静风条件下烟尘扩散模式研究

StudyOnConcentrationModeOfDustParticleDiffusion静风条件下尘粒扩散模式的建立和应用王丽萍UnderCalmCondition中国矿业大学本课题研究目的和意义排放源造成的污染物最大地面浓度值以及最大地面浓度出现点距污染源的距离是大气环境影响评价与烟囱高度设计中我们最为关注的问题。通常，尘粒扩散浓度估算使用倾斜烟云模式，但是倾斜烟云模式不能用于静风条件下尘粒地面浓度的预测与评价。本文旨在建立一种新的扩散模式用于静风条件下尘粒地面浓度的预测和评价。本课题研究目的和意义建设项目影响因子（SO2、噪声、资源利用方式改变）环境介质（水、大气、土地）受体（人、动植物、材料、产业）环境影响（健康、生产、生态环境服务）价值（货币化）控抑措施传输、变化剂量—反应关系价值评估技术倾斜烟云模式应用于可沉降粒子浓度预测的局限分析在大气环境影响评价及烟囱高度设计中，往往需要计算排放源造成的污染物最大地面浓度以及最大地面浓度出现点距污染源的距离。作为主要大气污染源电厂、水泥厂、烧结厂的厂区及周围地区的污染主要是降尘所造成的，如何对可沉降污染物粒子的地面浓度进行评价和预测呢？高架孤立点源的可沉降粒子的地面浓度分布预测，常见的方法是根据如下的“倾斜烟云模式”计算：22)/ge(2exp)2exp(2)e,,,(22zuvxHyuoyxcyzyQH倾斜烟云模式公式22)/ge(2exp)2exp(2)e,,,(22zuvxHyuoyxcyzyQH式中：)e,,,(Hoyxc—下风向任一点的地面浓度(g／m3)；Q——污染源源强(g／s);—有效源高(m)；Hevg—粒子平均沉降速度(m／s)；u—平均风速(m／s)；yz—y向、z向的扩散参数(m)。倾斜烟云模式在使用过程中的问题（1）该公式仅适用于有风(＞1m／s)或小风（0.5m／s-1m／s）的气象条件，即存在一稳定的平流输送作用，此时可沉降粒子的扩散呈现倾斜烟云。即该公式的使用条件是大气中存在一稳定的主导风(即x向为主导风向),它不能用来预测静风条件下烟尘的地面浓度。（2）根据公式(1)计算下风向任意点的地面浓度时，计算值是单位体积上的质量沉积率(g／m3)，而大气环境常规监测指标降尘值为单位面积、单位时间的质量沉积率(t／km2.月)，二者量纲上不能统一，需要对计算式的浓度项进行适当变换成单位面积、单位时间的质量沉积率，使计算值与测定值之间具有可比性。然而，如何对可沉降粒子在静风条件下扩散的地面浓度进行评价和预测，目前尚是空白，张江山在《静风条件下倾斜烟云最大地面浓度距离计算方法研究》（《环境工程》1994年第12期）中提出对倾斜烟云模式进行数学变换处理，来计算静风条件下的可沉降粒子扩散的地面浓度分布，笔者认为这种变换缺乏内在依据。鉴于许多地区静风频率不低，静风条件下大气污染预测不容忽视，本文将建立一个适合于静风条件下尘粒烟云扩散的正态分布地面浓度模式，并确定模式的扩散参数表达式，它可以简捷地预测孤立点源尘粒的地面浓度及扩散范围。蘑菇烟云地面浓度扩散模式的建立（1）静风条件和重力沉降对尘粒扩散的影响布里吉斯等[3]指出：“静风的定义是=0.5m／s”，所以处理静风问题时，我们可假定其平均风速为0.3～0.5m／s。静风条件下，风向紊乱，所以平均风速的方向是随机变化不定的。当静风条件持续一段时间后，风向在整个水平面上统计平均值结果可将平均风速的值视为零。因此，从污染源排放出的污染物，是向上和向四周缓缓扩散的，污染物在水平面上的扩散已无明显的方向性。粒径大于10μm的粒子存在着明显的重力沉降作用，粒子在大气中的沉降速度可用斯托克斯公式计算。此外，地面对粒径=10μm～20μm的粒子也不能发生全反射及部分反射，粒径＞20μm的粒子一旦沉降到地面将滞留在地面.所以，可沉降粒子在静风条件下的扩散是在向上扩散和向四周均匀缓缓扩散的同时发生下沉。因此，静风条件和高架连续点源的有效源高一定的情况下，可沉降粒子的扩散范围已主要取决于尘粒自身沉降速度的大小。（2）正态分布假定的蘑菇烟云扩散模式的建立基于上述静风条件和重力沉降两种作用对高架连续点源尘粒扩散的影响分析，我们可建立以下论点：由于风向的随机不定性和重力沉降作用，高架连续点源的可沉降尘粒烟云扩散形态为向上向四周均匀扩散的同时发生下沉，高架孤立点源的尘粒烟云扩散形态如蘑菇烟云。静风条件下尘粒在铅直向扩散，可以认为主要是由重力沉降起支配作用，颗粒沉降到地面将稳定地滞留于地面。排放源的有效高度为烟云扩散的最高点。由于风向随机变化不定性，在水平面上任一瞬间每一尘粒可随意左右、前后摆动。静风持续一段时间后，虽然每一粒子在水平面上位移方向大小不同，但是许多粒子位移的集合却趋于一个稳定的统计分布值。因此污染物粒子在以污染源为中心的水平360°内，与污染源等水平距离X处出现频率相等，并且在中心点(污染源所在点)的出现频率为最大。静风持续一段时间后，高架孤立点源可沉降粒子的地面浓度分布为：水平面上以污染源为中心的同心圆上均匀分布，且必在中心点位置浓度值为最大，沿水平任何方向呈现为对称于烟囱(高架孤立点源)的正态分布。静风条件下高架连续点源尘粒扩散为蘑菇烟云扩散如图1所示:H---烟囱的几何高度;dH---烟云的抬升高度;He=H+dH---烟囱的有效高度;X---烟云的扩散半径因此,我们可以建立以下正态分布的地面浓度模式，其地面浓度分布函数可表达为C（x）—距污染源直线距离为x处的地面浓度(g／m2·s)=)(xc)2exp(22/22xxQ=式中：（1）（3）标准偏差(扩散参数)σ值的确定根据标准正态分布表，σ=1,φ(x)=0.975时，查得x=1.95，可求得所要求的正态分布标准差：vuHvuHgge513.0195.1/eσ的单位为m，表示C(x)在水平面上任何一方向的扩散参数。扩散参数σ的通式vuKHg/eσ=式中的k值取决于污染源尘粒的粒径分布，粒径分布愈窄，粒径均值愈粗，K值愈小。（2）（3）综合公式（1）和（3），得到静风条件下高架孤立点源可沉降粒子的地面浓度扩散模式：])/e(222exp[/e)2(2/3)(ggvuHKxvuHxKQxC作为一般实用模式，可将式(2)代入式(1)可满足精度要求，即：])/e513.0(222exp[/e513.0)2(2/3)(ggvuHxvuHxQxC（4）（5）3模式应用举例例：拟建某燃煤电厂一烟囱的有效高度150m，粉尘排放源强为151000mg/s[5],预测静风条件下尘粒的最大扩散范围、最大地面浓度及地面浓度分布。muxvH120005.01504.0ge解：（1）求尘粒的扩散范围3模式应用举例将XM=3m代人，得CM=C(3)=3.63(mg/m2.s)（2）最大地面浓度CM、最大地面浓度出现距离XM最大地面浓度出现在污染源所在点即=0处，考虑到由于烟囱排放烟流的喷射作用，而使尘粒的地面浓度在烟囱出口径范围趋于平衡。故可以认为烟囱外壁落地处为最大地面浓度出现距离，本例中取烟囱直径为6m,即XM=3m。])6.615(21exp[9.10)(2xxxC(3)不同距离的地面浓度分布表1不同距离的地面浓度分布值注：为便于与大气监测常规指标降尘比较，表中列出不同单位的地面浓度值。地面浓度36105010020050080010001200mg/(m2.s)3.631.821.090.2170.1080.0570.0160.0060.0030.001t/(km2.月)9410.44717.42825562.3282147.640.5157.53.4结论(1)静风条件的平均风速可处理为0.3～0.5m／s，分析了静风条件和重力沉降作用对粒子扩散的影响，指出高架孤立点源尘粒扩散呈现蘑菇状烟云并建立了相应的正态分布地面浓度扩散模式(见公式(4))。(2)公式(4)中，σ表示粒子在水平面上任一方向的扩散参数。扩散参数的表达通式参见式(3’)，有效源高一定的情况下，值只取决于粒径分布，粒径分布愈窄，粒子愈粗，值愈小，σ值也愈小。(3)该正态分布地面浓度模式可简捷地预测电厂、烧结厂等高架点源周围在静风条件下的尘粒地面浓度和扩散范围。扩散范围为(0，He／Vg)。u（4）“倾斜烟云模式”中的尘粒地面浓度单位采用g/m3,大气常规监测中降尘浓度单位为t/（km2.月），二者浓度值之间不具有可比性。本文新建立模式中地面浓度量纲采用了单位面积单位时间上的尘粒质量即mg／（m2.s）,或g／（m2.h），实现了大气尘粒扩散模式与实际监测值之间量纲的统一，从而使该模式具有很强的应用功能。