空气污染学 第四章 理想条件下空气污染物散布的模课件.ppt

第四章 理想条件下空气污染物散布的模式处理,2,主要内容,连续点源高斯扩散计算公式连续线、面源和体源扩散计算公式大气扩散参数烟流抬升高度非扩散过程的处理特殊条件下的扩散,3,欧拉扩散方程假设K为常数（即斐克扩散），可得到正态分布形式的解从统计理论出发，在平稳、均匀湍流的假定下，也可以证明粒子扩散位移的概率分布符合正态分布形式对连续点源发出的烟流的大量试验研究和观测事实表明，尤其是对于平均烟流的情形，其浓度分布是符合正态（也称高斯）分布的,4,4.1 连续点源高斯扩散公式,5,一 无界情形（公式及物理意义）,湍流均匀定常，设源位于无界空间，取X轴与平均风向一致，则污染物浓度在y和z方向符合高斯分布，可得：,6,物理意义,Q：源强，点、面、线、体源，影响直接、明显，影响大大气稀释因子：代表了不同气象条件和地形条件下物质散布的程度及其随空间距离的变化正态分布形式项：在正态分布情况下，分布形式的影响不敏感,7,镜像全反射-像源法实源：像源：,二 有界情形（掌握）,8,总贡献：,源强,平均风速,扩散参数,有效源高,9,烟流有效源高：H=hs+h 归一化浓度：,10,三 地面源,取H0，,有界情形是无界情形地面浓度两倍,11,四 地面浓度和地面最大浓度,1 地面浓度令 z=0，可得高架源的地面浓度,12,2 地面轴线浓度令y=0,z=0 可得高架源地面轴线浓度,13,高斯烟流的浓度分布,14,源高和稳定度的影响,15,（1）与 之比为常数,3 地面最大浓度的估算,若稳定度不变，增加有效源高H，则会在更远处出现达到最大浓度qm 所需的扩散参数。,16,（2）若 与 之比是变化的,17,一 线源扩散公式线源定义为呈线状分布的污染物排放源。如繁忙的公路和城市的街道通常被看作是线源连续线源等价于连续点源沿着线源长度范围的积分，其浓度场是线上无数点源浓度贡献之和,4.2 连续线、面、体源扩散公式,18,对于直线型的线源，可直接积分求出；对于很不规则的线源，只能用数值求和的方法解决点源计算一般取x轴与风向一致，线源计算时需考虑风向与其交角以及线源的长度,19,1 无限长线源,风向与其正交,为线源源强，mg/(sm),20,一般 不适用,风向与线源成交角 时,21,风向与其平行，只有上风向有贡献，浓度与顺风位置无关。,22,2 有限长线源,设线源长度为范围为，根据不同情况取积分有：,无界情形有限线源：,有界情形高架线源：,23,二 面源扩散公式,在水平方向呈面块状散布的污染物排放源,称面源。如散布很集中而高度低源强小的居民区污染源，可视为面源。面源扩散公式，原则上可由点源扩散公式沿x和y方向积分而得。假设面源源强为，自整个上风方的半平面对x=0和 y=0点造成的浓度贡献可分为两种：1.地面面源(即H=0)情形 2.近地层面源(即H)情形,24,由点源沿x和y向积分给出，自上风向半平面对x=0，y=0造成的浓度贡献,实际运用时，常处理积分并作源的编目和模式化处理。,25,这里有一个面源如何合理处理的技术问题。经验上采用“虚点源”法，此法大致分两步：1）把大块面源划分为若干较小的面源块情况下，可将面源化为点源来处理，即将每一面源块（又称面源单元）简化为一个等效的点源假定整个面源块的污染物排放集中在该点。这样就可用点源扩散公式来计算该面源所造成的污染物浓度。（2）由烟流半宽定义有,26,此时，我们能在上游方向确定出虚拟点源的位置。即在这一点上，使虚拟点源的扩散参数恰等于该面源的初始扩散参数。这样，可得高架源地面浓度为,27,在应用上式时,常采用经验方法给出初始扩散参数，如图所示。假设:图中面源方块边长为a,虚拟点源出发的烟流在抵达面源中心位置时的横风向宽度2y。=a，横向初始扩散参数为,28,于是上式变成：,29,面积较小的虚点源法,30,三 体源扩散公式（自学）,与面源类似,31,重点,理解记忆掌握点源高斯扩散公式理解掌握线、面源高斯公式,32,早期大气扩散参数处理稳定度扩散级别与扩散曲线法扩散曲线讨论风向脉动与扩散函数法扩散参数的研究现状,4.3 大气扩散参数,33,一 早期的扩散参数模式,格雷厄姆萨顿，英国气象学家。1903年2月4日生于克温坎。毕业于威尔士大学、阿伯里斯威恩大学和牛津大学。19261928年在威尔士大学、阿伯里斯威恩大学任讲师，19281941年任助理教授。第二次世界大战期间从事国防科研工作。19421943年任英国国防部防化实验所所长。19431945年任坦克实验所所长。19451947年任英国雷达研究发展中心主任。19501955年任英国大气污染研究委员会主席。1951年任英国陆军部科学顾问。19521953年任英国皇家军事科学院教务长。1953年任皇家气象学会主席。19531956年任世界气象组织常务理事。19601966年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主席。19651971年任英国自然环境研究委员会主席。在自然环境和气象研究方面取得了许多成果。曾获世界气象组织颁发的奖金。著作：大气湍流（Atmos-pheric turbulence，1948）；微气象学（Micrometeoro-logy，1953）,34,具体步骤：1 找出泰勒公式中的拉格朗日相关系数的具体形式，即寻找它与某些可测气象参量的关系，代入泰勒公式求扩散参数。2 将扩散参数代入基本高斯扩散，得到萨顿扩散公式。,1 萨顿模式,35,3 基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征量，宏观黏滞度，时间间隔相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。,以y向为例：,n为由风速梯度观测确定的实验常数，m为风速廓线幂指数。,36,萨顿参数,最早，但有局限性,37,萨顿基于拉氏相关函数和泰勒公式导出（萨顿）广义扩散参数;他的功绩在于将大气扩散参数与可测量的气象参量联系起来；经验系数N,n,m 需要通过风速梯度观测才能确定;萨顿曾在平坦地形做了小尺度扩散观测实验,直接利用这些数据计算高架连续点源的扩散浓度将比实际观测值偏高。数理推导也不严密，应用也很不方便。故目前已不大使用。,38,和 由双向风标测量，反映大气湍流扩散能力。,2 直接测量湍流特征量的方法,H.E.Cramer(1957)提出,p，g与稳定度、下风向距离及地表粗糙度相关,39,3 BNL模式（M.E.Smith,1951）,特征量：水平风向摆动角的范围高架源（108m高塔施放油雾）扩散试验简便、合理、实用，美国机械工程师协会沿用至今,40,4 J.S.Hay&F.Pasquill(1959),出发点：统计理论，泰勒公式方法：利用相关函数和湍流能谱关系，由湍流观测资料做谱分析，计算扩散参数。总结：模型合理可取，反映湍流场本质，而且准确度较高，其探讨有一定理论意义，但应用尚不普遍，观测要求高，计算工作量大。,41,由大量扩散试验（含气象观测和示踪物浓度观测）资料分析及理论分析得出扩散参数随下风方距离x的变化曲线 P-G法，或者P-G-T法英国气象学家帕斯奎尔(F.Pasquill，1961)基于大量扩散实验资料的分析,建立了一套扩散参数计算方案,后经美国核气象学家杰富德(F.Giffod,1961)和美国公共卫生局的气象学家特纳尔(D.B.,Turner,1967)的改进与完善,构成了现今广为引用的P-G-T 扩散曲线系统。,二 稳定度扩散分级与扩散曲线法,42,1.P-G曲线法方法要点大气分成A-F共六个稳定度等级（云，日照，风速。）xy曲线（六条）（对应A、B.F稳定度级）,43,帕斯奎尔(1961)按表3.3给出划分6个稳定度扩散级别:A级极不稳定,B级中等不稳定,C级弱不稳定,D级中性,E级弱稳定,F级 中等稳定。,44,P-G曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别,Pasquill（1961）表3.3,45,太阳高度角云量,Turner(1961)引入太阳高度角判定日射强弱的定量办法，确定稳定度级别。,日射等级,风速,稳定度,46,表3.6 日射等级确定规则,47,表3.7 Turner的稳定度分级方法,48,PG曲线的应用（10分钟平均）图3.10利用扩散曲线确定 和,水平扩散参数,垂直扩散参数,49,用P-G扩散曲线方法确定扩散参数的步骤是：根据太阳高度角和云量确定日射等级(见表3.6)；根据日射等级和地面风速确定稳定度等级（见表3.7)；根据稳定度等级和距离x可查出扩散参数（见图3.10)。,50,P-G曲线的应用地面最大浓度估算,51,三 扩散曲线法的完善,1.国家标准中的修改应用（GB/T13201-91）,修正太阳高度角的计算方法适应我国大量地面观测无云高观测的情况,52,53,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,中国国家标准规定的方法,54,2 不同稳定度分类方法,（1）风向脉动标准差（EPA，1990）,55,56,以风速做细致调整，观测数据在粗糙度z0=15cm，10m高度处测量得到。采样时间为15min。如果风向发生转折，为了尽量减小风向转折的影响，应该将长时间段分成小段进行计算，例如将60min的时间划分为15min一段，最终小时量值：,57,（2）与温度递减率有关方法 以温度递减率，即以两层（10m、60m）的垂直温度梯度来表征水平和垂直向的湍流状况。国际原子能机构(1980)推荐,58,以温度递减率来表征大气稳定度的方法对于稳定大气的情形比较可靠，不稳定或者高架源的情形适宜用水平风向脉动标准差方法。,59,以温度递减率和风速相结合（同时考虑支配湍流活动的机械和热力因子）,60,分别以温度梯度和 表征湍流的垂直和水平运动,61,EPA(1990)推荐在缺乏云量和云高资料时，采用表3.18替换原P-G-T方法,70035035050,62,（3）边界层湍流参量法,63,64,注意：,除了使用公认的已有统一规范的方案，例如P-G-T方案，国家标准给出的修改方案，采用其他任何方案都应当验证其可行性，提供充分的实验依据和例证，必要时还应做专门的论证,65,3 不同源高和不同下垫面的应用,P-G扩散曲线实验依据：平坦理想条件，大量低矮源扩散试验。不同源高不同下垫面,66,Briggs，1974内插完善,4 扩散曲线法的内插完善,67,四 风向脉动和扩散函数法,扩散曲线法试验基础存在较大的经验性，方案结果有许多不确定性仅以宏观气象状况为判据，在稳定度级别和湍流特性之间缺少清晰关系目前重要发展由风向脉动与扩散函数确定扩散参数的方法,68,(1)方法原理,按照湍流扩散理论，在均匀定常条件下，粒子位移的总体平均由泰勒公式表示。,69,由泰勒公式可得,为拉格朗日时间尺度,f为普适函数，扩散参数，函数形式随源高和稳定度变化,70,方法原理与湍流统计理论基础一致舍弃分离的稳定度级别，采用连续性稳定度，接近实际考虑源高影响，认为f是稳定度状况函数使用方便，可用于多种情况,(2)特点,71,Pasquill(1976)给出试验资料所得的f(x)数据,由泰勒公式积分可得,(3)扩散函数f 的确定,72,两者中间范围一致，近范围，理论值稍高，远距离相反。,73,由试验资料分析求取扩散函数的方法-自学（P93）,74,（4）几种扩散函数表达式,75,五 扩散参数的现状和发展,自学完成,76,重点,大气稀释因子、烟流有效源高、虚拟点源、P-G-T方法国家标准,77,一 烟流抬升(掌握),有效源高,4.4 烟流抬升高度,78,烟气抬升取决于：动力因子：烟气排放的出口速度热力因子：烟气温度比环境气温高,79,1烟流抬升的物理模型及影响因子,连续点源的排放模型,垂直烟流（无风）,弯曲烟流（有风）,80,喷出阶段 浮升阶段 瓦解阶段 变平阶段,抬升过程分为如下几个阶段(掌握),81,影响热烟流抬升的基本因子：,排放源及排放烟气的性质源排放烟气的初始动量和浮力 环境大气的性质下垫面性质,82,2 烟流抬升轨迹与终极抬升,烟气排出,准垂直形式,弯曲并扩大,瓦解变平,终极抬升高度,烟流抬升轨迹:z(x)终极抬升距离：xT,83,烟流是由运动中的流体构成的，于是，大多数烟流抬升模式基于流体力学的基本定律，即质量守恒，浮力守恒和动量守恒来考察烟流抬升问题，通过积分这些守恒表达式(在烟流的截面上积分)，以方便的形式来描述烟流轨迹。,84,二 烟气抬升高度的计算,（1）Holland公式（1953）：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020）,计算结果明显低估2-3倍,85,（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件,QH:热释放率，单位时间，单位质量烟气升高T度所释放的热量，单位cal/s。,烟流抬升高度与烟囱高度有关，烟囱高情况下计算保守，相反情况计算不安全,86,（3）国家标准(GB/T13201-91)中的公式,87,因为对烟流抬升和地面浓度的计算，平均风速都具有重要作用，所以在高斯扩散公式和烟流抬升高度计算公式中都有平均风速。一般认为这个量值应该是整个烟流厚度范围里各层风速的平均值。实际工作中常采用源高处的平均风速，或者也有采用有效源高处的平均风速。,88,常用地面风速资料推算要求高度处的风速,89,烟流抬升过程经过的几个阶段终极抬升距离烟流热释放率浮力参数烟流抬升高度实用计算公式国家标准中的计算利用风速幂指数率的计算,90,4.5 其他非扩散过程,91,非扩散过程:,1.烟流抬升作用，增加烟源有效高度2.污染物干沉积、湿沉积和由化学变化形成的迁移转化3.固体下边界（下垫面）的作用,92,一 大气清除过程的一般表述,1.基本机制：(1)干沉积由地面的土壤、水、植物、建筑物等通过污染物质的重力沉降、碰撞与捕获、吸收与吸附、光合作用或其它生物、化学、物理过程实现；,93,(2)湿沉积由云、雾和降水(雨，雪等形式)等通过污染物质被吸收进入水滴或随水滴被清除。此外，化学转化亦是一种清除机制，但它是由一种物质转换成另一种物质，因此，它只是对原生污染物的清除，同时却又滋生新的次生污染物。,94,湿沉积：令气体污染物在(x,y,z)位置，t时刻的平均浓度为q(x,y,z;t)，而平均的气溶胶尺度分布函数为F(Dp；x,y,z,t)。,函数:冲洗系数,与离地高度和时间有关,污染气体清除率,气溶胶清除率,95,干沉积 定义为那些使污染物质在地面被消除的过程。物质垂直向下的通量可用一个称之为沉积速度的经验参数 乘上某高度 的物质浓度。,96,沉积速度 与以下诸因素有关：(1)被清除的粒子种类或物质；(2)表征近地面层状态的特性的气象参数；(3)地面本身的性质。,97,对地面的湿通量是自空中所有体积单元湿清除之和。,98,根据此定义湿沉积速度,如果正被清除的物质在厚度为H的一层里垂直分布是均匀的,99,定义冲洗比(washout ratio),湿沉积速度与冲洗比之间有关系,？,100,二 高斯烟流扩散公式的修正形式,经修正的高架连续点源高斯烟流扩散公式:,101,大粒子重力沉降的影响。,下垫面反射系数。,污染物半衰期时间。,源项随距离x的变化,102,三 干沉积-下垫面清除,1.大粒子的重力沉降 大气中各种处于气溶胶状态的粒子污染物有一定的尺度分布，对于粒径大于10m的大粒子在大气中运动时会产生重力沉降。,103,对于粒径2060 m范围的粒子，粘滞性不大的情况下，可采用斯托克斯公式计算它们的末速度，其大小与粒子的密度 有关，即有,粒子半径,空气动力粘滞系数,空气密度,104,对于粒径更大的粒子，须对斯托克斯公式修正对粒径200 m的粒子，其沉降速度100cm/s，可按弹道计算。对粒子沉降速度在100cm/s，粒径200 m，可采用偏斜烟流模式处理，修改高斯扩散公式，考虑重力沉降的影响。,105,106,当考虑以下斜烟流轴线为基准的扩散时，有,107,考虑地面反射作用,108,2 气体和小粒子的干沉降,气体和很小的粒子(粒径小于10-20 m)上述沉降作用可忽略不考虑。但由于湍流扩散和布朗运动沉积到各种表面。吸收、碰撞、光合作用和其它生物学、化学和物理学过程会使物质沉积到地面。,109,一般都假定下垫面对这类小粒子的清除作用不影响大气中污染物的浓度分布形式，而只影响大气中污染物的总量，或者说影响有效源强。最普遍采用的一种方法是所谓“源损耗”模式或称有效源强法。,源项随距离x的变化,110,干沉积主要是优先清除近地面处的污染，而并非在整个烟流厚度层范围均匀起作用的。故此，源损耗模式尚有必要进一步改善。,111,重力沉降、湍流运动、布朗运动、惯性作用和静电作用等，是形成干沉积的主要物理过程。化学反应、溶解、解吸等则是形成干沉积的主要化学过程。对于植被那样的生物沉积表面，植被子生长的形态特征、生命过程以及静电性质等则是影响干沉积的主要生物学特征。这几方面过程都会受气象条件、污染物性质和沉积表面的特性的影响。,112,3 干沉积速度的理论计算干沉积过程可视为三步：由湍流扩散支配物质向贴地层输送；物质通过紧贴地面的片流子层向吸收体扩散，称为地面输送；由在地面的物质可溶性或吸收率确定通过片流子层扩散的物质实际上有多少被消除，这个最后的过程称为转移过程。,113,根据干沉积速度的定义，它是垂直通量与实测浓度之间的比例常数。整个沉积的三个步骤可类同于电流或热量传送的情形。,气体,粒子,114,四 湿沉积,大气中的雨、雪等降水形式和其它水汽凝结物，如云、雾、霜等都能对空气污染物，包括气体和粒子起到清除作用，称为降水清除或湿沉积。通常，把由降水造成的污染物清除过程称为雨洗(或雪洗)，这种过程将空气污染带到地面。按照降水清除过程发生所在高度分成云下清洗(washout)和云中清洗(rainout)。,115,116,为模拟上述降水清除过程对空气污染物散布的影响，一般采用两种方法，即定义清除系数和清洗比的处理方法。1：清除系数的处理方法2：清洗比的处理方法,117,欧拉方法污染物平流扩散方程,118,五 化学转换和空气污染物的滞留与迁移,排放进入大气层的烟流中，各种化学物质和大气成分混合输送，在适当的气象条件下，如辐射、温度、湿度和降水等，会发生化学反应以致变性或生成二次污染物，经过在大气层中一定时间的滞留而后迁移。,119,对于空气质量影响的模拟，最普通并具典型意义的此类变化与迁移的例子有如：(1)由煤的燃烧和其它工业源排放SO2和NOx初级空气污染物氧化生成硫酸盐、硝酸盐和臭氧等二次污染物，对区域性在大气酸性和降水酸化以及臭氧成分的变化有重大作用,120,(2)城市汽车废排放和其它工业源排放的HC化合物和NOx等初级空气污染物在太阳辐射作用下生成光化学烟雾的过程，其中主要组成成分有臭氧和过氧乙醛硝酸盐(PAN)等二次污染物，对城市区城空气质量和人体健康有重要影响；(3)放射性污染物质的衰变与迁移，如燃料中含有一定放射性物质，核反应设施的裂变产物的泄漏或废弃物中的微量残留物等；,121,（4）粒子和气体污染物在干湿清除过程中的化学反应和各种途径的迁移，例如，上节所述气体向水滴输送以及在水滴中可能发生的一些化学反应，生成的二次污染物质被清除到地，影响地面空气污染物浓度的分布并造成危害。,122,123,通常，采用最为简单的处理方式，即假设一个随时间常数 变化的污染物浓度指数化学衰减率，即有,124,放射性衰变,放射性衰变亦是能影响污染物(其中含有放射性物质)迁移的一种简单的清除过程。例如，燃料煤和其它工业矿物原料的燃烧都排放含有一定量的放射性物质，如镭(Ra)，它们被引入城市大气层等等。显然，它们的浓度通常都很低，而且都遵循日渐降低简单的衰变规律,125,污染物滞留时间,空气污染物滞留时间亦称居留时间(residence time)是表征空气污染物在一定时期，一定空间范围里的寿命的一个特征量。它定义为这样一个时间，即假定没有污染物补充，没有污染物穿过区域边界，该区域大气里污染随时间减少至原来的1/e倍所需的时间。,126,污染物在大气中的物理化学衰减,综合考虑上述所有导致空气污染物可能被清除或迁移的物理和化学过程，滞留时间或居留期反映了空气污染物衰变的快慢。实际的空气污染物浓度，在综合了各种清除机制后，仍假定它是随时间呈指数形式变化：,127,为了表征空气污染物的被清除的快慢，可以定义一个半衰期或称半生命期()的特征时间，意即由于清除或迁移作用使空气污染物浓度衰减为原来浓度的一半所需的时间。由此可得：,128,4.6 各种条件下的扩散计算,129,4.6.1 封闭型扩散,130,扩散被局限在地面和上部逆温层底之间，具有两个反射面的特征。应用像源法可以导出封闭型扩散公式，实源在两个反射面的另一侧等距离处都能成像,131,（3.215）,132,实际工作中按三个阶段作简化处理近距离(xxD)：烟流的上界还没有触及逆温层底部，即逆温层尚未影响到污染物的扩散，仍采用Gauss公式,133,远距离(xxu)：污染物经过两个界面的多次反射在垂直方向为均匀分布，但在横风向仍属于Gauss分布。此时污染物散布的公式,离源距离x在xDxxu之间，地面浓度采用内差的方法,134,4.6.2 熏烟型扩散,晴夜，地面辐射冷却形成自地面向上的逆温层，其上部仍为递减状态。日出后，地面受太阳照射增温，夜间形成的逆温层自下而上逐渐消失，底部变成中性或不稳定层结。原来积聚于稳定层结中的污染物，一方面由于上部仍有未消散完全的逆温层，污染物的扩散受抑制；,135,另一方面由于下部逆温层消失一定高度后变为在中性或不稳定层结垂直混合到地，从而形成熏烟型污染。发生污染时，污染的范围较小，时间较短，但可以造成很高的地面浓度。,136,137,熏烟扩散的三种形式：1）逆温破坏，出现热对流，形成的混合层2）城市热岛效应生成城市混合层3）水陆交接地区岸上热力内边界层,138,熏烟型扩散与封闭型扩散的不同1)熏烟型扩散的烟流原先处于稳定层结中，随后污染物由积聚到熏蒸到地；而封闭型扩散烟流原先处于不稳定层结内，污染物并无积聚，对地面影响较轻。2)熏烟型扩散过程持续的时间很短暂，而封闭型扩散过程往往持续相当长的时间。3)熏烟型扩散过程造成的地面污染物高浓度落地点范围窄小，但离源距离变化很大，视逆温强度、平均风速等而定；封闭型扩散过程造成的范围较大，影响相对稳定。,139,4.6.3 微风扩散,微风逆温条件下的扩散有两个重要特性：1).垂直和水平扩散有明显差异，不能划分在同一稳定度类别，应分别处理。2).微风时风向不稳定，常伴有缓慢的大幅度的气流偏转，可能造成较大的水平扩散。,140,4.6.4 准静风烟团模式该情况下扩散处理需考虑x方向的扩散扩散参数随时间变化而且水平扩散增大风场随时间变化，还需考虑大湍涡的作用,141,4.6.5 长期平均浓度的计算运用高斯模式计算的都是准定常条件下，假定风向风速和稳定度状况不随时间变化的。因此只适合于短时间，如1小时平均浓度估算。计算长时间的浓度，如月、季、年平均浓度，不能再把风向风速和稳定度视为不变的量了。假设在计算时段内污染源为定常，只考虑气象条件的变化既可。,142,大气清除过程、干沉积、湿沉积高斯烟流扩散公式的修正形式斯托克斯公式偏斜烟流模式有效源强法干沉积速度的理论计算清除系数、清洗比、污染物滞留时间封闭型扩散和熏烟型扩散,