第五章-大气环境影响评价解析课件

第五章大气环境影响评价第一节大气层的结构第二节大气的热力过程第三节大气污染与气象的关系第四节大气环境影响预测第一节大气层结构与辐射平衡一、大气层结构一、大气层结构大气是指包围在地球表面并随地球旋转的空气层。它不仅是维持生物圈中生命所必需的，而且参与地球表面的各种过程，如水循环、化学和物理风化、陆地上和海洋中的光合作用及腐败作用等，各种波动、流动和海洋化学也都与大气活动有关。地表大气平均压力为1个大气压，相当于每平方厘米地球表面包围1034g空气。地球总表面积为510100934平方公里，所以大气总质量约为5.21015吨，相当于地球质量的10-6倍。大气随高度的增加而逐渐稀薄，50%的质量集中在30km以下的范围内。高度100km以上，空气的质量仅是整个大气圈质量的百万分之一。按气温垂直分布对大气分层（热分层），可以分为以下几层：(一)对流层(一)对流层对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道附近为16-18km；在中纬度地区为l0-12km，两极附近为8-9km。夏季较厚，冬季较薄。这一层的显著特点：是气温随高度升高而递减，大约每上升100m，温度降低06。贴近地面的空气受地面发射出来的热量的影响而膨胀上升，上面冷空气下降，故在垂直方向上形成强烈的对流，对流层也正是因此而得名.(一)对流层二是密度大，大气总质量的34以上集中在此层。在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。在l-2km以下，受地表的机械、热力作用强烈，通称摩擦层，或边界层，亦称低层大气，人排大气的污染物绝大部分活动在此层。在1-2公里以上，受地表影响变小，称为自由大气层，主要天气过程如雨、雪、雹的形成均出现在此层。对流层和人类的关系最密切。(二)平流层从对流层顶到约50km的大气层为平流层。在平流层下层，即3035km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层。在3035km以上，温度随高度升高而升高。(二)平流层平流层的特点：一是空气没有对流运动，平流运动占显著优势；二是空气比下层稀薄得多，水汽、尘埃的含量甚微，很少出现天气现象；三是在高约1540km范围内，有厚约25km的臭氧层，因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，故使平流层的温度升高。(三)中间层热层从平流层顶到80km高度称为中间层。这一层空气更为稀薄，温度随高度增加而降低。(四)热层从80km到约500km称为热层。这一层温度随高度增加而迅速增加，层内温度很高，昼夜变化很大，热层下部尚有少量的水分存在，因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云。（五）逃逸层热层以上的大气层称为逃逸层。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离；使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逃逸层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同，故又常称为外大气层。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层飞出地球引力场进入太空。逃逸层是地球大气的最外层，该层的上界在哪里还没有一致的看法。实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限。逃逸层的温度随高度增加而略有增加。二、辐射平衡及温室效应地球大气系统的能量来源主要是太阳辐射。目前大气和地球的平均温度维持不变，这表明地球与大气作为整体从太阳吸收的能量与反射回空间的能量是相等的。太阳辐射能的输入和输出就构成了大气的能量平衡。（一）太阳辐射（一）太阳辐射太阳可以看成是一个直径为1.4x106km，离地面15108km的球形光源。入射到地球表面的阳光可以看成是以0.25入射的平行光束。大气层外和海平面上的太阳辐射（一）太阳辐射（一）太阳辐射上图给出了大气层外阳光通量随波长的分布。由图可以看出，在大气层外，阳光通量与黑体在6000K时的辐射相似，它几乎包括了整个电磁波谱，其中红外部分约占50，可见光部分约占40，紫外部分约占lO，其余部分约占1。地球大气层外界的阳光总强度是以太阳常数(SolarConstant)来表示的。太阳常数定义为：与光传播方问垂直的平面上，每单位面积接受到的光的总量。按世界气象组织1981年公布的数字，太阳常数的平均值为1368Wm2。（二）大气成分对太阳辐射的吸收（二）大气成分对太阳辐射的吸收然而，由于大气中的一些成分具有吸收一定波长光或散射光的性质，因而，通过大气层到达海平面的阳光，其光通量的谱分布有了显著的不同。太阳辐射通过大气层到达地面时，大气中的各种组分主要是N2、O2、O3、水蒸气、CO2和尘埃，能够吸收一定波长的太阳辐射，或反射、散射定波长的辐射。（二）大气成分对太阳辐射的吸收（二）大气成分对太阳辐射的吸收高能量的太阳光量子还可引起分子解离。例如：N2+hN+N120nmO2+hO+O240nmO3+hO+O2220nm0。这是由于对流层空气的增热主要依靠吸收地面的长波辐射，离地面越高温度越低，对流层中值随地区、时间、海拔高度而异，平均约为0.65/100m。在对流层下层（即边界层中），由于气层受地面增热和冷却的影响很大，气温垂直递减率随季节和昼夜的变化极为明显。（三）边界层气温垂直分布（1500m以下)边界层中温度随高度的分布规律受下垫面影响很大，温度变化情况复杂。白天，地面吸收太阳辐射后将部分热量以二次辐射的形式向上反射和传递，使贴地空气首先增温，然后通过湍流、对流等方式，将热量向上传递，形成气温的递减分布，此种分布形式以晴天中午最明显。夜间，太阳辐射为零，地面因本身辐射冷却降温，使近地层空气由下而上逐渐降温，形成气温随高度增加的递增分布，以0时为代表，表现为逆温。日出后，近地面的空气随着地面的增热很快升温，使低层逆温很快消失，而离地面较高处仍保持着夜间的分布状态，故形成下层递减的清晨转换型分布，以06时为代表。日落前后，由于地面迅速冷却，近地面气层迅速降温，因而形成下层递增上层递减的傍晚转换型温度分布。以18时为代表。且日出后和日落前不久，近地气层中会出现短暂的等温现象。上述温度廓线的日变化规律在阴天、大风时不明显、晴天微风时比较明显。一般近地温度的垂直变化比高层大气温度变化大得多，特别是在太阳辐射强、云量小、风速小，土壤导热性愈差时其垂直变化越大。所以，由于边界层气象和地形条件复杂性，气温垂直递减率是随时随地变化的，可能大于0，等于0，或小于0。（四）逆温在边界层中，由于气象和地形条件的作用，有时会出现气温随高度增加而升高的现象，称为逆温。出现逆温的气层，称为逆温层。逆温层中0，大气处于非常稳定的状态，大气的垂直运动很难发展，污染物质的输送和扩散受到抑制，因而可能造成严重的大气污染。逆温层根据其成因可分为5种：1.辐射逆温辐射逆温在大陆上常出现，冬季最强。中纬度冬季的辐射逆温厚度常达200-300m，有时可达400m，高纬度地区甚至可达2-3km，即使白天也不消失。特别是,冬季晴朗无云和微风的白天,由于地面辐射超过太阳辐射,也会形成逆温.辐射逆温与大气污染的关系最为密切.a.下午.b.日落先后c.黎明d.日出后e.上午10时2.平流逆温暖空气水平流到冷地面上形成的逆温称为平流逆温；冬季，中纬度沿海地区，当海上暖空气流到大陆上时，常形成平流逆温。此外，当暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气时也会形成平流逆温。3.下沉逆温由于空气下沉压缩增温形成逆温称为下沉逆温。下沿逆温的形成与昼夜没有联系，多出现在高气压区内，范围很大，厚度也很大，一般可达数百米，且持续时间长，下沉逆温一般不从地面开始，而是从空中某一高度开始。在冬季，下沉逆温和辐射逆温结合在一起，形成很厚的逆温层，对高排放源影响很大。4.湍流逆温低层空气经湍流混合后,混合层的温度分布将逐渐接近与干绝热直减率,混合层和不受湍流混合影响的上层空气之间出现一个过渡层形成的逆温，称湍流逆温。这种逆温厚度不大，一般只有几十米。5.锋面逆温锋面逆温是由大气中冷暖空气因相遇形成的一个倾斜过渡层（称锋面），较暖的空气总是位于较冷空气之上而形成的逆温。另外还有地形逆温，例如盆地和谷地的逆温，山脉背风侧的逆温均属这类。二、大气静力稳定度大气静力稳定度是指大气对作垂直运动的气团是加速、抑制、还是无影响的一种热力学性质，大气稳定度影响大气污染物的扩散能力。大气稳定度分为以下三种情况：（1）稳定：条件 d d，当气团受到垂直方向扰动后，当气团受到垂直方向扰动后，大气给空气团在扰动方向加速，使垂直运动发展，大气给空气团在扰动方向加速，使垂直运动发展，这种大气是不稳定的。这种大气是不稳定的。由此可知，由此可知，越小，大气越稳定，在逆温条件越小，大气越稳定，在逆温条件下，下，0 0，大气极为稳定，所以，大气污染气象学大气极为稳定，所以，大气污染气象学中，常将逆温、等温和中，常将逆温、等温和 很小的气层称为阻挡层。很小的气层称为阻挡层。同理推知，对饱中大气，若同理推知，对饱中大气，若 m m，则大气不稳定。则大气不稳定。第三节大气污染与气象的关系大气污染主要发生在大气边界层内，边界层的风、湍流、大气稳定度、大气温度层结、大气的云、雨、雪、雾是影响大气污染的重要因素。一、边界层的风与湍流对大气污染物输送和扩散污染物排入大气后，主要在风和湍流作用下进行输送和扩散，风速越大、湍流越强，污染物扩散就越快。风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素，其它一切气象因素都是通过二者的作用来影响扩散稀释过程的。因此，风和湍流是大气污染输送扩散和浓度变化必须考虑的气象动力因子。（一）风风对大气污染的影响包括风向和风速两个方面。1.风速随高度的分布风速廓线（1）对数律中性层结时近地层的风廓线可用对数关系式：式中：高度Z处的风速，m/s。u*摩擦速度，m/s，u*=(0/)1/2 0 平均剪切应力 k 卡门常数，k=0.44 Z0地面粗糙度，m.（2）指数律在非中性层结下，风速廓线可用简单的指数律表示：式中,m稳定度参数，与稳定度有关，而且随固定高度上的风速增大而减少；随下垫面粗糙度增大而增大。2.风向频率和污染系数污染系数表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响的程度。风频低、风速高，污染系数小，不易形成污染。（二）湍流大气的无规则运动称为大气湍流。风速的脉动（或涨落）和风向的摆动就是湍流的结果。按照湍流形成的原因可分为两种湍流：一是由于垂直方向温度分布的不均匀引起的湍流，其强度主要去就于大气稳定度；其二是由于垂直方向温度分布的不均匀和地面粗糙度引起的的湍流，其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。世纪的湍流是上述两种湍流的叠加。湍流具有极强的扩散能力，湍流扩散是分子扩散率的105-106倍。大气湍流主要发生在2km以下的大气边界层中，尤其是1km以下的边界层中。湍流涡旋的尺度是不同的，有大尺度涡旋和小尺度涡旋，不同尺度的涡旋对气团的扩散作用也是不同的。但在风场的主风向上，又与平均风速比脉动风速大得多，所以在主风向上风的平流输送是主要的。（三）地方性风场局部地区由于地形地物的影响，引起近地层大气的增温和冷却速度不同，从而形成有局部空气环流，即形成特殊的风场，称为局地风。如海陆风、山谷风及城市热岛环流等，它们对大气污染物的扩散和浓度分布影响很大。1.山谷风山谷风发生在山区，是以日为周期的局地热力环流。白天为从谷地吹向山坡的风，称为谷风。夜间为从山坡和山顶吹向山谷的风为山风。这种昼夜交替的局地环流，往往使污染物在山谷内往返累积，夜间的山风还会形成很强的逆温层，大气非常稳定，大气污染物不易扩散，有可能造成严重的大气污染。2.海陆风海陆风是海风和陆风的总称，它发生在海陆交界处。是以日为周期的局地热力环流。海陆风是由于陆地和海洋对热量反应的差异造成的。白天形成海风，夜晚形成陆风，由于海的存在，白天陆地上的的污染物随气流抬升后，在上层流向海洋，下沉后可能有部分又被海风带回陆地。夜间随陆风带至海洋上空的污染物，至次日白天又可能随海风吹回陆上。或者进入海陆风局地环流使污染物不能充分扩散稀释而造成严重污染（图）。3.城市热岛环流城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。产生城乡温度差的主要原因是：由于城市人口密集、工业集中，使得耗能水平高；城市覆盖物（建筑、路面等）热容量大，白天大量吸收太阳辐射热，夜间缓慢放热，低层空气冷却变缓；城市上空经常笼罩着一层烟雾和CO2气体，它们吸收地面长波辐射，使地面有效辐射减弱。3.城市热岛环流由于上述原因，城市热量净收入比周围乡村多，平均气温比乡村高（特别是夜间），形成所谓城市热岛。据统计，城乡温度差一般在0.41.5C，有时可达34C。由于城市气温经常比乡村高（特别是在夜间），气压比乡村低，所以可以形成从周围乡村吹向城市的局地风，称为城市热岛环流或城市风。这种风在市区汇合产生上升气流，周围地区的风向城市中心汇合，使城市周边的污染物在夜间向市中心汇集，造成污染，若夜间城市上空存在逆温层，则污染更为严重。二、大气稳定度日常观察经验也会发现，有时烟囱排出烟流象一根带子那样飘向远方，而远远不能散开；有时排出的烟气一排出入大气就很快散布开来，和周围空气混合。不同的烟流形状意味着不同的大气的稀释扩散能力，它是不同的气象状况（主要指大气稳定度）的反映。由此可见大气稳定度直接影响到大气污染的程度。二、大气稳定度大气稳定度是表征气团是否易于发生垂直运动的判据。用气温的垂直分布表征大气层结的稳定程度。直接影响湍流活动的强弱，支配空气污染物的散布。大气处于不稳定状态时，对流与湍流容易发生、发展，污染物在增强的湍流作用下扩散迅速，当排放条件相同时，一般不会形成大气污染。反之大气处于稳定状态时，对流和湍流受到抑制，污染物难于扩散稀释，容易形成大气污染。另外，因大气稳定度有明显的日内变化规律，所以污染物浓度也有相应的日变化。在一天中，一般后半夜，大气比较稳定，中午11-14时最不稳定。根据不同的大气稳定度，烟流有五种典型的型式：扇形(平展型),晴夜、早晨,稳定大气 锥形，强风和阴天,中性大气 波浪形,中午前后，湍流剧烈,不稳定大 气 熏烟形，上部稳定,下部不稳定，8-10时 屋脊形，日落前后，上部不稳定,下部稳定,对高空源排放较为有利，日落后。第四节大气环境影响预测一、大气扩散基本计算公式在均匀定常的湍流大气中污染物浓度满足正态分布，由此可导出一系列高斯型扩散公式，实际大气不满足均匀定常条件，因此一般的高斯扩散公式应用于下垫面均匀平坦、气流稳定的小尺度扩散更为有效。下面公式均选取X轴与平均风向一致，Z轴指向天顶坐标系。1.连续点源烟流扩散公式(1)有风点源正态羽扩散模式当有风时（u1.5m/s),可采用烟流扩散公式，设地面为全反射体：地面浓度地面轴线浓度式中：C（x,y,z)下风向某点（x,y,z)处的空气污染浓度，mg/m3 Q气载污染物源强，mg/s u平均风速，m/s.y、z分别为水平均方向和垂直方向扩散分数，为X及大气稳定度的函数；He有效排放高度，He=Hs+H m。扩散参数y、z通常表示为：1、2、1、2与大气稳定度有关。教材表5-6、5-7最大地面浓度Cmax及其距离xmax。当z/y常数，且y=1x1、z=2x2时(2)静小风模式观测表明,静风污染具有各向同性和近距离污染的特点。而小风污染具有风向多变和近距离污染的特点，因此必须考虑顺风向的扩散。对于静小风，有积分烟团模式、简化的积分烟团模式、360均匀分布模式等。(2)静小风模式HJ/T2.2-93推荐的小风（1.5m/sU100.5m/s)和静风（U100.5m/s)点源扩散模式如下2.高斯模式的建立（1）无界条件下的高斯模式污染物的扩散要受到地面边界的影响。但我们首先从不考虑地面的影响情形来分析.假设:源强是连续均匀的，污染物在y、z轴上的分布符合高斯分布，风场是均匀稳定的，污染物是保守的。2.高斯模式的建立以源为坐标原点，取X轴指向平均风速方向，以垂直于地面的方向为竖向（即Z轴），称Y向为横向。其空间浓度分布可写成：由质量守恒假设式中，（x,y,z)表示空间某一点（x,y,z)处的时段平均浓度，y,z此段内横向和竖向浓度分布的标准差，即y向和z向的扩散参数。（x,0,0)=A(x)为烟流中心轴线的浓度，它是距离的函数。2.高斯模式的建立由上面四个方程组成的方程组，其中可以测量或计算的已知量有源强Q、平均风速u、标准差y和z，未知量有浓度、待定函数A(x)、待定系数a和b。因此方程可解。将（1）式带入（2）式，可得：再将（再将（4 4）和（）和（5 5）代入（）代入（1 1）中：便得到无界空间）中：便得到无界空间连续点源扩散的高斯模式：连续点源扩散的高斯模式：(2)有界条件下的高斯模式实际上，污染物排放源位于地面或近地面的大气边界层内，污染物扩散的空间并不是无界的，必然要受到下垫面的影响和制约，这种大气扩散称为有界大气扩散。下垫面对污染物的作用涉及到一系列复杂的物理、化学和生物过程。且下垫面情况差异极大，对污染物扩散的影响十分复杂。这里假设下垫面对污染物没有吸收作用，而是进行全反射，即将扩散至地面的污染物完全反射回扩散空间，这样的假设是安全的。(2)有界条件下的高斯模式设点源高为H，以源在地面上的投影作为坐标原点，x轴仍指向平均风速方向，这时空间某点p(x,y,z)的浓度可以看作为两部分浓度的叠加，一部分是无界时，实源在p点具有的浓度实：另一部分是由于下垫面反射造成的浓度，它相当于无界时虚源（即实源的像）在p点的浓度：(2)有界条件下的高斯模式（x,y,z)=实+虚，即得烟流扩散模式。3.扩散参数的估算扩散参数y、z是下风向距离、大气稳定度、地面粗糙度等的函数，目前广泛应用的确定扩散参数的方法都是根据大量扩散试验得到的经验公式，下面介绍依据常规气象观测资料估算y、z的Pasquill-Gifford扩散参数。（1）稳定度分类 Pasquill在大量观测和研究的基础上，选择地面风速、云状和太阳辐射状况，把大气稳定度分为6个等级：A为极不稳定，B为不稳定，C为弱不稳定，D为中性，E为弱稳定，F为稳定。Pasquill稳定度分类表地表风速m/s白天太阳辐射阴天的白天或夜晚日出后及日落前一小时夜间云量强中弱薄云全天或低云5/104/106CDDDDDDPasquill稳定度分类中的太阳辐射强度是指北纬50-60盛夏晴朗中午的日照。事实上地面的太阳辐射不仅与太阳高度角有关，而且与天空云量有关。Pasquill的稳定度分类方法比较粗糙。因此，Turner 1964对Pasquill法进行了修正。即提出先根据太阳高度角、云高和云量确定辐射等级，再根据辐射等级和地面风速来划分稳定度级别。太阳高度角h0 h0=arcsin(sinsin+coscoscos)式中：地理纬度 太阳赤纬。查表 时角，每隔一小时差15,下午取正值，上午取负值。=(t-12)15，它和北京时的换算关系为：=15北京时+-300，为当地经度太阳辐射等级表总云量/低云量太阳高度角夜间1515654/4-2-1+1+2+35-7/4-10+1+2+38/4-100+1+15/5-70000+18/80000+1关于太阳赤纬赤纬是太阳光线与地球赤道平面之间的夹角。它是随地球在公转轨道上的位置、即日期的不同而变化的，全年的赤纬在+23.5-23.5之间变化。从而形成了一年中春、夏、秋、冬四季的更替。*地面风速系指距地面10m的平均风速。地面风速*(m/s)太阳辐射等级+3+2+10-1-21.9AA-BBDEF2-2.9A-BBCDEF3-4.9BB-CCDDE5-5.9CC-DDDDD6CDDDDD表5-3大气稳定度分类（2）扩散系数估算我国在国标中规定，取样时间为h,扩散参数按幂级数表达式y=1x1、z=2x2查算。可采用教材中表5-6和表5-7的扩散参数。当小风（1.5m/su100.5m/s)和静风(u100.5m/s)时，0.5h取样时间的扩散参数按公式y=x=01T,z=02T计算，T为扩散时间，01，02查教材中表5-8。（2）扩散系数估算Pasguill曲线未考虑地面粗糙度对扩散的影响，扩散参数的选用方法如下：平原地区农村和城市远郊区，A、B、C级稳定度按表直接查算，D、E、F级稳定度需向不稳定方向提半级后按表查算。工业区或城区中的点源，A、B级不提级，C级提到B级，D、E、F级向不稳定方向提一级，再按表查算。丘陵山区的农村或城市，扩散参数的选取方法同工业区。当取样时间大于h时,垂直方向扩散参数不变，横向扩散参数按下式计算：4.烟气抬升公式烟气抬升对高速或热量很大的烟气排入而言是非常重要的因素。因污染物落地浓度的最大值与烟囱有效高度的平方成反比，烟气抬升高度有时可达烟囱本身高度的数倍。从而可极显著地降低地面污染物的浓度。He=Hs+H4.烟气抬升公式烟气抬升有两方面的原因:一是烟囱出口延期具有一定的初始动量;二是由于烟温高于周围气温而产生一定的浮力.初始动量的大小决定于延期出口流速和烟囱出口内径，而浮力大小则主要决定于烟气与周围大气之间的温差的温差。此外平均风速、风速垂直切变及大气稳定度等，对延期抬升都有影响。4.烟气抬升公式烟气抬升公式很多，总的来说可以分为两大类：一类是通过对抬升机理的研究而得到的理论公式，另一类是通过实验观测得到的经验公式。下面介绍我国HJ/T2.2-93环评技术导则和国标GB/T13201-91中推荐的抬升公式。（1）有风时，中性和不稳定条件，当烟气热释效率Qh大于或等于2100KJ/s，且烟气温度与环境温度的差值T大于或等于35K时。式中：no烟气热状况与地表状况系数n1,n2烟气热释放率指数和排气筒高度指数Qh热释放率，KJ/SHs排气筒距地面几何高度，m，超过 240m，取为240m;Pa大气压力，hPa;Qv 排烟率，m3/s;T 烟气出口温度与环境温度差K；Tt烟气出口温度，k;Ta环境大气温度，k;u出口平均风速，m/s。表系数n0,n1,n2的值QH/kw地表状况（平原）n0n1n2QH21000农村或城郊城区几近郊1.4271.3031/31/32/32/321000QH21000且T35K农村或城郊城区几近郊0.3320.2923/53/52/52/5当1700KJ/sQh2100KJ/s时，式中：Vs排气筒出口处烟气排出速度，m/sD排气筒出口直径，mH2-按情况计算的抬升高度当Qh1700KJ/s或T35K时（2）有风时，稳定条件式中：dTa/dz排气筒几何高度以上的大气温度梯度，K/m（3）静风（u10u100.5m/s)时，其中，dTa/dz取值宜小于0.01K/m。5.烟囱设计烟囱设计烟囱不单是一排气装置，也是控制空气污染、保护环境的重要设备。烟囱高度、出口直径、喷出速度等工艺参数应满足减少对地面污染的需要。增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染，大体上C地面1/H2，但超过一定高度后再增加高度，对地面浓度的影响甚微，而烟囱的造价却随高度增加而急剧增大（烟囱的造价H2），所以并不是烟囱愈高愈好。设计烟囱高度的基本原则是既要保证排放物造成的地面最大浓度或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准，又应做到投资最省。5.烟囱设计烟囱设计1）、烟囱高度计算烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算，据对地面浓度要求不同，有两种计算法方法：（一）保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算方法；（二）保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法。（1）以地面最大浓度不超过规定为依据，保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算公式（3）根据一定保证率计算烟囱高度由地面最大浓度计算法HS较矮，当u时，地面浓度超标；由地面绝对最大浓度计算法HS较高，无论u多大，地面浓度不超标，但烟囱造价高。在确定保证率后，、稳定度取一定值后代入上述公式，可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度，较前面较合理。（4）根据点源烟尘允许排放率设计（P值法计算烟囱高度）根据“制定大气污染物排放标准的技术方法”GB/T13201-91中规定的点源烟尘允许排放率计算式：式中：Qe烟尘允许排放速率，t/h；Pe烟尘排放控制系数，t/(hm2)；H有效源高，m。由此得烟囱高度为：2）、烟囱设计中的若干问题（1）分分析析拟拟建建厂厂地地区区可可能能产产生生的的烟烟型型及及频频率率，正正确确选用烟囱高度计算公式选用烟囱高度计算公式。烟型不同产生的地面最大浓度不同，烟囱高度的计算公式不同，因此确定烟型很重要。常用两种方法：选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式；选择保证一定的地面最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱高度计算公式。波型:发生在天气晴朗，风速不大，比较缓和的日子里，近距离造成短时间的污染浓度比锥形高。近地层中，低矮烟囱发热量小的污染源以此烟型为例，并应校核逆温层情况。锥型:100m左右的烟囱多发生此烟型。此烟型发生在温度层结近中性或中等到大风的情况，即发生在多云有风的白天或有风的夜晚。平展型和漫烟型:较大的发电厂以漫烟型为主，夜间多为平展型，日出后一段时间发生漫烟型。封闭型:大于200m的较高烟囱以此型为主。观测发现：当混合层厚度在7601065m间时，它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍，Cmax可持续24小时，常出现在早晨和中午。地面最大浓度与B/H关系很大，在某一比值以后，污染浓度主要取决于B，烟囱高度只起次要作用。此时靠增加Hs减少污染浓度不经济。总之，目前Hs计算以锥形模式为主，对超高型烟囱无成熟可靠的方法。（2）抬抬升升公公式式很很多多，用用何何公公式式应应按按具具体体情情况况而而定定，一一般般选选霍霍氏氏公公式。式。（3）公式中与气象有关的参数取值有两种方法公式中与气象有关的参数取值有两种方法：取多年平均值；取某一保障频率的值：如已知3m/s的频率为80%，取3m/s可保证有80%不超标，而地面平均最大浓度可能比规定标准更低。作业1.某火电厂位于市内，烟囱高100m,出口内径5m.出口烟气流速12.7m/s，温度140C，大气温度20C，当地气压978.4hPa,试分别计算在烟囱出口处的平均风速4m/s条件下，不稳定大气层结和稳定大气层结及静风条件下烟囱有效源高。2.在上题的条件下，当烟气的SO2浓度为0.6g/m3时，试计算阴天的白天SO2的最大地面浓度及其出现的距离。1.答案：Qh=2478.71kJ/s不稳定He=304.6m稳定,取,=0.008,He=70.3m静风,稳定,=0.008,He=412.6m2.答案：C类稳定度1=0.885157，1=0.2321232=0.917595，2=0.106803z/y0.56,Xm=3994mm=0.057mg/m3P1=1.72,Xm=4033m6.有逆温层反射的扩散公式大气边界层常常会出现这样的铅直温度分布：低层是中性层结或不稳定层结，在离地面几百米到1-2km的高度中，存在一个稳定的逆温度层，即上部逆温，它使污染物的铅直扩散受到抑制，观测表明，逆温层上下两侧的浓度通常相差近5-10倍。污染物的扩散实际上被限制在地面和逆温层底之间，上部逆温层或稳定层底的高度称为混合层高度或厚度，用h表示。6.有逆温层反射的扩散公式(1)一般公式按下面的多次反射公式计算n-反射的次数，实源和虚源的逆温层第n次反射,n取正值;地面第n次反射,n取负值.(2)简化计算公式x2xd,xd=(h-He)/2.1521/2，一般认为X2xd浓度在铅直方向已接近均匀分布;但在横向方向上浓度分布仍然为正态分布,有对上式求解可得(3)简化计算公式xdx45时，无限长线源下风向的地面浓度为：12.连续面源公式源强恒定的面源称为连续面源，处理面源扩散的方法主要有虚点源法和积分法等。设想面源上风向有一个“虚点源”，它所造成的浓度效果与对应的面源相当。于是。式中：QA面源总源强L面源的边长xy,xz虚点源向上风向的后退距离13长期平均浓度公式在几天、几月或一年的长时段内，各种风向均可能出现。气象局提供的风向资料是按16方位给出的，每个方位相当于一个22.5的扇形。因此，可按每个扇形计算长期平均浓度。此时表示短时间烟流横向散布的y已不重要，可以用风向频率计算水平浓度公式。（1）简单的扇形公式，在任意角度为2/n的扇形区内，连续点源的地面浓度公式是：f在所平均的时段内该扇区风向所占的成数，u、z应取平均时段内平均风速和垂直扩散参数的平均值（例如，取D类稳定度的z）推导时作以下假定：（1）同一扇形内各角度的风向频率相同，即在同一扇形内同一距离上，污染物浓度在y方向是相等的。（2）当吹某一扇形风时，全部污染物都落在这个扇形里。（2）联合频率计算公式，在长时间内，不同风速和稳定度影响浓度的权重并不相等，应该按每一种风向、风速和稳定的频率加权平均，这时的浓度公式为：式中：k、m、l风向、稳定度、风速等级下标k、m、l在每一个风向、稳定度和风速组合时的浓度、可取相应的高斯扩散公式计算。k、m、l风向、稳定度、风速的联合频率二、实用模拟预测方法空气质量模式数以百计，名目繁多。它们来自不同的理论体系，针对各自的模拟对象和应用目的的发展而成。这里我们介绍一些目前在我国大气环境影响评价中常用的模拟方法和模式要点。1.模式构成大气质量模式是以数学方法定量描述大气污染物从源地到接受地所经历的全过程的一种手段和工具，其核心部分为大气扩散模式，主要描述大气污染物的输送、扩散和转化过程。污染物在大气中所经历的其它过程，诸如烟气抬升，干、湿沉降和化学转化等过程，则常以某种形式的过程参数，以及子模式的形式从属于大气扩散模式。所以，通常一个大气质量模式总包括一组以大气扩散公式为主体的描述各种过程的数学表达式，一套模式输入参数和确定参的方法，以及完成模式计算所需的计算方法和程序。2.模式类型按建立模式的理论，可将空气质量模式分为统计理论模式、K理论模式和相似理论模式及经验模式。按模式区的范围可分为微尺度（建筑物尺度）模式、局地尺度（103-104m）模式及中、远距离（105m以上）输送模式。按模式的时间尺度又可分为短期（1-24h)平均及长期（月、季、年）平均模式。按照污染源的形态划分，则有点源、线源、面源和体源及多源或复合源模式。有些模式除了模拟大气的输送和扩散稀释过程以外，着重模拟某一种过程，于是又可命名为酸雨模式、光化学烟雾模式和干沉降模式等。还有一些则是针对某种特殊气象条件导出的，如熏烟型扩散模式和热力内边界层扩散模式等。有的模式近可作进一步的划分，如k模式又可分为拉格朗日（前向及后向）型、欧拉型及混合（PIC）型模式。实际上大多数模式都可以归入高斯型和数值（k模式）型两大类，许多模式是它们应用于不同场合的变型。从对模式的应用需要出发，有的国家又将空气质量模式分为“法规应用级”和“研究级”两类，前者指正被国家相关部门应用于污染物浓度预测计算的模式，其多是高斯模式，后一类是指正在进行探索和研究的模式，这类模式通常都比较复杂，多数为数值模式。3.模式选择空气质量模式的选用一般应考虑以下几问题:(1)污染源及污染物污染源:形状：点、线、面、体及复合源 排放的时间性：瞬时、间断和连续源 排放温度：热源和冷源 污染物：气态污染物或颗粒物，对于颗粒物还需要了解其粒径分布，以估计重力沉降、干沉积与扩散的相对重要性。保守的或是反应性污染物。（2）模拟的时空范围及分辩率模式区的范围：通常局地空气污染问题以采用高斯模式比较适当，当模拟区达数十公里以上时，除仍采用高斯烟团轨迹模式外，可考虑选用各种类型的K模式。其中，拉格朗日K模式更适合处理数百公里以外的远距离输送问题。模拟的时间尺度，大气扩散模式计算的基准时间尺为小时平均，其他时段的平均浓度可在小时平均浓度的基础上逐时（或按一定的采样间隔）求和计算，也可选用专门的长期平均模式，这类模式包含了按频率加权的计算方法，通常都是计算效率高的高斯型模式。空间分辩率，评价点源对局地环境的影响时，一般采用具有高分辩率的高斯型模式，而不采用分辩率低的K模式，K模式受到梯度输送理论尺度条件的限制最高分辩率不超过11km2,k模式一般在大尺度问题中使用。（3）模拟区的下垫面特征 按照对大气扩散的影响，下垫面可分为平原、乡村、城市、山区及水陆交界地区等。复杂下垫面上气流复杂，一般来说，由均匀定常假定导出的高斯模式不再适用，一般应选用三维数值模式。另一方面，复杂地形上污染物浓度分布更不均匀，起伏更大，无论是K模式本身或是它所要求的输入资料的空间分辩率都难以满足法规应用的需要，特别是难以满足个别点源环境评价的需要，这是一个至今未能满意解决的难题。K理论假设某属性的湍流输送通量与该属性的局地平均梯度成正比，比例系数即为湍流扩散系数，用K表示。K理论又称梯度输送理论。（4）模式效能，对局地大气污染，通常仅需要考虑大气的扩散稀释作用，而对中、远距离问题还必须考虑污染物的化学转化和干湿沉积等其它物理化学过程，此时对模式效能将提出不同的要求。总之，由于空气污染问题的复杂性，迫使人们不得不通过多种途径和手段来研究并建立适合各种特定条件的大气质量模式。一般它们的针对性较强，选用时需要认真加以鉴别。除了以上四方面的问题外，还应根据各自的应用目的和条件作更加具体的分析。4.模式的性能评价实践表明，模式计算结果不能与实际情况完全相等，存在着误差和所谓的不确定性，其中一部分误差称为固有的，另一部分称作是可约束的。固有的误差是指由于湍流活动等不可分辩的细节引起的不可重复性，进而造成的对总体的平均偏差，研究表明，这类偏差的范围约为实际浓度的50%；可约束偏差则是由以下原因造成：（1）排入源源强、气象和地形资料的误差；（2）计算公式和参数系统不合适引起的误差；（3）用来检验模式的浓度实测资料的误差。这部分误差实际上是相当可观的，例如，风向偏差5-10度时，可引起平原地区点源最大浓度的误差达20-70%。模式性能未评价是模式应用时的必不可少的工作程序。模式评价主要包括模式的合理性、保真性和灵敏性分析等几个方面的内容。合理性分析工作在选择模式阶段即已开始，在进行模式性能评价时，可选取一个参考模式，用以校核拟用模式，进一步考核其物理模型和参数的保真性。一般应使用同步的排放源、气象和浓度监测资料，检验模式计算值与实测值的符合程度。模式检验的条件排放源、气象与浓度场资料具有同时性。时间和空间分辩率具有代表性。检验数据应具有独立性。浓度计算结果与实测值的比较常用的检验方法如下：浓度差分析，以相同的时间、地点的观测值和计算值为基础，求其差值。显然d可正可负，求其平均值作为模式预测结果的偏倚度。可以取同一时间不同位置、同一位置不同时间或不同时间不同位置d的平均，分别进行计算评价。例如，有时模式的总体偏倚度较小，但从分时段的分析中可以发现白天计算值偏大，夜间偏小，在另一些分析中可发现某些位置总是偏高或偏低。可根据这些信息进行必要的模式修正。平均绝对误差：显然，在所有数据中，高浓度区数据的|d|值较大，因而浓度差分析中，高浓度区误差所占的权重较大。最大浓度分析，在大气污染分析中，地面最大浓度是人们最关心的。最大浓度差 md=mo mp 式中，mo、mp分别表示观测和预测的最大地面浓度。同理，也可相应计算出来。显然，最大浓度的数据量较少，为了提高统计的代表性，有时将最大浓度分析改为依次计算几个最大值（最大、次大、第三大等），对他们进行统计分析。经验表明，由于种种原因，模式能够较好地预测最大浓度，但不能准确给出它出现的地点和时间。例如，风向的误差可使最大的浓度跟计算值的位置发生偏差，而大气稳定度随时间变化的估计误差可引起m值出现时间的偏差等等。由于空气污染分析中地面最大浓度的大小常常是首要的，它的时间、地点则仅具有第二位的重要性，所以，为了恰如其份地反映模式的效能，可不拘泥于使用同时同地的数据序列，而是在观测值和计算值的数据序列中挑选时间相同，地点可以不同的最大浓度或是地点相同、时间可以不同的最大浓度组成数据对进行分析。浓度比值分析，K=p/o 一般将K值落在0.5-2范围内作为模式精度是否可取指标，通常较好的模式K值应落在上述范围内的百分数应超过50%。K值只能表示模式是否有关总体的过高或过低估计，不能说明误差的离散程度。为此需要分析的另一个指标是k/,k是k的标准差（方差）。这项指标越小表示模式性能越差。经验表明，高浓度区的浓度差d较大，但k更接近于1；相反，在浓度很低的区域，虽然浓度差很小，但计算值与观测值相差的倍数却常常很大。因此，低浓度区的k值对及k起更大的作用，特别是少数大的K值的作用很大。实际上人们更关心的是高浓度区，为了避免上述弊端，可以舍弃某一浓度度界限以下的数据对，或是只分析依次排列的若干对高浓度值。相关分析，计算由浓度观测值和计算值组成的数据对序列的相关系数：可分别计算时间相关，空间相关和时空相关，是表征预测与实际情况一致性的重要指标。但它不能描述浓度的差值或比值所反映的信息，即不能表示模式计算值在总体上是否过高或过低，故应与d或K值配合分析。如果r值较高，但差值指标不好，则只要对模式作线性订正即可大大改善精度。值得注意的是r只能反映计算值与观测值之间的线性相关，而不能从中发现它们之间的非线性关系。浓度分布比较，为了更直观地考察模式的预测效能，还可以绘制计算浓度和观测浓度的等值线图，比较它们的高、低中心区的位置，数值及分布图形是否一致。灵敏度分析可以分析判别影响模式的各个因子的相对重要性。它的定义为模式输出（计算浓度）对输入变量（参数）的偏导数。其作用包含以下几点：分析模式输入-输出响应关系的合理性，为模式改进提供依据。明确模式所依据的各项基础资料的相对重要性以及对它们的精度和分辩率要求，以便改进观测和搜集方案，以及确定模式输入参数的方法。为评价控制空气污染的策略提供可靠性分析和环境效益分析。综上所述，不论是为了改进模式或是建立一个新的模式，还是将现有模式应用于某个实际问题，对模式的合理性、保真性和灵敏度检验都是一个重要的环节，以保证模式的质量和应用结论的可靠性。三、平原局地大气扩散模式局地大气扩散模式大多应用于污染物的输送距离小于20km的范围，在均匀平坦的下垫面最多不超过30km。第二节所列的高斯型扩散公式对计算平原地区的局地大气污染扩散被证明是合理的和有效的。这类模式的结构十分简单，它以高斯型扩散公式为主体，并按一定的要求和格式配以模式的输入和输出部分以及各项参数的取值和计算方法。视污染源的状况和应用的需要，局地大气扩散模式可以采用风向坐标系或地理坐标系，可计算不同平均时间的污染物浓度。1.坐标系基本的高斯扩散模式都采用风向坐标系，但在以下情况需要建立地理坐标系。需要计算多源迭加的时间平均浓度。需要计算不同风向迭加的时间平均浓度。高斯公式为计算核的数值积分模式，如线源积分模式，烟团轨迹模式等。（1）风向坐标系，取x轴与风向一致，y轴在水平面上与风向垂直，z轴指向天顶的直角坐标系，坐标原点设在污染源在地面的垂直投影点上，它是随平均风向改变的坐标系。（2）地理坐标系，通常将坐标原点设在模拟区下垫面的西南端点，x轴指向东，y轴指高北，z轴指向天顶。所有污染源和浓度计算点的位置用它们的地理坐标系中的坐标来确定。由于高斯扩散公式都是以风向坐标系为准建立的，计算中需要对两种坐标系进行转换，设地理坐标系为EON，风向坐标系为XOY，它们之间变换公式为：x=（Np-Nr)cos+(Ep-Er)sinx=（Np-Nr)cos-(Ep-Er)sin（Ep、N）、（Nr、Er)分别为表示污染源和计算点在地理坐标系中的坐标，为风向方位角。若下垫面十分平坦，可将风向坐标系和地理坐标系的原点设在同一个水平面上，计算中不需要z坐标转换。2.小时平均浓度的计算局地大气扩散模式所代表的平均时间为数十分钟，通常把它计算的浓度定为小时平均浓度，习惯上称为“一次”浓度。通常人决们最关心的是如何求出最大“一次”浓度，一般有以下二种算法。（1）逐时计算法，逐时计算一年的小时平均浓度，然后用平均的方法求取其它时段的平均浓度，这种方法当然不会漏算那些很少出现的最大值。但这种方法要求至少一年的逐时气象参数，在我国除个别科研工作进行过这种计算外，一般不采用这种方法。（2）分类计算法，这是我国颇为流行的方法。这种方法是按气象条件分类计算一次浓度，特别是计算各类条件下可能出现的最大地面浓度和它离源的距离。通常是将大气稳定度分为6类或4类，分别输入各类稳定度的扩散参数和抬升高度公式、风速和混合度的平均值，求各类稳定度下的最大浓度。3.日均浓度计算hi某天第i小时的平均浓度由相应每个计算时的气象参数求取。N最好为24，一般N8 计算日均浓度的目的在于求取最大日均浓度和各种典型气象条件具有代表性的值，有以下几种方法。（1）逐日计算法，即在逐日逐时计算法的基础上可以得到一年内每天的平均浓度和日均浓度的逐日分布。（2）典型日法，所谓“典型日”是指与模拟区典型空气质量状况相对应的有代表性的“气象日”，确定典型日的方法有气象分析法和综合分析法。气象分析法是单纯利用气象资料寻求“典型日”，不考虑污染源的状况。根据模拟区的气象资料和大气扩散规律，分析归纳代表该地区一般的、有利和不利的日均大气扩散条件；必要时可作为一些计算试验，以确定典型日的各种模式输入参数。孤立源和浓度场的响应关系简单，用这种方法是有效的。综合分析法是利用平行观测的气象和浓度资料综合确定典型日计算条件的方法。在多源情况下，模拟区的空气质量不仅取决于气象条件，还和污染源的分布以及二者的相关关系有关。例如风向就是一个敏感因子，主要污染源处于上风向时模拟区污染浓度就要高些，反之则低。实际情况较为复杂，气象条件与浓度场之间的关系是多变量、非线性和非单值的，因此，一般需要积累二年以上的平行观测资料才能总结出比较可靠的典型日条件。（3）采样时间修正法，浓度均值与平均时间存在如下经验关系：1/2=（1/2）-q 式中：1、2为不同的平均时段 q为时间稀释因子 利用上式，可将一次平均浓度修正为日均浓度，上式主要考虑了风向变化的影响而导出的，风速、稳定度、混合层高度以及与之有关的有效源高等都会改变，致使污染物的纵向扩散也不断改变，其总的效果是使污染物在源的周围均匀分布。因此，采用采样时间修正法求得的最大日均浓度偏高。当采用这种法求得的日均浓度超过规定的限值时，再用其他方法进一步验算。4.长期平均浓度平均时间超过24h的浓度称为长期平均浓度。我国目前的大气环境质量标准中只有“年日均浓度”属于长期平均浓度。一般采用联合频率法计算长期平均浓度。也可以在逐时、逐日平均浓度的基础上，进一步求取一年内任意时段的长期平均浓度。作业1.在阴天的情况下,风向与公路垂直，平均风速为4m/s，平均交通量为8000辆/h，每辆车排放CO量为210-2g/s，车辆平均速度64km/h.试求距公路下风向300m处的CO浓度。2.公路平均交通量为8000辆/h，车辆平均速度64km/h.每辆车排放CO量为210-2g/s，风向与公路平行，平均风速为4m/s，试求距公路一侧300m处的CO浓度。3.公路平均交通量为8000辆/h，每辆车排放CO量为210-2g/s，风向与公路成60，平均风速为4m/s，试分别用和求距公路下风一侧300m处的CO浓度。1.答案Ql=2.510-3g/m/sD类稳定度1=0.929418，=0.1107262=0.826212，=0.104634z=11.6m,C(300)=4.2810-5g/m32.答案ry=300mC(0,300)=2.1410-5g/m33.答案C(0,300)=4.7810-5g/m3第一节大气环境污染与大气扩散一、大气环境污染通常所说的大气污染，是指大气中有害物质的数量、浓度和存留时间超过了大气环境所允许的范围，经人类和生态环境带来了直接或间接的不良影响。（一）大气污染源定义：造成大气污染的空气污染物的发生源称之为大气污染源。可分为自然源与人为源两大类。自然源包括风吹扬尘、火山喷发产生的气体和尘埃。闪电产生的气体，如臭氧和氮氧化物，植物和动物腐烂产生的臭气，森林火灾产生的烟尘和飞灰；自然放射性源和其它产生有害物质并向大气排放的源。由这些自然界产生的污染物构成了大气环境背景，在正常的生态平衡条件下，它们一般并不会使空气质量严重恶化，人们一般无法有效控制它们。人为源是形成大气污染问题，尤其是局地空气污染的主要原因。它们是由于人们的生产和生活过程产生的。对它们的分类方法很多，按源的运动形式分，有固定源和移动源；按人们活动功能分，有工业源、生活源和交通运输污染源；在大气污染研究中又有局地源和区域性大气污染源；按污染源的形式又可分为点源、面源、线源和体源。其中最常见的是点源，在时间上又分为瞬时源和连续源。（二）大气污染物1大气组成地球大气由多种气体组成，可分为恒定成份，可变成份和不定成份。恒定成份：有氢、氧、氖、氪、氙等。可变成份：有二氧化碳和水汽；它们的含量随地域、季节、气象条件等因素变化。不定成份：有氮氧化物、二氧化硫、硫化氢、臭氧等。洁净大气中不定成份含量很低，以致对人体和环境没有明显影响。2大气污染物研究表明：大气中有上百种物质可以认定为空气污染物，对这些大气污染物可归纳成如下几种：含硫化合物：SO2、硫酸盐、二甲基硫、CS2、H2S含氮化合物：N2O、NO、NO2、NH4、硝酸盐、铵盐等含碳化合物：CO、烃类，包括烷烃、炔烃，脂肪烃和芳香烃等。卤代物：氟氯烷（CFM）（氟利昂）、二氯氟甲烷（F-11）和二氟二氯甲烷（F-12）放射性物质和其它有毒物质：如苯并芘、过氧酰基硝酸酯（PAN）等致癌物。按污染物的相态，则可分为气体、固体和液体污染物。空气与悬浮其中的固体和液体微粒一起构成气溶胶，这些微粒称之为气溶胶微粒，它们包含有许多种化学成分，其中不少是有害物质。空气中的污染物根据其来源，可分为一次污染物和二次污染物，前者从污染源直接生成并排放到大气中的，在大气中保持其原有的化学物质，后者则是在一次污染物之间或与大气中非污染物发生化学反应而形成的，主要的二次污染物有光化学烟雾、酸性沉积物、臭氧等。