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1、第四章 大气扩散浓度估算模式4.1 湍流扩散的基本理论目的要求:了解湍流的概念及分类;重点:湍流的分类;授课方式:讲授一、湍流概念1、概念大气的无规则运动称为大气湍流。风速的脉动(或涨落)和风向的摆动就是湍流作用的结果;2、分类(1)按照湍流形成原因可分为两种湍流:热力湍流:由于垂直方向温度分布不均匀引起的,其强度主要取决于大气稳定度;机械湍流:由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的,其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度;风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素,风速越大,湍流越强,污染物扩散速度越快,污染物的浓度就越低;其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀
2、释的;二、湍流扩散理论大气扩散的基本问题,是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减的关系问题。目前处理这类问题有三种广泛应用的理论:梯度输送理论、湍流统计理论和相似理论;1、梯度输送理论梯度输送理论是通过菲克扩散理论的类比建立起来的。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;【扩散的概念:当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时,由于物质的热运动而导致质点的定向迁移过程;扩散是一种传质过程;扩散的本质是质点的热运动;菲克第一定律:在扩散过程中,单位时间通过单位横截面积的质点数目J正比于扩散质点的浓度梯度;】2、湍流统计理论泰勒应用
3、统计学方法研究湍流扩散问题,提出了著名的泰勒公式。图4-1,从污染源排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、定常的,从原点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。萨顿应用泰勒公式提出了解决污染物在大气中扩散的实用模式。高斯应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式,即通常所说的高斯模式。高斯模式是目前应用较广的模式。4.2 高斯扩散模式目的要求:理解无界空间连续点源扩散模式及地面连续点源扩散模式;理解并掌握高斯模式的有关假定,高架连续点源扩散模
4、式及相关计算公式;重点:高架连续点源扩散模式及相关计算公式;难点:镜像法推导高架连续点源高斯模式;授课方式:讲授一、高斯模式的有关假定1、坐标系高斯模式的坐标系如图4-2所示,其原点为排放点(无界点源或地面源)或高架源排放点在地面的投影点,x轴正向为平均风向,y轴在水平面上垂直于x轴,正向在x轴的左侧,z轴垂直于水平面xoy,向上为正向,即为右手坐标系。在这种坐标系中,烟流中心线或与x轴重合,或在xoy面的投影为x轴。2、四点假设大量的实验和理论研究证明,特别是对于连续点源的平均烟流,其浓度分布是符合正态分布的。因此做如下假设:(1) 污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布(正态分布);(2
5、) 在全部空间中风速是均匀的、稳定的;(3) 源强是连续均匀的;(4) 在扩散过程中污染物质的质量是守恒的;二、无界空间连续点源扩散模式由假设(1)可以写出下风向任一点(x,y,z)的污染物平均浓度的分布函数: (4-1)由概率统计理论可以写出方差的表达式: (4-2)由假设(4)可以写出源强的积分式: (4-3)式中:污染物在y、z方向分布的标准差,m; 任一点处污染物的浓度,g/m3; 平均风速,m/s; Q源强,g/s;由上面四个方程组成的方程组,其中可以测量或计算的已知量有源强Q、平均风速、标准差,未知量有浓度、待定函数A(x)、待定系数a、b。因此方程组可以求解。将式(4-1)代入式
6、(4-2)中,积分后得 (4-4)将式(4-1)和(4-4)代入式(4-3),积分后得 (4-5)再将式(4-4)和(4-5)代入式(4-1)中,便得到无界空间连续点源扩散的高斯模式: (4-6)三、高架连续点源扩散模式高架连续点源的扩散问题,必须考虑地面对扩散的影响。按全反射原理,用“像源法”来处理这一问题。如图4-3所示,可以把P点的污染物浓度看成两部分的贡献之和:一部分是不存在地面时P点所具有的污染物浓度;另一部分是由于地面反射作用所增加的污染物浓度。这相当于不存在地面时由位置在(0,0,H)的实源和在(0,0,-H)的像源在P点所造成的污染物浓度之和(H为有效源高)。实源的贡献:P点在
7、以实源为原点的坐标系中的垂直坐标(距烟流中心线的垂直距离)为(z-H)。当不考虑地面影响时,它在P点所造成的污染物浓度按(4-6)计算,即为: 像源的贡献:P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标(距烟流中心线的垂直距离)为(z+H)。当不考虑地面影响时,它在P点所造成的污染物浓度按(4-6)计算,即为:P点的实际污染物浓度应为实源和像源贡献之和,即 (4-7)式(4-7)即为高架连续点源在正态分布假设下的高斯扩散模式。由此模式可以求出下风向任一点的污染物浓度。1、地面浓度模式:由式(4-7)在z=0时得到地面浓度: (4-8)2、地面轴线浓度模式:轴线x上具有最大浓度值,向两侧(y方向)逐渐减
8、小。 (4-9)3、地面最大浓度(即地面轴线最大浓度)模式:地面最大浓度及其出现距离的计算公式: (4-10) (4-11)四、地面连续点源扩散模式地面连续点源扩散模式可由高架连续点源模式(4-7)令其有效源高H=0而得到,即 (4-12)比较(4-6)和(4-12)可发现,地面连续点源造成的污染物浓度恰好是无界空间连续点源所造成的浓度的两倍。五、颗粒物扩散模式对于排气筒排放的粒径小于15微米的颗粒物,其地面浓度可按前述的气体扩散模式计算。对于大于15微米的颗粒物,由于具有明显的重力沉降作用,将使浓度分布有所改变,可以按倾斜烟流模式计算地面浓度: (4-13)式中:颗粒的地面反射系数,按表4-
9、1查取; 颗粒的重力沉降速度,m/s; dp颗粒直径,m; 颗粒密度,kg/m3; 空气粘度,; g重力加速度,m/s2;4.3 污染物浓度的估算目的要求:掌握烟气抬升高度的计算方法,了解扩散参数的确定,从而进行污染物浓度的估算;重点:烟气抬升高度的计算方法;难点:利用各种扩散模式进行污染物浓度的估算;授课方式:讲授一、烟气抬升高度的计算连续点源的排放大部分是采用烟囱排放的。具有一定速度的热烟气从烟囱出口排出后,可以上升到很高的高度。这相当于增加了烟囱的几何高度。因此,烟囱的有效高度H应为烟囱的几何高度Hs与烟气抬升高度H之和,即 H=Hs+H (4-15)产生烟气抬升有两方面的原因:一是烟囱
10、出口烟气具有一定的初始动量;二是由于烟温高于周围气温而产生一定的浮力。初始动量的大小决定于烟气出口流速和烟囱出口内径,而浮力大小则主要决定于烟气与周围大气之间的温差。下面介绍几种常用的烟气抬升高度计算公式:1、霍兰德(Holland)公式 (4-16)式中:vs烟气出口流速,m/s; D烟囱出口内径,m; 烟囱出口处的平均风速,m/s; Ts烟囱出口处的烟气温度,K; Ta环境大气温度,K; QH烟气的热释放率,kW;式(4-16)适用于中性大气条件。2、布里格斯(Briggs)公式用因次分析方法导出的用实测资料推算的常数项。计算值与实测值比较接近,应用较广。下面给出适用于不稳定和中性大气条件
11、下的计算公式:当时: x10Hs (4-18)当时: (4-19) (4-20) (4-21)3、中国国家标准中规定的公式我国的制定地方大气污染物排放标准的技术方法(GB/T 13201-91)中对烟气抬升高度计算公式作了相关规定,(1)当QH21000kW和T35K时: (4-22) (4-23) (4-24)式中:、系数,查表4-2选取; 大气压力,hPa,取临近气象站年平均值; Qv实际排烟量,m3/s;(2)17000kWQH21000kW时: (4-25) (4-26)H2是按(4-22)计算的抬升高度。(3)QH17000kW或T35K时 (4-27)(4)当10m高处的年平均风速
12、小于或等于1.5m/s时: (4-28) 式中:为排放源高度以上气温直减率,K/m,取值不得小于0.01 K/m。例4-1,掌握烟气抬升高度及有效源高的计算;二、扩散参数的确定应用大气扩散模式估算的污染物浓度,在有效源高确定后,还必须解决扩散参数和的确定问题。扩散参数可以现场测定,也可以风洞模拟实验确定,还可以根据实测和实验数据归纳整理出来的经验公式或图表来估算。1、P-G扩散曲线法(Pasquill-Gifford)(1)P-G扩散曲线法的要点:仅需常规气象观测资料就可以估算和的方法,作成图表的形式。这种方法首先根据太阳辐射情况(云量、云状和日照)和距离地面10m高处的风速将大气的扩散稀释能
13、力分为A-F六个稳定度级别。然后根据大量扩散实验数据和理论上的考虑,用曲线来表示每一个稳定度级别的和随下风距离的变化;(2)P-G扩散曲线法的应用1)根据常规气象资料确定稳定度级别。标准如表4-3所示,主要依据太阳辐射情况和距离地面10m高处的风速。2)利用扩散曲线确定和。图4-4和图4-5简称P-G曲线图,在按表4-3确定了某地某时属于何种稳定度级别后,便可以使用这两张图查处相应的和值;3)浓度估算当确定了和之后,扩散方程中其他参数也相应确定下来,利用前述的一系列扩散模式,就可以估算出各种情况下的浓度值。例4-2 应用P-G曲线法计算地面轴线浓度。2、中国国家标准规定的方法(1)稳定度的分类
14、方法 中国国家标准方法(GB/T 13201-91),先计算太阳高度角(式4-29),然后按太阳高度角和云量确定太阳辐射等级(表4-5),最后按辐射等级和地面风速确定稳定度级别(表4-6);(2)扩散参数的选取P-G曲线是帕斯奎尔根据地面源的实验结果等总结出来的,1km以外的曲线是外推的结果。此外,它也未考虑地面粗糙度对扩散的影响,因为不适用于城市和山区,对于开阔的乡村地区较为可靠;我国在标准GB/T 13201-91中规定,取样时间为0.5h,扩散参数按幂函数表达式,查算(表4-8),并规定了各种情况(地形、排放源、取样时间等)扩散参数的选取方法;例4-3,4-4 利用中国国家标准规定的方法
15、确定大气稳定度,进行扩散参数的选取,从而进行浓度估算。4.4 特殊气象条件下的扩散模式目的要求:了解封闭型及熏烟型扩散模式;重点难点:授课方式:讲授、自学一、封闭型扩散模式前面介绍的扩散模式,仅适用于整层大气都具有同一稳定度的扩散,即污染物扩散所波及的垂直范围都处于同一温度层结之中。实际中常常是低层为不稳定大气,上部逆温的情况。它使污染物的垂直扩散收到限制,只能在地面与逆温层之间进行。因此,有上部逆温的扩散也称“封闭型”扩散。将扩散到逆温层中的污染物忽略不计,把逆温层底看成是和地面一样能起全反射的镜面。这样,污染物就在地面和逆温层底这两个镜面的全反射作用下进行扩散,其浓度分布可用像源法处理。这
16、时,污染源在上形成的像不止一个,而是无穷多个像对(图4-6)。图4-6 有上部逆温的扩散示意图污染物的浓度可看成是实源和无穷多对像源贡献之和,于是地面轴线上的污染物浓度可表示成为: (4-32)式中:D逆温层底高度,及混合层高度,m; n烟流在两界面之间的反射次数。一般情况下n取3-4即可。实际中应用式(4-32)计算过于繁琐,一般多采用一种简化的方法,如图4-6所示,可把浓度估算按下风距离x的不同分成三种情况来处理。(1)当xxD,xD为烟流上界刚好达到逆温层底时的交点与源的水平距离。实际使用中,可以用烟流的宽度(2y0)和高度(2z0)表示水平和垂直扩散范围。此处2y0是指沿y轴浓度下降到
17、中心轴线浓度1/10处两点的距离;2z0同样可以定义出来。若污染物扩散为正态分布,则2y0、2z0、之间存在2y0=4.3、2z0=4.3,所以在xD距离上,令烟流中心线到逆温层底的距离为z0,显然z0=D-H,则有(xD)=(D-H)/2.15;按此式求出后,由有关图表查出与对应的下风距离x,此x即为xD。xxD的情况下,烟流扩散还未受到逆温层底部的影响,其浓度分布仍可用一般高斯模式(式4-9)计算;(2)xxD时,上下界面对烟流多次反射,达到某一距离x后,在混合层内污染物垂直方向的浓度分布将逐渐趋于均匀,不再因垂直方向的扩散而稀释,但横向(y向)浓度分布仍为正态分布,仍符合扩散的连续性条件
18、,故有 (4-34) (4-35)对上式求解可得, (4-36)(3)当xDx2xD时,污染物浓度在前两种情况的中间变化,情况较复杂,这时可取x=xD和x=2xD两点浓度的内插值。例4-5 封闭型扩散模式污染物浓度的计算;二、熏烟型扩散模式 晚上,下垫面辐射冷却形成辐射逆温。日出之后,地面受太阳照射升温,使逆温自下而上逐渐消退,转变成中性或不稳定层结。夜间,高架源烟流在稳定的层结中慢慢扩散,并在源高度上形成一条狭长的高浓度区。当日出后逆温层消失达到烟流下界时,逆温层消失高度用hf表示。因为下部热力湍流交换作用,污染物迅速向下扩散,此时上部仍为逆温,扩散只能向下进行,致使地面出现高浓度。此过程随
19、着逆温自下而上逐渐消退而继续发展,当逆温消退到烟流上界时达到高潮。这个过程称为熏烟(或漫烟)过程。整个过程通常仅持续数十分钟,此后烟流便完全处在不稳定气层中,扩散向各个方向自由发展,熏烟造成的地面高浓度区消失,熏烟过程便告结束。熏烟过程多发生在早晨8一10时,因地区和季节不同,持续时间一般为0.52h。熏烟扩散模式有以下几种: (1)当逆温刚消失到烟流顶高(Lf)时,hf=H+2,可以认为烟流受上部逆温的阻挡而全部向下混合,地面熏烟浓度会达到极大值。故 (4-41)地面轴线浓度为: (4-42)式中是熏烟条件下y向扩散参数,单位m。可用下式估算(2)当逆温层消退到高度hf,且HhfLf,这时,
20、只有hf以下的烟气向下扩散,源强Q只包括在hf以下的部分,此时有 (4-37)式中P=(hf-H)/(3)当逆温消退到有效源高H时,即hf=H,P=0,上式积分项等于1/2,表示有一半烟气向下混合,另一半仍留在上部的稳定气层中。因此,地面熏烟浓度和地面轴线熏烟浓度为 (4-39) (4-40)(4)当逆温消失到H+2以上时,烟流全部处于不稳定大气中,熏烟过程已不复存在。例4-6 熏烟型扩散模式污染物浓度的计算;4.5 城市及山区的扩散模式目的要求:了解城市及山区的扩散模式重点难点:授课方式:讲授、自学一、城市大气扩散模式1、线源扩散模式(1)无限长线源扩散模式当风向与线源垂直时,连续排放的无限
21、长线源在横风向产生的浓度是处处相等的,因此把电源扩散的高斯模式对变量y进行积分,可获得无限长线源扩散模式: (4-43) (4-44)式中:QL单位线源的源强,g/(s m),其余符号同前;当风向与线源不垂直时,若风向与线源交角大于45度,线源下风向的浓度模式为: (4-45)在交角小于45度时,不能应用这一模式。(2)有限长源模式在估算有限长线源造成的污染物的浓度时,必须考虑线源末端引起的“边缘效应”。随着接受点距线源距离的增加,“边缘效应”将在更大的横风距离上起作用。对于横风有限长线源,取通过所关心的接受点的平均风向为轴。线源的范围为从y1延伸到y2,且y1y2,则有限长线源扩散模式为 (
22、4-46)式中:,该式的积分值能从正态概率表中查出;例4-6 无限长线源扩散模式的应用;2、面源扩散模式(1)箱模式 箱模式假设污染物浓度在混合层内是均匀的。设城市平均面源源强为Q(等于城市中污染物总排放量除以城市的面积),城市上空混合层高度为D,则距城市上风向边缘距离为x处的浓度为: (4-47)(2)简化为点源的面源模式计算时,假设面源单元与上风向某一虚拟点源所造成的污染等效,当这个虚拟点源的烟流扩散到面源单元的中心时,其烟流的宽度正好等于面源单元的宽度,其厚度正好等于面源单元的高度,如图所示。这相当于在点源公式中增加了一个初始扩散参数,以模拟面源单元中许多分散点源的扩散,其地面浓度可用下
23、式计算: (4-49)其中 W为面源单元的宽度,m;为面源单元的平均高度,m;(3)窄烟流模式计算点M所在面单元和上风向各面单元在该店造成的浓度模式;简化的窄烟流模式: (4-54) (4-55)式中:Q0计算点所在面单元的源强,g/(m2s); x计算点到上风向城市边缘的距离,m。二、山区扩散模式1、封闭山谷中的扩散模式由于壁的多次反射作用,可以认为在距离污染源一段距离之后,污染物在横向近似为均匀分布,在垂直方向仍为正态分布(无上部逆温),所以有下面的浓度表达式: (4-56) W为山谷的宽度,m。解此方程组得 (4-57)对于地面浓度,z=0,得 (4-58)若为高架源,则为 (4-59)
24、2、NOAA和EPA模式美国国家海洋和大气局(NOAA)分析了高架点源烟流受起伏地形的影响后,提出了以高斯模式为基础的计算模式,仅对有效源高做了修正,修正方法如下:(1)稳定度的划分仍用P-T法,仅适当修正了级别;(2)在中性和不稳定时,假设烟流中心线与地面始终平行,随地形起伏而起伏,有效源高不修正,地面轴线浓度仍用高斯模式(4-9)估算;(3)稳定时,假定烟流中心线保持水平,地面轴线浓度用下式估算: (4-61)式中:hT计算点相对于烟囱地面的高度,m。3、ERT模式仍用高斯模式,只对有效源高做了修正,即当HhT时,用(H-hT/2)作为有效源高;当HhT时,用H/2作为有效源高;4.6 烟
25、囱高度的设计及厂址选择目的要求:了解烟囱高度的计算,了解厂址选择中所需气象资料;重点难点:授课方式:讲授、自学一、烟囱高度的设计1、烟囱高度的计算烟囱本身并不能减少排入大气的污染物数量,但它能使污染物从局部地区转移到很大的范围内扩散,利用大气的自净能力使地面污染物浓度控制在人们可以接受的范围内。在工业密度不大的国家和地区,它是直接排放废气的常用方法。在某些情况下,烟囱还可能是控制大气污染最适用和经济的方法。烟囱越高,烟气上升力越强,燃料燃烧也较好,污染物可以在离地面较高的大气中扩散,再加上高空风速大,稀释能力强,可使大气污染程度减轻。但超过一定高度以后再增加高度,对地面浓度的降低收效很小,而烟
26、囱造价却随高度增加而急剧增大,故烟囱并非愈高愈好。国外已使用300m以上的超高烟囱。在超高烟囱排气的情况下,烟气将上升到较为稳定的高空,几乎不受逆温层影响,对烟气扩散、降低落地浓度十分有利。所以,当前高烟囱排放仍是减轻地面污染的一项重要措施如何选择适当的烟囱高度是工业建设中必须考虑的问题。所以,确定烟囱高度,既要满足大气污染物的扩散稀释要求,又要考虑节省投资。最终目的是保证地面浓度不超过环境空气质量标准(GB3095-1996)规定的浓度限值。下面介绍几种主要的计算烟囱高度的方法。(1)根据地面污染物最大浓度计算法设计该法以地面最大浓度不超过环境空气质量标准规定的浓度限值为依据,保证(,分别为
27、国家标准规定的浓度限值和环境本底浓度);则由(4-10)得到烟囱高度的计算式: (4-62)式中为一常数,一般取0.5-1。(2)根据地面污染物绝对最大浓度公式设计前面介绍过的地面污染物最大浓度高斯模式是在风速一定的情况下推导出的。实际上风速是变化的。风速对烟气拾升高度和扩散稀释作用是相反的,所以最大着地浓度随风速的变化不是单调的。会在某一风速下出现地面最大浓度的极大值,即绝对最大浓度,以表示。出现绝对最大浓度时的风速称为危险风速,以表示;地面绝对最大浓度公式: (4-64)其中危险风速(推导)按保证,则可导出 (4-65)(3)根据一定保证率计算烟囱高度根据地面最大浓度计算得到的烟囱高度一般
28、较矮。当风速小于平均风速时,地面浓度就会超标。若根据地面绝对最大浓度设计,得到的烟囱较高,不论风速大小如何,地面浓度均不会超标,但烟囱造价高昂,因此在确定保证率后,对上述公式中的和稳定度取一定值,再代入公式求算,即可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度。本法比前面两法可能更合理些。(4)根据点源烟尘允许排放率设计(P值法)根据“制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Qe烟尘允许排放速率,单位:t/h;Pe烟尘排放控制系数,单位:t/(h m2);H有效源高),将其进行变换后即可求得烟囱高度: (4-67)2、烟囱高度设计中应注意的问题(1
29、)上述烟囱高度计算公式皆是在烟流扩散范围内温度层结是相同的条件下,按锥形烟流高斯模式导出的。在上部逆温出现频率较高的地区,按上述公式计算后,还应按封闭型扩散模式校核。在辐射逆温较强的地区,应该用熏烟型扩散模式校核;(2)烟气抬升高度对烟囱高度的计算结果影响很大,所以应选用抬升公式应用条件与设计条件相近的抬升公式。否则,可能产生较大的误差。在一般情况下,应优先采用国家标准中推荐的公式;(3)为防止烟囱排出的烟流受附近建筑物的影响产生下洗或下沉现象,要求烟囱高度不得低于邻近建筑物或障碍物高度的2倍。(4)烟囱出口的烟气流速会影响到烟囱高度的设计。首先,出口流速不能太低。当烟气流速与风速相当时,烟气
30、易发生下洗,降低它的有效高度。通常要求 (烟气流速) (平均风速)1.5,即烟气流速应大于烟囱高度平均风速的1.5倍;其次还应考虑烟气流速对周围空气拾升的影响,烟囱出口的烟气流速不宜过低,一般取20一30m/s,排烟温度值宜在100以上。应指出的是,提高流速应能增加动力拾升作用才行,但是像火电厂,热力抬升作用大于动力抬升作用,由于流速过高反而会因强烈的挟裹作用,而在烟气出口的背面产生负压区,使一部分空气被卷进烟气中,降低抬升高度。在此种情况下一味强调提高流速是不可取的。为避免此现象发生,有的烟囱在出口处安设帽沿状水平圆板,圆板向外延伸的尺寸至少等于烟囱出口直径。为提高喷出速度,也可将烟囱口设计
31、成文丘里喷嘴结构,但要注意阻力增加不致太大。此外,应作综合分析,分析在保证满足地面浓度标准的前提下,多高的烟囱配合多大的姻气流速(即烟囱直径)在技术上与经济上最有利。(5)采取分散烟囱排放对烟气抬升不利。从减少地面污染的观点来看,也是不合理的。应尽量采用单座烟囱排放,即采用集合式(多管)烟囱,以便提高抬升高度。集合式烟囱在国外普遍采用。它是将几个(一般是24个)排放设备集中到一个烟囱中排放,此法可提高烟气温度和加大烟气出口速度。据资料介绍,它的烟气温度可达130,烟速达3050m/s,这种高温高速的烟流将呈环状向上空传递,起到了良好的扩散效果,从而使矮烟囱起到了高烟囱的作用。二、厂址选择厂址选
32、择是综合性课题,既要考虑政治、经济和技术因素,为了保护环境,还必须考虑气象因素,避免建厂后造成空气污染。从防止大气污染角度考虑厂址,一方面应了解当地的空气污染情况,同时还应根据当地的气候资料和地形条件,综合分析大气对污染物的扩散稀释能力,选择污染背景浓度小、扩散稀释能力大的地点建厂。污染物背景浓度,是由当地已有污染源和远地输送来的污染物造成的。选厂址时首先应收集或观测这方面的数据。若背景浓度超过允许标准,那么该地不应再建工厂。背景浓度虽未超过标推,但加上拟建工厂的污染物贡献值,浓度将超标时,而且短期内又无法解决考,也不宜建厂。1、厂址选择中所需气候资料(1)风向和风速的气候资料风玫瑰图(把风向
33、、风速的资料按每小时值整理出日、月(季)、年的风向、风速分布频率,并作成表格或图;)图4-10代表一种风向频率、风速复合玫瑰图,矢线的长度代表风向频率的大小,矢线末端的风速羽代表平均风速;在大气污染分析工作中,常常把静风(距离地面10m高处平均风速0.5m/s)和小风(0.5m/s1.5m/s)的情况进行单独分析。因为这时大气的通风条件很差,容易引起高浓度的大气污染。因此,不但应统计静风出现的频率,而且还应统计静风持续的时间,并绘出静风持续时间的频率图。(2)大气稳定度的气候资料(3)混合层高度的确定2、厂址选择(1)本底浓度(2)风向、风速 选择厂址时要考虑工厂与环境(周围的居民区等)的相对
34、位置和关系,应将居民区、作物区等设在受污染时间短、污染浓度低的区间,因而在确定工厂和居住区的相对位置时,要考虑风向、风速情况。首先依据风向频率图来考虑:a、对于居民区、作物区等污染受体而言,排放源应布置在最小频率风向的上侧,这样受污染的时间最少。b、排放量大或废气毒性大的工厂应尽量设在最小频率风向的最上侧。c、应尽量减少各工厂的重复污染,不宜把它们安排在最大频率风向的轴线上。d、排放源应尽可能设在农作物生长期间的主导风向下侧,因此时农作物的抗害能力最弱。从风向考虑布局,只能做到使居民区接受污染的时间最少,还不能保证受污染程度最轻。比如某一风向出现的频率虽然较小,但时常伴随着不利的扩散稀释条件,
35、使污染源下风区的空气污染浓度很高,若将污染源设在此风向上侧就不一定是最佳方案。此时还应考虑风速对浓度的影响。污染系数(风向频率/平均风速)综合考虑了风向与风速的作用。某方位的风向频率小、风速大,该方位的污染系数就小,其下风向的空气污染就轻。所以,相对于污染受体而言,污染源应安置在污染系数最小方位的上侧。这种方法还没有考虑风速对烟气抬升的影响。大风对抬升不利,地面浓度反而可能增高。多数烟源因为高度不大,所以危险风速较小。超过该数值后,风速越大,地面浓度越小,仍然可根据污染系数来设计布局。但是对抬升高度很大的发电厂、冶炼厂等不一定适用。因为这些工厂烟源都较高,危险风速很大,在危险风速以下,风速越大
36、,地面浓度反而增高。所以此时不能简单地利用污染系数来估计风速的影响。而应根据烟源参数和气象资料具体计算和分析。(3)大气温度层结由于一般污染物多在距地面几百米范围内进行扩散,所以,离地面几百米以内的大气温度层结对污染物的扩散稀释过程有重要影响。选择厂址时必须予以注意。对污染物扩散最不利的是近地层辐射逆温和上部逆温,因此应收集有关逆温层厚度、高度、强度、出现频率和持续时间等资料,特别要注意逆温伴随静风或微风的情况及它们出现的频率和持续时间。高架源和近地面源受逆温的影响不一样。高度在300m以下的逆温层对地面源影响最大,往往在近距离内造成很高的污染物浓度。对高架源的影响就不一样了:当存在逆温时,铅
37、直湍流微弱,扩散缓慢,源附近的地面最大浓度反而比无逆温时低,而远距离处的浓度会比无逆温时高,高浓度的范围也大,逆温消散时还可能出现短时间的漫烟型污染。由于我国大多数中小型工厂的烟源都不高,在近地层逆温频率大、持续时间长的地区,总的来说小宣建这类工厂。特别是一些工厂常常在近地面高度随意排放污染物,逆温时地面风速往往较小,扩散稀释速率缓慢,因而使厂区内及工厂附近出现很高的污染浓度。但是若高架源出口高于逆温层顶,则污染物难以向下扩散,出现向上的爬升型扩散,对扩散最有利。即使烟流处在逆温层内,除短时间发生漫烟以外,几千米以内不会出现高浓度;在远距离处,因为烟源很高,烟流在扩散过程中发生水平弯曲和缓慢偏
38、转,使水平散布增大,因此地面浓度会降低。故低层逆温对超高源并不是最不利的气象条件。上部逆温的影响相反,它对低矮排放源的扩散影响不大,但对超高源的扩散却起着重要影响。上部逆温,使进一步增加烟囱高度达不到明显降低地面浓度的效果。上部逆温资料主要包括逆温层底高度和各高度逆温出现的频率。这些资料在烟囱设计中很有用处。(4)地形水陆交界、山区、大城市等地,由于局部地区地形地物的影响会改变局地气象条件,形成独特的大气扩散规律,出现一些特殊的空气污染过程。在选择厂址时应该尽量避免这些特使的污染情况。只要能将污染物带出局地地形的影响范围,山区上空的扩散稀释条件甚至比平原地区好得多;相反,如果烟气排不出去,在短
39、距离内被导向地面或作用在高耸地形上,就会在小范围内引起高浓度。下面将选择厂址时应考虑的地形因素作些归纳。a、若山谷很深,且其走向与盛行风交角在45一135度间,谷内风速经常很小,不利于污染物扩散,若有效源高不能超过经常出现静风及微风的高度,则不宜建厂。b、有效源高不可能超过下坡风厚度和背风坡湍流区时,烟流会被气流下压导向地面,或因强烈的铅直混合扩散到地面,从而引起地面高浓度。这类地方不宜建厂。c、谷地四周山坡上有居民区及农田,而有效源高又不可能超过山高时,烟气将直接吹向坡地,造成高浓度。在这种谷地中不宜建厂。d、四周有高地形环绕的山谷凹地中,经常出现强而厚的逆温层的地方不宜建厂。e、烟流虽能过山,但仍可能在背风面形成污染时,不能将居民点布置在背风面污染区中。f、在海陆风较稳定的大型水域沿岸或与山地交界的靠山地段不利于污染物的输送与稀释,这类地区不宜建厂。必须建厂时,应考虑使厂区和生活区的排列与水岸平行,以减少海陆风对生活区造成的污染。地形对大气污染的影响十分复杂,通常,在地形复杂的地方选厂时,应进行专门的气象观测和现场扩散试验,或进行风洞模拟试验,才能对当地的扩散条件作出较准确的评价,确定必要的对策或防护距离。作业:P115:2、3、4、9本章小结:23
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