大气污染浓讲义度估算模式

2 2
由统计理论可写出方差表达式
2 y



0
y 2 cdy
0
cdy
z 2 cdz
0
„„„„„„„„②

z2
根据假设③④的连续性条件可写出
Q
0
cdz

„„„„„„„„③
ucdydz „„„„„„„„④
16

u
上式中： ū — 平均风速； Q—源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正 比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常： （ⅰ）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示； （ⅱ）连续点源以单位时间的释放量表示； （ⅲ）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示； （ⅳ）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。 δy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y 的函数，m； δz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z 的函数，m； 未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b； 式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数， 故方程式可解。
扩散参数的确定中国国家标准扩散参数的确定中国国家标准规定的方法规定的方法扩散参数的表达式为取样时间05h按表48查算平原地区和城市远郊区def向不稳定方向提半级工业区和城市中心区c提至b级def向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市同工业区取样时间大于05h不变特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式主要指气象条件与高斯模式不一样温度层结构均一实际中难以实现封闭型扩散模式相当于两镜面之间无穷次全反射实源和无穷多个虚源贡献之和n为反射次数在地面和逆面实源在两个镜子里分别形成n个像38一封闭型扩散模式一封闭型扩散模式计算简化
2 2 y z C x, y , z exp 2 2 2 2 ……………………⑧ 2 u y z z y Q

对上式积分得到： 对上式积分得到： •
H2 2qL ρ ( x,0,0, H ) = exp − 2 2π uδz 2δz
风向与线源不垂直时， 风向与线源不垂直时，若风向与线源夹角 ϕ > 45° ，线源下风向的
浓度模式为： 浓度模式为：
H2 2qL ρ ( x,0,0, H ) = exp − 2 2π uδz sinϕ 2δz
∞
式中： 式中：
n为烟流在两界面之间的
反射次数 D为逆温层地离地面的 为逆温层地离地面的 高度，即混合层高度， 。 高度，即混合层高度，m。
简化的计算公式，分三种情况处理： 简化的计算公式，分三种情况处理： • 当
为烟流垂直扩散高度刚好达到逆温层底市的水平距离。 注： xD为烟流垂直扩散高度刚好达到逆温层底市的水平距离。 为中心处
2、熏烟型扩散模式
熏烟过程
在夜间发生辐射逆温时，清晨太阳升起后， 在夜间发生辐射逆温时，清晨太阳升起后，逆温从地面开始破坏而 逐渐向上发展。当逆温破坏到烟流下边缘以上时， 逐渐向上发展。当逆温破坏到烟流下边缘以上时，便发生了强烈的向下 混合作用，使地面污染物浓度增大。这一过程称为熏烟过程。 混合作用，使地面污染物浓度增大。这一过程称为熏烟过程。 熏烟过程可一直持续到烟流上边缘的逆温层消失为止。 熏烟过程可一直持续到烟流上边缘的逆温层消失为止。
Qx ρ= uD
(各参数符号见教材P105) 各参数符号见教材P105)
n
污染物在垂直方向的扩散情况不符。因而， 污染物在垂直方向的扩散情况不符。因而，箱模式往往低估了实际 的地面浓度。大城市范围越大，应用效果越好。 的地面浓度。大城市范围越大，应用效果越好。
简化为点源的面源模式

3．卡森－摩西（Carson and Moses）公式 此式仅适用于QH≥8.374×103 kW的烟源。
H
1/ 2 C1U S d C2 QH
u
4．康凯维（CONCAWE）公式 此式仅适用于 排热率QH<8.374×103 kW的中小规模烟源。
H 2.703Q
1/ 2 H
u
( 3 / 4)
图15－25 下风向距离与垂直扩 散参数的关系（取样时间10min）
3．浓度的计算 计算地面轴线最大浓度Cmax和它出 现的距离时，虽然从P-G曲线查得的σy和σz 之比值并 不满足不随距离x而变化的条件，但作为粗略的估算， 仍可采用式 (15 － 42) 和式 (15 － 43) 。方法是：先按式 (15 － 42) 计算出，再从图 15 － 25 或表 15 － 7 中查出与 之对应的x值即为在该稳定度下的。再从图（15－24） 或表 15 － 7 中查出与该对应的值，利用式 (15 － 43) 计 算出Cmax值。这种方法的计算结果，在稳定度为D、 C 级时误差较小，E、F级误差较大。H越大，误差越 小。 计算非最大地面轴线浓度时，由P-G扩散曲线或表 15－7查得σy和σz 后，根据需要代入式（15－40）或 式（15－41）计算。
15.8.2.3中国国家标准规定的方法
1. 稳定度划分 按表15－6确定大气稳定度时， 辐 射强弱欠缺客观标准，主观性强，对同一天气情况不 同的人可能定为不同的稳定度。特纳尔（D.B.Turner） 提出根据太阳高度角、云高和云量确定稳定度级别的 方法，简称P-T法。但该法中用以确定太阳辐射等级的 云量、云高比较复杂，不便我国应用。在P-T法基础上 修订成的中国国家标准（GB/T13201－91）中规定 的方法是，先由云量和太阳高度角按见表15－9查出 辐射等级数，再由辐射等级数与地面风速按表15-10 查出稳定度级别。

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22
封闭型扩散模式
计算简化：
1.当 x xD （尚未到封闭阶段）
z
DH 2 .1 5 （烟流半宽度）
查P－G曲线
xD
4-9式计算 地面轴线浓度
2.当x 2xD 时，Z向浓度混合均匀
( x, y )
3. xD x 2 xD
x xD
y2 exp( ) 2 2 2 u D y y Q
地面最大浓度模式：
考虑地面轴线浓度模式
H2 ( x,0,0) exp 2 u y z 2 z z 增大，第一项减小，第二 上式，x 增大，则 y 、 项增大，必然在某x 处有最大值 Q
2018/10/20 9
高架连续点源扩散模式
地面最大浓度模式（续）：
主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中 难以实现）
封闭型扩散模式

相当于两镜面之间无穷次全反射 实源和无穷多个虚源贡献之和 n为反射次数，在地面和逆面 实源在两个镜子里分别形成n个像
( H 2nD) 2 exp 2 2 z

Q ( x,0,0) 2u y z
2
2 (1 .5 v s D 0 .0 1Q H ) u ( 4 ) 当 1 0 m 高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于 1 .5 m /s 时 H =
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H = 5 .5 Q H 1 / 4 (
d Ta 0 .0 0 9 8 ) 3 / 8 dz
15
1 2 2


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 2 q ( ) 取样时间大于0.5h， z 不变， y y 1

境温度的差值△T大于或等于35K时，△H采用下式计算：
H n Q H u
n1 0 h
n2 1
(5-16)
T Qh 0.35PaQv Tt
△T=Tt-Ta
式中：n0——烟气热状况及地表状况系数； n1——烟气热释放率指数； n2——排气筒高度指数； *Qh——烟气热释放率，kJ/s； H——排气筒距地面几何高度，m，超过240m取H=240m；
02
1.5m/s>u10 ≥0.5m/s 1.57 0.47 0.21 0.12 0.07 0.05
A B C D E F
*有效源高的计算
有效源高H等于烟囱实体高度Hs与烟流抬升高度△H之和：
He=Hs+△H
（1）有风时，中性和不稳定条件下，△H按下述方法计算。
①当烟气热释放率Qh大于或等于2100kJ/s，且烟气温度与环
1.1 坐标系
原点： 排放点（无界点源或地面源）或高架排放点在地面的 投影;
X轴：与平均风向一致;
Y轴：在水平面内垂直于X轴， Y轴的正向在X轴的左侧，
Z轴：垂直于水平面，向上为正向，
即为右手坐标系。 在这种坐标系中，烟流中心或与X轴重合（无界点源）， 或在XOY面的投影为X轴（高架点源）。下面介绍的模式都 是在这种坐标系中导出的。
式中γ1、γ2、α1、α2均为常数。
地面最大浓度模式(P112)
Cmax 2Q 2 e uH e P 1
1 e 2 ( 1 ) 2 2
掌握
H 1 xmax ( ) (1 ) 2 2
P1 2 1 2
(
掌握
1 ) 2
(1
(1 ) 2
1 1 (1 ) 2 2 1

排污许可证管理
03
依据核定的排放总量，发放排污许可证，对排污单位实施许可
管理，确保污染物排放符合总量控制要求。
空气质量预报与预警
气象资料分析
收集历史气象资料，分析气象要素与污染物扩散的关系，建立气 象条件数据库。
模式预测
利用大气浓度扩散估算模式，结合实时的气象数据，对未来一定 时间内的空气质量进行预测。
THANKS
感谢观看
模型建立
结合工业园区内的生产工艺、排放源强、地形地貌等信息，构建污染物扩散模型，考虑 气象条件、地形和局地小气候等因素对污染物扩散的影响。
结果分析
分析不同排放情景下，园区周边环境中的污染物浓度分布，评估园区对周边环境的污染 影响程度，为工业园区的规划和管理提供科学依据。
大气污染联防联控模拟案例
案例概述
应用
用于模拟和分析湍流状态下的大气污染物扩散过程，有助于更好地理 解污染物的扩散机制。
污染物扩散模型
定义
污染物扩散模型是用来模拟和预测污染物在大气中扩散的数学模型。
原理
通过建立数学方程来描述污染物的扩散过程，利用数值方法求解方 程，得到污染物浓度的空间分布和时间变化。
应用
广泛应用于大气污染防治、环境影响评价和城市规划等领域，为决 策者提供科学依据。
扩散和传输过程。
未来展望
随着科技的不断进步和应用需求 的提高，大气浓度扩散估算模式 将继续发展，考虑更多的影响因 素和复杂条件，提高模拟精度和
实用性。
02
大气浓度扩散估算模式的理论基 础
大气对流扩散理论
定义
应用
大气对流扩散理论是研究在大气流动 过程中，污染物如何在大气中传播、 扩散和稀释的理论。

1．霍兰德（Holland，1953年）公式
H USd u (1.5 2.7 Ts Ta 1 d ) (1.5U s d 9.6 103 QH ) Ts u
式中 Us—烟气（实际状态）出口速度（m/s）； d —烟囱口内径（m）; u —烟囱口高度上的平均风速（m/s），可用风速廓线模式（15－17） 或（15－18）计算； Ts、Ta—分别为烟气出温度和环境大气的温度（K）； QH—烟气热排放率（kW），由式（15－55）计算。 霍兰德式适用于中性条件。对于非中性条件，霍兰德建议在不稳定时 增加10％～20％，稳定时减少10％～20％。 霍兰德式对排热率和高度都不大的烟囱可获得比较保守的估算，对 较大的热力浮升源不适用，计算结果过于偏低。
3
2．布里吉斯（G.A.Briggs）公式
当 QH >21000 kW 时： x<10HS x>10HS
H 0.362Q
1/ 3 H
x
2/3
u
1
(15－48)
1
H 1.55Q
1/ 3 H
HS
2/3
u
(15－49)
当 QH <21000 kW 时： x<3x* x>3x*

D D D D D
表 15－11 太阳倾角δ 的概略值 月 旬 上 中 下 1 -22 -21 -19 2 -15 -12 -9 3 -5 -2 +2 4 +6 +10 +13 5 +17 +19 +21 6 +22 +23 +23 7 +22 +21 +19 8 +17 +14 +11 9 +7 +3 -1 10 -5 -8 -12 11 -15 -18 -21 12 -22 -23 -23

瓦解阶段:烟体不断膨胀过程中使得大气湍流作用明显加强，烟体结构瓦解，逐渐失 去抬升作用的；
变平阶段:在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的。
烟囱高度的计算
计算方法2:按地面绝对最大浓度计算
Cmax
2q ( z uH 2e y
)
（4-10）Cmax
u
H H (3 21) Cmax
的技术方法》
（P点源排放控制系数，表4-9,4-10）
二、烟囱设计中的几个问题
对于设计的高烟囱（大于200m），若所在地区上部逆温 出现频率较高时，则应按有上部逆温的扩散模式（封闭型 或熏烟型模式）校核地面污染物浓度
烟气抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环 优先采用国家标准中的推荐公式
气象参数的选取 多年平均值；某一保证频率的值
1. 大气稳定度的概念 指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。
定性理解：
外力使气块上升或下降 气块去掉外力
气块减速，有返回趋势，稳定 气块加速上升或下降，不稳定 气块停在外力去掉处，中性
不稳定条件下有利于扩散
大气稳定度与烟流 型的关系
波浪型（不稳） 锥型（中性or弱稳） 扇型（逆温） 爬升型（下稳，上
考虑地面轴线浓度模式
c(x,
y,
z,
H
)
q
u y
z
exp(
H2
2
2 z
)
上式，x增大，则 、y 增z 大，第一项减小，第二 项增大，必然在某x 处有最大值
第三章 大气污染气象学 第四章大气扩散浓度估算模式
扩散的要素
水平方向：风（平流输送）为主 垂直方向：湍流（脉动风速） 风速越大，湍流越强，大气污染扩散速度越快

颗粒物扩散模式
粒径小于15µm的颗粒物可按气体扩散计算 的颗粒物可按气体扩散计算 粒径小于 大于15µm的颗粒物：倾斜烟流模式 的颗粒物： 大于 的颗粒物
(1 + a ) q y2 ( H − vt x / u ) 2 c( x, y , 0, H ) = exp( − 2 ) exp[ − ] 2σ y 2σ z2 2πuσ yσ z d p2 ρp g vt = 18µ
Q
∫ ∫
−∞
∞
∞ −∞
uCdydz
= Q
u y 2 z 2 C (x, y , z ) = exp − + 4πx k y k z 4 x k y k z
由于x=ut，并令: σ y2 = 2kyt，σz2 = 2kzt。 可得高斯公式的标准形式 ，并令 由于
σ 增大，第一项减小， 上式，x增大，则 σ y 、 z 增大，第一项减小，第二 增大， 上式， 增大 项增大，必然在某x 项增大，必然在某 处有最大值
高架连续点源扩散模式
地面最大浓度模式（续）： 地面最大浓度模式（
设
σy
实际中成立） σ z = const （实际中成立）
dc( x,0,0, H ) =0 dσ z
地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式 =0代入上式 地面轴线浓度模式：
H2 c( x,0, 0, H ) = exp( − 2 ) 2σ z πuσ yσ z q
地面最大浓度模式： 地面最大浓度模式：
考虑地面轴线浓度模式
H2 c( x,0,0, H ) = exp( − 2 ) 2σ z πuσ yσ z q
由高斯假定2： 由高斯假定 ：大气是稳定且有主导风向
∂C = 0 ②污染物的浓度分布不再随时间的变化 ∂t 有主导风向，如果设为x方向 在另外两个方向速度应为零， 方向， 有主导风向，如果设为 方向，在另外两个方向速度应为零，

1.利用高斯扩散模式计算污染物浓度
• 主要参数：
uQ、 、H、x、y、 zy、 z
27
四、污染物浓度的估算
2.烟气抬升高度的计算
有效源高
• 起因与两种形式
热力：温度垂直分布不均。 机械：风速分布不均匀
及地面粗糙度。
• 扩散的要素
风：平流输送为主，风大则湍流大。 湍流：扩散比分子扩散快105～106倍。
3
一、大气污染物扩散的基本描述
2.湍流扩散的基本理论
主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系。
①梯度输送理论
➢ 类比于分子扩散，将浓度梯度作为物质扩散的驱动力； ➢ 应用欧拉法研究每一空间位置上运动质点的特征量； ➢ 基本参数：湍流扩散系数K；气象资料：风速及K的垂直廓线； ➢ 限制条件：小尺度湍涡。
拉格朗日法(质点系法)：跟踪 并研究每个流体质点的运动情 况，把它们综合起来以掌握整 个流体运动的规律。
5
一、大气污染物扩散的基本描述
3.大气污染物浓度估算模式
概念：模拟大气污染物的输送、扩散、迁移过程，预测在 不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度 时空分布的数学模型，是大气中污染物迁移和扩散规律的、 简单化的数学描述。 应用：城市、区域、全球的气象、气候和大气污染研究。
13
三、高斯扩散模式
2.高斯扩散模式的假定
① 污染物浓度在y、z风 向上分布为正态分布; ② 全部高度风速均匀稳 定; ③ 源强是连续均匀稳定 的; ④ 扩散中污染物质量守 恒 ⑤ （不考虑转化）。
14
三、高斯扩散模式
3.高斯扩散模式的推导
x方向的扩散通量； k—— 湍流扩散系数,
m2/s。
15
✓ 作为法规模型支持空气质量评估和大气污染控制规划制定； ✓ 作为研究工具识别大气输送与扩散机理。