第四章大氣污染物擴散模式1.湍流擴散的基本理論2.高斯擴散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴散模式5.城市及山區(qū)的擴散模式6.煙囪高度設計第四章大氣污染物擴散模式1.湍流擴散的基本理論1第一節(jié)湍流擴散的基本理論擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運動

風速的脈動風向的擺動起因與兩種形式

熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機械：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度第一節(jié)湍流擴散的基本理論擴散的要素2湍流擴散理論主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關系1.梯度輸送理論類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比2.湍流統(tǒng)計理論泰勒－>圖4-1，正態(tài)分布薩頓實用模式高斯模式

3.相似理論湍流擴散理論主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關系3第二節(jié)高斯擴散模式高斯模式的有關假定坐標系右手坐標，y為橫風向，z為垂直向四點假設

a．污染物濃度在y、z風向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．擴散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）

第二節(jié)高斯擴散模式高斯模式的有關假定4高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系5無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布假定，得下風向任一點的濃度分布方差的表達式由假定d源強積分式（單位時間物料守恒）

無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布假定，得下風向任一點的濃度6高斯煙流的形態(tài)高斯煙流的形態(tài)7高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布8高架連續(xù)點源擴散模式鏡像全反射---->像源法實源：像源：高架連續(xù)點源擴散模式鏡像全反射---->像源法9高架連續(xù)點源擴散模式高架連續(xù)點源擴散模式10高架連續(xù)點源擴散模式

高架連續(xù)點源擴散模式11顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式地面反射系數(shù)顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算地12第三節(jié)污染物濃度的估算q

源強計算或?qū)崪y

平均風速多年的風速資料

H

有效煙囪高度

、擴散參數(shù)1.煙氣抬升高度的計算

初始動量：速度、內(nèi)徑煙溫度－>浮力煙氣抬升第三節(jié)污染物濃度的估算q源強計算或?qū)崪y1.煙氣13煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式

（1）

Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加10％～20％）

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式Holland公式比較保守14煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）15煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）（3）我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法”(GB/T13201-91)中的公式

煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）16擴散參數(shù)的確定P－G曲線法P－G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表擴散參數(shù)的確定P－G曲線法17擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用18擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用利用擴散曲線確定和擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用19擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用地面最大濃度估算擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用20擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法改進的P－T法

太陽高度角

（式4-29，地理緯度，傾角）

輻射等級穩(wěn)定度云量（加地面風速）

擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法太陽高度21擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的表達式為（取樣時間0.5h，按表4-8查算）平原地區(qū)和城市遠郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至B級，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)取樣時間大于0.5h，不變，擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取22第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)）

封閉型擴散模式相當于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和

n為反射次數(shù)，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一23封閉型擴散模式計算簡化：封閉型擴散模式計算簡化：24熏煙型擴散模式假設：

D

換成hf（垂向均勻分布）；q只包括進入混合層部分，

則仍可用上面公式

熏煙型擴散模式假設：D換成hf（垂向均勻分布）；q只包括25熏煙型擴散模式熏煙型擴散模式26第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式城市大氣擴散模式1.線源擴散模式第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式城市大氣擴散模式27城市大氣擴散模式2.面源擴散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h城市大氣擴散模式2.面源擴散模式28城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）簡化為點源的面源擴散模式（續(xù)）形心上風向距x0處有一虛擬點源，其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等

煙流寬度：中心線到濃度為中心處距離的兩倍

（正態(tài)分布：）

確定、之后即可按點源計算面源濃度城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）29城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）窄煙流模式某點的污染物濃度主要取決于上風向面單元的源強，上風向兩側(cè)單元對其影響很小某點的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）30常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式單箱模式多箱模式——如目前用于我國城市空氣污染指數(shù)預報的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化學模式如EPA推薦的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式線源模式如CALINE模式，用于計算公路的污染物排放常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式31城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)/scram001/tt22.htmISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式Photochemical32城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式EulerianG33城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念AirToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH

--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)

NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)OneAtmosphereOneAtmosphere城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－One34第三代模式（Models－3）/asmdnerl/models3/第三代模式（Models－3）http://www.epa.35山區(qū)擴散模式山區(qū)流場由于受到復雜地形的熱力和動力因子影響，流場均勻和定常的假定難以成立對風向穩(wěn)定、研究尺度不大、地形較為開闊及起伏不大的地區(qū)，濃度基本上遵循正態(tài)分布規(guī)律，只是擴散參數(shù)比平原地區(qū)大很多ERT模式高斯模式，只對有效源高進行修正NOAA和EPA模式NOAA－以高斯模式為基礎，對有效源高進行修正EPA－與NOAA相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正山區(qū)擴散模式山區(qū)流場由于受到復雜地形的熱力和動力因子影響，流36第六節(jié)煙囪高度的設計煙囪高度的計算要求：（1）達到稀釋擴散的作用（2）造價最低，

造價正比于H2（3）地面濃度不超標

按地面最大濃度計算

第六節(jié)煙囪高度的設計煙囪高度的計算37煙囪高度的計算按地面絕對最大濃度計算煙囪高度的計算按地面絕對最大濃度計算38煙囪高度的計算按一定保證率的計算法取上述兩種情況之間一定保證率下的平均風速和擴散參數(shù)P值法國標GB/T13201-91煙囪高度的計算按一定保證率的計算法39煙囪設計中的幾個問題上述計算公式按錐形高斯模式導出，在逆溫較強的地區(qū)，需要用封閉型或熏煙型模式校核煙氣抬升高度的選取優(yōu)先采用國家標準中的推薦公式煙流下洗、下沉現(xiàn)象煙囪設計中的幾個問題上述計算公式按錐形高斯模式導出，在逆溫較40第四章大氣污染物擴散模式1.湍流擴散的基本理論2.高斯擴散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴散模式5.城市及山區(qū)的擴散模式6.煙囪高度設計第四章大氣污染物擴散模式1.湍流擴散的基本理論41第一節(jié)湍流擴散的基本理論擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105～106倍湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運動

風速的脈動風向的擺動起因與兩種形式

熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機械：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度第一節(jié)湍流擴散的基本理論擴散的要素42湍流擴散理論主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關系1.梯度輸送理論類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比2.湍流統(tǒng)計理論泰勒－>圖4-1，正態(tài)分布薩頓實用模式高斯模式

3.相似理論湍流擴散理論主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關系43第二節(jié)高斯擴散模式高斯模式的有關假定坐標系右手坐標，y為橫風向，z為垂直向四點假設

a．污染物濃度在y、z風向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．擴散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）

第二節(jié)高斯擴散模式高斯模式的有關假定44高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系45無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布假定，得下風向任一點的濃度分布方差的表達式由假定d源強積分式（單位時間物料守恒）

無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布假定，得下風向任一點的濃度46高斯煙流的形態(tài)高斯煙流的形態(tài)47高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布48高架連續(xù)點源擴散模式鏡像全反射---->像源法實源：像源：高架連續(xù)點源擴散模式鏡像全反射---->像源法49高架連續(xù)點源擴散模式高架連續(xù)點源擴散模式50高架連續(xù)點源擴散模式

高架連續(xù)點源擴散模式51顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式地面反射系數(shù)顆粒物擴散模式粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算地52第三節(jié)污染物濃度的估算q

源強計算或?qū)崪y

平均風速多年的風速資料

H

有效煙囪高度

、擴散參數(shù)1.煙氣抬升高度的計算

初始動量：速度、內(nèi)徑煙溫度－>浮力煙氣抬升第三節(jié)污染物濃度的估算q源強計算或?qū)崪y1.煙氣53煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式

（1）

Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加10％～20％）

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式Holland公式比較保守54煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）55煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）（3）我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法”(GB/T13201-91)中的公式

煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續(xù)）56擴散參數(shù)的確定P－G曲線法P－G曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表擴散參數(shù)的確定P－G曲線法57擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用58擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用利用擴散曲線確定和擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用59擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用地面最大濃度估算擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用60擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法改進的P－T法

太陽高度角

（式4-29，地理緯度，傾角）

輻射等級穩(wěn)定度云量（加地面風速）

擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法太陽高度61擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的表達式為（取樣時間0.5h，按表4-8查算）平原地區(qū)和城市遠郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至B級，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)取樣時間大于0.5h，不變，擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取62第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)）

封閉型擴散模式相當于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和

n為反射次數(shù)，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一63封閉型擴散模式計算簡化：封閉型擴散模式計算簡化：64熏煙型擴散模式假設：

D

換成hf（垂向均勻分布）；q只包括進入混合層部分，

則仍可用上面公式

熏煙型擴散模式假設：D換成hf（垂向均勻分布）；q只包括65熏煙型擴散模式熏煙型擴散模式66第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式城市大氣擴散模式1.線源擴散模式第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式城市大氣擴散模式67城市大氣擴散模式2.面源擴散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h城市大氣擴散模式2.面源擴散模式68城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）簡化為點源的面源擴散模式（續(xù)）形心上風向距x0處有一虛擬點源，其煙流在形心處寬度正好與正方形寬度相等

煙流寬度：中心線到濃度為中心處距離的兩倍

（正態(tài)分布：）

確定、之后即可按點源計算面源濃度城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）69城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）窄煙流模式某點的污染物濃度主要取決于上風向面單元的源強，上風向兩側(cè)單元對其影響很小某點的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定城市大氣擴散模式2.面源擴散模式（續(xù)）70常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式單箱模式多箱模式——如目前用于我國城市空氣污染指數(shù)預報的CAPPS模式城市多源模式如EPA推薦的ISC模式（IndustrialSourceComplexModel）光化學模式如EPA推薦的UAM－V（UrbanAirshedModel）模式線源模式如CALINE模式，用于計算公路的污染物排放常用城市空氣質(zhì)量模式箱模式71城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)/scram001/tt22.htmISC3,CALPUFF,AERMOD

(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第一代模式Photochemical72城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式

EulerianGridModels

:UAM,RADM,REMSAD,ROM/asmdnerl/modeling.htm城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第二代模式EulerianG73城市空氣質(zhì)量模式的發(fā)展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念AirToxicsOzoneAcidRainVisibility

PM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH

+hv--->O3SOx[orNOx]+NH3+OH

--->(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH--->H2SO4NO2+OH--->HNO3VOC+OH--->OrgainicPM

OH<--->AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)

FinePM(Nitrate