大气浓度扩散估算模式

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,*,第四章 大气扩散浓度估算模式,教学内容,1,湍流扩散的基本理论,2,高斯扩散模式,3,污染物浓度的估算方法,4,特殊气象条件下的扩散模式,5,城市及山区的扩散模式,6,烟囱高度设计,7厂址选择,1,第4章 大气扩散浓度估算模式,1、教学要求,要求了解湍流扩散的基本理论，理解和掌握高斯扩散模式、烟囱高度的设计和厂址的选择。2、教学重点,掌握影响污染物稀释扩散法控制的有关条件；污染物浓度估算的高斯模式，烟囱高度的设计方法。,3、教学难点,污染物稀释扩散法控制，污染物浓度估算的高斯模式。,2,1湍流扩散的基本理论,一,、湍流概念简介,扩散的要素,风,：,平流输送为主，风大则湍流大,湍流：扩散比分子扩散快10,5,10,6,倍,1、什么是湍流？,除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（,有点象分子的热运动,）,或者说湍流是大气的无规则运动,。,2、湍流与扩散的关系,把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运 动而形成它与分子运动极为相似。,3.,湍流,起因有两种形式,：,热力：温度垂直分布不均（不稳定）,机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度,3,4.湍流运动的判据雷诺数,雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据雷诺数（Re）,临界雷诺数,试验（圆管）表明：,当Re2000时的流体流动是 湍流,当Re0.1m/s,则Re6000,所以通常认为大气运动都是湍流运动,4,二、湍流扩散理论简介,主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系,1.,梯度输送理论,德国科学家菲克，在1855年发表了一篇题为“论扩散”的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。”,通过泰勒（G.I.Tayler）与菲克（A. Fick）扩散理论的类比建立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。,湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。,5,二、湍流扩散理论简介,2.湍流统计理论：,泰勒(GITaYler)首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。,图4-1表示从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。,6,图4-1由湍流引起的扩散,7,3.相似理论,湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。,湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。,利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出与实际大气污染扩散相符合的计算模式。,8,9,10,大气湍流与污染物的扩散,图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度也不断地降低。,图8.3b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。,图8.3c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。,在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述几种过程共同完成的。,11,4.,研究湍流的主要方法,目前研究湍流的主要方法有两种：,一种是半经验理论方法,，它是通过解运动方程等来研究边界层大气运动；,是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法，结合经验事实，采用适当的参数。,虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学家和工程技术人员对此比较感兴趣,另一种是湍流统计理论方法,，即物理上把湍流视为大大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统计途径，来分析研究湍流内部结构。,将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科学家就致力于这方面的研究。,12,5.,三种理论的比较,这三个理论分别：,考虑不同,的物理机制，,采用不同,参数，,利用不同,的气象资料，,在不同的假定,条件下建立起来的。,它们,具有不同的有缺点,，只能在一定范围内使用,13,湍流的概念,（运动流场的各种特性量是时间和空间的随机变量 ）,大气运动的湍流性,（雷诺数远大于下临界数）,雷诺数,（特征尺度、流动速度、分子动力学粘性系数）,湍流的基本特征：,（1）随机性，（2）非线性， （3）扩散性， （4）涡旋性，（5）耗散性,热力湍流和机械湍流,（不稳定、风切变）,大气湍流与污染物的扩散,（快、各种湍涡）,研究湍流的主要方法：,一种是半经验理论方法， 另一是湍流统计理论方法,湍流扩散的梯度输送理论（欧拉方法）,湍流扩散的统计理论（拉格朗日方法）,湍流扩散的相似理论,14,2高斯扩散模式,一、高斯模式的有关假定,1.坐标系,坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为,x,轴，,y,轴在水平面内垂直于,x,轴，正方向在,x,轴的左侧，,z,轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。食指,x,轴；中指,y,轴；拇指,z,轴。此坐标系中，烟流中心与,x,轴重合或烟流在,oxy,平面的投影为,x,轴。,2.四点假设,a,污染物浓度在,y,、,z,风向上分布为正态分布,b,全部高度风速均匀稳定,c,源强是连续均匀稳定的,d,扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）,15,高斯扩散模式坐标系,高斯扩散模式的坐标系,16,二、无界空间连续点源扩散模式,17,上式中：, ,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：,（）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；,（）连续点源以单位时间的释放量表示；,（）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；,（）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。,y,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,；,z,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、组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。,18,19,20,1.高斯烟流的形态,21,2.高斯烟流的浓度分布,高斯烟流中心线上的浓度分布,22,三、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，则式仍适用于地面以上的大气，但根据假设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，,即原式中的,Z,在新坐标系中为（,Z-H）,不考虑地面的影响，则：,23,24,25,26,27,以上模式适用于气态污染物和粒径小于10,m,的飘尘，对于大10,m,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（,u,t,）,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。,28,29,四、颗粒物扩散模式,粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算,大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式,地面反射系数,30,3污染物浓度的估算,q,源强 计算或实测,平均风速 多年的风速资料,H,有效烟囱高度,、 扩散参数,一.,烟气抬升高度的计算,初始动量： 速度、内径,烟温度 浮力,烟气抬升,31,一.烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式,1.,Holland公式：适用于中性大气条件,（稳定时减小，不稳时增加,10,20,）,Holland,公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下,32,一、烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式（,续）,2.Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件,33,一、烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式,（续）,3.我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式,34,二、扩散参数的确定,PG曲线法,PG曲线Pasquill常规气象资料估算,Gifford制成图表,35,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用,根据常规资料确定稳定度级别,36,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用,利用扩散曲线确定 和,37,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用,地面最大浓度估算,38,2.扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,稳定度分类方法,改进的PT法,太阳高度角,（式,4-29,，地理纬度，倾角）,辐射等级 稳定度,云量,（加地面风速）,39,2.扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,扩散参数的选取,扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）,平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级,工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级,丘陵山区的农村或城市，同工业区,取样时间大于0.5h， 不变，,40,4 特殊气象条件下的扩散模式,主要指气象条件与高斯模式不一样,（,温度层结构均一，实际中难以实现）,封闭型扩散模式,相当于两镜面之间无穷次全反射,实源和无穷多个虚源贡献之和,n,为反射次数，在地面和逆面,实源在两个镜子里分别形成,n,个像,41,一、封闭型扩散模式,计算简化：,42,二、熏烟型扩散模式,假设：,D,换成,h,f,（垂向均匀分布）；,q,只包括进入混合层部分，,则仍可用上面公式,43,二、熏烟型扩散模式,44,5 城市及山区扩散模式,一,、,城市大气扩散模式,1.线源扩散模式,45,一,、,城市大气扩散模式,2.面源扩散模式,大气排放规范里规定条件：烟囱高,40m,；,单个排放量, O,3,SOx or NOx + NH,3,+,OH,- (NH,4,),2,SO,4,or NH,4,NO,3,SO,2,+,OH,- H,2,SO,4,NO,2,+,OH,- HNO,3,VOC +,OH,-,Orgainic PM,OH, Air Toxics,(POM, PAH, Hg,(II),etc.),Fine PM,(Nitrate, Sulfate,Organic PM),NOx + SOx +,OH,(Lake Acidification,Eutrophication),One Atmosphere,One Atmosphere,52,第三代模式（Models3）,53,二、山区扩散模式,山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立,对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多,ERT,模式,高斯模式，只对有效源高进行修正,NOAA,和,EPA,模式,NOAA,以高斯模式为基础，对有效源高进行修正,EPA,与,NOAA,相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正,54,6,烟囱高度的设计,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/H,2,（,见书P88图3-24所示,）,，,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H,2,）,，,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。,一、烟囱高度计算,烟囱高度的计算分为：,精确计算法,；,简化计算法,。,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.,按地面最大浓度的计算方法,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,55,56,一、烟囱高度的计算,2.按地面绝对最大浓度计算,57,3.,根据一定保证率计算烟囱高度,由地面最大浓度计算法H,S,较矮，,当u,时， 地面浓度超标；,由地面绝对最大浓度计算法H,S,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“指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：Q,e,烟尘允许排放速率，t/h；,P,e,烟尘排放控制系数，t/(hm,2,)；,H有效源高，m。,由此得烟囱高度为：,58,二,、,烟囱设计中的若干问题,1.,分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确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：,1）选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式；,2）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:100,m,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200,m,的较高烟囱以此型为主。观测发现：当混合层厚度在7601065,m,间时，它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍，,C,max,可持续24小时，常出现在早晨和中午。,59,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.,抬升公式很多，用何公式应按具体情况而定，一般选霍氏公式,3.,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3,m/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。,上述计算公式实际上会遇到许多问题，必须予以考虑，如上述模式仅适于锥形扩散，实际是变化的，要根据建厂地区的气象条件等来取值。,60,61,3-6 厂址选择,一、选择厂址所需的气候资料,气候资料,是指气象资料的常年统计形式。,1、风向和风速气候资料：,为了一目了然，常把风资料画成风玫瑰图。图,a,是,风向玫瑰图,；图,b,风速玫瑰图,是各个风向的平均风速绝对值。图,c,是,风速和风向频率复合图,，该图矢线长度代表风向频率大小，矢线末端的风速羽代表平均风速，每一羽可表示0.5或1.0,m/s。,。,风向（风速）玫瑰图,：在8个或16个方向上给出风向（风速）的相对频率或绝对值，用线段表示，连接各端点即成。,风玫瑰图可按多年（5-10年或更长）的平均值作；也可按某月或某季的多年平均值作，山区地形复杂，风向、风速随地形和高度而变，可做出不同地点和高度的风玫瑰图。,静风（风速1.0,m/s）,或微风（风速为12,m/s）,情况大气通风条件差，容易引起高浓度污染，尤其是长时间静风会使污染物大量积累，引起严重污染。因此，在空气污染分析中不仅应统计静风频率，有条件还要统计静风持续时间。,62,63,2.,大气稳定度的气象资料,一般气象台没有近地层大气逆温层结的详细资料，但可据,pasquill,或我们废气排放制定标准中规定的方法。利用已知的气象资料进行分类，统计出月（年、季）各稳定度频率，作出必要的图表。,3.,混合层高度的确定,混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数,。由于温度层结的昼夜变化，混合层高度也随时间变化。混合层高度可看作气块作干绝热上升运动的上限高度。（即：干绝热递减率上限高度。混合层愈高，则污染物垂直扩散的范围越大。）具体指出污染物在铅直方向的扩散范围。受太阳辐射的影响，午后混合层高度最大，在温度高度图上，从上午最大地面温度作干绝热线，与早晨温度探空曲线的交点高度为午后混合层高度，即最大混合层高度。见下页图示。,大范围内的平均污染浓度，可以认为与混合层高度和混合层内的平均风速的乘积成反比,。通常定义,D,为,通风系数,。D,单位时间内通过与平均风向垂直的单位宽度混合层的空气层,。,通风系数越大，污染浓度越小。,64,65,二、长期平均浓度的计算,在厂址选择和环境评价中，人们更关心的长期平均浓度的分布。下面讨论长期平均浓度的计算方法。,气象随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。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。,66,67,68,69,三、厂址选择,从环境保护角度出发，,理想的建厂位置,是,污染本底值最小，扩散稀释能力强，排出的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方,。,1、本底浓度,本底浓度超标的地区不宜建厂，本底浓度虽未超标，但加上拟建厂贡献，短期内又无法改进的也不宜建厂，应选择本底浓度小的地区建厂。,2、风向、风速,污染物危害的程度和受污染的时间及浓度有关，所以居住区、作物生长区都希望能设在受污染时间短、污染浓度低的位置，因而确定工厂和居民区的相对位置时要考虑风向、风速两个因素。,污染系数表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响程度。其表达式为：,污染系数=,70,某风向污染系数小，表示该风向吹来的风所造成的污染小，因此污染源可布置在污染源在污染系数最小风向的上侧。,结合,书P86表3-19,（某地风向频率及污染系数）分析。,3.,温度层结,由于一般污染物扩散是在距地面几米高范围内进行的，所以离地面几百米范围内的大气稳定度对污染物的扩散稀释过程有重要影响，选厂址必须注意收集逆温层的强度、厚度、出现频率和持续时间等资料，要特别注意逆温同时出现静风或微风的情况。,大型工厂：若排烟有效烟囱高度能突破经常出现的逆温层高度而在逆温层以上扩散，对防止污染有利，若逆温层出现在烟囱有效高度上部，往往易造成污染。,中小工厂：距地面200300米以下的逆温层对中、小型工厂是不利的条件，高层逆温对几公里范围内的扩散影响不大。,其它气象资料：如降雨、云、雾等。,4.,地形,地形对空气污染的影响很复杂，在复杂地形建厂，必须作具体分析，一般应进行专门的气象观测和现场扩散实验或进行风洞试验以便对当地的扩散稀释条件做出准确评价。,71,本 章小结,1.湍流扩散的基本理论,2.污染物浓度的估算方法,3.非点源污染物浓度估算模式,4.特殊情况下的扩散模式,5.烟囱高度的设计,6.厂址的选择,作业题P115116,2.4.6.8,72,无,限,风,光,在,险,峰,73,