大气扩散模式

3.1湍流扩散的基本理论影响污染物在大气中扩散的要素风：平流输送为主湍流：扩散比分子扩散快105～106倍湍流扩散理论简介主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系研究湍流场中物质扩散的方法：梯度输送理论统计理论泰勒应用统计理论高斯模式3.2高斯扩散模式高斯扩散模式：坐标系右手坐标，x为风向，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．整个扩散空间中风速均匀稳定c．源强是连续、均匀的d．扩散过程中污染物是守恒的3.2高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系3.2高斯扩散模式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方差的表达式由假定d源强积分式（单位时间物料守恒）22(,,)()eeaybzcxyzAx2200ddyycycy2200ddzzczczddqucyz2222(,,)exp[()]222πyzyzqyzcxyzu3.2高斯扩散模式高架连续点源扩散模式镜像全反射----像源法实源：像源：(,,,)cxyzHz(,,,)cxyzHz2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度3.2高斯扩散模式几种简单的实用模式地面浓度：地面轴线浓度：)2exp()2exp(),0,,(2222zyzyHyuQHyxC)2exp(),0,0,(22zzyHuQHxC3.2高斯扩散模式几种简单的实用模式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHuyz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHuyz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值yz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式3.2高斯扩散模式几种简单的实用模式yzconstd(,0,0,)0dzcxHmax22πzyqcuHemax|2czxxH地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得yzconstd(,0,0,)0dzcxHmax22πzyqcuHemax|2czxxH地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得结论：地面最大浓度与烟囱的有效高度平方成反比地面最大浓度的出现位置随烟囱增高而变远3.2高斯扩散模式颗粒物扩散模式颗粒物扩散与气体扩散的不同：沉降地面沉积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（地面浓度）2222(1)(/)(,,0,)exp()exp[]222πtyzyzaqyHvxucxyHu2pp18tdgv3.2高斯扩散模式颗粒物扩散模式地面反射系数3.3污染物浓度的估算估算中需要确定：Q源强计算或实测平均风速多年的风速资料H有效烟囱高度、扩散参数zy3.3污染物浓度的估算烟气抬升高度的计算烟囱的任务：保持通风排烟气至高空，减轻地面污染实践表明：高烟囱的污染总是低于低烟囱，采用高烟囱可以减轻地面污染。3.3污染物浓度的估算烟气抬升高度的计算烟气抬升：烟气流出出口后继续上升，烟气中心高度最终高于烟囱烟气抬升的原因：动力抬升：取决于初始速度热力抬升：取决于烟气温度抬升作用相当于使烟囱高度增加：H(烟囱的有效高度)=Hs(几何高度)+ΔH(抬升高度)ΔH=Hm(动力抬升高度)+Ht(热力抬升高度)计算中，认为烟气首先完成抬升，之后发生输送和扩散3.3污染物浓度的估算烟气抬升高度的计算公式霍兰德（Holland）式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％）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更大3ssaHs1(1.52.7)(1.59.610)svDTTHDvDQTuu3.3污染物浓度的估算烟气抬升高度的计算公式布里吉斯（Brigss）公式：适用不稳定及中性大气条件H11/32/3sH11/32/3sH21000kW10=0.36210=1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH11/31/3H3/52/5Hs6/53/53/5Hs21000kW3*=0.3623*=0.332*=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu1u3.3污染物浓度的估算烟气抬升高度的计算公式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12Hsa1nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K=0.351700kW2100kW1700=()4002(1.50.01)0.04=sQTTHnQHuTQPQTTTTQQHHHHvDQHu(1)当和时(2)当时HHsH1/43/8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01)=10m1.5m/sd=5.5(0.0098)dQuQTvDQHuTHQz(3)当或时(4)当高处的年平均风速小于或等于时3.3污染物浓度的估算扩散参数σy和σz的确定σy、σz的变化规律随扩散距离的增大而增大大气不稳定时σ大，稳定时σ小粗糙地面上的σ大，平坦地面上的σ小确定方法：P－G曲线法P－G曲线：Pasquill常规气象资料估算稳定度；Gifford制成图表伦敦气象局在P－G曲线的基础上制成了表格3.3污染物浓度的估算利用P-G曲线确定σy和σz：方法要点：稳定度分级；根据相应稳定度和扩散距离x查图表确定σy和σz3.3污染物浓度的估算利用P-G曲线地面最大浓度估算：根据求出σz|x=xCmax根据大气稳定度和σz查P-G曲线得到xCmax根据大气稳定度和xCmax查P-G曲线得到σy将σy和σz代入地面最大浓度估算式（4-10）即得地面最大浓度值CmaxPS：前述模式均适用于整层大气都具有同一稳定度的扩散.2Hz3.3污染物浓度的估算国标方法确定σy和σz：采用特纳尔改进的稳定度分类方法扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）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取样时间大于0.5h，不变，1221,aayzxx2121()qyyz3.4特殊气象条件下的扩散模式有上部逆温时的扩散：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n为反射次数，在地面和逆面实源在两个镜子里分别形成n个像22(2)exp[]2πzyzqHnDCu3.4特殊气象条件下的扩散模式有上部逆温时的扩散：计算简化：1.当x≤xD（尚未达到封闭阶段）由计算σz，查P-G曲线确定xD按式4-9计算地面轴线浓度011d1DzDD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuD011d1DzDD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuDDD2xxx3.DxxD2xx内插（假定变化为线性），按z值插值DD2xxx3.DxxD2xx内插（假定变化为线性），按z值插值15.2HDz3.5烟囱高度的设计计算方法要求：（1）达到稀释扩散的作用（2）造价最低，造价正比于H2（3）地面浓度不超标按地面最大浓度计算：max22()πezyqCuHyzs02πe()zbyqHHuCCbCCC0max在0.5～1.0之间取0C－标准浓度bC－本底浓度max22()πezyqCuHyzs02πe()zbyqHHuCCbCCC0max在0.5～1.0之间取0C－标准浓度bC－本底浓度0C－标准浓度bC－本底浓度3.5烟囱高度的设计计算方法按地面绝对最大浓度计算：maxCu（4-10）max(321)HHC出现极大值maxCu（4-10）max(321)HHC出现极大值1．BHu（代入sBHHu2．maxcsd0dCBuHu（危险风速危险风速））1．BHu（代入sBHHu2．maxcsd0dCBuHu（危险风速危险风速））此时sc2BHHHuabsm2ssc()2πe2πezzyyqqCHBHu代入下式可得sc02πe()zybqHucc此时sc2BHHHuabsm2ssc()2πe2πezzyyqqCHBHu代入下式可得sc02πe()zybqHucc3.5烟囱高度的设计计算方法按一定保证率的计算：取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数P值法(国标GB/T13201-91)6s10qHHP3.5烟囱高度的设计烟囱设计中的几个问题气象参数的取值：多年平均值或某一保证频率值考虑上部逆温的影响选用烟气抬升高度公式注意适用范围考虑烟囱与建筑物的高度关系增加排气量多种因素，综合权衡3.6厂址选择气象资料风向和风速：风玫瑰图大气稳定度混合层厚度的确定3.6厂址选择长期平均浓度的计算计算公式：（考虑风速、风向、大气稳定度的概率组合）按风向方位计算的平均浓度假定：同一扇形内下风下y方向浓度均匀分布；吹某一扇形的风时，污染物全部集中于此扇型中kjiijkijkxf3.6厂址选择长期平均浓度的计算按风向方位计算的平均浓度假定：同一扇形内下风下y方向浓度均匀分布；吹某一扇形的风时，污染物全部集中于此扇型中)2H(expu)16/x()(22Q:),0,,(16/212z2z2/3积分得dyHyxx3.6厂址选择厂址选择本底浓度风向风速考虑风向，污染源应布置在风向频率最小的方位考虑风向和风速，应布置在污染系数最小的方位污染系数=风向频率/平均风速温度层结的考虑地形的考虑