（技术难点）
个别粒子的随机运动无法描述，大量 粒子的集合趋向一个稳定的统计分布。
解决问题关键：确定粒子游走随机函 数y（t）的概率分布。
对于概率相同的无规则行走问题， 当步数充分大时，有： 1 所走距离的概率分布接近正态分布
2 其位移均方根（标准差）与行走时间 的平方根成正比
一 湍流扩散的拉格朗日描述与特征
1 Q*
Cp
LE
z
u j ' '
x j
2
x j2
q q
t u j xj
Sq
uj 'q' x j
q
2 q x j2
欧拉方法－污染物平流扩散方程
qi u qi v qi w qi (u 'qi ') (v 'qi ') (w'qi ')
t x y z x
y
z
平流输送项
注：采样时间不同，污染梯度输送理论－欧拉途径
由湍流运动引起的 局地质量通量与该
uq
Kx
q x
地被扩散物质的平 均浓度梯度成正比， 方向相反，称为梯
vq
Ky
q y
湍流 扩散 系数
度输送理论,又称K 理论
wq
Kz
q z
《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
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
大气污染扩散
③丘陵山区的农村或城市：其扩散参数的选取方法同城 市工业区。
练习题
1、求以下污染气体的浓度单位换算关系（mg/m3ppm)在 标准状态下：CO、O3、NO2、NO。
2 大气中CO2的通量浓度为340ppm,问1Nm3空气中含CO2多 少克？
交通线看成是连续线源，按照高斯扩散模式 体系，其浓度场是组成线源的所有点源浓度 贡献之和，等于点源浓度公式沿着线源长度 上的积分。对直线型的点源，可直接求出积 分，得到计算线源浓度场的解析式；当线源 形状很不规则时，只能用数值求和的方法解 决。
（—）风向与线源垂直
取x轴与风向平行，线源作为地面源的y轴上， 坐标源点通过线源的中心，源长为2y。源强 Q1，在线源上取dy→0，那么dy在下风向浓 度分布dc可用连续点源的高斯模式估算：
式中C(x，y，z)表示在空间某点（x，y，z）某一时段的平均浓 度，
A（x）表示烟流中心轴线浓度。
当y＝Z＝O时，则有下式：
C（x，0，0）= A（x）
式中σy和σz分别表示此段时间内横向和垂直向浓度分布的标 准差，即这两个方向的扩散参数。扩散参数是估算污染浓度
最重要的参数之一。
根据质量守恒原理，在任意一个与x轴垂直的烟流截面上 取一个小面元dydz，单位时间通过小面元的污染物质为 CUdydz，根据连续性原理，单位时间通过整个截面的污 染物应该等于源的排放量，即源强Q：
扩散参数（σy、σz）是下风向距离x，大气稳定度、 地面粗糙度等的函数。目前广泛使用的确定扩散参 数的方法是根据大量扩散试验总结出来的经验方法 和经验公式。
－、P—G扩散曲线法
帕斯奎尔（F．Pasquill）在大量观测和研究的基础上，选 择地面风速、云高、云量和太阳辐射状况，把大气的扩散稀 释能力分为六个等级:
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➢ 强烈对流作用：一般是低纬度的对流运动较强，高纬度地区的对流运 动较弱。由于对流运动的存在，使高低层之间发生空气质量交换及热 量交换，大气趋于均匀。
➢ 温度和湿度的水平分布不均：气象要素水平分布不均匀，特别是冷、 暖气团的过渡带，即所谓锋区。在这里往往有复杂的天气现象发生， 如寒潮、梅雨、暴雨、大风、冰雹等。
CP
f v
式中,CP—某方向污染系数 f—某方向风向频率
v—该方向平均风速
它说明来自某方向的污染程度,与该方向风向频率成正比,
与该方向平均风速成反比。可以计算出各风向的污染系
数, 并绘成玫瑰图。将向大气排放有害物质的工业企业
布置在污染系数最小的方位, 或最大风速风向的下风方
向上。居住区在污染系数最大的方位。
十二月,平均3.56m/s N 4.0
2.0
W
E
SW
S
全部,平均2.74m/s
SE
清远市区风速玫瑰图
S
图例(m/s)
NW
N
NE
NW
N
NE
NW
N
NE
NW
N
NE
W
W
W
W
E
E
E
E
SE
SW
SE
SW
SE
SW
SE
SW
S
S
S
S
一月,平均6.25
N
NW
NE
二月,平均6.25
N
NW
NE
三月,平均6.25
N
NW
NE
四月,平均6.25
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
性质：无色、无味、无臭的气体；
有毒，能与氧气争夺血液中的血色素，使血液 携带氧气能力大大降低，使人体缺氧而窒息 。
数量：是城市大气中数量最多的污染物（约占 大气污染物总量的1/3）。
主要来源：汽车尾气。
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
【1】主要污染物：NO、NO2 【2】性质：棕黄色、有刺激性气味（黄龙）； 【3】主要来源：燃料燃烧、汽车尾气、部分生产或使
（c） PM2.5：悬浮于空中，空气动力学当量粒径 小于等于2.5微米的颗粒物；
（d）降尘：颗粒粒径大于10微米的颗粒物；
（e）飘尘：颗粒粒径大于10微米的颗粒物。
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
【4】危害
①遮挡阳光，使气温降低，或形成冷凝核心， 使云雾和雨水增多，以致影响气候 ； ②使可见度降低，交通不便，航空与汽车事故 增加； ③可见度差，照明耗电增加，燃料消耗随之增 多，因此空气污染也更严重．形成恶性循环； ④燃煤时生成的SOx，再加上微粒的作用，对呼 吸系统的危害特别大； ⑤用四乙基铅作汽油的防爆剂时，排入空气中 的铅有97％为直径小于0.5微米的微 粒，分布 很广，危害很大。
大气压力总是随高度的升高而降低 均质大气层－80～85km以下，成分基本不变
第一节 大气层和大气污染 二、大气污染
大气污染:是指由于人类活动或自然过程使
得某些物质进入大气，呈现出足够的浓度， 达到了足够的时间，并因此危害了人体的舒 适、健康和人们的福利，甚至危害了生态环 境。 大气污染的分类：局部地区污染、地区性污 染、广域性污染和全球性污染。
风速随高度的分布：对数律；指数律。 风向频率和污染系数
为综合考虑风向、风速对空气污染物的输送扩散影响，往 往要用风向频率和污染系数。
大气中污染物浓度与风速的关系
第一节 大气层和大气污染 四、影响大气污染气象要素
风向频率是指一定时间内（年或月），某风向出现次数占 各风向出现总次数的百分率。
污染系数表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响 程度。 CP越大，某下风向污染越严重。
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
【3】几个重要的指标
（a）总悬浮颗粒物（TSP，Total Suspended Particulate ）：悬浮于空中，空气动力学当 量粒径小于等于100微米的颗粒物；
（b）可吸入颗粒物（PM10）：悬浮于空中，空气 动力学当量粒径小于等于10微米的颗粒物；
第一节 大气层和大气污染 一、大气的组成
2、平流层（对流层顶～50~55km）
➢ 同温层－对流层顶35 ～ 40km，气温-550C左 右
➢ 同温层以上，气温随高度增加而增加 ➢ 集中了大部分臭氧 ➢ 没有对流运动，污染物停留时间很长
3、中间层（平流层顶～85km）
➢ 气温随高度升高而迅速降低 ➢ 对流运动强烈
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
【1】主要污染物：SO2、SO3 【2】性质：有刺激性气味；SO2能与水反应生产亚硫酸
；SO3能与水反应生成硫酸。 【3】主要来源：矿物燃料的燃烧； 【4】危害： （a）对人体健康造成危害，还有促癌作用； （b）会形成硫酸烟雾，危害更大；（SOx与颗粒物（主
NW
N
NE
六月,静风14.72%
NW
N
NE
七月,静风8.60%
NW
N
NE
八月,静风9.96%
NW
N
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E
SE
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SE
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S
S
S
S
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E
九月,静风9.72%
N
NW
NE
SE
SW
S
全部,静风12.84%
E
十月,静风13.70%
十一月,静风10.55%
清远市区风频玫瑰图
W
十二月,静风13.43%
N 40.0 30.0 20.0 10.0
S
图例(%)
N
NW
NE
N
NW
NE
N
NW
NE
N
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SW
S
S
S
S
一月,平均3.01m/s
N
NW
NE
二月,平均2.67m/s
N
NW
NE
三月,平均2.46m/s
N
NW
NE
四月,平均2.64m/s
N
NW
NE
W
W
W
W
E
E
第一节 大气层和大气污染 二、大气污染
【1】按污染源存在的形式分： 固定污染源和移动污染物； 【2】按污染物排放的方式分： 点源（高架源）、面源、线源和体源； 【3】按污染物排放的时间分： 连续源、间断源和瞬间源； 【4】按污染物产生的类型分： 工业污染源、生活污染源、交通运输源和农业污染源 【5】按主要污染物分类统计分： 燃料燃烧、工业生产和交通运输
第一节 大气层和大气污染 一、大气的组成
4、暖层（中间层顶～800km）
➢ 气温随高度升高而增高：在300km高度上，气温可达 1000℃以上。
➢ 气体分子高度电离－电离层：电离层具有反射无线电 波的能力。因此它在无线电通讯上有重要意义。
5、散逸层（暖层以上）
➢ 气温很高，空气稀薄 ➢ 空气粒子可以摆脱地球引力而散逸
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
【6】按存在方式分：
气溶胶状态污染物（颗粒物）和气态污染物； 【7】按污染物形成的方式分：
一次污染物和二次污染物 二次污染物是指由一次污染物与大气中已有组分或几种一 次污染物之间经过一系列化学或光化学反应生成的与一次 污染物性质不同的新污染物质。
【8】按化学成分分： 含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物、卤代化合物、尘 类颗粒物、有机化合物、放射性物质和其它有毒物质。
用硝酸的工厂排放的尾气； 【4】燃烧过程中NOx的产生情况：热力（热解）NOx
、燃料（燃烧）NOx和瞬时NOx。 【5】危害： （a）毁坏棉花，尼龙等织物； （b）损害植物——使柑桔落叶、发生萎黄病和减产； （c）引起急性呼吸道病变。会导致光化学烟雾。
第一节 大气层和大气污染 三、大气污染物
【1】主要来源： 自然源——生物分解；（CH4） 人为源——不完全燃烧和有机物的挥发。 【2】主要危害 能生成有害的光化学烟雾。
E
E
SE
SW
SE
SW
SE
SW
SE
SW
S
S
S
S
五月,平均2.31m/s
N
NW
NE
六月,平均2.14m/s
N
NW
NE
七月,平均2.50m/s
N
NW
NE
八月,平均2.44m/s
N
NW
NE
W
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Wቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
W
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E
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SE
SW
SE
SW
SE
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S
S
S
S
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九月,平均3.08m/s
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十月,平均2.81m/s
十一月,平均3.21m/s
N
NW
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E
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SW
SE
SW
SE
SW
SE
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五月,平均6.25
NW
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六月,平均6.25
NW