1、第四章第四章 理想條件下空氣污染物理想條件下空氣污染物散布的模式處理散布的模式處理2主要內容主要內容l連續點源高斯擴散計算公式連續點源高斯擴散計算公式l連續線、面源和體源擴散計算公式連續線、面源和體源擴散計算公式l大氣擴散參數大氣擴散參數l煙流抬升高度煙流抬升高度l非擴散過程的處理非擴散過程的處理l特殊條件下的擴散特殊條件下的擴散3l歐拉擴散方程假設K為常數（即斐克擴散），可得到正態分布形式的解l從統計理論出發，在平穩、均勻湍流的假定下，也可以證明粒子擴散位移的概率分布符合正態分布形式l對連續點源發出的煙流的大量試驗研究和觀測事實表明，尤其是對于平均煙流的情形，其濃度分布是符合正態（也稱高斯）

2、分布的44.1 連續點源高斯擴散公式連續點源高斯擴散公式 5一一 無界情形無界情形（公式及物理意義）（公式及物理意義）l湍流均勻定常，設源位于無界空間，取湍流均勻定常，設源位于無界空間，取X軸與平均風向一致，則污染物濃度在軸與平均風向一致，則污染物濃度在y和和z方向符合高斯分布，可得：方向符合高斯分布，可得：22221( , , )exp()22yzyzQyzq x y zu 6物理意義物理意義lQ：源強，點、面、線、體源，影響直接、明顯，影響大源強，點、面、線、體源，影響直接、明顯，影響大l大氣稀釋因子：大氣稀釋因子： 代表了不同氣象條件和地形條件下物質散布的程度及其隨空代表了不同氣象條件和

3、地形條件下物質散布的程度及其隨空間距離的變化間距離的變化l正態分布形式項：在正態分布情況下，分布形式的影響不正態分布形式項：在正態分布情況下，分布形式的影響不敏感敏感zyuzyxq1),(7l鏡像全反射鏡像全反射-像源法像源法l實源：實源： l像源像源：二二 有界情形有界情形（掌握）（掌握）( , ,)q x y Hz( , ,)q x y Hz8 822221()( , ,)exp22yzyzQyzHqx y zu 實；H222222()()( , ,)exp() expexp2222yzzyzQyzHzHq x y zu ；H總貢獻：總貢獻：22221()( , ,)exp22yzyzQy

4、zHqx y zu 像；H源強源強平均風速平均風速擴散參數擴散參數有效源高有效源高9煙流有效源高：煙流有效源高：H=hs+h 歸一化濃度：歸一化濃度：Quq10三三 地面源地面源l取取H0，2222( , ,)exp()exp()22yzyzQyzq x y zu ；0有界情形是無界情形地面濃度兩倍有界情形是無界情形地面濃度兩倍11四四 地面濃度和地面最大濃度地面濃度和地面最大濃度1 地面濃度地面濃度令令 z=0，可得高架源的地面濃度，可得高架源的地面濃度2222( , ,0)exp()exp()22yzyzQyHq x yu ；H122 地面軸線濃度地面軸線濃度令令y=0,z=0 可得高架源

5、地面軸線濃度可得高架源地面軸線濃度22( ,0,0)exp()2zyzQHq xu ；H13高斯煙流的濃度分布高斯煙流的濃度分布14源高和穩定度的影響源高和穩定度的影響15（1） 與與 之比為常數之比為常數3 地面最大濃度的估算地面最大濃度的估算yz2mzx xH22zmyQqeuH若穩定度不變，增加有效源高若穩定度不變，增加有效源高H H，則會在更遠，則會在更遠處出現達到最大濃度處出現達到最大濃度qm 所需的擴散參數所需的擴散參數 。z16（2） 若若 與與 之比是變化的之比是變化的zy1/21gmHxpcg1()2211 21 ()21exp()222()pgmpgpQpgqpgc ceu

6、Hg17一一 線源擴散公式線源擴散公式l線源定義為呈線狀分布的污染物排放源。如繁忙線源定義為呈線狀分布的污染物排放源。如繁忙的公路和城市的街道通常被看作是線源的公路和城市的街道通常被看作是線源l連續線源等價于連續點源沿著線源長度范圍的積連續線源等價于連續點源沿著線源長度范圍的積分，其濃度場是線上無數點源濃度貢獻之和分，其濃度場是線上無數點源濃度貢獻之和4.2 連續線、面、體源擴散公式連續線、面、體源擴散公式18l對于直線型的線源，可直接積分求出；對于很不對于直線型的線源，可直接積分求出；對于很不規則的線源，只能用數值求和的方法解決規則的線源，只能用數值求和的方法解決l點源計算一般取點源計算一般

7、取x x軸與風向一致，線源計算時需考軸與風向一致，線源計算時需考慮風向與其交角以及線源的長度慮風向與其交角以及線源的長度191 無限長線源無限長線源 風向與其正交風向與其正交222( , ,0;)exp()22llzzQHq x yHu 為線源源強，為線源源強，mg/(sm)lQ20一般一般 不適用不適用風向與線源成交角風向與線源成交角 時時222( , ,0;)exp()2sin2llzzQHq x yHu 4521 風向與其平行，風向與其平行，只有上風向有貢獻，濃度與只有上風向有貢獻，濃度與順風位置無關。順風位置無關。22( ,0;)exp()22llzzQHqyHu 222 有限長線源有

8、限長線源 設線源長度為范圍為設線源長度為范圍為 ，根據不同情況取積，根據不同情況取積分有：分有：00,LL2002( , , )exp()()()22 222llzzyyQLyLyzq x y zerferfu 2222()()( , , ;)expexp222 2llzzzQzHzHq x y z Hu 00()()22yyLyLyerferf無界情形有限線源：無界情形有限線源：有界情形高架線源：有界情形高架線源：23二二 面源擴散公式面源擴散公式l在水平方向呈面塊狀散布的污染物排放源在水平方向呈面塊狀散布的污染物排放源, , 稱面源。如散稱面源。如散布很集中而高度低源強小的居民區污染源，可

9、視為面源。布很集中而高度低源強小的居民區污染源，可視為面源。l面源擴散公式，原則上可由點源擴散公式沿面源擴散公式，原則上可由點源擴散公式沿x x和和y y方向積方向積分而得。分而得。l假設面源源強為假設面源源強為 ，自整個上風方的自整個上風方的半平面對半平面對x=0 x=0和和 y=0y=0點造成的濃度貢獻可分為兩種：點造成的濃度貢獻可分為兩種： 1. 1.地面面源地面面源( ( 即即H=0 )H=0 )情形情形 2. 2.近地層面源近地層面源( (即即H )H )情形情形smmgyxQA2/,024 由點源沿由點源沿x x和和y y向積分給出，自上風向半平面向積分給出，自上風向半平面對對x=

10、0 x=0，y=0y=0造成的濃度貢獻造成的濃度貢獻22220(0,0,)exp() exp()22AAAAyzzyQHyqxyHdxdyu 實際運用時，常處理積分并作源的編目和模實際運用時，常處理積分并作源的編目和模式化處理。式化處理。地面面源地面面源25l這里有一個面源如何合理處理的技術問題。經驗這里有一個面源如何合理處理的技術問題。經驗上采用上采用“虛點源虛點源”法，此法大致分兩步：法，此法大致分兩步：1 1）把大）把大塊面源劃分為若干較小的面源塊情況下，可將面塊面源劃分為若干較小的面源塊情況下，可將面源化為點源來處理，即將每一面源塊（又稱面源源化為點源來處理，即將每一面源塊（又稱面源單

11、元）簡化為一個等效的點源單元）簡化為一個等效的點源假定整個面源塊假定整個面源塊的污染物排放集中在該點。這樣就可用點源擴散的污染物排放集中在該點。這樣就可用點源擴散公式來計算該面源所造成的污染物濃度。（公式來計算該面源所造成的污染物濃度。（2 2）由）由煙流半寬定義有煙流半寬定義有024.3yy26l此時，我們能在上游方向確定出虛擬點源的位置。即此時，我們能在上游方向確定出虛擬點源的位置。即在這一點上，使虛擬點源的擴散參數恰等于該面源的在這一點上，使虛擬點源的擴散參數恰等于該面源的初始擴散參數初始擴散參數 。 這樣，可得高架源地面濃這樣，可得高架源地面濃度為度為00zy222221exp21ex

12、p; 0 ,00zAyyzyyAHyuQHyxq27l在應用上式時在應用上式時,常采用經驗方法給出初始擴散參常采用經驗方法給出初始擴散參數數 ，如圖所示，如圖所示 。假設。假設:圖中面源方塊邊長為圖中面源方塊邊長為a,虛擬點源出發的煙流在抵達面源中心位置時的橫風向虛擬點源出發的煙流在抵達面源中心位置時的橫風向寬度寬度2y。=a，橫向初始擴散參數為，橫向初始擴散參數為00zy15. 23 . 400yay2822222exp3 . 42exp3 . 4; 0 ,zAyzyAAHayauQHyxq于是上式變成：于是上式變成：29 面積較小的面積較小的虛點源法虛點源法 簡簡化化為為點點源源的的面面源

13、源模模式式簡簡化化為為點點源源的的面面源源模模式式30三三 體源擴散公式（自學）體源擴散公式（自學）l與面源類似與面源類似31重點重點l理解記憶掌握點源高斯擴散公式理解記憶掌握點源高斯擴散公式l理解掌握線、面源高斯公式理解掌握線、面源高斯公式32l早期大氣擴散參數處理早期大氣擴散參數處理l穩定度擴散級別與擴散曲線法穩定度擴散級別與擴散曲線法l擴散曲線討論擴散曲線討論l風向脈動與擴散函數法風向脈動與擴散函數法l擴散參數的研究現狀擴散參數的研究現狀4.3 4.3 大氣擴散參數大氣擴散參數33一一 早期的擴散參數模式早期的擴散參數模式 格雷厄姆格雷厄姆薩頓，薩頓，英國氣象學家。英國氣象學家。1903

14、年年2月月4日生于克溫坎。畢業于威日生于克溫坎。畢業于威爾士大學、阿伯里斯威恩大學和牛津大學。爾士大學、阿伯里斯威恩大學和牛津大學。19261928年在威爾士大年在威爾士大學、阿伯里斯威恩大學任講師，學、阿伯里斯威恩大學任講師，19281941年任助理教授。第二次世年任助理教授。第二次世界大戰期間從事國防科研工作。界大戰期間從事國防科研工作。19421943年任英國國防部防化實驗年任英國國防部防化實驗所所長。所所長。19431945年任坦克實驗所所長。年任坦克實驗所所長。19451947年任英國雷達年任英國雷達研究發展中心主任。研究發展中心主任。19501955年任英國大氣污染研究委員會主席。

15、年任英國大氣污染研究委員會主席。1951年任英國陸軍部科學顧問。年任英國陸軍部科學顧問。19521953年任英國皇家軍事科學院年任英國皇家軍事科學院教務長。教務長。1953年任皇家氣象學會主席。年任皇家氣象學會主席。19531956年任世界氣象組織年任世界氣象組織常務理事。常務理事。19601966年任英國大地測量及地球物理學全國委員會主年任英國大地測量及地球物理學全國委員會主席。席。19651971年任英國自然環境研究委員會主席。在自然環境和氣年任英國自然環境研究委員會主席。在自然環境和氣象研究方面取得了許多成果。曾獲世界氣象組織頒發的獎金。著作：象研究方面取得了許多成果。曾獲世界氣象組織頒

16、發的獎金。著作：大氣湍流大氣湍流（Atmos-pheric turbulence，1948）；）；微氣象學微氣象學（Micrometeoro-logy，1953）34具體步驟：具體步驟：1 找出泰勒公式中的拉格朗日相關系數的具體形式，找出泰勒公式中的拉格朗日相關系數的具體形式，即尋找它與某些可測氣象參量的關系，代入泰勒即尋找它與某些可測氣象參量的關系，代入泰勒公式求擴散參數。公式求擴散參數。2 將擴散參數代入基本高斯擴散，得到薩頓擴散公將擴散參數代入基本高斯擴散，得到薩頓擴散公式。式。22200( )2( )TtyLy TvRd dt 1 薩頓模式薩頓模式353 基于簡單物理考慮，認為拉格朗日

17、相關系數與湍流基于簡單物理考慮，認為拉格朗日相關系數與湍流特征量，宏觀黏滯度，時間間隔相關，并通過量綱特征量，宏觀黏滯度，時間間隔相關，并通過量綱分析得到所有量的組合。分析得到所有量的組合。以以y向為例向為例：2( )()LNRfv2( )()nLNRNvn為由風速梯度觀測確定的實驗常數，為由風速梯度觀測確定的實驗常數，m為風速廓線冪指數。為風速廓線冪指數。21mnm*0Nu z3622222221()2(1)(2)nnnyyNvTC xnn v22222221()2(1)(2)nnnzzNwTC xnn w22122221224()(1)(2)4()(1)(2)nnynnzNvCnn uuN

18、wCnn uu薩頓參數薩頓參數最早，但有局限性最早，但有局限性37l薩頓基于拉氏相關函數和泰勒公式導出（薩頓）薩頓基于拉氏相關函數和泰勒公式導出（薩頓）廣義擴散參數廣義擴散參數; 他的功績在于將大氣擴散參數與他的功績在于將大氣擴散參數與可測量的氣象參量聯系起來；可測量的氣象參量聯系起來；l經驗系數經驗系數N , n , m 需要通過風速梯度觀測才能確需要通過風速梯度觀測才能確定定; 薩頓曾在平坦地形做了小尺度擴散觀測實驗薩頓曾在平坦地形做了小尺度擴散觀測實驗, 直接利用這些數據計算高架連續點源的擴散濃度直接利用這些數據計算高架連續點源的擴散濃度將比實際觀測值偏高。數理推導也不嚴密，應用將比實際

19、觀測值偏高。數理推導也不嚴密，應用也很不方便。故目前已不大使用。也很不方便。故目前已不大使用。38和和 由雙向風標測量，反映大氣湍流擴散由雙向風標測量，反映大氣湍流擴散能力。能力。2 直接測量湍流特征量的方法直接測量湍流特征量的方法pyAgzExxH. E. Cramer(1957)提出提出AE脈動風方位脈動風方位角標準差角標準差脈動風高度脈動風高度角標準差角標準差p，g與穩定度、下風向距離及地表粗糙度相關與穩定度、下風向距離及地表粗糙度相關393 BNL模式（模式（M.E.Smith,1951）l特征量：水平風向擺動角的范圍特征量：水平風向擺動角的范圍l高架源（高架源（108m高塔施放油霧）

20、擴散試驗高塔施放油霧）擴散試驗l簡便、合理、實用，美國機械工程師協會沿用簡便、合理、實用，美國機械工程師協會沿用至今至今404 J. S. Hay & F. Pasquill(1959)出發點：出發點：統計理論，泰勒公式統計理論，泰勒公式方法：方法：利用相關函數和湍流能譜關系，由湍流觀利用相關函數和湍流能譜關系，由湍流觀測資料做譜分析，計算擴散參數。測資料做譜分析，計算擴散參數?？偨Y：總結：模型合理可取，反映湍流場本質，而且準模型合理可取，反映湍流場本質，而且準確度較高，其探討有一定理論意義，但應用尚確度較高，其探討有一定理論意義，但應用尚不普遍，觀測要求高，計算工作量大。不普遍，觀測

21、要求高，計算工作量大。41 由大量擴散試驗（含氣象觀測和示蹤物濃度觀由大量擴散試驗（含氣象觀測和示蹤物濃度觀測）資料分析及理論分析得出擴散參數隨下風方測）資料分析及理論分析得出擴散參數隨下風方距離距離x的變化曲線的變化曲線 P-G法，或者法，或者P-G-T法法l英國氣象學家帕斯奎爾(F. Pasquill，1961)基于大量擴散實驗資料的分析, 建立了一套擴散參數計算方案,l后經美國核氣象學家杰富德(F. Giffod, 1961)和l美國公共衛生局的氣象學家特納爾(D. B. , Turner, 1967)的改進與完善,構成了現今廣為引用的P- G-T 擴散曲線系統。二二 穩定度擴散分級與擴

22、散曲線法穩定度擴散分級與擴散曲線法421. P-G曲線法曲線法方法要點方法要點大氣分成大氣分成A-F共六個穩定度等級共六個穩定度等級 （云，日照，風速。）（云，日照，風速。）xy曲線（六條）曲線（六條） （對應（對應A、B.F穩定度級）穩定度級） 43l帕斯奎爾帕斯奎爾(1961)按表按表3.3給出劃分給出劃分6個穩定個穩定度擴散級別度擴散級別: A級級極不穩定極不穩定, B級級中等不穩定中等不穩定, C級級弱不穩定弱不穩定, D級級中性中性, E級級弱穩定弱穩定, F級級 中等穩定。中等穩定。44lP-G曲線的應用曲線的應用l根據常規資料確定穩定度級別根據常規資料確定穩定度級別Pasquil

23、l（1961）表）表3.345太陽高度角太陽高度角云量云量Turner(1961)引入太陽高度角判定日射強弱的引入太陽高度角判定日射強弱的定量辦法，確定穩定度級別。定量辦法，確定穩定度級別。日射等級日射等級風速風速穩定度穩定度46表表3.6 日射等級確定規則日射等級確定規則47表表3.7 Turner的穩定度分級方法的穩定度分級方法48lPG曲線的應用（曲線的應用（10分鐘平均）圖分鐘平均）圖3.10l利用擴散曲線確定利用擴散曲線確定 和和yz水平擴散參數水平擴散參數垂直擴散參數垂直擴散參數49l用用P-G擴散曲線方法確定擴散參數的步驟是：擴散曲線方法確定擴散參數的步驟是： l根據太陽高度角和

24、云量確定日射等級根據太陽高度角和云量確定日射等級(見表見表3.6) ；l根據日射等級和地面風速確定穩定度等級（見表根據日射等級和地面風速確定穩定度等級（見表3.7) ；l根據穩定度等級和距離根據穩定度等級和距離x可查出擴散參數（見圖可查出擴散參數（見圖3.10)。50lP-G曲線的應用曲線的應用l地面最大濃度估算地面最大濃度估算HzxsyxsmaxC由由和和由由曲線（圖曲線（圖3.10b）反查出反查出由由曲線（圖曲線（圖3.10a）讀出）讀出由式由式求出求出HzxsmaxcxyxsmaxC由由和和由由由由由式由式ysz2mzx xH3.10按照表按照表3.3或或3.7定出所處穩定度擴散級別定出

25、所處穩定度擴散級別51三三 擴散曲線法的完善擴散曲線法的完善1.國家標準中的修改應用（國家標準中的修改應用（GB/T13201-91）修正太陽高度角的計算方法修正太陽高度角的計算方法適應我國大量地面觀測無云高觀測適應我國大量地面觀測無云高觀測的情況的情況5253平原地區和城市遠郊區，平原地區和城市遠郊區，D、E、F向不穩定向不穩定方向提半級方向提半級工業區和城市中心區，工業區和城市中心區，C提至提至B級，級，D、 E、F向不穩定方向提一級向不穩定方向提一級丘陵山區的農村或城市，同工業區丘陵山區的農村或城市，同工業區中國國家標準規定的方法中國國家標準規定的方法542 不同穩定度分類方法不同穩定度

26、分類方法（1）風向脈動標準差（）風向脈動標準差（EPA，1990）5556l以風速做細致調整，觀測數據在粗糙度以風速做細致調整，觀測數據在粗糙度z0=15cm，10m高度處測量得到。采樣時間為高度處測量得到。采樣時間為15min。l如果風向發生轉折，為了盡量減小風向轉折的影響，如果風向發生轉折，為了盡量減小風向轉折的影響，應該將長時間段分成小段進行計算，例如將應該將長時間段分成小段進行計算，例如將60min的的時間劃分為時間劃分為15min一段，最終小時量值：一段，最終小時量值： 22221515151560457（2）與溫度遞減率有關方法）與溫度遞減率有關方法 以溫度遞減率，即以兩層（以溫度

27、遞減率，即以兩層（10m、60m）的）的垂直溫度梯度來表征水平和垂直向的湍流狀況。垂直溫度梯度來表征水平和垂直向的湍流狀況。國際原子能機構國際原子能機構(1980)推薦推薦58 以溫度遞減率來表征大氣穩定度的方法對于穩以溫度遞減率來表征大氣穩定度的方法對于穩定大氣的情形比較可靠，不穩定或者高架源的定大氣的情形比較可靠，不穩定或者高架源的情形適宜用水平風向脈動標準差方法。情形適宜用水平風向脈動標準差方法。59 以溫度遞減率和風速相結合（同時考慮以溫度遞減率和風速相結合（同時考慮支配湍流活動的機械和熱力因子）支配湍流活動的機械和熱力因子）60 分別以溫度梯度和分別以溫度梯度和 表征湍流的垂直表征湍

28、流的垂直和水平運動和水平運動 A61EPA(1990)推薦在缺乏云量和云高資料時，推薦在缺乏云量和云高資料時，采用表采用表3.18替換原替換原P-G-T方法方法7003503505062（3）邊界層湍流參量法）邊界層湍流參量法2gzRiuz2*pTu CTLgH 6364注意：注意：l除了使用公認的已有統一規范的方案，例如除了使用公認的已有統一規范的方案，例如P-P-G-TG-T方案，國家標準給出的修改方案，采用其方案，國家標準給出的修改方案，采用其他任何方案都應當驗證其可行性，提供充分的他任何方案都應當驗證其可行性，提供充分的實驗依據和例證，必要時還應做專門的論證實驗依據和例證，必要時還應做

29、專門的論證653 不同源高和不同下墊面的應用不同源高和不同下墊面的應用lP-G擴散曲線實驗依據：平坦理想條件，大量擴散曲線實驗依據：平坦理想條件，大量低矮源擴散試驗。低矮源擴散試驗。l不同源高不同源高l不同下墊面不同下墊面66lBriggs，1974內插完善內插完善4 擴散曲線法的內插完善擴散曲線法的內插完善67四 風向脈動和擴散函數法l擴散曲線法試驗基礎存在較大的經驗性，擴散曲線法試驗基礎存在較大的經驗性，方案結果有許多不確定性方案結果有許多不確定性l僅以宏觀氣象狀況為判據，在穩定度級僅以宏觀氣象狀況為判據，在穩定度級別和湍流特性之間缺少清晰關系別和湍流特性之間缺少清晰關系l目前重要發展由風

30、向脈動與擴散函數確目前重要發展由風向脈動與擴散函數確定擴散參數的方法定擴散參數的方法68(1)方法原理方法原理按照湍流擴散理論，在均勻定常條件下，粒子位按照湍流擴散理論，在均勻定常條件下，粒子位移的總體平均由泰勒公式表示。移的總體平均由泰勒公式表示。22,002( , )( )Tty zLv wRd dt 69由泰勒公式可得由泰勒公式可得,()y zv wy zLTTft 為拉格朗日時間尺度為拉格朗日時間尺度Lt0( )LtRdf為普適函數，擴散參數，函數形式隨為普適函數，擴散參數，函數形式隨源高源高和和穩定度穩定度變化變化70方法原理與湍流統計理論基礎一致方法原理與湍流統計理論基礎一致舍棄分

31、離的穩定度級別，采用連續性穩定度，舍棄分離的穩定度級別，采用連續性穩定度，接近實際接近實際考慮源高影響，認為考慮源高影響，認為f是穩定度狀況函數是穩定度狀況函數使用方便，可用于多種情況使用方便，可用于多種情況(2) 特點特點71Pasquill (1976)給出試驗資料所得的給出試驗資料所得的f(x)數據數據LyLyLLLvyt uxftTftTtTTtT21exp12由泰勒公式積分可得由泰勒公式積分可得(3) 擴散函數擴散函數f 的確定的確定72兩者中間范圍一致，近范圍，理論值稍高，遠距離兩者中間范圍一致，近范圍，理論值稍高，遠距離相反。相反。73l由試驗資料分析求取擴散函數的方由試驗資料分

32、析求取擴散函數的方法法-自學（自學（P93）74（4）幾種擴散函數表達式）幾種擴散函數表達式75五五 擴散參數的現狀和發展擴散參數的現狀和發展自學完成自學完成76重點重點l大氣稀釋因子、煙流有效源高、虛擬點大氣稀釋因子、煙流有效源高、虛擬點源、源、lP-G-T方法方法l國家標準國家標準77一一 煙流抬升煙流抬升(掌握掌握)sHhh有效源高有效源高4.4 煙流抬升高度煙流抬升高度78煙氣抬升取決于煙氣抬升取決于：動力因子：煙氣排放的出口速度動力因子：煙氣排放的出口速度熱力因子：煙氣溫度比環境氣溫高熱力因子：煙氣溫度比環境氣溫高791煙流抬升的物理模型及影響因子煙流抬升的物理模型及影響因子連續點源

33、的排放模型連續點源的排放模型垂直煙流（無風）垂直煙流（無風）彎曲煙流（有風）彎曲煙流（有風）80 噴出階段噴出階段 浮升階段浮升階段 瓦解階段瓦解階段 變平階段變平階段抬升過程分為如下幾個階段抬升過程分為如下幾個階段(掌握掌握)81影響熱煙流抬升的基本因子：影響熱煙流抬升的基本因子：排放源及排放煙氣的性質源排放排放源及排放煙氣的性質源排放煙氣的初始動量和浮力煙氣的初始動量和浮力 環境大氣的性質環境大氣的性質下墊面性質下墊面性質822 煙流抬升軌跡與終極抬升煙流抬升軌跡與終極抬升煙氣排出煙氣排出準垂直形式準垂直形式彎曲并擴大彎曲并擴大瓦解變平瓦解變平 終極抬升高度終極抬升高度 煙流抬升軌跡煙流抬

34、升軌跡: z(x)終極抬升距離：終極抬升距離： xT83 煙流是由運動中的流體構成的，于是，煙流是由運動中的流體構成的，于是，大多數煙流抬升模式基于流體力學的基本大多數煙流抬升模式基于流體力學的基本定律，即質量守恒，浮力守恒和動量守恒定律，即質量守恒，浮力守恒和動量守恒來考察煙流抬升問題，通過積分這些守恒來考察煙流抬升問題，通過積分這些守恒表達式表達式(在煙流的截面上積分在煙流的截面上積分)，以方便的，以方便的形式來描述煙流軌跡。形式來描述煙流軌跡。84二二 煙氣抬升高度的計算煙氣抬升高度的計算（1） Holland公式（公式（1953）：適用于中）：適用于中性大氣條件（穩定時減小，不穩時增加

35、性大氣條件（穩定時減小，不穩時增加1020） 計算結果明顯低估計算結果明顯低估2-3倍倍dTTTuDvhsass7 . 25 . 185（2）Briggs公式：適用不穩定及中性大氣條件公式：適用不穩定及中性大氣條件 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55當時sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33當時QxxHQxuxxHQHxQHuQH:熱釋放率，單位時間，單位質量煙氣升高熱釋放率，單位時間，單位質量煙氣升高T度所釋度所

36、釋放的熱量，單位放的熱量，單位cal/s。煙流抬升高度與煙囪高度有關，煙囪高情況下煙流抬升高度與煙囪高度有關，煙囪高情況下計算保守，相反情況計算不安全計算保守，相反情況計算不安全86（3）國家標準）國家標準(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)當和時(2)當時HHsH1 / 43 / 8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01) = 10m

37、1.5m /s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)當或時(4)當高 處 的 年 平 均 風 速 小 于 或 等 于時87 因為對煙流抬升和地面濃度的計算，平因為對煙流抬升和地面濃度的計算，平均風速都具有重要作用，所以在高斯擴散公均風速都具有重要作用，所以在高斯擴散公式和煙流抬升高度計算公式中都有式和煙流抬升高度計算公式中都有平均風速平均風速。一般認為這個量值應該是整個煙流厚度范圍一般認為這個量值應該是整個煙流厚度范圍里各層風速的平均值。實際工作中常采用源里各層風速的平均值。實際工作中常采用源高處的平均風速，或者也有采用有效源高處高處的平均風速，或者也有采用有效源高

38、處的平均風速。的平均風速。88常用地面風速資料推算要求高度常用地面風速資料推算要求高度處的風速處的風速10()10mzzuu89l煙流抬升過程經過的幾個階段煙流抬升過程經過的幾個階段l終極抬升距離終極抬升距離l煙流熱釋放率煙流熱釋放率l浮力參數浮力參數l煙流抬升高度實用計算公式煙流抬升高度實用計算公式l國家標準中的計算國家標準中的計算l利用風速冪指數率的計算利用風速冪指數率的計算904.5 其他非擴散過程其他非擴散過程91非擴散過程非擴散過程:1.煙流抬升作用，增加煙源有效高度煙流抬升作用，增加煙源有效高度2.污染物干沉積、濕沉積和由化學變化形成污染物干沉積、濕沉積和由化學變化形成的遷移轉化的

39、遷移轉化3.固體下邊界（下墊面）的作用固體下邊界（下墊面）的作用92一一 大氣清除過程的一般表述大氣清除過程的一般表述1. 基本機制：基本機制：(1)干沉積干沉積由地面的土壤、水、植物、建筑物由地面的土壤、水、植物、建筑物等通過污染物質的重力沉降、碰撞與捕獲、吸收等通過污染物質的重力沉降、碰撞與捕獲、吸收與吸附、光合作用或其它生物、化學、物理過程與吸附、光合作用或其它生物、化學、物理過程實現；實現；93 (2)濕沉積濕沉積由云、霧和降水由云、霧和降水(雨，雪等形式雨，雪等形式)等通過等通過污染物質被吸收進入水滴或隨水滴被清除。污染物質被吸收進入水滴或隨水滴被清除。 此外，化學轉化亦是一種清除機

40、制，但它是由一種此外，化學轉化亦是一種清除機制，但它是由一種物質轉換成另一種物質，因此，它只是對原生污染物質轉換成另一種物質，因此，它只是對原生污染物的清除，同時卻又滋生新的次生污染物。物的清除，同時卻又滋生新的次生污染物。94濕沉積濕沉積：令氣體污染物在令氣體污染物在(x,y,z)位置，位置，t時刻的平時刻的平均濃度為均濃度為q(x,y,z;t)，而平均的氣溶膠尺度分布函，而平均的氣溶膠尺度分布函數為數為F(Dp；x,y,z,t)。 函數函數: 沖洗系數沖洗系數,與與離地高度離地高度和和時間時間有關有關( , ) ( , , ; )z t q x y z t(, , ) (, , , ; )

41、ppDz t F Dx y z t污染氣體清除率污染氣體清除率氣溶膠清除率氣溶膠清除率95干沉積干沉積 定義為那些使污染物質在地面被消除的過程。定義為那些使污染物質在地面被消除的過程。物質垂直向下的通量可用一個稱之為沉積速度物質垂直向下的通量可用一個稱之為沉積速度的經驗參數的經驗參數 乘上某高度乘上某高度 的物質濃度。的物質濃度。 dv1z),(tzyxqvd96沉積速度沉積速度 與以下諸因素有關：與以下諸因素有關：(1)被清除的粒子種類或物質；被清除的粒子種類或物質；(2)表征近地面層狀態的特性的氣象參數；表征近地面層狀態的特性的氣象參數；(3)地面本身的性質。地面本身的性質。dv97 對地

42、面的濕通量對地面的濕通量是自空中所有體積單元是自空中所有體積單元濕清除之和。濕清除之和。( , ) ( , , ; )(, , ) (, , , ; )ppwz t q x y z t dzwDz t F Dx y z t dz氣粒98根據此定義濕沉積速度根據此定義濕沉積速度wv( , ,0; )wwvq x yt如果正被清除的物質在厚度為如果正被清除的物質在厚度為H的一層里垂的一層里垂直分布是均勻的直分布是均勻的( , )wvz t dzH 99定義沖洗比定義沖洗比(washout ratio)rw()( , ,0; )rqwq x yt水相濕沉積速度與沖洗比之間有關系濕沉積速度與沖洗比之間

43、有關系00()( , ,0; )( , ,0; )awrwqPvw Pq x ytq x yt水相？100二二 高斯煙流擴散公式的修正形式高斯煙流擴散公式的修正形式經修正的高架連續點源高斯煙流擴散公式經修正的高架連續點源高斯煙流擴散公式:222221/22()exp2( )0.693( , , ;)exp()exp22()exp2szsyzyzv xzHuQ xyxq x y z Hv xuTuzHu 大粒子重大粒子重力沉降力沉降地面反射系數地面反射系數半衰期半衰期隨距離變化隨距離變化101sv xu1/2T222021( )expdzvzuxHzQ xQdxe大粒子重力沉降的影響。大粒子重力

44、沉降的影響。下墊面反射系數。下墊面反射系數。污染物半衰期時間。污染物半衰期時間。源項隨距離源項隨距離x的變化的變化102三三 干沉積干沉積-下墊面清除下墊面清除1.大粒子的重力沉降大粒子的重力沉降 大氣中各種處于氣溶膠狀態的粒子污染物有大氣中各種處于氣溶膠狀態的粒子污染物有一定的尺度分布，對于粒徑大于一定的尺度分布，對于粒徑大于10m的大粒子的大粒子在大氣中運動時會產生重力沉降。在大氣中運動時會產生重力沉降。103 對于粒徑對于粒徑2060 m范圍的粒子，粘滯性不大范圍的粒子，粘滯性不大的情況下，可采用斯托克斯公式計算它們的末速的情況下，可采用斯托克斯公式計算它們的末速度度 ，其大小與粒子的密

45、度，其大小與粒子的密度 有關，即有有關，即有sv2222()99sarrvgg粒子半徑粒子半徑空氣動力空氣動力粘滯系數粘滯系數空氣空氣密度密度104對于粒徑更大的粒子，須對斯托克斯公式修正對于粒徑更大的粒子，須對斯托克斯公式修正對粒徑對粒徑200 m的粒子，其沉降速度的粒子，其沉降速度100cm/s，可，可按彈道計算。按彈道計算。對粒子沉降速度在對粒子沉降速度在100cm/s，粒徑，粒徑200 m ，可采，可采用偏斜煙流模式處理，修改高斯擴散公式，考慮用偏斜煙流模式處理，修改高斯擴散公式，考慮重力沉降的影響。重力沉降的影響。105106當考慮以下斜煙流軸線為基準的擴散時，有當考慮以下斜煙流軸線

46、為基準的擴散時，有2222()( )( , , ;)exp()exp222syzzyv xzHQ xyuq x y z Hu 107考慮地面反射作用考慮地面反射作用222222()exp2( )( , , ;)exp()22()exp2szsyzyzv xzHuQ xyq x y z Hv xuzHu 1082 氣體和小粒子的干沉降氣體和小粒子的干沉降 氣體和很小的粒子氣體和很小的粒子(粒徑小于粒徑小于10-20 m)上述沉降上述沉降作用可忽略不考慮。但由于作用可忽略不考慮。但由于湍流擴散湍流擴散和和布朗運動布朗運動沉沉積到各種表面。吸收、碰撞、光合作用和其它生物積到各種表面。吸收、碰撞、光合

47、作用和其它生物學、化學和物理學過程會使物質沉積到地面。學、化學和物理學過程會使物質沉積到地面。109 一般都假定下墊面對這類小粒子的清除作用一般都假定下墊面對這類小粒子的清除作用不影響大氣中污染物的濃度分布不影響大氣中污染物的濃度分布形式，而形式，而只影響只影響大氣中污染物的總量大氣中污染物的總量，或者說影響有效源強。，或者說影響有效源強。 最普遍采用的一種方法是所謂最普遍采用的一種方法是所謂“源損耗源損耗”模模式或稱式或稱有效源強法有效源強法。222021( )expdzvzuxHzQ xQdxe源項隨距離源項隨距離x的變化的變化110 干沉積主要是優先清除近地面處的污染，干沉積主要是優先清

48、除近地面處的污染，而并非在整個煙流厚度層范圍均勻起作用的而并非在整個煙流厚度層范圍均勻起作用的。 故此，源損耗模式尚有必要進一步改善。故此，源損耗模式尚有必要進一步改善。111 重力沉降、湍流運動、布朗運動、慣性作用和重力沉降、湍流運動、布朗運動、慣性作用和靜電作用等，是形成干沉積的主要物理過程。靜電作用等，是形成干沉積的主要物理過程。 化學反應、溶解、解吸等則是形成干沉積的主要化學反應、溶解、解吸等則是形成干沉積的主要化學過程?；瘜W過程。 對于植被那樣的生物沉積表面，植被子生長的形對于植被那樣的生物沉積表面，植被子生長的形態特征、生命過程以及靜電性質等則是影響干沉積態特征、生命過程以及靜電性

49、質等則是影響干沉積的主要生物學特征。的主要生物學特征。 這幾方面過程都會受氣象條件、污染物性質和沉這幾方面過程都會受氣象條件、污染物性質和沉積表面的特性的影響。積表面的特性的影響。1123 干沉積速度的理論計算干沉積速度的理論計算干沉積過程可視為三步：干沉積過程可視為三步：由湍流擴散支配物質向貼地層輸送；由湍流擴散支配物質向貼地層輸送；物質通過緊貼地面的片流子層向吸收體擴散，物質通過緊貼地面的片流子層向吸收體擴散，稱為地面輸送；稱為地面輸送；由在地面的物質可溶性或吸收率確定通過片流由在地面的物質可溶性或吸收率確定通過片流子層擴散的物質實際上有多少被消除，這個最后子層擴散的物質實際上有多少被消除

50、，這個最后的過程稱為轉移過程。的過程稱為轉移過程。113 根據干沉積速度的定義，它是垂直通量與實根據干沉積速度的定義，它是垂直通量與實測濃度之間的比例常數。整個沉積的三個步驟測濃度之間的比例常數。整個沉積的三個步驟可類同于電流或熱量傳送的情形?？深愅陔娏骰驘崃總魉偷那樾巍?()dastvrrr1()dast sssvrrrrvv氣體氣體粒子粒子114四四 濕沉積濕沉積大氣中的雨、雪等降水形式和其它水汽凝結物，大氣中的雨、雪等降水形式和其它水汽凝結物，如云、霧、霜等都能對空氣污染物，包括氣體和如云、霧、霜等都能對空氣污染物，包括氣體和粒子起到清除作用，稱為降水清除或濕沉積。粒子起到清除作用，稱

51、為降水清除或濕沉積。通常，把由降水造成的污染物清除過程稱為雨洗通常，把由降水造成的污染物清除過程稱為雨洗(或雪洗或雪洗)，這種過程將空氣污染帶到地面。按照降，這種過程將空氣污染帶到地面。按照降水清除過程發生所在高度分成云下清洗水清除過程發生所在高度分成云下清洗(washout)和云中清洗和云中清洗(rainout)。115116 為模擬上述降水清除過程對空氣污染物散布為模擬上述降水清除過程對空氣污染物散布的影響，一般采用兩種方法，即定義清除系數的影響，一般采用兩種方法，即定義清除系數和清洗比的處理方法。和清洗比的處理方法。1：清除系數的處理方法：清除系數的處理方法2：清洗比的處理方法：清洗比的

52、處理方法rw117mhmhmzCCCCCCuvwKKKtxyzxxyyzzSRchemis歐拉方法污染物平流擴散方程歐拉方法污染物平流擴散方程平流輸送項平流輸送項湍能擴散項湍能擴散項源排放項源排放項干濕沉降干濕沉降化學反應化學反應118五五 化學轉換和空氣污染物的滯留與遷移化學轉換和空氣污染物的滯留與遷移 排放進入大氣層的煙流中，各種化學物質和排放進入大氣層的煙流中，各種化學物質和大氣成分混合輸送，在適當的氣象條件下，如輻大氣成分混合輸送，在適當的氣象條件下，如輻射、溫度、濕度和降水等，會發生化學反應以致射、溫度、濕度和降水等，會發生化學反應以致變性或生成二次污染物，經過在大氣層中一定時變性或

53、生成二次污染物，經過在大氣層中一定時間的滯留而后遷移。間的滯留而后遷移。119對于空氣質量影響的模擬，最普通并具典型意對于空氣質量影響的模擬，最普通并具典型意義的此類變化與遷移的例子有如：義的此類變化與遷移的例子有如：(1)由煤的燃燒和其它工業源排放由煤的燃燒和其它工業源排放SO2和和NOx初初級空氣污染物氧化生成硫酸鹽、硝酸鹽和臭氧級空氣污染物氧化生成硫酸鹽、硝酸鹽和臭氧等二次污染物，對區域性在大氣酸性和降水酸等二次污染物，對區域性在大氣酸性和降水酸化以及臭氧成分的變化有重大作用化以及臭氧成分的變化有重大作用120(2)城市汽車廢排放和其它工業源排放的城市汽車廢排放和其它工業源排放的HC化合

54、物和化合物和NOx等初級空氣污染物在太陽輻射作用下生成光化學煙等初級空氣污染物在太陽輻射作用下生成光化學煙霧的過程，其中主要組成成分有臭氧和過氧乙醛硝酸鹽霧的過程，其中主要組成成分有臭氧和過氧乙醛硝酸鹽(PAN)等二次污染物，對城市區城空氣質量和人體健康等二次污染物，對城市區城空氣質量和人體健康有重要影響；有重要影響；(3)放射性污染物質的衰變與遷移，如燃料中含有一定放放射性污染物質的衰變與遷移，如燃料中含有一定放射性物質，核反應設施的裂變產物的泄漏或廢棄物中的射性物質，核反應設施的裂變產物的泄漏或廢棄物中的微量殘留物等；微量殘留物等；121（4）粒子和氣體污染物在干濕清除過程中的化）粒子和氣

55、體污染物在干濕清除過程中的化學反應和各種途徑的遷移，例如，上節所述氣學反應和各種途徑的遷移，例如，上節所述氣體向水滴輸送以及在水滴中可能發生的一些化體向水滴輸送以及在水滴中可能發生的一些化學反應，生成的二次污染物質被清除到地，影學反應，生成的二次污染物質被清除到地，影響地面空氣污染物濃度的分布并造成危害。響地面空氣污染物濃度的分布并造成危害。122123通常，采用最為簡單的處理方式，即假設一個通常，采用最為簡單的處理方式，即假設一個隨時間常數隨時間常數 變化的污染物濃度指數化學衰減變化的污染物濃度指數化學衰減率，即有率，即有cT( )exp()(0)cq ttqT124放射性衰變放射性衰變放射

56、性衰變亦是能影響污染物放射性衰變亦是能影響污染物(其中含有放射性其中含有放射性物質物質)遷移的一種簡單的清除過程。遷移的一種簡單的清除過程。例如，燃料煤和其它工業礦物原料的燃燒都排例如，燃料煤和其它工業礦物原料的燃燒都排放含有一定量的放射性物質，如鐳放含有一定量的放射性物質，如鐳(Ra)，它們被，它們被引入城市大氣層等等。顯然，它們的濃度通常引入城市大氣層等等。顯然，它們的濃度通常都很低，而且都遵循日漸降低簡單的衰變規律都很低，而且都遵循日漸降低簡單的衰變規律0exp()tqqt125污染物滯留時間污染物滯留時間空氣污染物滯留時間亦稱居留時間空氣污染物滯留時間亦稱居留時間(residence time)是表是表征空氣污染物在一定時期，一定空間范圍里的壽命的征空氣污染物在一定時期，一定空間范圍里的壽命的一個特征量。一個特征量。它定義為這樣一個時間，即假定沒有污染物補充，沒它定義為這樣一個時間，即假定沒有污染物補充，沒有污染物穿過區