第4章 大气污染浓度估算模式2

环境科学与工程学院湍流扩散的基本理论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烟囱高度设计第四章大气污染物扩散模式第四节特殊气象条件下的扩散模式高斯模式：污染物扩散所波及的垂直范围都处于同一温度层结中，即具有同一稳定度。实际中难以实现特殊气象条件：实际气象条件与高斯模式中假设的气象条件不一样。1、封闭型扩散模式封闭型扩散上部有逆温，使污染物的垂直扩散受到限制，只能在地面和逆温层地之间进行扩散。相当于两镜面之间无穷次全反射污染物浓度为实源和无穷多个虚源贡献之和22(2)exp[]2πzyzqHnDCu实源在两个镜子里分别形成n个像计算公式：式中：n为烟流在两界面之间的反射次数D为逆温层地离地面的高度，即混合层高度，m。简化的计算公式，分三种情况处理：•当时，烟流经过两界面多次反射，达到某一距离后，在Z方向的浓度分布将趋于均匀，但Y方向浓度分布仍为正态分布：Z方向分布函数：x2Dxx0111DdZDD•当时，烟流扩散尚未受到上部逆温层的影响：(烟流半宽度)注：为烟流垂直扩散高度刚好达到逆温层底市的水平距离。根据值查P—G曲线可得值由可计算出地面轴线浓度。Dxx2.15zDHDxzDx22(,0,0,)exp2zyzQHcxHu烟流宽度：烟流中心线到浓度为中心处距离的两倍则：即：220expDyyquAxdydz22,exp2yyqycxyuD•当时，污染物在前两种情况的中间变化，采用内插法简化计算：取、两点浓度按值线性内插得到。2DDxxx2DxxDxxx22,()exp2yycxyAxY方向分布函数：2、熏烟型扩散模式熏烟过程在夜间发生辐射逆温时，清晨太阳升起后，逆温从地面开始破坏而逐渐向上发展。当逆温破坏到烟流下边缘以上时，便发生了强烈的向下混合作用，使地面污染物浓度增大。这一过程称为熏烟过程。熏烟过程可一直持续到烟流上边缘的逆温层消失为止。浓度估算假设：烟流原是排入稳定层内的，当逆温层消失到高度时，在高度以下的浓度垂直分布均匀。则把D换成逆温消失层高度，源强q只应包括进入混合层中的部分。fhfhfh22211exp22,,0,exp22/pFyffyffzqPdPyxyHuhPhH2.15152.158oyyfyHtgH当逆温消失到烟囱的有效高度处，即时：地面熏烟浓度：地面轴线浓度：fhH22,,0,exp222FyffyfqyxyHuh,,0,22FfyfqxyHuh当逆温消失到烟流的上边缘处，即时，可以认为烟流全部向下混合，使地面熏烟浓度达到极大值：地面熏烟浓度：地面轴线浓度：2fzhH22,,0,exp22FyffyfqyxyHuh,0,0,2FfyfqxHuh当逆温消失到以上时，烟流全部处于不稳定大气中，熏烟过程已不复存在2zH第五节城市及山区扩散模式1、城市大气扩散模式城市：污染源多种多样；下垫面粗糙；热岛效应。使得微气象特征和大气扩散规律与平原有着显著不同。线源扩散模式无限长线源•风向与线源垂直时连续排放的无限长线源在横风向产生的浓度处处相等。则：2222,,0,expexp22LzyyzqHyxyHdyu对上式积分得到：222,0,0,exp22LzzqHxHu•风向与线源不垂直时，若风向与线源夹角，线源下风向的浓度模式为：注：若风向与线源夹角时，不能应用该模式45222,0,0,exp22sinLzzqHxHu45有限长线源必须考虑线源末端引起的“边缘效应”：2122221,0,0,expexp2222PLzPzqHPxHdPu式中：上式积分值可从正态概率表中查得1122/,/yyPyPy面源扩散模式•污染源多、分布面广、排放高度低、强度小•大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量0.04t/h箱模式•假设条件：污染物浓度在混合层内均匀分布•模式：(各参数符号见教材P105)•城市中任意点的浓度—划分为更小的面源：•由于假设污染物一经排放、就立即在混合层内均匀分布。这与污染物在垂直方向的扩散情况不符。因而，箱模式往往低估了实际的地面浓度。大城市范围越大，应用效果越好。QxuD1niiQxuD简化为点源的面源模式•假设条件：面源单元与上风向某一虚拟点源所造成的污染等效。当这个虚拟点源的烟流扩散到面源单元的中心时，其烟流的宽度正好等于面源单元的宽度，其高度正好等元面源单元的高度。烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍12222200000001/1/000121(,,0,)exp{[]}2()()π()(),4.32.15(),()yyzzyyzzyzyzyzqyHxyHuWHxx则有：000024.324.32yzyWzH可得：窄烟流模式•一般面源的源强变化不大，相邻两个面单元之间一般不超过2倍，而且一个连续点源形成的烟流相当窄。因而，某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向两侧面单元对其影响很小。•M点所在面单元对该点污染物浓度的贡献比它上风向相邻5个面单元贡献的总和还要大。因此，M点的污染物浓度主要由它所在面单元的源强所决定。则：0qAu取的形式，则：22zx212222210.811zxxAxx用上述窄烟流模式计算时，对每一风速，只需将每一面单元的源强乘以相应的系数A就可得出该面单元的浓度。2、山区扩散模式•山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定以及烟流的正态分布假设均难以成立。•对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多。因此，应取向不稳定方向提及后的扩散参数。封闭山谷中的扩散模式由于受到峡谷地形的限制，可以认为污染物仅能在峡谷两壁之间扩散。在距离污染源一段距离后，污染物砸横向金石为均匀分布，在垂直方向仍为正态分布。由：222,exp22zzQzxzuW222/220/2,exp2exp2zWWzzxzAxzQuAxdydz得：对地面浓度，z=0，得：2,2zQxzuW若为高架源，则为：22222,,expexp222zzzzHzHQxzHuW在烟流开始扩散的一段距离内，污染物在横向扩散尚未达到均匀分布，则应考虑横向扩散的影响。当达到一定距离后可以认为污染物在横向扩散达到均匀。这个距离和谷宽W的关系：4.3yW由上式，根据大气稳定度，可以求出相应的x的值，此距离可认为是扩散开始受到峡谷两侧壁影响的距离。NOAA和EPA模式NOAA(美国国家海洋和大气局)－以高斯模式为基础，仅对有效源高进行修正。EPA(美国国家环保局)－与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正ERT模式高斯模式，只对有效源高进行修正第六节烟囱高度的设计1、烟囱高度的计算确定烟囱高度的要求满足大气污染物的稀释扩散要求节省投资：造价最低，一般烟囱造价正比于H2地面浓度不超标烟囱高度的计算，一般采用高斯模式的简化公式计算方法按地面最大浓度计算设：为国家标准规定的浓度限制，为环境本定浓度，则应保证0CbCmax0bCCC由：max220.5,1zzyyqCuHe得：02zsybqHHeuCC按地面绝对最大浓度计算方法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P值法根据我国国家标准GB/T13201-91种规定的气态污染物核电站烟尘排放源的允许排放量计算时，即可得到按点源排放控制系数P计算烟囱高度的公式：610sqHHP按一定保证率的计算法•当保证时设计的烟囱高度较矮，造价低，但当风速小于平均风速时，地面浓度就会超标；•当按地面绝对最大浓度设计时，烟囱较高，不论风速大小，地面浓度皆不会超标，但烟囱造价很高。•因而，按上述两种方法中的平均风速和扩散参数取一定的保证率下的值，计算结果即为某一保证率的气象条件下的烟囱高度。maxabsm2、烟囱设计中的几个问题上述计算公式皆是在烟流扩散范围内温度层结相同的条件下，按锥形烟流高斯模式导出。在上部逆温频率较高的地区，应按封闭型模式校核；在辐射逆温较强的地区，需要用熏烟型模式校核烟气抬升高度的选取：应选用胎生共识的应用条件与设计条件相近的抬升公式；一般情况下，优先采用国家标准中的推荐公式必须考虑烟流下洗、下沉现象：烟囱高度不得低于它所从属建筑物高度的两倍；烟囱出口烟气流速不得低于该高度处平均风速的1.5倍。第七节厂址选择1、厂址选择中所需的气候资料风向和风速的气候资料大气稳定度的气候资料混合层高度通风系数：混合层高度和混合层内平均风速的乘积DuDu2、长期平均浓度的计算一般采用叠加法计算公式长期平均浓度计算公式按风向方位计算平均浓度ijkLijkijkLijkijkkxff23/222exp22/16ijkzzqHxu注：各参数符号见教材P112-1133、厂址选择中考虑的其他因素从防治大气污染的角度考虑，理想的建厂位置是污染物本底浓度小，大气扩散稀释能力强，排放的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方。本地浓度风向、风速：污染系数=风向频率/平均风速温度层结地形