大气扩散浓度估算

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,*,大气污染,控制理论与方法,环境科学与工程学院,第四章 大气扩散浓度估算,环境科学与工程学院,二O一O年三月,4-1,烟气抬升高度,有效源高,一、有效源高,烟囱的有效高度,H,（烟轴高度，它由烟囱几何高度,Hs,和烟流（最大）抬升高度,H,组成，即,H=Hs+H,），,要得到,H，,只要求出,H,即可。,H：烟囱顶层距烟轴的距离，随x而变化的。,1、烟气抬升,（1）烟气从烟囱排出，有风时，大致有四个阶段:(,见下页图,),a）,喷出阶段,；b）,浮升阶段,；c）,瓦解阶段,；d）,变平阶段,：（2）烟云抬升的原因有两个：,是烟囱出口处的烟流具有一初始动量（使它们继续垂直上升）；,是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。,这两种动力引起的烟气浮力运动称,烟云抬升,，烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度。,2、影响烟云抬升的因素,影响烟云抬升的因素很多，这里只考虑几种重要因素：,（1）,烟气本身的因素,a）,烟气出口速度（,Vs）：,决定了烟起初始动力的大小；,b）,热排放率（,Q,H,）,烟囱口排出热量的速率,Q,H,越高烟云抬升的浮力就越大，大多数烟云抬升模式认为 ，其中,=1/41，,常取,为2/3。,（2）,环境大气因素,a）,烟囱出口高度处风速 ， 越大，抬升高度愈低；,b）,大气稳定度,不稳时，抬升较高；中性时，抬升稍高；稳定时，抬升低。,c）,大气湍流的影响,大气湍流越强，抬升高度愈低。,（3）,下垫面等因素的影响,3、烟云最大抬升高度的经验计算,抬升高度的计算公式很多，但由于影响抬升高度的因素很多，所以目前大多数烟羽抬升公式是凭经验的，且各有其特点（局限性），因此,应尽量选择该公式的导出条件和我们的计算条件相仿的,。下面介绍几个常见公式：,霍兰德公式校正分数取值,适用条件,：中性大气条件；对于非中性大气条件，进行修正：不稳定大气增加（10%20%）H；稳定大气减少（10%20%）H。,不适于,：计算大型的热排放源或高于100m烟囱的抬升高度。,b.布里吉斯（Briggs）公式,适用于,不稳定大气条件和中性大气条件的计算式。,3）,我国（GB/T13201-91,）“,制定地方大气污染物排放标准的技术方法”推荐的抬升公式,：,a.,当,Q,h,2100,KJ/s,且,T,35,K,时，,u,H,Q,n,n,s,n,h,/,2,1,0,=,DH,，其中,s,v,a,h,T,T,Q,P,Q,/,35,.,0,D,=,表,系数,n,0,、,n,1,、,n,2,的取值,（,见,书,P91,表,4,-,2,）,Q,h,(KJ/,s,),下垫面情况（平原地区）,n,0,n,1,n,2,农村或城市远郊区,1.427,1/3,2/3,Q,h,21000,城区及近郊,1.303,1/3,2/3,农村或城市远郊区,0.332,3/5,2/5,21000,Q,h,2100,且,T,35K,城区,0.292,3/5,2/5,当,Z,2,200,m,，,m,Z,Z,u,u,),(,1,2,1,=,；,当,Z,2,200,m,，,m,Z,u,u,),200,(,1,1,=,式中：,u,1,-,附近气象台（站）高度,5,年平均风速，,m/s,；,m,-,。,Z,1,-,附近气象台（站）高度,5,年平均风速，,m/s,；,Z,2,-,烟囱出口处高度，,m,；,DT,a,/dZ,为排放源高度以上的气温直减率，取值不得小于0.01,K/m。,4、烟云抬升高度的测定,选用烟气抬升高度计算公式前往往根据实例，根据实测时烟囱参数代入各种公式进行计算，选用与实测值近似的公式，或将公式中系数作以修改。目前已知的测定方法有照相法、气球测高法、激光雷达法等。,（2）,抬升公式很多，用何公式应按具体情况而定，一般选霍氏公式或中国推荐公式。,4-2,污染物落地浓度,一、污染源,污染源对污染物的影响很大，从污染源考虑污染物浓度主要有以下几方面：,(1) 污染物指的化学组分及性质，各组分间是否易发生化学反应形成二次污染物等；,(2) 源的几何形状和排放方式；,(3)源强，即污染物的排放速率；,(4) 源的高度。,在源强等条件相同的情况下,源高对地面污染物的影响见右图所示。,一、高斯扩散模式的基本形式,x,轴沿平均风向水平延伸，,y,轴在水平面上垂直于,X,轴，,Z,轴垂直,xy,平面向上延伸,烟云中心平均路径沿,X,轴或平行,Y,轴移动。,(,二,),高斯模式的有关假定,1.,烟羽的扩散在水平和垂直方向都是正态分布；,2.,在扩散的整个空间风速是均匀的、稳定的；,3.,污染源排放是连续的、均匀的；,4.,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；,(不存在地面时),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。,4、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：,以上模式适用于气态污染物和粒径小于15,m,的飘尘，对于大15,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。,非点源扩散模式（城市及山区扩散模式）,1.线源扩散模式;,2.面源扩散模式;,3.,山区扩散模式；,1.线源扩散模式,城市中的街道和公路上汽车排放废气可作为线源。,无限长线源：,在足够长线路上，维持足够密度，能在公路或街道两侧形成稳定浓度场的线源。,有限长线源,：只能在有限的线路两侧形成断续稳定的浓度场的情况。,无限长线源扩散模式,无限长线源扩散模式：当风向与线源垂直时，连续排放的线源在横风向产生的浓度是处处相等。只需对点源模式对变量y进行积分即可,。,式中：,Q,L,：为单位线源的源强，,g/(sm),。,无限长线源扩散模式（续）,当风向与线源不垂直时，若风向与线源交角大于45度时，线源下风向的浓度式为：,若风向与线源交角小于45度时，较复杂、具体情况具体分析。,有限长线源模式,必须考虑线源未端引起的“边缘效应”，对横风的有限长线源，在关心的接受点的平均风向为,x,轴，线源在一定范围（,y,1,、,y,2,）范围内扩散模式,2,面源扩散模式,对于城市中小型工厂，企业生活锅炉、及居民的炉灶等数量众多，分布面广，排放高度较低，高度不一，很难做为点源来处理，可采用面源扩散模式。,*平原城区排气筒高度不高于40m或排放量小于0.04t/h的排放源,可按面源处理,。*,A,箱模式,假设城市中污染物浓度在整个混合层内是均匀的的。,C,l,DU=QlX,即：,C=QX/UD,Q,为单位面积上的源强。,A箱模式（续）,由于区域面源的平面分布和高度都是不均匀的，所以一般是把区域划分为许多小正方形，每一正方形作为一个面源单元，正方形边长的选取，视面源的分布和城市大小而定，一般在0.5-10km之间选取。,B,虚拟点源模式,假定：（1）每一面源单元的污染物排放量集中在该单元的中心上；（2）面源单元中心的上风向距离X,0,处有一虚拟点源，它在面源单元中心线处产生的烟流宽度（）等于面源单元宽度W；（3）面源单元在下风向造成的浓度可用虚拟点源在下风向造成的同样的浓度所代替。,B虚拟点源模式（续）,由假定（2）可得由求出和大气稳定度级别，应用P-G曲线图或表可反求出X,0,。再由X+X,0,查出，由X查出，代入点源扩散的高斯模式，便可求出下风向各面源单元中心处的地面浓度：,3山区扩散模式（略）,4-4,、特殊气象条件下的扩散模式,（一）有上部逆温层的扩散模式,如果大气低层处于不稳定，某一高度以上有逆温层存在，这是上部逆温层就像一个“盖子”使污染物垂直扩散受限制，扩散只能在地面和逆温间进行，称之为“,封闭型扩散,”。,此类模型的推导是,把逆温层底面看成和地面一样能起全反射的“镜面”，这时的烟云多次反射,。,污染源浓度可看成是实源和无穷多个虚源作用之和。,实际计算往往要进行简化，设,x,D,为烟羽边缘刚好达逆温底层时离烟源的水平距离。,当,xx,D,时，按原扩散模式（一般高斯模式）计算；,x,D,可由求得，,当,x2x,D,时，水平方向仍呈正态分布，,z,方向浓度渐趋均匀；,当,x,D,x2x,D,时，情况复杂，此时可取,x=x,D,和,x=2x,D,时两点浓度的内插值（采用双对数坐标系）。,(,),）,=,2,2,0,2,exp（,2,y,y,H,y,x,y,D,u,Q,C,s,s,p,（二）熏烟扩散模式,熏烟过程,：是指由于夜间辐射逆温在日出后，受太阳辐射，使逆温自下而上消失，转变为中性或不稳定层结，消失到烟羽下界时，上部仍为逆温，扩散只能向下进行，致使出现地面高浓度。随着逆温自下而上逐渐消退而发展至烟流上界时达高潮，此过程称为熏烟过程，持续数十分钟。,1.,若逆温消退到高度,Z,f,，而,H,Z,f,L,2.,当逆温消退到有效源高,H,时，即,h,f,=H,3.,当逆温刚消退到烟流顶高,(h,f,),时,5、有效源高对地面最大浓度的影响,高架连续点源地面最大浓度计算式,是在风速不变的情况下导出的。当考虑有效源高对地面最大浓度的影响时，应把风速看成变量考虑其影响。,从,C,max,公式看出：风速对,C,max,有两种作用结果：,风速增大，地面最大浓度减小；,从各种抬升公式看，风速增大时抬升高度减小，地面最大浓度增大。因此可以设想在某一风速下会出现地面最大浓度的极大值，称为,地面绝对最大浓度,，相对此时的风速称为,危险风速,。,地面最大浓度,C,max,不是随风速增加而单纯的减小，而是先随风速增加而增大，当,C,max,达到最大值后再减小,。,下面举一种地面绝对最大浓度表达式，说明有效源高对地面最大浓度的影响。,大多数烟流抬升公式可概括为,H=B/,的形式，其中,B,为某一抬升公式中除以外的一变量。例如用霍兰德公式计算,H,时，,。若将上述抬升公式代入地面最大浓度公式,C,max,中，对求导（,B,视为常数），并令,则得到,=B/Hs，,即当,=B/Hs,时，,C,max,达极大。,不取,H=B/,时，计算要繁杂得多，但都有一危险风速。,4-6,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/H,2,，,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。,1、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）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,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。,（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：,作业,P115-116 2T、3T、5T、9T、10T、11T,