第四章大气扩散浓度估算

大气污染控制理论与方法环境科学与工程学院第四章大气扩散浓度估算•环境科学与工程学院•二O一O年三月§4-1烟气抬升高度通过烟囱排出的烟气通常都具有一定的速度和温度。在动力及浮力作用下，烟气在离开烟囱口以后，仍然要向上冲出一定的高度，然后再沿风的方向扩散开。烟气在水平方向的扩段称为烟羽。烟羽轴线与烟囱口间的距离称为烟羽抬升高度有效源高一、有效源高烟囱的有效高度H（烟轴高度，它由烟囱几何高度Hs和烟流（最大）抬升高度ΔH组成，即H=Hs+ΔH），要得到H，只要求出ΔH即可。ΔH：烟囱顶层距烟轴的距离，随x而变化的。1、烟气抬升（1）烟气从烟囱排出，有风时，大致有四个阶段:(见下页图)a）喷出阶段；b）浮升阶段；c）瓦解阶段；d）变平阶段：（2）烟云抬升的原因有两个：①是烟囱出口处的烟流具有一初始动量（使它们继续垂直上升）；②是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。这两种动力引起的烟气浮力运动称烟云抬升，烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度。浮升阶段瓦解阶段变平阶段喷出阶段HsΔH图烟气抬升与扩散2、影响烟云抬升的因素影响烟云抬升的因素很多，这里只考虑几种重要因素：（1）烟气本身的因素a）烟气出口速度（Vs）：决定了烟起初始动力的大小；b）热排放率（QH）—烟囱口排出热量的速率QH越高烟云抬升的浮力就越大，大多数烟云抬升模式认为，其中α=1/4～1，常取α为2/3。（2）环境大气因素a）烟囱出口高度处风速，越大，抬升高度愈低；b）大气稳定度不稳时，抬升较高；中性时，抬升稍高；稳定时，抬升低。c）大气湍流的影响大气湍流越强，抬升高度愈低。（3）下垫面等因素的影响HQ32s3、烟云最大抬升高度的经验计算抬升高度的计算公式很多，但由于影响抬升高度的因素很多，所以目前大多数烟羽抬升公式是凭经验的，且各有其特点（局限性），因此应尽量选择该公式的导出条件和我们的计算条件相仿的。下面介绍几个常见公式：1）只考虑动力上升的烟羽抬升公式a.勒普公式：duVs5.1b.史密斯公式：4.1uVsd2）以热力抬升为主的公式a.霍兰德(Holland)公式：uQDuDTTTuDuHhssass/)1079.95.1()7.25.1(6式中：us-烟气出口流速，m/s；D-烟囱出口处的内径，m；ū-烟囱出口处的平均风速，m/s；Qh-烟囱的热排放率，KJ/s；Ts-烟气出口温度，K；Ta-环境大气平均温度，K，取当地近5年平均值。霍兰德公式校正分数取值适用条件：中性大气条件；对于非中性大气条件，进行修正：不稳定大气→增加（10%～20%）△H；稳定大气→减少（10%～20%）△H。不适于：计算大型的热排放源或高于100m烟囱的抬升高度。b.布里吉斯（Briggs）公式适用于不稳定大气条件和中性大气条件的计算式。当Qh20920KJ/s时：x10Hs13/23/1362.0uxQHh；x10Hs13/23/155.1uxQHh当Qh20920KJ/s时：（5/65/35/2*33.0uxQxh）x3x*13/13/1362.0uxQHh；x3x*15/25/333.0uxQHhc.康凯维（Concawe）公式：4321/703.2uQh适用于Qh8.374×103KJ/s，近于中性稳定度，中小型烟源的抬升高度计算。3）我国（GB/T13201-91）“制定地方大气污染物排放标准的技术方法”推荐的抬升公式：a.当Qh≥2100KJ/s且△T≥35K时，uHQnnsnh/210，其中svahTTQPQ/35.0表系数n0、n1、n2的取值（见书P91表4-2）Qh(KJ/s)下垫面情况（平原地区）n0n1n2农村或城市远郊区1.4271/32/3Qh≥21000城区及近郊1.3031/32/3农村或城市远郊区0.3323/52/521000Qh≥2100且ΔT≥35K城区0.2923/52/5当Z2≤200m，mZZuu)(121；当Z2200m，mZuu)200(11式中：u1-附近气象台（站）高度5年平均风速，m/s；m-。Z1-附近气象台（站）高度5年平均风速，m/s；Z2-烟囱出口处高度，m；b.当1700kJ/sQh2100kJ/s时，)4001700)((121hQHHHH式中：uQuQDuHhhs/)1700(048.0/)01.05.1(21△H2-由布里吉斯公式求得。c.当Qh≤1700kJ/s或者△T35K时，uQDuHhs/)01.05.1(2d.凡地面以上10m高处ū≤1.5m/s的地区，8/34/1)0098.0(5.5dZdTQHahDTa/dZ为排放源高度以上的气温直减率，取值不得小于0.01K/m。4、烟云抬升高度的测定选用烟气抬升高度计算公式前往往根据实例，根据实测时烟囱参数代入各种公式进行计算，选用与实测值近似的公式，或将公式中系数作以修改。目前已知的测定方法有照相法、气球测高法、激光雷达法等。（2）抬升公式很多，用何公式应按具体情况而定，一般选霍氏公式或中国推荐公式。§4-2污染物落地浓度一、污染源污染源对污染物的影响很大，从污染源考虑污染物浓度主要有以下几方面：(1)污染物指的化学组分及性质，各组分间是否易发生化学反应形成二次污染物等；(2)源的几何形状和排放方式；(3)源强，即污染物的排放速率；(4)源的高度。在源强等条件相同的情况下,源高对地面污染物的影响见右图所示。地面轴线浓度离源距离H1H2H3H3H2H1H—有效源高一、高斯扩散模式的基本形式•x轴沿平均风向水平延伸，•y轴在水平面上垂直于X轴，•Z轴垂直xy平面向上延伸•烟云中心平均路径沿X轴或平行Y轴移动。(二)高斯模式的有关假定•1.烟羽的扩散在水平和垂直方向都是正态分布；•2.在扩散的整个空间风速是均匀的、稳定的；•3.污染源排放是连续的、均匀的；•4.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；3、无界情况下的扩散模式有正态分布假设①可写出浓度分布函数22,,bzayzyxeexAC……………………①由统计理论可写出方差表达式0022cdycdyyy……………………②0022cdzcdzzz……………………③根据假设③④的连续性条件可写出cdydzuQ……………………④(不存在地面时)u上式中：ū—平均风速；Q—源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常：（ⅰ）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；（ⅱ）连续点源以单位时间的释放量表示；（ⅲ）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；（ⅳ）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。δy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m；δz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m；未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b；式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。∵由查表或将式级数展开可得：02320042222adyeyadyedyeayayay代入②式：aaay2124232，221ya……………⑤；同理得：221zb……………⑥将①、⑤、⑥代入④中，得：yzzyzyzzyyzyzyuxAuxAzdeydeuxAdzedyexAudydzeexAuQzyzyzy2222222222222222222222其中：uQxAzy2……………………………⑦再将⑤、⑥、⑦代入①式得无界状况下，下风向任意位置的污染物浓度（g/m3）2222,,22exp2zyzyzyxzyuQC……………………⑧4、高架连续点源扩散模式高架源既考虑到地面的影响，又考虑到高出地面一定高度的排放源。地面对污染物的影响很复杂，如果地面对污染物全部吸收，则⑧式仍适用于地面以上的大气，但根据假设④可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”处理这类问题。可以把P点污染物浓度看成为两部分作用之和，一部分实源作用，一部分是虚源作用。见下页图：相当于位置在（0，0，H）的实源和位置在（0，0，-H）的像源，当不存在地面时在P点产生的浓度之和。（1）实源作用：由于坐标原点原选在地面上，现移到源高为H处，相当于原点上移H，即原式⑧中的Z在新坐标系中为（Z-H）,不考虑地面的影响，则：2222122exp2zyzyHzyuQC实源虚源HHP(x,y,z)反射区Z+HZ-HZ有效源高H=Hs+△H（2）像源作用：源高H，P点距像源产生的烟流中心线的距离为Z+H，则：2222222exp2zyzyHzyuQC（3）P点的实际浓度为两源作用之和：222222212exp2exp2exp2zzyzyHzHzyuQCCC即高架连续点源正态分布假设下的扩散模式。（4）高架连续点源正态分布下地面浓度扩散模式Z=0时即得地面浓度模式：22222exp2exp,0,,zyzyHyuQHyxC（5）高架连续点源正态分布下地面轴线浓度模式222exp,0,0,zzyHuQHxC（6）高架连续点源正态分布下地面最大浓度模式及位置σy、σz是距离x的函数（而x是t的函数），且随x的增大而增大，在上式中zyuQ随x增大而减小，而222expzH随x的增大而增大，两项共同作用的结果必将在某一距离x上出现最大浓度Cmax。求最大浓度利用求极值的方法，即0dxdc，作一些近于实际的假设常数）(constzy，即σy、σz随x增加的倍数相同。由02exp22zzyzzHuQddddc得yzeHuQC2max2且最大浓度出现于满足下列关系的下风处：222Hz2maxHXCXz则风速不变时，可导出2maxeuHQc以上模式适用于气态污染物和粒径小于15μm的飘尘，对于大15μm的颗粒物，由于自身的沉降作用，浓度分布将有所改变。7、倾斜烟云模式在预测上述颗粒时，假设沉积和无沉积有相同的分布形式，但在整个烟云离开源以后，便以重力终端速度下降（ut）,此时，只要将高斯模式中有效源高H用()来置换即可得到倾斜烟云模式。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22222exp2expzyzyzyuQC可见地面源所造成的浓度为无界情况下浓度的2倍。6、地面源下风向地面轴向浓度当y=0，z=0，H=0得：zyxueQc0,0,0,uxuHt222222,,,2exp2exp2exp2ztztyzyHzyxuxuHzuxuHzyuQCutt0xHuxt182gduppt非点源扩散模式（城市及山区扩散模式）1.线源扩散模式;2.面源扩散模式;3.山区扩散模式；1.线源扩散模式•城市中的街道和公路上汽车排放废气可作为线源。•无限长线源：在足够长线路上，维持足够密