环境系统分析教程之箱式大气质量模型

Computer Science | Software Engineering & Information System环境系统分析教程环境系统分析教程第第1313讲讲第六章第六章 大气质量模型大气质量模型 l基本假设：基本假设：在模拟大气的污染物时可以把研究的空间范围看成是一个尺寸固定的“箱子”，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。l可以分为单箱模型和多箱模型箱式大气质量模型箱式大气质量模型混合层是由于温度层结不连续产生上下层间的湍流不连续而形成。下层空气湍流强，上层空气湍流弱，这就造成不连续面以下能够发生强烈的湍流混合，使得位温、水汽等要素随高度分布均匀。由于混合层是湍流受热对流控制的近地面层以上的大气边界层，所以它也常被称为自由对流层。一、单箱模型一、单箱模型1. 基本假设：基本假设：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h。推流通量uc0 Q b hl uc一、单箱模型一、单箱模型2. 基本模型基本模型推流通量uc0 Q b hl uckClbhlbQC)ubh(ClbhdtdC0C为箱内的污染物浓度；l为箱的长度；b为箱的宽度；h为箱的高度；C0为初始条件污染物的本底浓度；k为污染物的衰减速度常数；Q为污染源的源强；u为平均风速；t为时间坐标3. 模型的解模型的解一、单箱模型一、单箱模型lbQCCubhdtdClbh)(010tlueuhQlCC若K=0，则控制方程为 以上控制方程的初始条件为：t=0时，C=C0；其解析解为： uhQlCCP0当t=时，若K0，则其解析解为：当t=时，1 )(00tKlueKluKChQCCKluKChQCCP00思考思考已知某工业基地位于一山谷地区，计算的混合高度h=120m，该地区长45km，宽5km，上风向的风速为2m/s，SO2的本地浓度为0。该基地建成后的计划燃煤量为7000t/d，煤的含硫量为3%，SO2转化率为85%，试用单箱模型估计该地区的SO2浓度。二、多箱模型二、多箱模型l在纵向和垂直向把单箱分为多箱，以考虑纵向和垂直向大气污染物的不均匀分布，但横向还是作为一个箱体，不考虑横向浓度的不均匀分布。l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。第六章第六章 大气质量模型大气质量模型 l大气污染物在大气中的运动，一般呈三维运动，其基本运动方程为：kc)zC(Ez)yC(Ey)xC(ExzCuyCuxCutCzyxzyx忽略污染物扩散过程中自身的衰减，即k=0，同时忽略y方向和z方向上的流动，即uy=uz=o，上式可以简化为：)zC(Ez)yC(Ey)xC(ExxCutCzyxxl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：222222zCEyCExCExCutCzyxx各种高架点源模型的基础一、无边界的点源模型一、无边界的点源模型1. 瞬时单烟团正态扩散模型瞬时单烟团正态扩散模型z2zy2yx2xzyx23Et)u(zEt)u(yEt)u(x4t1expEEEt)8(Mt)z,y,C(x,M为t=0时刻，由原点（0,0,0）瞬间排放量，即污染物的源强瞬时释放的单烟团正态扩散模型是一切正态扩散模型的基础。假设点源位于坐标原点，释放时间为t=0，在无边界的大气环境中，瞬间排出的一个烟团将沿三维方向扩散。基于上述基本运动方程及对应假设条件，得空间任一点、任一时刻的污染物浓度：t2Et2Et2Ez2zy2yx2x，令三个坐标方向上的污染物分布的标准差为：1. 瞬时单烟团正态扩散模型瞬时单烟团正态扩散模型2z2z2y2y2x2xzyx32t)u(z2t)u(y2t)u(xexp8Mt)z,y,C(x,2. 无边界有风的点源模型无边界有风的点源模型l设风向平行于x轴，忽略y方向和z方向上的流动，即uy=uz=0，则在空间任一点、任一时刻的污染物浓度可以用下式计算。2z22y22x2xzyx32z2y2t)u(xexp8Mt)z,y,C(x,3. 无边界无风的瞬时点源模型无边界无风的瞬时点源模型l在无风的条件下，ux=02z22y22x2zyx32z2y2xexp8Mt)z,y,C(x,l连续稳定点源，C/ t=0，在有风（ux1.5m/s）时，可以忽略扩散作用。4. 无边界连续点源模型无边界连续点源模型Q为在原点（0,0,0）连续稳定排放的污染源源强，即单位时间排放的污染物量2z22y2zyxzy21exp2Qt)z,y,C(x,二、高架连续排放点源模型二、高架连续排放点源模型高烟囱产生的地面污染物浓度比具有相同源强的低烟囱要低。烟囱高度是大气污染控制的主要变量之一。烟囱高度？l烟囱的有效高度=物理高度+烟气抬升高度；物理高度：物理高度：烟囱实体的高度；烟气抬升高度：烟气抬升高度：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。l 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。l 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。l高架源须考虑到地面对扩散的影响。l用“像源法”处理把P点污染物浓度看成为两部分（实源和像源）作用之和。建立三个坐标系：1、以实源在地面的投影点为原点；P点坐标为（x，y，z）； 2、以实源为原点；3、以像源为原点。（1）实源贡献：P点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为（z-H）。不考虑地面的影响，实源在P点形成的污染物浓度为：2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 实源的贡献实源的贡献（2）像源贡献：P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为（z+H），像源在P点形成的污染物浓度为：2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像源的贡献像源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像源的贡献像源的贡献高斯模型高斯模型思考思考已知烟囱的物理高度为60m，烟气抬升高度为98m，计算平均风速为6m/s，SO2排放量为650g/s，试计算自地面至240m高处的SO2浓度在下风向800m处轴线上的垂直分布。（y=2.06x0.61；z=0.10 x1.01）1. 高架连续点源的地面浓度模型高架连续点源的地面浓度模型l令z=0，得：2. 高架连续点源的地面轴线浓度模型高架连续点源的地面轴线浓度模型l令y=0，z=0，得：3. 高架连续点源最大落地浓度模型高架连续点源最大落地浓度模型当当z2ex*4EHuxxy2exzy2exze*maxeHeu2QEHeuE2Q)H,0,0,C(x)HC(x,0,0,4. 烟囱有效高度的估算烟囱有效高度的估算如果给定地面污染物最大允许浓度，由上式可以估算烟如果给定地面污染物最大允许浓度，由上式可以估算烟囱的有效高度囱的有效高度He*maxyxz*eC(x,0,0)eu2Q H思考思考已知某工厂排放Nox的速率为100g/s，平均风速为5m/s，如果控制Nox的地面浓度增量为0.15mg/m3，试求所必须的烟囱有效高度。（y=0.237x0.691；z=0.217x0.610）5. 逆温条件下的高架连续点源模型逆温条件下的高架连续点源模型h表示从地面到逆温层底部的高度表示从地面到逆温层底部的高度应用条件是Heh如果在烟囱排出口的上空存在逆温层，从地面到逆温层的底部的高度为h，这时，烟囱的排烟不仅要受到地面的反射，还要受到逆温层的反射。逆温条件下高架连续点源的地面轴线浓度：逆温条件下高架连续点源的地面轴线浓度：三、高架多点源连续排放模型四、可沉降颗粒物的扩散模型1. 当颗粒物的粒径小于10m时，在空气中的沉降速度小于1cm/s，由于垂直湍流和大气运动的支配，不可能自由沉降到地面，颗粒物的浓度分布仍可用前面所述各式计算；地面颗粒物浓度计算模型：地面颗粒物浓度计算模型：2. 当颗粒物的粒径大于10 m时，在空气中的沉降速度在100 cm/s左右，颗粒物除了随流场运动以外，还由于重力下沉的作用，使扩散羽的中心轴线逐渐向地面倾斜，在不考虑地面反射的情况下可以利用下述模型计算地面颗粒物浓度：第六章第六章 大气质量模型大气质量模型 一、线源模型一、线源模型l若污染源在空间呈连续线状分布，就组成线型污染源，污染物在此线上均匀排放到大气环境。例如：川流不息的交通干线上汽车废气的排放就可近似为一线源，线源可以看作是多点源求和。1.无限长线源模型2.有限长线源模型3.线源分段求和模式二、面源模型二、面源模型l污染物若在一平面上近似均匀地排放(如：一居民区的生活废气排放、一分布密集的小工厂区的工业燃烧废气排放)，对周围环境的污染影响需用面源扩散模型(用大量的点源扩散模型计算求和不仅不经济而且反而不精确)1.简化模型2.点源积分模型3.大气湍流与扩散实验室（ATDL）模型第六章第六章 大气质量模型大气质量模型 一、大气边界层一、大气边界层l边界层广义地讲是在流体介质中受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。l大气中，对流层内贴近地表面约1-2km处的大气，直接受到地面摩擦力的影响，它的厚度比整个大气层小得多，气流具有边界层的性质，故称为大气边界层（大气边界层（ABLABL）。低低层层大大气气结结构构二、小风、静风扩散模型二、小风、静风扩散模型当风速0.5m/su101.5m/s时作为小风状态；当风速u100.5m/s时作为静风情形。l模型（自学）前述扩散模型几乎都假定沿平均风向即x方向的平均风速的推流输移速率远大于湍流扩散速率，因此忽略x方向湍流扩散，但在小风和静风条件下，这一假设不能成立。三、熏烟模型三、熏烟模型l夜间下垫面的辐射冷却形成贴地逆温层，日出后地面受太阳辐射增加温度，逆温层将逐渐自下而上的消失，形成一个不断增厚的混合层。原来在逆温层中处于稳定状态的烟羽进入混合层后，上部的逆温使得扩散只能向下发展，由其本身的下沉和垂直方向的强扩散作用，污染物浓度在这一方向将接近于均匀分布，造成地面高浓度污染，出现所谓熏烟现象熏烟现象。熏烟的含义四、复杂地形扩散模型四、复杂地形扩散模型l狭长山谷扩散模型l山区丘陵模型五、干湿沉积及化学转化模型五、干湿沉积及化学转化模型1. 定义定义2. 源衰减模型源衰减模型基本思路：基本思路：在常数源强的点源扩散模型基础上，将由于沉积或化学转化作用引起的浓度随扩散距离而降低看作是源强的衰减