大气环境质量评价及影响预测

目录5大气环境质量评价及影响预测05.1大气层和大气污染15.1.1大气层概述15.1.2大气层的结构45.1.3大气污染及其主要影响因素55.2大气边界层的温度场65.2.1气温的垂直分布75.2.2大气静力稳定度及其判据95.2.3逆温115.3湍流扩散的基本理论125.3.1湍流的基本概念125.3.2湍流扩散理论135.3.3点源扩散的高斯模式13[BACKTOTOP]错误!未定义书签。5.4烟气抬升与地面最大浓度计算175.4.1烟气抬升高度公式175.4.2我国烟气抬升高度的计算方法205.4.3地面的最大浓度225.5点源特殊扩散模式245.5.1封闭型扩散模式245.5.2熏烟型扩散模式255.5.3小风和静风时的点源扩散模式275.6非点源扩散模式285.6.1线源扩散模式285.6.2多源和面源排放模式295.6.3体源扩散模式305.7大气湍流扩散参数的计算和测量305.7.1由常规气象资料求大气稳定度305.7.2扩散参数ΣY、ΣZ的确定345.7.3大气湍流扩散参数的测量365.8大气环境影响评价及预测375.8.1大气环境影响评价375.8.2大气环境影响算例3915大气环境质量评价及影响预测为了有效地控制和治理大气污染，就必须评价过去、现在和未来的大气环境质量。正确地推算和预测污染物在大气中浓度的时空分布；估计人类活动，特别是工程项目对环境造成的影响。这就是大气环境质量评价及影响预测。大气污染主要是由于燃料的燃烧、汽车尾气的排放以及某些工厂排出的有害气体造成的。目前比较引人注意的污染物是粉尘、可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等。按照污染物的排放方式，可以将大气污染源分为点源、线源和面源。随着所处大气环境和污染物排放方式的不同，计算大气环境影响的模型也不同。5.1大气层和大气污染5.1.1大气层概述1．低层大气的组成地球周围有一层很厚的气体，称这种气体为大气，称这一层气体为大气圈。大气的上界至少应高于1200km。近代卫星探测资料表明，大气上界约为2000～3000km处。在这样厚的大气层里，和我们关系最为密切的是低层大气。低层大气是由干洁空气、水汽和杂质等三部分组成的。不含有水蒸气和杂质的空气称为干洁空气。它是一种混合气体，主要成分是氮、氧、氩，次要组分是二氧化碳，氖、氦、氟，氚、臭氧等。由于大气中存在着各种形式的空气运动，不同高度、不同地区的空气进行着充分地交换和混合。因此，从地面大约到90km的高空，干洁空气的主要组分比例基本上是不变的。低层大气中的气体组分可分为两部分，一部分是气体组分比例基本上不随时间、空间而变，称为不变气体组分。它以氮、氧、氩为主。一部分是气体组分比例随时间、空间而变化，称为可变气体组分。除氮、氧、氩以外的干洁空气的其它组分均为可变气体组分。它以水蒸气、二氧化碳、臭氧为主，其中变化最大的是水蒸气。大气中水蒸气含量是不稳定的，它随着时间、地点、气象条件(如温度、风、云等)的不同而有较大的变化，其变化范围在0～4％之间。观测表明，在1.5～2.0km高度上，空气中的水蒸气含量已减少为地面的一半，在5km高度上则减少为地面的十分之一，再向上就更少了。因此，水蒸气沿铅直方向上分布是不均匀的。水蒸气含量随着纬度的增加而减少，最大水蒸气含量出现在低纬度洋面上。同一地区的水蒸气含量，夏季大，冬季小。大气中的水蒸气含量虽然很小，它却是水在自然界大循环中的重要链条。如果空气中没有水蒸气就不会发生雨、雪等复杂的天气现象。大气中的二氧化碳主要来源于燃料的燃烧、动植物的呼吸及有机物的腐败；一般说来，大气中的二氧化碳含量，城市比农村多，陆地比海上多，低处比高处多。在20km以下的大气层中，空气中二氧化碳的平均含量为0.03％；在20km以上的大气层中，空气中二氧化碳的平均含量显著减少。二氧化碳和水蒸气对太阳短波辐射吸收能力很弱，对长波辐射吸收能力很强；同时还能发射长波辐射。这对地面和大气保持一定的温度，使日较差不致过大，起着重要作用。臭氧是高空氧分子被高能量光量子撞击离解出氧原子，氧原子再与其它氧分子结合的产物。大气中的臭氧含量很少，大约为10-6％，而且随高度分布不均匀。近地层臭氧含量极少，2从5～1.0km开始逐渐增加，12～15km以上含量增加特别显著，20～25km处达到最大值，再向上又逐渐减少。因此，在12～35km处形成了臭氧层。大气中臭氧的含量虽少，但在大气中起着很大的作用。臭氧能吸收波长短于0.29μm的紫外线部分，这就保护了动植物有机体免受过量紫外线照射的危害。大气中的杂质可分为固态杂质和液态杂质。固态杂质主要有烟尘、扬尘、粉尘等，多集中在大气的低层，通常是陆地多于海上，城市多于农村、冬季多于夏季。液态杂质是指水汽凝结物，如云、雾滴。杂质是以气溶胶分散体存在于大气中的，所以大气杂质又称大气气溶胶粒子。2.描述大气的物理量对大气的物理状态和在其中发生的一切物理现象，我们可以用一些物理量加以描述，以便于对它们的比较和识别。对大气状态和大气物理现象给予描述的物理量叫气象要素。这些气象要素的变化揭示了大气中的物理过程。气象要素主要有：气温、气压、气湿、风向、风速、云况、云量、能见度、降水、蒸发量，日照时数、太阳辐射、地面及大气辐射等。这些气象要素的数值，都是通过观测获得的。下面扼要地介绍几个主要的气象要素。气温：气象上讲的地面气温一般是指离地面1.5m高处在百叶箱中观测到的空气温度。气温一般用摄氏温度(℃)表示，理论计算常用热力学温度(K)表示。气压：是指大气作用在某面积上的作用力与其面积的比值。度量大气压力的单位有毫米汞柱(mmHg)、标准大气压(atm)、巴(bar)、毫巴(mbar)、帕(Pa)；其中标准化单位帕（N/m2）现在作为气象上的法定计量单位。它们之间的关系如下：1atm=76mmHg=101325Pa=1013．25mbar大气压力的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量。因此，对任一地点来说，气压总是随着高度的增加而降低的。据实测在近地层中高度每升高lOOm，气压平均降低约1240Pa；气压随高度增加而降低的关系，可用大气静力学方程来描述，即gdzdp气湿：空气湿度简称气湿。它是反映空气中水汽含量多少和空气潮湿程度的一个物理量。常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气分压力、比湿、混合比、相对湿度、饱和差等。其中以相对湿度应用普遍，它是空气中的水蒸气分压力与同温度下饱和水汽压的比值，以百分数表示。风：气象上把空气质点的水平运动称为风。空气质点的铅直运动称为升、降气流。风是一个矢量，用风向和风速描述其特征。风向指风的来向。风向的表示方法有两种，一种是方位表示法，一种是角度表示法。风向的方位表示法可用8个方位或16个方位来表示。海洋和高空的风向较稳定，常用角度来表示。规定北风为0°，正东风为90°。风速是指空气在水平方向上移动的距离与所需时间的比值。风速的单位一般用m／s、km／h。如粗略估计风速，可依自然界的现象来判断它的大小，即以风力来表示。风力就是风作用到物体上的力，它的大小常以自然界的现象来表示。蒲福在1805年根据自然现象将风力分为13个等级(0～12级)。根据蒲福制定的公式，也可粗略地由风级算出风速，计算公式为)/(02.33hkmFu（5-1）3F是风力等级。在大气边界层中，由于摩擦力随着高度的增加而减小，风速将随高度的增加而增加。表示平均风速的值随高度变化的曲线称为风速廓线。风速廓线的数学表达式称为风速廓线模式。在大气扩散计算中，需要知道烟囱和有效烟囱高度处的平均风速，这种低空风速是通过专门气象观测得到的。这种气象观测没有特殊需要一般是不进行的。然而，一般气象站都会观测地面风(10m高处风速)，并拥有积累了数十年的资料。如果能建立起风速廓线模式，用现有的地面风资料，计算出不易测量的不同高度的风速，将为实际工作带来极大的方便。根据大气环境影响评价技术导则的建议，一般情况下，选用幂指数风速廓线模式来估算高空风速，即pzzuu)(1212式中u2、u1分别为距地面Z1和Z2(m)高度处的10min平均风速（m/s）；幂指数p是地面粗糙度和气温层结的函数。在同一地区、相同稳定度情况下，幂指数p值为一常数。在不同地区或不伺稳定度情况下，p值取不同的值。大气越稳定，地面粗糙度越大，p值越大，反之p值则越小。欧文(Irwin,1979)给出了6种稳定度(帕斯圭尔法)、两种粗糙度情况下的幂指数p；我国的大气环境影响评价技术导则，也给出相应的p值，如表5-1所示。表5-1不同稳定度下风速廓线幂指数p的取值稳定度ABCDEF欧文(Irwin)城市0.150.150.200.250.400.50乡村0.070.070.100.150.350.55环评导则0.100.150.200.250.300.30云：云是大气中水汽凝结现象，它是由飘浮在空中的大量小水滴或小冰晶或两者的混合物构成的。云的生成、外形特征、量的多少、分布及其演变不仅反映了当时大气的运动状态，而且预示着天气演变的趋势。云量是云的多少。我国将视野能见的天空分为10等分，其中云遮蔽了几分，云量就是几。例如，碧空无云，云量为零，阴天云量为10。总云量是指不论云的高低或层次，所有的云遮蔽天空的分数。低云量是指低云遮蔽天空的分数。我国云量的记录规范规定以分数表示，分子为总云量，分母为低云量。低云量不应大于总云量。如总云量为8，低云量为3，记作8／3。国外将天空分为8等分，其中云遮蔽了几分，云量就是几。能见度：在当时的天气条件下，正常人的眼睛所能见到的最大水平距离，称为能见度(即水平能见度)；所谓能见就是能把目标物的轮廓从它们的天空背景中分辨出来。为了要知道能见距离的远近，事先必须选择若干固定的目标物，量出它们距离测点的距离，例如山头，塔，建筑物等，作为能见度的标准。在夜间，必须以灯光作为目标物来确定能见度。能见度的单位常用米或千米。能见度的大小反映了大气的混浊程度，反映出大气中杂质的多少。（5-2）45.1.2大气层的结构我们把随地球引力而旋转的大气层叫做大气圈。大气圈的最外层的界限是很准确地划定，但大气圈也不能认为是无限的。在地球场内受引力而旋转的气层高度可达10000公里。有的学者就以10000公里的高度作为大气圈的最外层。在一般情况下，可以认为地球表面到1000-1400公里的气层作为大气圈的厚度。超出1400公里以外，气体非常稀薄就是宇宙空间了。地球大气圈的总质量估计为6000万亿吨。大气圈中的空气，分布是不均匀的。海平面上的空气稠密、在近地面的大气层里，气体的密度随高度上升而迅速变稀，但是在400—1400公里的大气层里，空气是渐渐变稀薄的。根据大气圈中大气组成状况及大气在垂直高度上的温度变化而划分的大气圈层的结构，可以分为五层，即对流层，平流层、中间层、暖层和散逸层。如图5-1所示。现将各层特点分述如下：1．对流层；对流层是指由下垫面算起，到平均高度为12km的一层大气。对流层的上界高度是随纬度和季节而变化的，在热带平均为17～18km，温带平均为10～12km，高纬度和两极地区为8～9km夏季对流层上界高度大于冬季的。对流层具有下述四个主要特点。(1)(1)气温随高度的增加而降低，由下垫面至高空，高差每100m气温约平均降低0.65℃。(2)(2)对流层内有强烈的对流运动。这主要是由于下垫面受热不均匀及下垫面物性不同所产生的。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。(3)(3)对流层的空气密度最大，虽然该层很薄，但却集中了全部大气质量的3/4并且几乎集中了大气中的全部水汽；云、雾、雨、雪等大气现象都发生在这层。(4)(4)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。0102030405060708090100160200240280320热层中间层平流层对流层N2,O2,H2O,Ar,CO2N2,O2,O3,(N