工学环境工程导论大气污染扩散王树众.pptx

第五章第五章 大气污染扩散大气污染扩散第一节第一节 大气结构与气象大气结构与气象一、大气的结构一、大气的结构 1.对流层对流层 2.平流层平流层 3.中间层中间层 4.暖层暖层二、气象要素二、气象要素 1.气压气压 2.气温气温 3.气湿气湿 4.云云 5.能见度能见度 6.风风三、大气温度的垂直分布三、大气温度的垂直分布 1.气温直减率气温直减率 2.大气的温度层结大气的温度层结 3.干绝热直减率干绝热直减率四、大气的稳定度四、大气的稳定度 1.大气稳定度大气稳定度 2.大气稳定度的分类大气稳定度的分类第二节第二节 大气污染物的扩散大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论一、湍流与湍流扩散理论 1.湍流湍流 2.湍流扩散与正态分布的基本理论湍流扩散与正态分布的基本理论二、高斯扩散模式二、高斯扩散模式（一）连续点源的扩散（一）连续点源的扩散 1.大空间点源扩散大空间点源扩散 2高架点源扩散高架点源扩散 3.地面点源扩散地面点源扩散（二）连续线源的扩散（二）连续线源的扩散（三）连续面源的扩散（三）连续面源的扩散三、扩散参数及烟流抬升高度的确定三、扩散参数及烟流抬升高度的确定 1.扩散参数扩散参数y、z的估算的估算 2.烟流抬升高度烟流抬升高度h的计算的计算第三节第三节 影响大气扩散的若干因素影响大气扩散的若干因素一、气象因子影响一、气象因子影响 1.大气稳定度大气稳定度 2.风风二、地理环境状况的影响二、地理环境状况的影响 1.地形状况地形状况 2.地面物体地面物体三、污染物特征的影响三、污染物特征的影响第四节第四节 烟囱高度及厂址烟囱高度及厂址一、烟囱高度的设计方法一、烟囱高度的设计方法 1.烟囱高度对烟气扩散的影响烟囱高度对烟气扩散的影响 2.烟囱高度的设计方法烟囱高度的设计方法 3.影响烟囱设计高度的因素影响烟囱设计高度的因素二、厂址的选择二、厂址的选择 1.本底环境浓度本底环境浓度 2.风向和风速风向和风速 3.温度层结温度层结 4.地形地形 第一节第一节 大气结构与气象大气结构与气象 一、大气的结构一、大气的结构大大气气层层：地地面面1200 km的的空空气气层层。质质量量98.2集集中中在在30 km以下。以下。大大气气结结构构：根根据据竖竖直直方方向向大大气气密密度度、温温度度、组组成成的的分分布布状状况况可可分分为为：对对流流层层、平平流流层层、中中间间层层、暖层暖层。对对流流层层。10 km，大大气气质质量量75，几几乎乎全全部部水水蒸蒸气气、微微尘尘杂杂质质，主主要要天天气气现现象象。地地表表吸吸热热，H，t，0.65/100m，垂垂直直混混合合较较强强烈烈。大大气气边边界界层层（摩摩擦擦层层），1.5 km，污污染染物物扩扩散散稀释主要层；稀释主要层；1.5 km，自由大气。，自由大气。平平流流层层。10 55 km，大大气气质质量量24.9，稀稀薄薄，干干燥燥。22km为为同同温温层层，H，t=C。2225km臭臭氧氧层层，吸吸热热，H，t，竖直混合微弱，处于平流运动。，竖直混合微弱，处于平流运动。中中间间层层。80km，质质量量10-3。H，t，对流强烈，垂直方向混合明显。对流强烈，垂直方向混合明显。暖暖层层（电电离离层层）。800km，质质量量10-5。强强烈烈紫紫外外线线下下，H，t，昼昼夜夜变变化大。电离层。化大。电离层。二、气象要素二、气象要素气气象象要要素素：气气压压、气气温温、气气湿湿、云云、风风、能能见见度度以以及及太太阳阳辐辐射射等等。风风和和湍流运动直接影响污染物扩散，气温垂直分布又制约着风场与湍流结构。湍流运动直接影响污染物扩散，气温垂直分布又制约着风场与湍流结构。1.气压气压 大大气气压压强强，Pa（mbar、Pa）。273K，450海海平平面面，p0=1013.25hPa为为标准大气压标准大气压。H，p。2.气温气温 1.5 m处百叶窗内测量到的大气温度。处百叶窗内测量到的大气温度。3.气湿气湿 大大气气湿湿度度，空空气气水水蒸蒸气气含含量量。绝绝对对湿湿度度、水水蒸蒸气气分分压压、露露点点、相相对对湿湿度度和比湿。和比湿。4.云 微微小小水水滴滴或或冰冰晶晶构构成成的的汇汇集集物物质质。云吸收或反射太阳的辐射，反映了气象要素的变化和大气运动的状况。云量：云遮蔽天空的份额。我国将视野天空分10等分，阴天为10；晴天为0。云高：云底距地面的高度。低云 2500m；中云25005000m；高云5000m。5.能见度 正常视力，从从水水平平方方向向中中能能够够看看到到或或辨辨认认出出目目标标物物的的最最大大距距离离。反映大气混浊/透明的程度。10个级别，0级50m，9级50km。6.风 空气在水平方向的运动。风向风向：风的来向。用16或8个方位表示。用角度表示，北风为0o，顺顺时针方向夹角称为风向角时针方向夹角称为风向角。风速风速：单位时间水平运动的距离。距地距地10m，一定时间内观测到的平均值。自由大气为水平匀速运动。大气边界层，H，u nn与大气稳定度有关。中性，开阔平与大气稳定度有关。中性，开阔平坦，坦，n n1/71/7。日变化日变化。日出：地面吸热，大气上升运动，上下混合强烈，下层风。日出：地面吸热，大气上升运动，上下混合强烈，下层风大，高层风小；夜间：地面冷却，湍流停止，下层风小，高层风大。大，高层风小；夜间：地面冷却，湍流停止，下层风小，高层风大。海陆风。陆地和海洋差异产生的热力效应，日变化。陆地热容量海水，地温升、降快。海海风风：白天，陆地气温海洋，陆地空气上升，低层气压海上。下层空气从海面陆地，高层空间由陆地海洋，形成闭合环流；陆风陆风：夜间，陆地气温海洋，海洋空气上升，低层气压陆地。下夜间，陆地气温海洋，海洋空气上升，低层气压陆地。下层空气从陆地层空气从陆地海洋，高层空间由海洋海洋，高层空间由海洋陆地，形成闭合环流。陆地，形成闭合环流。季风：海、陆差异热力效应，四四季季周周期期变变化化的的大大气气环环流流，影响范围比海陆风大得多。夏季：大陆气温海洋，低层空气从海洋大陆，高层相反流动，类似于白天海风环流。东南风（太平洋高压控制）冬季：大陆气温海洋，低层空气从大陆海洋，类似于夜间陆风环流。西北风（蒙古高压控制）。峡谷风：气流从开阔地区进入流流动动截截面面积积缩缩小小的狭窄峡谷口，气流加速而形成的强风。山谷风：山区地理差异产生热力作用，日变化。谷风：白天，山坡吸热强，气温高，空气上升，从谷底沿山坡向上流动。谷底上空气流下降，形成热力循环。（阴风）山风：夜间，山坡冷却快，气温低，空气密度大，沿山坡向谷底流动。三、大气温度的垂直分布三、大气温度的垂直分布 1.气温（垂）直（递）减率 实际大气的气温沿垂直高度的变化率 2.大气的温度层结 气温随垂直高度的分布规律。坐标图上为温度层结曲线。反映沿高度的大气状况是否稳定，直接影响空气的运动，以及污染物质的扩散过程和浓度分布。递减层结。H，t，0。晴朗白天，风力较小。空气团降温速度慢，加速上升，不稳定。等温层结。H，tC，0。阴天、多云、大风。空气团降温速度快，上升运动将减速并转而返回，趋于稳定。逆温层结。逆温层结。HH，tt，0 0。大气在竖直方向基本停滞，强稳定状。大气在竖直方向基本停滞，强稳定状态。态。对大气污染扩散影响极大，对大气污染扩散影响极大，有有辐射逆温：地面快速冷却形成。晴天夜间，地面冷却，离地近，气温冷却快，离地远，降温慢，自地面向上形成辐射逆温，日出前充分发展。日出后，地面吸热，逆温层又自下而上消失，上午九点钟全上午九点钟全部消失部消失。下沉逆温：高压区，某层空气下沉，使下层空气被压缩升温。湍流逆温：绝热状态下的大气湍流；平流逆温：暖空气水平流至冷地表上空；锋面逆温：冷暖空气相遇，暖空气爬到冷空气上面。上层逆温：离地面数十米至数千米的高空。干绝热直减率干绝热直减率（干空气温度绝热垂直递减率）:干空气团在绝热升降过程中，其温度随高度的变化值。干空气团绝热上升时，因周围气压减小而膨胀，内能用于膨胀做功，而使其温度降低；反之，当气团绝热下降时，由于外界压力增大，外部压力对其压缩做功，使其内能增加，因而气团温度上升.根据热力学第一定律：状态方程：压力分布：推导得到：四、大气的稳定度四、大气的稳定度 1.大气稳定度 大气在大气在垂直方向上垂直方向上的稳定程度的稳定程度。外力作用，空气团加速上升或下降。到某一位置时消除外力：继续加速向前运动，不稳定大气；匀速运动，中性大气；逐渐减速返回，稳定大气。大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快。0 0：d，a0，气团加速，不稳定；d，a0，中性；d d，a a0 0，气团减速，弱稳定，气团减速，弱稳定 0 0：等温、逆温，强稳定 d d大气稳定性判据大气稳定性判据。2.2.大气稳定度的分类大气稳定度的分类 与天气现象、时空尺度、地理条件密切相关.帕斯奎尔（帕斯奎尔（PasquillPasquill）法：）法：根据风速、太阳辐射、夜间云量状况，将稳稳定定度度分分为为A AF F六六个个级级别别（极不稳定、不稳定、弱不稳定，中性、弱稳定、稳定）。常规气象资料确定，简单易行，但没有确切描述太阳辐射强度，云量的确定也不准确，粗略。特纳尔特纳尔(Turner)(Turner)法：法：根据太阳高度角h和云量(10分制)，确定太阳辐射等级，再由太阳辐射等级和风速确定大气稳定度的级别。第二节第二节 大气污染物的扩散大气污染物的扩散 一、湍流与湍流扩散理论一、湍流与湍流扩散理论 1.1.湍流湍流：风的强度与方向随时间不规则的变化。特征尺度（高度）大特征尺度（高度）大，湍涡发展不受空间限制，较小速度下就有很高的雷诺数。机械湍流机械湍流地面摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，地面障碍物使风向与风速突然改变。热力湍流热力湍流地表受热不均匀、大气温度层结不稳定，在垂直方向产生温度梯度而造成的。烟气在大气中的扩散烟气在大气中的扩散:（a）无湍流无湍流，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，扩散速率缓慢；（b）烟团尺度烟团尺度 湍涡湍涡 边缘受小湍涡扰动，与周边空气混合，缓慢膨胀，烟流呈直线向下风运动；（c）烟团尺度烟团尺度湍涡湍涡，烟团被迅速撕裂，大幅度变形，快速膨胀，扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；（d）烟团尺度湍涡烟团尺度湍涡，受大湍涡卷吸扰动影响较弱，本身膨胀有限，在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。2.2.湍流扩散与正态分布的基本理论湍流扩散与正态分布的基本理论 大气处于湍流状态。污染物排入大气后，一方面；（1）随大气整体飘移；（2）另一方面，从高浓度区向低浓度区扩散、稀释。大气扩散理论就是在各种气象、下垫面条件下，用数理方法模拟不同的大气污染扩散过程，预报污染物浓度时空变化预报污染物浓度时空变化规律。扩散理论扩散理论：梯度输送理论、相似理论、统计理论（都有较大局限性）（湍流统计理论体系的）高斯扩散模式湍流统计理论体系的）高斯扩散模式：排放源：地面源(Z0)、高架源(Z=H)。风向平行于x轴。假假定定：源强q均匀连续；风速u均匀恒定；污染物在y,Z轴符合正态分布；污染物在扩散中质量守恒。二、高斯扩散模式二、高斯扩散模式1.连续点源的扩散连续点源的扩散（1）大空间点源大空间点源 假设假设：流场稳定，风速均匀，风向平直；浓度在y、z轴符合正态分布污染物质量守恒；源强均匀、连续。图：源于坐标原点o，风向与x轴平行、正向同向。扩散具有y与z两个方向的二维正态分布，分布密度为一维分布函数的乘积。由正态分布，得浓度分布函数为：C浓度；A（x）待定系数；y、z水平、垂直方向的扩散系数。由质量守恒和连续，在任一垂直于x轴的烟流截面上有：q源强，单位时间内排放的污染物；u平均风速。（5 51919）C代入,由风速稳定，A与y、z无关，考虑到和，积分得A（x）y、z与大气稳定度有关，随x增大而增加。当y0，z0时，A（x）即为x轴上的浓度，为垂直于x轴横截面上的最大浓度Cmax。当x时，y及z，则C0，完全扩散。（2）高架点源）高架点源地面o为原点，有效源在z轴上，Hh（烟烟囱囱几几何何高高度度）h（抬升高度抬升高度）地面全反射时：像源法求解像源法求解k点点(0，0，H)实源在k点扩散和地面反射浓度的叠加。反射视为与实源对称的位于(0，0，H)像源扩散到k点浓度。实源：坐标沿z轴向下平移距离H，(z-H)（5 52020）像源：坐标沿z轴向上平移距离H，(zH)（5 52121）K点的浓度：CCsCx （522）地面全吸收时：Cx0，CCs 式（520）地面浓度（假定为全反射时）：最关心地面，尤其是最大浓度值和离源头距离。在式（522）中，令令z0：x轴线上浓度分布：再令y0，则（5 52323）（5 52424）x轴：排放源附近C0，顺风向C，某处达到Cmax，以后C。H，z、xmax，则Cmax点离源越远。H和u，则Cmax值，防止污染物在某一局部聚积。假定假定y y/z z常数，常数，式（式（5 52424）求导可得：）求导可得：（3）地面点源）地面点源 全反射：全反射高架源扩散式（522）中H0，则C2C大空间式（519）全吸收：式（520）H0，CC大空间式（519）高斯扩散模式的一般适用条件是：高斯扩散模式的一般适用条件是：地面开阔平坦，下垫面以上大气湍流稳定；扩散处于同一大气温度层结中，范围10km；扩散中无化学反应，地面全反射；平均风向和风速平直稳定，且u12m/s。2.连续线源的扩散（自学）3.连续面源的扩散（自学）三、扩散参数三、扩散参数y、z及抬升高度及抬升高度h的确定的确定 公式应用效果依赖于各参数的准确性。u取取常常规规气气象象数数据据；源源强强q计计算算或测定，或测定，y、z、h与气象条件和地面状况密切相关。与气象条件和地面状况密切相关。1.扩散参数扩散参数y、z的估算的估算y、z实验确定。帕斯奎尔(Pasquill)和吉福特(Gifford)的PG扩散曲线：先由气象资料得到稳定度等级，然后即可确定。规律规律：离源距离，；大气湍流，；（粗糙地面）（平坦地面）。P PG G曲曲线线简便实用。但由观测资料及理论分析得到，应用具有一定的经验性和局限性。较适用于近地源的小尺度扩散和开阔平坦的地形。也可采用经验公式确定y、z。2.2.烟流抬升高度烟流抬升高度hh的计算的计算喷出阶段：本身的初始动量垂直向上喷射；浮升阶段：密度差形成浮力，渐趋于水平方向；瓦解阶段：大气湍流加强，烟体结构瓦解；变平阶段：随风飘移。热热力力抬抬升升：由由于于浮浮升升力作用；力作用；动动力力抬抬升升：由由于于烟烟气气出口动量。出口动量。热烟流从烟囱中喷出直至变平，可分分为为以以下阶段：下阶段：烟流抬升的发展受到气象条件和地形状况的制约烟流抬升的发展受到气象条件和地形状况的制约：浮升力取决于烟流与环境的温差；初始动量与烟囱内径有关。温差和vs，h。（但vs过大，h。）大气湍流强度，h；u，湍流，h；地面粗糙度，近地层湍流，h。h的计算尚无统一的理想公式。应用较广的有霍兰德(Holland)公式：我国采用自己的计算式。第三节第三节 影响大气扩散的若干因素影响大气扩散的若干因素 一、气象因子（大气稳定度、风）一、气象因子（大气稳定度、风）1.1.大气稳定度大气稳定度 与气温层结有关。越不稳定，扩散越快。稳定度不同，扩散型态也不一样，从而形成以下5这种典型烟云典型烟云：波波浪浪型型：不稳定。即0，d。湍流强烈，左右剧烈翻卷的波浪状，晴朗白天。地面落地浓度较高，最大浓度点距排放源较近。锥锥型型：中性或弱稳定。0，d。扩散能力弱于波浪型，圆锥形扩散，阴白天/强风夜间。输送距离较远，落地浓度较低。带带型型（扇型）：逆温稳定。0，d。无湍流，水平缓慢扩散，弱风晴朗夜晚和早晨。不易扩散，输送较远。地面污染与源高有关。爬爬升升型型（屋脊型）。上不稳定，0；下稳定，0。有辐射逆温日落前后，地面浓度小。熏熏烟烟型型（漫烟型）。上稳定，0；下不稳定，0。日出之后，辐射逆温消失时。地面污染最严重。2.2.风风 污污染染源源下下风风向向的的污污染染程程度度较严重较严重。C1/u，u，C，污染轻。某城市某城市SO2浓度观测数据浓度观测数据：u23，SO2；u23，SO2基本不变，风速扩散影响甚微。二、地理环境的影响二、地理环境的影响（地形状况、地面物体）地形状况地形状况 陆地、海洋、平地、山地扩散产生不同影响。局部地形的热力作用促使形成地方风，最终影响污染物扩散。海陆风海陆风：形成局部环流，抑制向远处扩散。例如白天（海风），海岸附近的污染物从高空向海洋扩散出去，随着海风环流回到内地；日出、日落后，海风与陆风交替，大气相对稳定，甚至逆温；季风与海陆风交汇，东南沿海夏季风，夜间与陆风相遇，污染物浓度也较高。山谷风山谷风：形成局部环流，污染物在环流中长时间滞留。峡谷风峡谷风：不利于污染物的扩散，并造成峡谷下游地区的污染。2.2.地面物体地面物体热热岛岛效效应应：城市人口、工业集中。消耗燃料成为热源，建筑材料热容量高，白天吸收热不宜冷却，成为蓄热体。t城市t郊区，夏季1.5，冬季7。城城市市热热气气流流上上升升，乡乡村村冷冷空空气气侵侵入入，形形成成城城乡乡环环流流。加强湍流，有助于源附近的扩散，但环流使周围污染物回流。街街道道和和建建筑筑吸放热不均匀，形成小型环流。如白天屋顶吸热强，街道受热弱，屋顶热空气上升，街道上冷空气下降，构构成成谷谷风风式式环环流流。晚上反向形成山风式环流山风式环流。影响街道扩散能力（汽车）。源源附附近近高高大大建建筑筑物物。建建筑筑物物使使风风速速减减小小，还会引起局部环流的扩散。如建筑物背面气流下沉，并在地面处形成返回气流，产生涡流。三、污染物特征的影响三、污染物特征的影响 除扩散外，不同性质污染物还存在沉降、化合分解等净化作用。干沉积、湿沉积、放射性衰变。干干沉沉积积。重力沉降：粒子d，沉降v，应考虑l0m颗粒的沉降速度；下垫面清除作用：l0m污染物碰到下垫面的地面、水面、植物与建筑物等，因碰撞、吸附、静电吸引或动物呼吸等作用被逐渐从烟流中清除出来(计算时可不考虑)。湿沉积湿沉积。水汽凝结物与降水的净化作用。放放射射性性衰衰变变。放射物质可能产生的衰变现象。可能减少某种污染物，但也可能增加新的污染物。非常复杂，尚未掌握它们对污染物浓度变化的规律性。第四节第四节 烟囱高度及厂址烟囱高度及厂址一、烟囱高度的设计方法一、烟囱高度的设计方法高烟囱的作用高烟囱的作用：克服流动p（自然通风）；污染散逸到高空，降低浓度。1.烟囱高度对烟气扩散的影响烟囱高度对烟气扩散的影响 地面浓度Cmax与H2成反比。C(高h2)C(低h1)，长距离后逐渐接近。Xmax(h2)Xmax(h1)，Cmax(h2)Cmax(h1)。高烟囱使下风处约10 km的烟气浓度都降低。2.2.烟囱高度的设计烟囱高度的设计 烟烟囱囱达达到到一一定定高高度度后后，增增加加高高度度对对落落地地浓浓度度降降低低已已无无明明显显作作用用，而烟囱的造价也近似地与烟囱高度的平方成正比。烟囱高度设计的基本要求是：烟囱高度设计的基本要求是：在排放源造成的地面Cmax不超过国家规定的标准数值下，使得建造投资费用最小。3.3.影响烟囱设计高度的因素影响烟囱设计高度的因素 计计算算公公式式。各种公式对地形、气象条件依赖性强，计算差别大。选择适合相应条件的公式。气象参数气象参数。风风 速速：u，扩扩 散散Cmax；但但 uu使使 得得H Cmax（抬抬升升高高度度减小）减小）存存在在一一C Cmaxmax最最大大值值的的风风速。速。烟烟流流出出口口速速度度VS。VS，H 、Cmax。一般要求VS/u1.5。可采用集合式烟囱以提高VS。烟烟气气的的干干、湿湿沉沉降降。为避免建筑物造成的干、湿沉降现象，而导致烟囱地区污染增加。要求：烟囱与建筑物相距约20倍h；（烟囱高度）h 2.5倍建筑物高度；排放粉尘烟囱，h15m，VS 2030m/s.烟烟囱囱的的散散热热。尽量减少烟道与烟囱的散热，以提高出口烟温，增加热力抬升能力。如，排烟温度150，u 5 m/s，每每提提高高1烟烟气气温温度度热力抬升高度增加约热力抬升高度增加约1.5m。二、厂址的选择二、厂址的选择 从环境保护出发，合合理理的的厂厂址址为为：本底环境污染物浓度低，大气扩散能力强，污染物可输送到对人类影响小或污染危害轻的地方。1.1.本底环境浓度本底环境浓度 选择本底环境浓度小的地区，已超过、或将超过国家大气环境质量标准规定的地区不宜建厂。2.2.风向和风速风向和风速 考虑区域的风向频率风向频率f。厂址应设置在污染受体最小频率风向的在污染受体最小频率风向的上侧上侧，使受体污染时间最少；减减少少各各企企业业之之间间发发生生重重叠叠污污染染，不宜将各污染源布置在最大频率风向一致的直线上；厂址设置在对农作物损害最小的最大频率最大频率下风下风。按 f 考虑，只能保证受污染时间最短，但不能确保污染程度最轻。污染系数 f/u综合考虑 f 和风速 u。某方位f，u，下风向污染程度轻。污染源设在污染源设在最小的方位的最小的方位的上风向上风向。3.温度层结温度层结 对大气稳定度出现频率进行分析。注注意意逆逆温温：低排放源不宜建在近地层逆温频率高、持续时间长的地区。其它气象条件：低云、雾多易形成污染，降水多净化空气。4.地形地形 低洼区，排放源H农田、居民区高度。山坡，H湍流区及下坡风的厚度。低风速山谷，H谷内静风、微风高度。大型水域与山地毗邻（形成局部环流），不利于扩散，不宜建厂。