06第6章：大气质量模型

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章,:,大气质量模型,本间将涉及如下内容,6-1,污染源预测模型,6-2,箱式大气质量模型,6-3,高架点源扩散模型,6-4,线源和面源模型,6-5,大气质量模型中的参数估计,相关计算工具,6-1,污染源预测模型,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、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等。,在大气质量预测和大气污染控制规划中，二氧化硫和粉尘是主要的研究对象。,6-1,污染源预测模型,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。,污染物的排放方式不同，说明它进入大气的初始状态不同，用以计算它对大气环境影响的模型也不同。,6-1,污染源预测模型,大型工厂、机关、学校集中排放烟气的烟囱一般都是点源。,点源又分为高架点源和非高架点源，我国规定凡不经过排气筒的废气排放以及排放高度低于,15m,的排气筒排放皆不视为高架源。,高架点源一般都属于有组织排放，非高架源的排放则属于无组织排放。,6-1,污染源预测模型,交通频繁的铁路、公路可以视作为线源，居民区一般的家庭排烟、商业区的排烟可以看作为面源。,线源和面源一般都是非高架源。,6-1,污染源预测模型,源强是研究大气污染的基础数据，其定义就是污染物的排放速率。,对瞬时点源，源强就是点源一次排放的总量；对连续点源，源强就是点源在单位时间里的排放量。,大气中的污染物浓度与源强成正比。,6-1,污染源预测模型,6-1,污染源预测模型,预测源强的一般模型为：,（,6-1,）,源强，对瞬时排放源以,kg,或,t,计；对连续稳定排放源以,kg/h,或,t/d,计；,燃料消耗量，对固体燃料以,kg,或,t,计；对液体燃料以,l,计；对气体燃料以,100m,3,；,时间单位以,h,或,d,计；,净化设备对污染物的去除效率；,某种污染物的排放因子。,式中：,燃烧方式和燃烧条件对各种污染物的发生量有很大影响。,例如燃煤锅炉排烟中飘尘占总烟尘的比例，因燃烧方式不同而有很大变化,影响燃烧过程的因素比较复杂，相关锅炉的排放因子可通过查询资料获得。,6-1,污染源预测模型,6-2,箱式大气质量模型,有很多模型用来预测和模拟大气质量，其中最简单的是箱式大气质量模型。,箱式大气质量模型的基本假设是：在模拟大气的污染物浓度时，可以把所研究的空间范围看成是一个尺寸固定的“箱子”，这个箱子的高度就是从地面计算的混合层高度，而污染物浓度在箱子内处处相等。,箱式大气质量模型可以分为单箱模型和多箱模型。,6-2,箱式大气质量模型,1.,单箱模型,单箱模型是计算一个区域或城市的大气质量的最简单的模型。这个模型假定所研究的区域或城市为一个箱子所笼罩，这个箱子的平面尺寸就是所研究的区域或城市的平面，箱子的高度是由地面计算的混合层高度（图,6-1,）。,6-2,箱式大气质量模型,图,6-1,：箱式模型,6-2,箱式大气质量模型,根据整个箱子的输入、输出，可以写出质量平衡方程：,（,6-2,）,式中：,l ,箱的长度；,b ,箱的宽度；,h ,箱的高度；,C,0,初始条件，污染物的本底浓度；,K ,污染物的衰减速度常数；,Q ,污染源的源强；,u ,平均风速；,C ,箱内的污染物浓度；,t ,时间坐标。,6-2,箱式大气质量模型,如果不考虑污染物衰减，即,K=0,，,当污染源稳定排放时，可以得到式（,6-2,）的解：,（,6-3,）,6-2,箱式大气质量模型,当式（,6-3,）中的,t,很大时，箱内的污染物浓度,C,随时间的变化趋于稳定状态，这时的污染物浓度称为平衡浓度,C,p,，,由式（,6-3,）可得：,（,6-4,）,6-2,箱式大气质量模型,如果污染物在箱内的衰减速度常数,K0,，,式（,6-2,）的解为：,（,6-5,）,6-2,箱式大气质量模型,这时的平衡浓度为：,（,6-6,）,6-2,箱式大气质量模型,单箱模型把整个箱内的浓度视作均匀分布，不考虑空间位置的影响，也不考虑地面污染源分布的不均匀性，因而其计算结果是概略的。单箱模型较多应用在高层次的决策分析中。,6-2,箱式大气质量模型,2.,多箱模型,多箱模型是对单箱模型的改进，它在纵向和高度方向上把单箱分成若干部分，构成一个二维箱式结构模型参见下图,6-2,6-2,箱式大气质量模型,图,6-2,：,多箱模型,6-2,箱式大气质量模型,多箱模型在高度方向上将,h,离散成,m,个相等的子高度,h,，在长度方向上将,l,离散成,n,个相等的子长度,l,，共组成,mn,个子箱。,在高度方向上，风速可以作为高度的函数分段计算；污染源的源强则根据坐标关系输入贴地的相应子箱中。,为了计算上的方便，可以忽略纵向的弥散作用和竖向的推流作用。,如果把每一个子箱都视作为一个混合均匀的体系，就可以对每一个子箱写出质量平衡方程，例如，对图,6-3,中的第一个子箱：,6-2,箱式大气质量模型,图,6-3,：,44,箱式模型,6-2,箱式大气质量模型,其质量平衡关系为：,（,6-7,）,若令,则式（,6-7,）可以写作：,（,6-8,）,6-2,箱式大气质量模型,对于子箱,2-4,可以写出类似的方程，箱子从,1,至,4,，可以组成一个线性方程组，并可以用矩阵写成,：,（,6-9,）,或,（,6-10,）,6-2,箱式大气质量模型,式中：,由子箱,1-4,中的污染物浓度组成的向量；,由系统外输入组成的向量；,高度方向上第,i,层的平均风速；,高度方向上相邻两层间的湍流扩散系数；,高度方向上第,i,层的污染物本底浓度；,输入第,1,个子箱的源强。,对于子箱,1-4,：,和,均为已知，则：,（,6-11,）,6-2,箱式大气质量模型,由于第一列,4,个子箱的输出就是第,2,列,4,个子箱的输入，如果,l,和,h,是常数，对第二列来说，,A,的值和式（,6-9,）中相等，只是,有所变化，这时：,（,6-12,）,可以写出：,（,6-13,）,6-2,箱式大气质量模型,由此可以求得第二列子箱,5,至,8,的浓度,C5,至,C8,。依此类推，可以求得,C9,至,C16,。,如果在宽度方向上也作离散化处理，则可以构成一个三维的多箱模型。三维多箱模型在计算方法上与二维多箱模型类似，但要复杂得多。,多箱模型可以反映区域或城市大气质量的空间差异，其精度要比单箱模型好，是模拟大气质量的有效工具。,6-2,箱式大气质量模型,6-3,高架点源扩散模型,污染物在大气中的迁移扩散一般呈三维运动。,式中,：,污染物在环境介质中的浓度。,环境介质在,x,、,y,、,z,方向上流速分量,分子扩散系数,如果忽略,y,方向和,z,方向上的流动，即,uy,=,uz,=0,，上式可以简化为：,6-3,高架点源扩散模型,式（,6-14,）中等号左边第一项为局地的污染物浓度,随时间,的变化率，第二项为,沿,x,轴向,（与风向平行）的推流输送项，等号右边是,x,、,y,、,z,三个方向上的湍流弥散项。,该式虽已简化，仍然是很复杂的，在不同的初始条件和边界条件下可以得到不同的解。在求解该式之前，假定大气流场是均匀的，,Ex,、,Ey,和,Ez,都是常数，,C,为湍流时平均浓度，则可将其以写成：,（,6-14,）,（,6-15,）,该式是各种高架点源模型的基础。,6-3,高架点源扩散模型,1.,无边界的点源模型,1.1,无边界的瞬时点源模型,在无边界大气环境中，瞬间排出一个烟团将沿三维方向扩散，在空间任一点、任一时刻的污染物浓度可用下式计算：,（,6-16,）,式中,：,Q ,在,t=0,时刻，由原点（,0,，,0,，,0,）瞬间排放的污染物的源强。,6-3,高架点源扩散模型,若令三个坐标方向上的,污染物分布的标准差,为：,则式（,6-16,）可以写作,（,6-17,）,注该式最重要，最基础！,6-3,高架点源扩散模型,1.2,无边界,无风,瞬时点源模型,在无风的条件下，,ux,=0,，由式（,6-17,）可以求得无边界无风的瞬时点源模型：,（,6-18,）,6-3,高架点源扩散模型,1.3,无边界,（有风）,连续稳定点源模型,对于一个连续稳定点源，,在,ux1m/s,条件下，可以忽略纵向扩散作用，即,Ex=0,，则式（,6-15,）可以简化为：,（,6-19,）,6-3,高架点源扩散模型,式（,6-19,）的解为：,式中：,Q ,在原点（,0,，,0,，,0,）连续稳定排放污染源源强，即单位时间排放污染物量。,6-3,高架点源扩散模型,2.,高架连续排放点源模型,烟气的有组织排放一般都是通过烟囱进行的，在任何气象条件下，在开阔平坦的地形上，一个高的烟囱产生的地面污染物浓度总比具有相同源强的低烟囱所产生的地面浓度要低。增加烟囱高度已经成为目前最常用的降低大气污染的措施之一。在近几十年内，对烟囱高度和污染物分布之间的关系作了大量的研究。,烟囱高度,H,包括两部分：,H = H1 + H,物理高度,H1,：,是指烟囱的实体的高度；,烟气抬升高度,H,：,是指烟气在排出烟囱口之后在动量和热浮力的作用下能够继续上升的高度，这个高度可达数十至上百米，对减轻地面的大气污染有很大作用。,6-3,高架点源扩散模型,烟气离开排出口之后，向下风向扩散，作为扩散边界，地面起到反射作用。参见下图：,6-3,高架点源扩散模型,如果假定大气流场均匀稳定，横向,(y),、竖向,(z),流速和纵向,(x),弥散作用可以忽略，即,uy,=,uz,=0,，,Dx,=0,，对一个排放高度为,H,的连续点源，其下风向的污染物分布可按下式计算：,（,6-22,）,该式是高架连续点源的一般解析式，又称,高斯模型,。由,高斯模型,可以导出各种条件下的常用大气扩散模型。具体如下：,6-3,高架点源扩散模型,2.1,高架连续点源的,地面,浓度模型,2.2,高架连续点源的,地面轴线,浓度模型,6-3,高架点源扩散模型,2.3,高架连续点源,最大落地,浓度模型,注：该工是从,地面轴线,浓度模型,在,x,轴上通过求导得出的（详见书）。,6-3,高架点源扩散模型,2.4,烟囱有效高度的计算,2.5,逆温条件下的高架连续点源模型,3.,可沉降颗粒物的扩散模型,4.,高架多点源连续排放模型,6-3,高架点源扩散模型,6-4,线源和面源模型,1.,线源模型,2.,面源模型,6-5,大气质量模型中的参数估计,1.,烟羽有效高度,5.,混合高度,2.,平均风速,3.,大气稳定度,注：为此才有箱型模出现,4.,标准偏差 和,计算工具问题,