大气层和大气污染教学教程.ppt

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,*,环境质量评价与系统分析,大气环境质量评价及影响预测,5.1,大气层和大气污染,5.2,大气边界层的温度场,5.3,湍流扩散的基本理论,5.4,烟气抬升与地面最大浓度计算,5.5,点源特殊扩散模式,5.6,非点源扩散模式,5.7,大气湍流扩散参数的计算和测量,5.8,大气环境影响评价及预测,5.1,大气层和大气污染,1,低层大气的组成,2.,描述大气的物理量,包围地球的整个大气圈的总体为大气，大气在地表的密度在标准状态下每升重,1.293,克，愈向上愈稀薄。,组成：干洁空气、水汽、污染物,气温、气湿、气压（大气压力的单位有毫米汞柱,(mmHg),、标准大气压,(atm,),、巴,(bar),、毫巴,(mbar),、帕,(Pa,（,N/m2,）,),；）,1atm=76 mmHg=101325Pa=1013,25mbar,风力计算,风速廓线,大气的结构和组成,对流层,平流层,中间层,外逸层,臭氧,热成层,大气层的结构和组成,大气属于混气合气体，氮、氧、氩合占总体积的,.,，余为氖、氦、氨、氙、氢等微气量气体。自千米向上原子氧逐渐增加，直到主要是原子氧的层，再向上为原子氦层（高,千米）和气原子氢层（千米以上）。,臭氧主要分布在,千米之间的气层气内，特别集中在,千米范围内,大气按温度高度的变化，可分为对流层、平流层、中层、热层及外逸层。,1,对流层；,对流层是指由下垫面算起，到平均高度为,12km,的一层大气。对流层的上界高度是随纬度和季节而变化的，在热带平均为,17,18km,，温带平均为,10,一,12km,，高纬度和两极地区为,8,9km,夏季对流层上界高度大于冬季的。对流层具有下述四个主要特点。,(1),气温随高度的增加而降低，由下垫面至高空每高差,109m,气温约平均降低,0.65,。,1,对流层；,(2),对流层内有强烈的对流运动。这主要是由于下垫面受热不均匀及下垫面物性不同所产生的。一般是低纬度的对流运动较强，高纬度地区的对流运动较弱。由于对流运动的存在，使高低层之间发生空气质量交换及热量交换，大气趋于均匀。,(3),对流层的空气密度最大，虽然该层很薄，但却集中了全部大气质量的,3/4,并且几乎集中了大气中的全部水汽；云、雾、雨、雪等大气现象都发生在这层。,(4),气象要素水平分布不均匀，特别是冷、暖气团的过渡带，即所谓锋区。在这里往往有复杂的天气现象发生，如寒潮、梅雨、暴雨、大风、冰雹等。,2,平流层,从对流层顶到离下垫面,55km,高度的一层称为平流层。从对流层顶到,30-35km,这一层，气温几乎不随高度而变化，故有,同温层,之称。从这以上到平流层顶，气温随高度升高而上升，形成逆温层，故有,暖层,之称。由于平流层基本是逆温层，故没有强烈的对流运动；空气垂直混合微弱，气流平稳。水汽、尘埃都很少，很少有云出现，大气透明度良好。对流层和平流层交界处的过渡层称为对流层顶。它约数百米到,2km,厚；最大可达,4,5km,厚。对流层顶的气温在铅直方向的分布呈等温或逆温型。因此，它的气温直减率与对流层的相比发生了突变，往往利用这一点作为确定对流层顶高度的一种依据。,3,中间层,从下垫面算起的,55,85km,高度的一层称为中间层。气温随高度的增高而降低，大约高度每增高,1km,气温降：低,1,；空气有强烈的对流运动，垂直混合明显；故有高空对流层之称。,4,热成层,5,散逸层,从下垫面算起,85,800km,左右高度的一层称为热成层或热层。气温随高度增高而迅速增高在,300km,高度上，气温可达,1000,以上。该层空气在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，处在高度的电离状态，故有电离层之称。电离层具有反射无线电波的能力。因此它在无线电通讯上有重要意义。,热成层顶以上的大气层，统称为散逸层。该层气温极高，空气稀薄，大气粒子运动速度很高，常可以摆脱地球引力而散逸到太空中去，故称散逸层。,5.2,大气边界层的温度场,5.2.1,气温的垂直分布,1.,气温层结,气温沿铅直高度的变化，称气温层结或层结。气温随高度变化快慢这一特征可用气温垂直递减率来表示。气温垂直递减率的数学定义式为,-dT/dz,；它系指单位,(,通常取,100m),高差气温变化速率的负值。如果气温随高度增高而降低，,为正值，如果气温随高度增高而增高，,为负值。,大气中的气温层结有四种典型情况，气温随高度的增加而递减，,0,，称为正常分布层结，或递减层结；气温随高度的增加而增加，,0,，气块加速运动，大气不稳定；当,-d,0,，气块减速运动，大气稳定；当,-d,=0,，大气为中性。,因此，大气静力稳定度可以用温度直减率与干绝热直减率之差来判断，即,-d,大于、小于和等于零为大气静力稳定度的判据。,对于,和,d,的物理意义应具有较确切认识，,d,是以质量衡定的一块空气团为对象在干绝热条件下沿垂直上升而导出的气温垂直递减率，是一个由气态方程给定的确定值。,则是气温的环境层结,是在太阳、地球的热量幅射和其他气象因素作用下形成的实际环境状况。,5.2.3,逆温,图,5-4,由于太阳辐射引起逆温的生消过程。,5.3,湍流扩散的基本理论,5.3.1,湍流的基本概念,描述湍流运动有两种方法，一种是欧拉法，它在空间划出一个控制体为对象，考察流体流经它的情形，欧拉法注重于特定时刻整个流场及某定点不同时刻的流体运动性质。另一种是拉格朗日法，它在流体运动时，追随研究一个典型的流体单元,。,5.3.2,湍流扩散理论,湍流扩散理论有三种：梯度输送理论，统计扩散理论和相似扩散理论。,5.3.3,点源扩散的高斯模式,坐标系,高斯模式的四点假设,高斯模式的四点假设为：,(1),污染物在空间,yoz,平面中按高斯分布,(,正态分布,),，在,x,方向只考虑迁移，不考虑扩散；,(2),在整个空间中风速是均匀、稳定的，风速大于,lm,s,；,(3),源强是连续均匀的；,(4),在扩散过程中污染物质量是守衡的。,无限空间连续点源的高斯模式,高斯模式的坐标系和基本假设图示,高架连续点源的高斯模式,H,Hs,Hs,P,C(x,y,z,),像源,H,高斯模式的浓度扩散公式汇总,地面源（,H=0,）高架源（,H0,）,地面轴线上点,C(x,0,0),地面,点,C(x,y,0),半无界,(,任一点,),C(x,y,z,),无界,(,任一点,),C(x,y,z,),5.4,烟气抬升与地面最大浓度计算,5.4.1,烟气抬升高度公式,烟流抬升高度的确定是计算有效源高的关键。热烟流从烟囱出口喷出多大体经过四个阶段：烟流的喷出阶段、浮升阶段、瓦解阶段和变平阶段。,产生烟流抬升的原因有两个,:,一是烟囱出口处的烟流具有一定的初始动量，二是由于烟流温度高于周围空气温度而产生的净浮力。影响这两种作用的因素很多，归结起来可分为排放因素和气象因素两类。,排放因素有烟囱出口的烟流速度、烟气温度和烟囱出口内径。气象因素有平均风速、环境空气温度、风速垂直切变、湍流强度及大气稳定度。,1.,烟气的热释放率,选用抬升公式时首先需要考虑烟气的排放因素，计算出烟气的热释放率。烟气的热释放率是指单位时间内向环境释放的热量，即：,这里,T,是烟气温度与环境温度的差值,Q,N,是烟气折合成标准状态时的体积流量（,NM,3,/s,）,C,P,是标准状态下的定压热容,(=1.298 KJ/,度,.NM,3,),。当烟气以实际出口温度,Ts,K,时的排烟流量,Qv,m,3,/s,表示时，热释放率的计算公式为：,2.,霍兰德,(Holland),公式,3.,布里吉斯（,Briggs,）公式,x10H,s,5.4.2,我国烟气抬升高度的计算方法,排放因素,气象因素,Q,h,kJ/s,T,K,（,1.5m/s,）,（,1.5m/s,）,（,0,Hs,h,1000,2.10881,0.000212,500,B,0.91437,0.281846,0,1000,0.941015,0.12719,0,500,0.865014,0.396353,1000,1.09356,0.057025,500,B,C,0.919325,0.2295,0,1000,0.941015,0.114682,0,500,0.875086,0.314238,1000,1.0077,0.075718,500,C,0.924279,0.177154,0,1000,0.917595,0.106803,0.885157,0.232123,1000,C,D,0.926849,0.14394,0,1000,0.838628,0.126152,0,2000,0.886940.189396,1000,0.75641,0.235667,2000,10000,0.815575,0.136659,10000,D,0.929481,0.110726,0,1000,0.826212,0.104634,1,1000,0.632023,0.400167,1000,10000,0.888723,0.146669,1000,0.55536,0.810763,10000,D,E,0.925118,0.0985631,0,1000,o.776864,0.104634,0,2000,0.892794,0.124308,1000,0.572347,0.400167,2000,100000.499149,1.0381,10000,E,0.920818,0.086001,0,1000,0.78837,0.092753,0,1000,0.896864,0.124308,1000,0.565188,0.433384,1000,10000,0.414743,1.73241,10000,F,0.929481,0.0553634,0,1000,0.7844,0.062077,0,1000,0.525969,0.370015,1000,10000,0.888723,0.073348,1000,0.322659,2.40691,10000,5.8,大气环境影响评价及预测,5.8.1,大气环境影响评价,通过建设项目大气环境影响评价，查清建设项目周围大气环境质量现状，预测建设项目建成后可能对周围大气环境产生的影响，并作出评价。,大气环境影响评价是对建设项目的大气环境可行性的论证。它是大气污染防治设计的依据之一，是环境管理的依据。,根据评价项目的主要污染物排放量、周围地形的复杂程度以及当地执行的大气环境质量标准等因素,将大气环境影响评价工作划分为一、二、三级。,大气环境影响评价的技术工作程序如图。,5.8.2,大气环境影响算例,图,5-12,大气环境影响评价技术工作程序图,污染气象及大气扩散规律,建设项目初步工程分析和环境概况调查,划分评价级别确定评价范围,编制大气环境评价大纲（方案工程分析：重点是污染调查、污染因子筛选,环境状况调查,大气环境评价标准或环境目标值确定,评价区污染源,社会,自然,城镇社会结构,地理、地形、气候等,大气环境质量现状,工业,民用,土地利用,环境敏感区,发展规划,常规气象资料、经验数据的收集、统计和分析,大气边界层平均场观测,湍流扩散参数测量,室内模拟试验,大气扩散模式选择、计算参数确定,大气质量影响预测,大气环境影响评价,环境对策建议,结论,结束,例,5-7,某地,(P=100 kPa,),两工厂烟囱在城市的位置以平面坐标表示,A(15,15),、,B(150,150),（以,m,计），高度分别为,100m,和,80m,SO,2,排放量分别为,180g/s,和,130 g/s,；,TSP,排放量分别为,340g/s,和,300 g/s,；烟气温度均为,100,当地平均气温冬季为,-10,春秋季节为,15,；其烟气流量分别为,135 M3/s,和,124M3/s,。,分别求两污染源在风速与,X,方向平行，,C,稳定度和相应情况的热排放率,Q,h,危险风速,地面绝对最大浓度值及发生部位（以平面坐标表示）。,若在接受点,C(110,950),，风向平行,X,，,地面风速,2.5 m/s,C,稳定度，考虑叠加效果。,若在接受点,C(110,950),，地面风速,0.8 m/s,其他条件同上，考虑叠加效果。,Y,X,A(15,15),B(150,150),C(110,950),图,5-13,工厂和测点位置的平面坐标,解：,（,1,）求解地面绝对最大浓度；,由,5-35,式计算污染源热释放率，如,A,源冬季有,抬升公式,5-40,式：,由表,5-4 n,o,=0.292,，,n,1,=3/5,，,n,2,=2/5,；对照公式,5-40,式,在危险风速条件下，有,H=H,s,；求得危险风速,由,5-51,式，地面最大浓度处,查表,5-10,代入,5-46,，解出,x,m,并计算,表,5-12,地面绝对最大浓度的计算用表,大气环境质量评价及影响预测学习要点,大气污染与污染源和扩散环境有关。主要污染物有粉尘、可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等。大气污染源排放方式有点源、线源和面源三种。,了解有关大气层的基本物理量、基本结构及大气污染成因。,了解大气边界层中的温度场、风场及湍流特征；掌握气温层结、干绝热直减率、位温、逆温的概念，认识气温层结与大气稳定度的关系。,高斯模式是求解点源大气污染物扩散的主要计算方法，掌握各种不同条件下高斯模式的应用公式；掌握烟气抬升高度与地面最大浓度的计算公式，及在环境评价中的应用方法。,学习利用常规气象资料确定大气稳定度的分级方法，在此基础上获得大气湍流扩散参数（,x,，,y,，,z,），并在环境评价中应用。,认识点源、线源、面源，以及特殊气象条件下大气污染物扩散模式的处理方法。,了解大气环境影响评价技术工作程序，练习用,Excel,模板进行大气环境影响计算。,难点,重点,重点,