第04章大气污染度估算模式08

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1、第四章第四章 大气污染物扩散模式大气污染物扩散模式1.湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论2.高斯扩散模式高斯扩散模式3.污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法4.特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式5.城市及山区的扩散模式城市及山区的扩散模式6.烟囱高度设计烟囱高度设计w掌握大气扩散的理论和扩散模式，学会估算污染掌握大气扩散的理论和扩散模式，学会估算污染物浓度、烟气抬升高度，确定烟囱高度和厂址物浓度、烟气抬升高度，确定烟囱高度和厂址 建议学时数：4学时第一节第一节 湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论w扩散的要素扩散的要素n风风：平流输送为主，风大则湍流大平流输送为主，风大则湍

2、流大n湍流：湍流扩散比分子扩散快湍流：湍流扩散比分子扩散快10105 510106 6倍倍w湍流的基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大气的无规则运动大气的无规则运动 w风速的脉动风速的脉动w风向的摆动风向的摆动w起因与两种形式起因与两种形式 n热力：温度垂直分布不均（不稳定）大气稳定度热力：温度垂直分布不均（不稳定）大气稳定度n机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度w雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据雷诺数（雷诺数（Re）w临界雷诺数w试验（圆管）表明：试验（圆管）表明：w当当Re2000时的流体流动

3、是时的流体流动是 湍流湍流w当当Re0.1m/sw则则Re6000w所以通常认为大气运动都是湍流运动所以通常认为大气运动都是湍流运动LURe湍流扩散理论湍流扩散理论w主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.1.梯度输送理论梯度输送理论类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比成正比2.2.湍流统计理论湍流统计理论 泰勒泰勒图图4-1，正态分布，正态分布 萨顿实用模式萨顿实用模式 高斯模式高斯模式 3.3.相似理论相似理论 AAAMCNDX 二、湍流扩散理论简介二、湍流扩散理论简介w主

4、要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系w1.1.梯度输送理论梯度输送理论w德国科学家菲克，在德国科学家菲克，在1855年发表了一篇题为年发表了一篇题为“论扩散论扩散”的的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这个理论表述为：把这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。”w通过泰勒（通过泰勒（G.I.Tayler）与菲克（）与菲克（A. Fick）扩散理论的类

5、比）扩散理论的类比建立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体建立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。w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，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由散方程在进行

6、扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。 二、湍流扩散理论简介二、湍流扩散理论简介w2.湍流统计理论：湍流统计理论：w泰勒泰勒(GITaYler)首先应用统计学方法研究湍流扩首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统年提出了著名的泰勒公式。湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运动，微粒在进行传输和扩散

7、时，不发生化学和生物运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。是相对于一定空间发生的。w图图4-1表示从污染源释放出的粒子，在风沿着表示从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则表示，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，则在多粒子，

8、则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴轴为对称轴，并符合正态分布为对称轴，并符合正态分布。 图4-1由湍流引起的扩散 3.相似理论相似理论w湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。w湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同同的湍涡所构成，大湍涡失

9、去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。我们把这种理论称为相似扩散理论。w利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的研究法

10、和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出与实际大气污染扩散相符合的计算模式。与实际大气污染扩散相符合的计算模式。 大气湍流与污染物的扩散大气湍流与污染物的扩散w图图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断与周围空气混合，移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度也不断地降低。体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度也不断地降低。w图图8.3b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主表示烟团受到大尺

11、度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。要被湍涡所挟带，本身增长不大。w图图8.3c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。这是一种最强的扩散过程。w在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述几种过程共同完成的。过程是上述几种过程共同完成的。w目前研究湍流的主要方法有两种：目前研究湍流的主要方法有两种：w一种是半经验理论方法一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研，它是通过解运动方程等来研究边界层大气运动；究边界层大气运动；w是模仿气体分子运动与气体宏

12、观运动的理论处理方法，是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法，结合经验事实，采用适当的参数。结合经验事实，采用适当的参数。w虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问题题(如物体在流体中运行的阻力如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学，所以许多应用科学家和工程技术人员对此比较感兴趣家和工程技术人员对此比较感兴趣w另一种是湍流统计理论方法另一种是湍流统计理论方法，即物理上把湍流视为大，即物理上把湍流视为大大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采

13、用数理统流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统计途径，来分析研究湍流内部结构。计途径，来分析研究湍流内部结构。w将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科学家就致力于这方面的研究。学家就致力于这方面的研究。第二节第二节 高斯扩散模式高斯扩散模式w高斯模式的有关假定高斯模式的有关假定n坐标系坐标系坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为点，主风向为x

14、轴，轴，y轴在水平面内垂直于轴在水平面内垂直于x轴，正方向在轴，正方向在x轴的左侧，轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。食指轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。食指x轴；中指轴；中指y轴；轴；拇指拇指z轴。此坐标系中，烟流中心与轴。此坐标系中，烟流中心与x轴重合或烟流在轴重合或烟流在oxy平面的投影平面的投影为为x轴。轴。 右手坐标，右手坐标，y为横风向，为横风向，z为垂直向为垂直向n四点假设四点假设 wa污染物浓度在污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布wb全部高度风速均匀稳定全部高度风速均匀稳定wc源强是连续均匀稳定的源强是连续均匀稳定的wd扩散中污

15、染物是守恒的（不考虑转化）扩散中污染物是守恒的（不考虑转化） 高斯扩散模式高斯扩散模式w高斯扩散模式的坐标系高斯扩散模式的坐标系连续点源扩散模式（坐标原点排放点）连续点源扩散模式（坐标原点排放点）w由正态分布假定由正态分布假定a，得下风向任一点的浓度分布，得下风向任一点的浓度分布w方差的表达式方差的表达式w由假定由假定d 源强积分式源强积分式 （单位时间物料守恒）（单位时间物料守恒） 22( , , )( )eeaybzc x y zA x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z2222( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu （

16、46）（41）（42）（43）u上式中：上式中： 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： （）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示； （）连续点源以单位时间的释放量表示； （）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示； （）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。 y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； z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、组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。高斯烟流的形态高斯烟流的形态22

17、2222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实际浓度实际浓度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实际浓度实际浓度（47）高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式（坐标原点在地面）（坐标原点在地面）w镜像全反射镜像全反射-像源法像源法n实源：实源： n像源：像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n实源的贡献实源的贡献2222()( ,

18、, ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的贡献像源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的贡献像源的贡献P点点污污染染物物浓浓度度重要重要高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式:几种特殊情况下的计算公式：几种特殊情况下的计算公式：2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面浓度模式：取地面浓度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得2222( , ,0,)ex

19、p()exp()22yzyzqyHc x yHu 地面浓度模式：取地面浓度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上式，上式，x增大，则增大，则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值地面最大浓度模式：地面最大浓度模式

20、：考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上式，上式，x增大，则增大，则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值yz上式，上式，x增大，则增大，则、 增大，第一项减小，第二增大，第一项减小，第二项增大，必然在某项增大，必然在某x 处有最大值处有最大值地面最大浓度模式：地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式高斯烟流的浓度分布高斯烟流的浓度分布高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH e

21、max|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H0 0）：）：相当于无界源的相当于无界源的2 2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）倍（镜像垂直于地面，源强加倍）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y

22、 zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令H H0 0）：）：相当于无界源的相当于无界源的2 2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）倍（镜像垂直于地面，源强加倍）不随距离不随距离x变化变化颗粒物扩散模式颗粒物扩散模式w粒径小于粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算的颗粒物可按气体扩散计算w大于大于15m的颗粒物：重力沉降作用，倾斜烟流模式的颗粒物：重力沉降作用，倾斜烟流模式 地面反射系数地面反射系数2222(1)(/ )( , ,0,)exp()exp222tyzyza qyHv x uc x yHu 2pp18tdgv第三节第三节 污染物浓度的估算污染物浓度的估算wq 源强源强 计算或实测计算或

23、实测 w 平均风速平均风速 多年的风速资料多年的风速资料 wH 有效烟囱高度有效烟囱高度 w 、 扩散参数扩散参数u yz 1.烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算 初始动量：初始动量： 速度、内径速度、内径烟气温度烟气温度 浮力浮力烟气抬升烟气抬升sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高第三节第三节 污染物浓度的估算污染物浓度的估算w烟气抬升大体上分为以下四个阶段。烟气抬升大体上分为以下四个阶段。 喷出阶段喷出阶段 烟气自烟囱口垂直向上喷出，因自身的初始动量继续上烟气自烟囱口垂直向上喷出，因自

24、身的初始动量继续上升，此阶段也称为动力抬升阶段。显然烟囱出口处烟气的垂直速升，此阶段也称为动力抬升阶段。显然烟囱出口处烟气的垂直速度度v vs s愈大，初始动量愈大，动力抬升的高度也越高。愈大，初始动量愈大，动力抬升的高度也越高。 浮升阶段浮升阶段 烟气离开烟囱后，由于烟气温度烟气离开烟囱后，由于烟气温度TsTs比周围大气温度比周围大气温度TaTa高，则烟气比周围空气密度小，从而产生浮力，温差愈大，浮力高，则烟气比周围空气密度小，从而产生浮力，温差愈大，浮力上升愈高。初始动量的主导作用渐渐消失，随后主要是烟气本身上升愈高。初始动量的主导作用渐渐消失，随后主要是烟气本身的热量在环境中造成的浮力抬

25、升。对于热烟气来说，这是烟气抬的热量在环境中造成的浮力抬升。对于热烟气来说，这是烟气抬升的主要阶段升的主要阶段 瓦解阶段瓦解阶段 在浮升阶段的后期，烟气在抬升过程中由于周围空气在浮升阶段的后期，烟气在抬升过程中由于周围空气被卷夹进来使烟体膨大，内外温差和上升速度都显著降低，烟流被卷夹进来使烟体膨大，内外温差和上升速度都显著降低，烟流的浮升速度已经很慢，环境湍流使烟气体积进一步地增大，烟流的浮升速度已经很慢，环境湍流使烟气体积进一步地增大，烟流自身的结构也在短时间内瓦解，烟气原先的热力和动力性质丧失自身的结构也在短时间内瓦解，烟气原先的热力和动力性质丧失殆尽，抬升结束。殆尽，抬升结束。 变平阶段

26、变平阶段 在有水平风速在有水平风速u u的情况下，空气给烟气以水平动量，随的情况下，空气给烟气以水平动量，随着垂直速度迅速降低，烟云很快倾斜弯曲，环境湍流继续使烟气着垂直速度迅速降低，烟云很快倾斜弯曲，环境湍流继续使烟气扩散膨胀，烟流逐渐趋于变平。因此通常认为抬升高度和风速成扩散膨胀，烟流逐渐趋于变平。因此通常认为抬升高度和风速成反比。反比。第三节第三节 污染物浓度的估算污染物浓度的估算w影响烟云抬升现象的因素：影响烟云抬升现象的因素：烟囱出口处的烟气流速烟囱出口处的烟气流速v vs s、烟气温度烟气温度T TS S、环境温度即大气温度环境温度即大气温度TaTa、风速风速u u、大气稳定度大气

27、稳定度近地层下垫面的状况等。近地层下垫面的状况等。烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算w抬升高度计算式抬升高度计算式 （1） Holland公式公式：适用于中性大气条件适用于中性大气条件（修正：稳定（修正：稳定时减小时减小1020，不稳时增加，不稳时增加1020） HollandHolland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu2.68x10-5p9.79烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算w抬升高度计算式（抬升高度计算式（续）续）（2 2）Brig

28、gsBriggs公式：适用不稳定及中性大气条件公式：适用不稳定及中性大气条件 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu抬升高度计算抬升高度计算随距离变化随距离变化烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算w抬升高度计算式抬升高度计算式 （续）（续）（ 3 3 ） 我 国） 我 国 “ 制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方

29、制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方法法”(GB/T13201-91)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K =0.35 1700kW2100kW1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu (1)当和时(2)当时HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)当或时(4)当高 处 的 年

30、 平 均 风 速 小 于 或 等 于时asTTT排放源高度以上的气温直减率排放源高度以上的气温直减率r扩散参数的确定扩散参数的确定wPG曲线法曲线法PG曲线曲线Pasquill常规气象资料估算常规气象资料估算Gifford制成图表（图制成图表（图44，45）表）表44表表43查图查图44 y x xx曲线曲线查表查表45或查表或查表44扩散参数的确定扩散参数的确定PG曲线法曲线法wPG曲线的应用曲线的应用n根据常规资料确定稳定度级别根据常规资料确定稳定度级别扩散参数的确定扩散参数的确定PG曲线法曲线法wPG曲线的应用曲线的应用n利用扩散曲线确定利用扩散曲线确定 和和yz扩散参数的确定扩散参数的

31、确定PG曲线法曲线法wPG曲线的应用曲线的应用n地面最大浓度估算地面最大浓度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出w由由曲线（图曲线（图4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲线（图曲线（图4-5）反查出）反查出w由由曲线（图曲线（图4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出y扩散参数的确定中国国家标准规定的方法扩散参数的确定中国国家标准规定的方法w稳定度分类方法稳定度分类方法n改进的改进的

32、PT法法 太阳高度角太阳高度角 （式（式4-29，地理纬度，太阳倾角），地理纬度，太阳倾角） （查表（查表4 45 5）辐射等级）辐射等级 稳定度稳定度 云量云量（加地面风速）查表（加地面风速）查表4 46 6 扩散参数的确定中国国家标准规定的方法扩散参数的确定中国国家标准规定的方法w扩散参数的选取（表扩散参数的选取（表48）n扩散参数的表达式为（取样时间扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表，按表4-8查算）查算）n平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，A、B、C级按表中直接级按表中直接查，查，D、E、F向不稳定方向提半级向不稳定方向提半级n工业区和城市中心区，工业区和城市中心区，

33、A、B级不提级，级不提级，C提至提至B级，级，D、E、F向不稳定方向提一级向不稳定方向提一级n丘陵山区的农村或城市，同工业区丘陵山区的农村或城市，同工业区n取样时间大于取样时间大于0.5h， 不变不变，1221,aayzxx2121()qyyzw思考题：思考题：什么是烟囱有效高度？烟什么是烟囱有效高度？烟囱抬升的主要原因是什么？抬升高囱抬升的主要原因是什么？抬升高度的影响因素有哪些？度的影响因素有哪些？w作业：作业：4.2、4.3、4.6 第四节第四节 特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式w主要指气象条件与高斯模式不一样主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，温度层结构均一

34、，实际中难以实现）实际中难以实现） w封闭型扩散模式封闭型扩散模式n相当于两镜面之间无穷次全反射相当于两镜面之间无穷次全反射n实源和无穷多个虚源贡献之和实源和无穷多个虚源贡献之和 nn为反射次数，在地面和逆面为反射次数，在地面和逆面n实源在两个镜子里分别形成实源在两个镜子里分别形成n个像个像22(2)exp2zyzqHnDCu 地面轴线浓度地面轴线浓度22222222expexpexp222nyzzyzzHnDzHnDQyCu 封闭型扩散模式封闭型扩散模式w计算简化：计算简化：1.当当（尚尚未未到到封封闭闭阶阶段段）w（烟烟流流半半宽宽度度）w查查PG曲曲线线w4-9式式计计算算地地面面轴轴线

35、线浓浓度度Dxx2.15zDHDx1.当当（尚尚未未到到封封闭闭阶阶段段）w（烟烟流流半半宽宽度度）w查查PG曲曲线线w4-9式式计计算算地地面面轴轴线线浓浓度度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD011d1DzDD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22( , )exp()22yyqyc x yuD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22( , )exp()22yyqyc

36、 x yuD2.15 z处为处为烟流边缘烟流边缘式式436封闭型扩散模式封闭型扩散模式w计算简化：计算简化：DD2xxx3. DxxD2xx内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值DD2xxx3. DxxD2xx内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值对数内插法对数内插法DDDXX2XXlogX2logXlogXlog)ClogC(logClogClogDDD熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式w假设：假设： D 换成换成h hf f（垂向均匀分布）；（垂向均匀分布）；q q只包括进入混合层部分，只包括进入混合层部分， 则仍可用上面公式则仍可用上面公式 2221

37、1exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgHhf稳定烟流的稳定烟流的边界边界2 z1502.15 y2.15 yfhf=H+2 z436注意：注意： y、 z用稳定层用稳定层熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式hf按封闭式扩散模型按封闭式扩散模型式式436稳定烟流的边稳定烟流的边界界2 z1502.15 y2.15 yfhj=H+2 z H式式439第五节第五节 城市及山区扩散模式城市及山区扩散模式w一、城市大气扩散模式一、城市大气扩散模式1.线源扩散模式线源扩散模式w无无限限长长线线源源n风风向向和和

38、线线源源不不垂垂直直时时 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw无无限限长长线线源源n风风向向和和线线源源不不垂垂直直时时 （交交角角 4 45 5o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuXy 参照高架连续参照高架连续点源地面浓度点源地面浓度公式公式482122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源212

39、2L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源11/yPy22/yPyy横风横风边缘效应边缘效应城市大气扩散模式城市大气扩散模式w2.面源扩散模式面源扩散模式w大气排放规范里规定条件：烟囱高大气排放规范里规定条件：烟囱高 40m；单个排放量单个排放量 O3SOx or NOx + NH3 + OH - (NH4)2SO4 or NH4NO3SO2 + OH - H2SO4NO2 + OH - HNO3VOC + OH -Orgainic PM OH Air Toxics(POM, PAH, Hg(II), etc.) Fine PM(Nitr

40、ate, Sulfate, Organic PM) NOx + SOx + OH (Lake Acidification, Eutrophication) 第三代模式（第三代模式（Models3）MeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEhttp:/www.epa.gov/asmdnerl/models3/气象气象排放排放空气质量空气质量二、山区扩散模式二、山

41、区扩散模式n山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立响，流场均匀和定常的假定难以成立n对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多只是扩散参数比平原地区大很多山区扩散模式山区扩散模式封闭山谷中的扩散模式：借鉴封闭型扩散模式封闭山谷中的扩散模式：借鉴封闭型扩散模式求出求出 y yW/4.3 W/4.3 时的时的X XD DxXxxxxD D时，污染物在横向近似为均匀分布。

42、时，污染物在横向近似为均匀分布。 222,exp22zzQzx zuW 地面连续点源：地面连续点源： 地面浓度：地面浓度： 2,02zQxuW 高架源：高架源： 2222, ,expexp222zzyzzHzHQx z Hu 山区扩散模式山区扩散模式 NOAA和和EPA模式模式对有效源高进行修正对有效源高进行修正高架点源烟流受起伏地形的影响，高架点源烟流受起伏地形的影响， NOAA以高斯模式为以高斯模式为基础，基础，仅对仅对有效源高有效源高进行修正。修正方法如下：进行修正。修正方法如下：1 1）所有稳定度的划分仍用）所有稳定度的划分仍用P-TP-T法，仅适当修正了级别；法，仅适当修正了级别；2

43、 2）在中性和不稳定时，假设烟流中心线与地面始终平行，）在中性和不稳定时，假设烟流中心线与地面始终平行，有效源高不作修正，地面轴线浓度仍用（有效源高不作修正，地面轴线浓度仍用（4 49 9）；）；3 3）稳定时，假定烟流中心线保持水平，地面轴线浓度：）稳定时，假定烟流中心线保持水平，地面轴线浓度：EPA与与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正形高度修正 22,0,exp2TTzyzhHQxhHu 当当h hT THH时，用时，用H Hh hT T0 0山区扩散模式山区扩散模式 ERT模式模式高斯模式，只对高斯模式，只对有效源高有效源高进行修

44、正进行修正HhT时，用（时，用（HhT/2），），HhT时，用（时，用（H/2）作有效源高。）作有效源高。 采用平原的扩散系数，低估了山区的扩散速率采用平原的扩散系数，低估了山区的扩散速率第六节第六节 烟囱高度的设计烟囱高度的设计w烟囱高度的计算烟囱高度的计算要求：要求：n（1）达到稀释扩散的作用达到稀释扩散的作用n（2）造价最低，造价最低， 造价正比于造价正比于H H2 2n（3 3）地面浓度不超标）地面浓度不超标 n按地面最大浓度计算按地面最大浓度计算 max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度max22

45、()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度0C标准浓度bC本底浓度风速不变化风速不变化 烟囱高度的计算烟囱高度的计算n按地面绝对最大浓度计算按地面绝对最大浓度计算maxCu（4-10）max(321)HHC出现极大值出现极大值maxCu（4-10）max(321)HHC出现极大值出现极大值实际风速是变化的实际风速是变化的 （422）由于风速所引起的稀释由于风速所引起的稀释和有效排放高度的作用和有效排放高度的作用达到了平衡，使地面最达到了平衡，使地面最大浓度达到最大值。大浓度达到最大值。危险风速危险风速绝对最大浓度绝对最

46、大浓度烟囱高度的计算烟囱高度的计算n按地面绝对最大浓度计算按地面绝对最大浓度计算1BHu（代入sBHHu2maxcsd0dCBuHu（危险风速危险风速危险风速危险风速）1BHu（代入sBHHu2maxcsd0dCBuHu（危险风速危险风速危险风速危险风速）此时sc2BHHHuabsm2ssc()2e2ezzyyqqCH BH u代入下式可得代入下式可得sc02e()zybqHu cc此时sc2BHHHuabsm2ssc()2e2ezzyyqqCH BH u代入下式可得代入下式可得sc02e()zybqHu cc代入式代入式410 max222222/zzzyyysssQQQuu HHeu HB

47、 ueH uBe 上上 QQQ烟囱高度的计算烟囱高度的计算w按一定保证率的计算法按一定保证率的计算法n取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数扩散参数wP值法值法n国标国标GB/T 13201-91nP-某种污染物点源排放控制系数某种污染物点源排放控制系数t/h m26s10qHHP烟囱设计中的几个问题烟囱设计中的几个问题w上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，需要用上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，需要用封闭型或熏烟型模式校核封闭型或熏烟型模式校核w烟气抬升高度的选取烟气抬升高度的选取n优先采用国家标准中的推荐公

48、式优先采用国家标准中的推荐公式w为防止烟流下洗、下沉现象，烟气出口速度高于平均风速为防止烟流下洗、下沉现象，烟气出口速度高于平均风速1.5倍。倍。一般宜在一般宜在2030m/s，排烟温度宜在，排烟温度宜在100以上。以上。第七节第七节w一一 厂址选择中所需的气候资料厂址选择中所需的气候资料w1 1风向和风速资料。风向频率、风速复合玫瑰图。静风向和风速资料。风向频率、风速复合玫瑰图。静风风0.5m/s4545o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw无限长线源无限长线源n风向和线源不垂直时风向

49、和线源不垂直时 （交角（交角4545o o）22L2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22( ,0,0,)exp()22sinzzqHxHu4452122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源2122L21( ,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有限长线源有限长线源小结：小结：城市大气扩散模式城市大气扩散模式n2.面源扩散模式面源扩散模式22221( , ,0,)exp2yzyzQyHx yHu 式式449447qxuD1niiqxuD n箱模式：假定污染物浓度在混合

50、层内均匀分布箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）（划分为更小的面源单元）qxuD1niiqxuD n箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）（划分为更小的面源单元）简化为点源的面源扩散模式简化为点源的面源扩散模式121/0011/002,4.3,2.15yoyyoyyzozzozzWxxxHxxx 小结：小结：城市大气扩散模式城市大气扩散模式n3.窄烟流模式窄烟流模式4540qAu小结：小结：山区扩散模式山区扩散模式n封闭山谷中的扩散模式封闭山谷中的扩散模式nNOAA和和EPA模式模式nERT模式模式1

51、5烟囱抬升高度烟囱抬升高度wq 源强源强 计算或实测计算或实测 w 平均风速平均风速 多年的风速资料多年的风速资料 wH 有效烟囱高度有效烟囱高度 w 、 扩散参数扩散参数uyz1.烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算 sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高抬升高度计算式抬升高度计算式 （1） Holland公式公式：适用于中性大气条件适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳（稳定时减小，不稳时增加时增加1020）3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu抬

52、升高度计算式抬升高度计算式 2 2）BriggsBriggs公式：适用不稳定及中性大气条件公式：适用不稳定及中性大气条件H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu抬升高度计算式抬升高度计算式 3 3）我国标准）我国标准 (GB/T13201-91)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH121

53、00kW()35K =0.35 1700kW2100kW1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu (1)当和时(2)当时HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)当或时(4)当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时n按地面最大浓度计算按地面最大浓度计算max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度max22()ezyqCuHyzs02e () zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度0C标准浓度bC本底浓度462463n按地面绝对最大浓度计算按地面绝对最大浓度计算465466此时sc2BHHHuabsm2ssc()2e2ezzyyqqCH BH u代入下式可得代入下式可得sc02e()zybqHu cc此时sc2BHHHuabsm2ssc()2e2ezzyyqqCH BH u代入下式可得代入下式可得sc02e()zybqHu ccP值法值法6s10qHHP467