第11章污染物的稀释法控制

第11章污染物的稀释法控制•稀释法•——采用高烟囱排放污染物，通过大气的输送和扩散作用降低其“着地浓度”，使污染物的地面浓度达到规定标准的方法。•11.1影响大气污染的气象因子•在一个地区或一个城市里，即使从污染源排向大气的污染物量并没有很大变化，但不同时段对周围环境造成的污染效应却有很大不同。这是由于在不同气象条件下，大气具有不同的扩散稀释能力所致。•影响大气扩散能力的气象因素主要有：风，湍流，大气层结和大气稳定度。•11.1.1风•１.风的定义及表示方法•风是指水平方向的空气运动，垂直方向的空气运动称为升降气流。风具有方向（指风的来向）和大小（m/s）。风向的表示方法有：•（１）方位表示法，一般把圆周分为１６个方位，两相邻风向方位夹角22.5度；•（２）角度表示法，以正北为０度，将圆周分为360度，沿顺时针方向增加（如图11－1）。一般情况下，风都是以风玫瑰图表示。•图11－２（a）为风向玫瑰图，即风向频率图；•图11－２（b）是风向风速玫瑰图，它表示各风向的发生频率及平均风速的大小。•图11－２（c）则是风向风速综合表示图，它不仅给出风向的发生频率，同时还给出每个风向各种风速的相对频率。•２.大气边界层中风速随高度的变化•从地面向上约１０００m的大气层，因直接受地面的影响，称之为大气边界层。在边界层之上的大气，由于受地面的影响甚微，称之为自由大气。污染物的扩散主要发生在大气边界层。•（１）大气边界层中风速随高度的变化，不同粗糙度下风速随高度的变化情况如图11—３所示。•从图中可以看出，城市地区的粗糙度比郊区和平坦乡村大得多，在同一高度上风速比郊区和乡村要小，风速梯度也小，因而城市上空的大气污染物混合的快，移动的慢。•根据湍流的半经验理论，可以导出最为常用的两个反映边界层内风速随高度变化的规律：１）对数律)/ln(ozzkuu2）指数律mzzuu)/(11由于气象上测的地面风速通常为10m高度的风速，所以上式又可以写成mzuu)10/(10•（2）大气边界层中风向随高度的变化•根据揣流运动方程可以导出边界层中风矢量的公式，根据这个公式可以计算出不同高度上的风矢量，把它们投影到一个平面上，在把风矢量的顶端连接起来，就是所谓的爱克曼螺线，如图14-4所示。•从图中可以看出，随着高度的增加，风速的增大，风向享有偏转，到达边界层顶时，风的大小方向完全与地转风（自由大气中的风）一致。•3局地风•风对排入大气的污染物有两种作用，一种是输送作用，即把污染物输送到较远的地方，从而决定了污染区的方位总是在污染源的下风向；另一种是对污染物的冲淡稀释作用，风速愈大，单位时间内混入废气的清洁空气愈多，从而废气的稀释效果就愈好。•然而在某些局部地区，由于受到下垫面的强烈影响，形成了与一般情况下截然不同的风场，风的这两种作用也产生了完全不同的效果，因而有必要对局部风场进行讨论。•局地风按其成因可分为由地形引起的和由热力引起的局部循环。实际上这两者相互结合在一起，很难截然分开。•（1）山谷风•由于热力原因，在山和平地之间发展起来的固有风系称为山谷风。•由谷地吹向山坡的风称为谷风，由山坡吹向谷地的风称为山风。由山风和谷风形成的山谷风环流如图14-5所示。•白天，地面吸收太阳辐射而增热，山坡上的空气比山谷中部同高度的空气增热快，因而在水平方向形成温度差，温度差引起密度差，即山坡上的空气比同一高度处山谷上空空气密度低，进而使谷底空气沿山坡上升，形成“谷风”。•夜晚，地面冷却放热，紧贴山坡的空气比谷中部同高度上的空气冷却快，故密度差而使冷而重的山坡空气沿山坡滑向谷底，形成“山风”。•当谷底层出现山风（或谷风）时，由于补偿作用，在上层大气中将会出现反山风（或反谷风），从而在铅直方向组成闭合的环流。在山谷风转换期，风向来回极不稳定，因而污染物不易向外输送，在山沟中停留时间长，有可能造成严重污染。（2）海陆风白天，风从海洋吹向陆地；夜晚，风从陆地吹向海洋，这种风叫海陆风。其形成和山谷风类似，主要是由于海洋和陆地的热力性质差异而引起的。由海风和陆地风形成环流如图11-6所示。这种环流的形成，使夜间吹向海面的污染物，在白天又吹回来。从而造成严重污染•（3）城市热岛效应•工业的发展，人口的集中，使城市热源和地面覆盖物与郊区形成显著的差异，从而导致城市比周围地区热的现象，称之为城市热岛效应。•由于城市温度经常比农村高（特别是夜间），其压较低，在晴朗平稳的天气下可以形成一种从周围农村吹向城市的特殊局地风，称之为城市风，如图11-7所示。•这种风在城市市区辐合产生上升气流，周围地区的风向向城市中心汇合，这就使城郊工业区的污染物在夜间向城市中心输送，从而导致市区的严重污染，特别是当上空有逆温层在时更为突出。11．2烟气的抬升高度•从烟囱排出的烟气，在其本身具有的动力（由排烟速度引起）和浮力（烟温比大气温度高而产生浮力）的作用下，往往可以上升到很高的高度，然后在湍流作用下进行扩散，烟气所达到的高度称为有效烟囱高度，而烟气上升的那段高度称为烟气抬升高度。•由于有效烟囱高度直接影响烟气的湍流扩散，因而准确地估算烟气抬升高度，确定有效烟囱高度，对污染浓度和烟囱高度计算都有重要意义。HHHS因此，有效烟气高度Ｈ应为烟囱的几何高度Ｈs，加上抬升高度ΔＨ，即•11.２.１影响烟气抬升的因素•烟气的抬升过程如图14－16所示。烟气抬升分为四个阶段：•①喷出阶段这个阶段主要依靠烟流本身的初始动量向上喷射。•②浮升阶段由于烟流的热力作用，烟气密度比空气小，产生浮力上升。•③瓦解阶段当烟气上升到一定高度后，烟流与空气混合，失去动量和浮力开始随风飘动，发生较大的波动。•④变平阶段。这时烟流完全变平，在大气湍流的作用下，作上下左右扩散，使烟流愈扩愈大。•从烟气抬升过程可以看出，影响抬升的主要因素有烟流本身的热力和动力性质、当地的气象条件和下垫面条件，前面二种因素与工厂有关，后二种与环境条件有关。•11.２.２烟气抬升高度公式•烟气抬升由于其影响因素复杂，至今尚未从理论上解决这个问题。现在实用的烟气抬升公式都是经验的或半经验的。下面介绍几个常用的烟气抬升公式。１.霍兰德式dTTTudvHsass7.25.1.2.Briggs推荐式.当大气稳定时0/Z)6.113/23/1FxxuxFH，（)/4.23/1FxxSuFH，（）（）（），（，ZTgSTTTdgvFSuxasassF/4/2.式中.当大气为中性或不稳定时0/Z)5.36.113/23/1xxuxFH，（)5.3)5.36.113/23/1xxuxFH，（（.当F55时3/514Fx.当F55时5/234Fx.Briggs推荐式适合于中小型热源的烟云抬升计算，火力发电厂的烟源多采用此式。.3.国家标准推荐式.国标GB/T13201-91推荐的烟气抬升公式如下.（1）当QH2100kJ/s，ΔT35K时1021uHQnHnsnHsvHTTPQQ35.0asTTT.（2）当1700kJ/sQH2100kJ/s时4001700)(121HQHHHHuQdvHHs/)01.05.1(21.（3）QH1700kJ/s或ΔT35K时时uQdvHHs/)01.05.1(2.（4）凡地面以上10m高度年平均风速1.5m/s时8/34/1)0098.0(50.5dZdTQHaH11.3污染物落地浓度•大气扩散的基本问题是研究湍流传播和物质浓度衰减的关系问题。目前可用梯度输送理论、统计理论和相似理论来处理这个问题。•从这些理论体系出发，可以导出许多扩散模式，其中应用最广的是根据统计理论导出的正态高斯分布假定下的扩散模式，也就是通常所说的高斯扩散模式。•许多实用的各种状况下的扩散模式都是在高斯模式的基础上，根据其特殊情况作某中修正而得到的。•11.3.1高斯扩散模式•大量的实验和理论研究表明，对于连续性的平均烟流，其浓度分布是符合正态分布的。•高斯扩散模式正是在污染物浓度符合正态分布的前提下导出的，其基本的假设是：•烟羽的扩散在水平和垂直方向都是正态分布；在扩散的整个空间风速是均匀的、稳定的；•污染源排放是连续的、均匀的；•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；•地面足够平坦。•从这些假定出发，可以导出高斯扩散模式。•1.无界情况•当污染源位于无界的空间，x轴与烟流轴线重合时，空间某点的浓度可根据正态分布假定写出由连续条件可写出)exp()exp()(),,(22bzayxAzyxC•由方差的定义得0022CdyCdyyy0022CdzCdzzzCdydzu联解可得222/12/12)(zyzybauQxA那么，上式可改写为)]22(exp[2),,(2222zyzyzyuQzyxC•1.有界情况•有地面存在下的高斯公式的坐标系取法与无界情况下不同，如图11-17所示•坐标原点为地面排放点或高架源排放点铅直地面投影点，x轴正向指向平均风向，y轴在水平面上垂直于x轴，z轴垂直于oxy平面上延伸，烟流中心线在oxy平面的投影与x轴重合。•现在关键在于如何考虑地面对扩散的影响。前面已经假设过污染物在扩散中无衰减和增生，那么地面对污染物没有吸收、吸附作用。就象一面镜子，对污染物起着全反射的作用。•按照全反射的原理，可以用“像源法”来解决这个问题。如图11-18所示，空间某点P的浓度可以看成两部分贡献之和：一部分是不存在地面时P点所具有的浓度；另一部分是由于地面反射而增加的浓度。这相当于位置（0，0，H）的实源和在（0，0，-H）的虚源单独存在时对P点造成的浓度之和，即：虚（无界）实（无界）CCC实源贡献：由于坐标原点位移，前式中的z在新坐标中应为（z-H）：]2)(2exp[22222zyzyHzyuQC实（无界）虚源贡献：坐标原点下移H距离，式（14-27）中的z在新坐标系中应为（z+H）：]2)(2exp[22222zyzyHzyuQC虚（无界）•那么，P点的浓度为]}2)([]2)({exp[)2exp(2),,,(222222zzzzyHzHzyuQHzyxC上式就是通常所讲的高斯扩散模式，也是高架连续点源扩散的基本公式。由这个公式可以计算下风向任意一点是污染物浓度。几种特殊情况下的高斯模式计算公式如下：•（1）高架连续点源地面浓度。令式（14-30）中z=0，可以得到地面浓度计算公式：)2exp()2exp();,,(2222zyzyHyuQHoyxC（2）高架连续点源地面轴线浓度。地面轴线浓度由式（11-31）在y=0时得：)2exp();,,(22zzyHuQHooxC•（3）高架连续点源的最大地面浓度。设对于式（11-32）求极值。dC/dx=0，则可以求出计算地面最大浓度及其出现距离的公式：dbddbcdHxddbxacddbHuQHooxC2122maxmax2maxmax])([)2exp())(();,,(•特别是，当b=d即）变为）（常数时，式（34141314/zy2/2);,,(max2maxmaxHHueQHooxCxxzyz•11.3.2有上部逆温时的扩散模•前面导出的高斯模式只使用于整层大气都有同一稳定度的扩散，对于不接地逆温的情况并不使用，然而这种情况是经常出现的。•上部逆温层就像一个盖子使污染物的扩散受到限制，扩散只能在地面和逆温层底之间进行，所以又称为“封闭”型扩散。•推导这种情况下的扩散公式是把逆温层底看成和地面一样能起全反射的镜面，这时的烟云的多次反射模型如图11-19所示，污染物浓度可看成是实源和无穷多对虚源之和。•这样，空间任一点浓度可由下式确定：