大氣高斯擴散第1頁/共67頁第一節(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倍風、湍流是決定污染物在大氣中稀釋擴散的最直接因素。湍流的基本概念

湍流——大氣的無規(guī)則運動

風速的脈動（上、下）風向的擺動（左、右）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2頁/共67頁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(guān)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（應用最為廣泛）第3頁/共67頁愛因斯坦在1905年發(fā)表了5篇劃時代的論文，其中3篇論文震撼了世界，掀起了一場影響百年的物理革命，分別為：

1、《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》，討論了光量子以及光電效應；這篇論文為構(gòu)成量子力學基石的光的波粒二重性獲得廣泛接受鋪平了道路。

2、《關(guān)于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》，被認為是第二篇“對世界產(chǎn)生革命性影響”的論文。該文是對現(xiàn)代統(tǒng)計力學的一項重大貢獻，其導出的方法可用于模擬空氣污染物的行為或股票市場漲落走勢。利用這一愛因斯坦式的技術(shù)，能夠節(jié)省分離大DNA片段所需用的時間，較之當前所用的方法，可省時2/3，而且更廉價且設(shè)備更便攜。

3、《物體的慣性是否決定其內(nèi)能》，建立在狹義相對論基礎(chǔ)上，表明質(zhì)量和能量可互換，后來推出最著名的科學方程：E=mc2。

4.《論動體的電動力學》5.《分子大小的新測定》

2003年第4頁/共67頁1905年，年輕的阿爾伯特·愛因斯坦改變了我們思考空間、時間和物質(zhì)的方式。

2005年是阿爾伯特·愛因斯坦關(guān)鍵性科學發(fā)現(xiàn)一百周年，聯(lián)合國大會于2004年6月通過了2005年為“國際物理年”的決議

第5頁/共67頁第6頁/共67頁第7頁/共67頁第二節(jié)高斯擴散模式坐標系 右手坐標系（食指—x軸；中指—y軸；拇指—z軸），原點：為無界點源或地面源的排放點，或者高架源排放點在地面上的投影點；x為主風向；y為橫風向；z為垂直向高斯模式的四點假設(shè)

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（大氣湍流場是均勻的、定常的）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）

一、高斯模式的有關(guān)假定第8頁/共67頁高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系第9頁/共67頁第10頁/共67頁第11頁/共67頁

二、無界空間連續(xù)點源擴散模式ū—平均風速，m/s；q—源強，g/s；σy—側(cè)向擴散參數(shù)，污染物在y方向分布的標準偏差，m；σz—豎向擴散參數(shù)，污染物在z方向分布的標準偏差，m；第12頁/共67頁三、高架連續(xù)點源擴散模式

高架源須考慮到地面對擴散的影響。根據(jù)假設(shè)④可認為地面就象鏡子一樣對污染物起全反射作用，按全反射原理，可用“像源法”處理——把P點污染物濃度看成為兩部分（實源和像源）作用之和。

建立三個坐標系：1、以實源在地面的投影點為原點；P點坐標為（x，y，z）；2、以實源為原點；3、以像源為原點。（1）實源貢獻：P點在以實源為原點的坐標系中的垂直坐標為（z-H）。不考慮地面的影響，實源在P點形成的污染物濃度為：ρ1第13頁/共67頁第14頁/共67頁（2）像源貢獻：P點在以像源為原點的坐標系中的垂直坐標為（z+H），像源在P點形成的污染物濃度為：ρ2ρ（x,y,z,H）第15頁/共67頁高架連續(xù)點源擴散模式第16頁/共67頁第17頁/共67頁地面連續(xù)點源擴散模式第18頁/共67頁高架連續(xù)點源擴散模式

第19頁/共67頁

上式變?yōu)椋毫瞀选?0第20頁/共67頁例題：

第21頁/共67頁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)第22頁/共67頁無界空間連續(xù)點源擴散模式高架連續(xù)點源擴散模式第23頁/共67頁第24頁/共67頁第三節(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)第25頁/共67頁煙云抬升的原因有兩個：①是煙囪出口處的煙流具有一初始動量（使它們繼續(xù)垂直上升）；②是因煙流溫度高于環(huán)境溫度產(chǎn)生的靜浮力。這兩種動力引起的煙氣浮力運動稱煙云抬升，煙云抬升有利于降低地面的污染物濃度。1.煙氣抬升高度的計算

初始動量：速度、內(nèi)徑浮力：煙溫度煙氣抬升第26頁/共67頁煙氣抬升高度的計算（1）

Holland公式：當大氣穩(wěn)定度為中性，計算煙氣抬升高度時，經(jīng)常使用霍蘭徳公式：

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下。在實際計算中，不穩(wěn)定條件(A、B穩(wěn)定度)，ΔH需增加10％～20％；穩(wěn)定條件(D、E、F穩(wěn)定度)，ΔH需減少10％～20％。

kW抬升高度計算式第27頁/共67頁

（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件不穩(wěn)定或中性大氣下，布里格斯公式用來確定不同的熱釋放率和下風向距離條件下的煙氣抬升高度：第28頁/共67頁（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——在沒有特別要求時，應優(yōu)先使用國家標準規(guī)定的方法。

第29頁/共67頁例：某市遠郊區(qū)電廠煙囪高160m，煙囪排出口內(nèi)徑5m，排煙速度12m/s。煙氣溫度135℃，周圍大氣溫度15℃。大氣穩(wěn)定度C級，源高處風速612m/s。試分別用霍蘭德、布里格斯、國家標準公式計算煙氣抬升高度（假設(shè)下風向距離x=2km）第30頁/共67頁大氣擴散參數(shù)（σy，σz）的確定P－G曲線法帕斯奎爾在1961年推薦一種僅需要常規(guī)氣象觀測資料就能估算σy，σz的方法，吉福德(Gifford)進一步將它制成應用更方便的圖表。應用觀測到的風速、云量、云狀和日照等天氣資料，將大氣擴散稀釋能力分為6個等級：A—

極不穩(wěn)定，B—不穩(wěn)定，C—

弱不穩(wěn)定，D—

中性，E—

弱穩(wěn)定，F(xiàn)—穩(wěn)定。若穩(wěn)定級別為A～B，則表示按A、B級的數(shù)據(jù)內(nèi)插。該法的要點：首先根據(jù)帕斯奎爾劃分大氣穩(wěn)定度的方法來確定大氣穩(wěn)定度級別；然后從圖4-4和圖4-5中查得（或表4-4用內(nèi)插法求出）對應的擴散參數(shù)σy和σz；最后將σy、σz代入前面介紹的一系列擴散模式中，就可估計出各種情況下的濃度值。擴散參數(shù)是表征湍流擴散劇烈程度的物理量，是影響污染物濃度的重要參數(shù)。第31頁/共67頁擴散參數(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)定度級別第32頁/共67頁擴散參數(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第33頁/共67頁擴散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應用地面最大濃度估算第34頁/共67頁擴散參數(shù)的確定－中國國家標準規(guī)定的方法我國在修訂P-T法基礎(chǔ)上產(chǎn)生了國家標準法(GB/T13201-91)。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）

該方法的技術(shù)路線是：根據(jù)時間、地理位置確定日傾角、太陽高度角，利用天氣條件確定輻射等級，然后利用輻射等級和風速確定大氣穩(wěn)定度，最后查擴散參數(shù)冪函數(shù)表，確定擴散參數(shù)。第35頁/共67頁第36頁/共67頁第37頁/共67頁第38頁/共67頁第39頁/共67頁第40頁/共67頁擴散參數(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，第41頁/共67頁例：某冶煉廠煙囪高150m，煙氣抬升高度75m，SO2排放量1000g/s。估算風速3m/s，大氣穩(wěn)定度C級時地面最大濃度是多少？發(fā)生在什么位置？（分別用P-G法和國家標準方法計算）第二步：確定出現(xiàn)地面最大濃度的下風向距離。第一步：確定出現(xiàn)地面最大濃度的Z向擴散參數(shù)。第三步：確定出現(xiàn)地面最大濃度的y向擴散參數(shù)。第四步：計算地面最大濃度。第42頁/共67頁第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式在整層大氣都具有同一穩(wěn)定度（即溫度層結(jié)構(gòu)均一，實際中難以實現(xiàn)）、平坦地形的條件下應用高斯模式計算污染物濃度。如果整個大氣層不均勻，污染物擴散所涉及的溫度層結(jié)不止一個，或者地表粗糙度高，地勢起伏大就需要特殊處理。下面討論兩種特殊情況：封閉型擴散和熏煙型擴散。一、封閉型擴散模式——有上部逆溫層的擴散模式所謂封閉型擴散就是指在上部存在逆溫層的氣象條件下，污染物受到上部逆溫層限制，只能在地面和逆溫層之間擴散的情況第43頁/共67頁第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式在封閉型擴散中，假定：污染物完全不向逆溫層擴散；上部逆溫層對污染物起全反射作用，可用像源法處理；污染源在地面和逆溫層之間形成無窮多個像對，污染物濃度是實源和無窮多虛源的貢獻之和。由式4-9得：地面軸線上的污染物濃度為：第44頁/共67頁DD-HD-H2D-H第45頁/共67頁封閉型擴散模式簡化計算：第46頁/共67頁例：位于北緯40°，東經(jīng)117°的某化工廠煙囪高50m，H2S排放量9kg/h,排放筒直徑0.5m，煙氣出口溫度50℃。出口氣速12m/s。距地面10m處風速為4m/s，早春2月上午8時，天氣晴朗，環(huán)境氣溫15℃，距地面500m處出現(xiàn)逆溫，試問在下風向5000m、8000m處H2S濃度有多大？第二步：確定H——計算QV、QH-計算50m處風速-計算ΔH。第一步：確定大氣穩(wěn)定度——查太陽傾角-計算太陽高度角-確定輻射等級-查出大氣穩(wěn)定度第三步：確定XD——計算σz，按遠郊區(qū)查表4-8，反算XD。第四步：按4-9計算5000m處H2S濃度。第五步：按4-9計算XD

處H2S濃度；按4-36計算2XD

處H2S濃度。然后內(nèi)插，確定5000m處H2S濃度。第47頁/共67頁熏煙型擴散模式熏煙過程：早晨太陽升起后，地面得到來自太陽的輻射逐漸加熱，夜間產(chǎn)生的逆溫層逐漸抬升，當逆溫破壞到煙流下邊緣以上時，使煙流發(fā)生向下的強烈混合，地面污染物濃度增大，產(chǎn)生熏煙過程。熏煙過程一般多在早晨發(fā)生，持續(xù)時間不超過2小時。第48頁/共67頁熏煙型擴散模式——地面濃度hf——逆溫層消失高度；σyf——熏煙條件下Y向擴散參數(shù)即hf=H時第49頁/共67頁第五節(jié)城市及山區(qū)擴散模式（自學）線源擴散模式面源擴散模式封閉山谷擴散示意圖山谷擴散第50頁/共67頁第六節(jié)煙囪高度的設(shè)計煙囪高度的計算（1）達到大氣污染物稀釋擴散的作用；（2）盡量節(jié)省投資（造價正比于H2

）；（3）地面濃度不超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》。

1、按地面最大濃度計算

第51頁/共67頁2、按地面絕對最大濃度計算第52頁/共67頁代入到4—10：將煙氣抬升公式簡化為①代入到①式第53頁/共67頁3、按一定保證率的計算法由地面最大濃度計算法→HS較矮，當u＜ū時，地面濃度可能超標；由地面絕對最大濃度計算法→HS較高，無論u多大，地面濃度不超標，但煙囪造價高。從環(huán)保和經(jīng)濟兩方面來看，在選擇一個可接受的保證率后，ū、穩(wěn)定度取一定值后代入上述公式，可得某一保證率的氣象條件下的煙囪高度，較前面較合理。4、P值法根據(jù)“指定大氣污染物排放標準的技術(shù)方法”GB/T13201-91中規(guī)定的點源煙塵允許排放率計算式：式中：Qe－煙塵允許排放速率，t/h；Pe－煙塵排放控制系數(shù)，t/(h·m2)；H－有效源高，m。第54頁/共67頁第55頁/共67頁煙囪設(shè)計中的幾個問題煙囪高度計算公式的校核

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（也有人認為一般選霍氏公式）。煙流下洗現(xiàn)象的防止

為避免煙流因受周圍建筑物的影響而產(chǎn)生的煙流下洗現(xiàn)象，煙囪高度應為周圍建筑物的2倍以上。

為避免煙囪本身對煙流產(chǎn)生的下洗現(xiàn)象，煙囪出口氣速不得低于該高度處平均風速的1.5倍。一般宜在20~30m/s。煙溫宜在100℃以上。第56頁/共67頁第57頁/共67頁公式中與氣象有關(guān)的參數(shù)取值方法：ū的取值：①取多年平均值；②取某一保證率的值：如已知ū＞3m/s的頻率為80%，取3m/s可保證有80%不超標，而地面平均最大濃度可能比規(guī)定標準更低。煙囪出口直徑的計算：第58頁/共67頁例：地處丘陵的某煉油廠進行擴建，擬新建一煙囪排放污染物。煙囪排放條件為：出口內(nèi)徑3m，出口速度15m/s，煙溫140℃

，大氣溫度17℃

，H2S排放量7.2kg/h。離該廠2500m處有一城鎮(zhèn)，大氣中H2S現(xiàn)狀濃度是0.5μg/m3，為使該城鎮(zhèn)H2S的濃度低于10μg/m3

，問要建多高的煙囪才能滿足要求？設(shè)計風速取3m/s。提示：煙氣抬升采用霍蘭德公式。第59頁/共67頁第七節(jié)廠址選擇一、所需氣候資料

1、風向和風速氣候資料：如圖是風速和風向頻率復合圖，矢線長度代表風向頻率大小，矢線末端的風速羽代表平均風速）靜風（風速<1.0m/s）或微風（風速為1～2m/s）情況大氣通風條件差，容易引起高濃度污染，尤其是長時間靜風會使污染物大量積累，引起嚴重污染。因此，在空氣污染分析中不僅應統(tǒng)計靜風頻率，有條件還要統(tǒng)計靜風持續(xù)時間。

第60頁/共67頁2、大氣穩(wěn)定度的氣象資料可根據(jù)p-T法，利用已知的氣象資料對當?shù)卮髿夥€(wěn)定度進行分類，統(tǒng)計出月（年、季）各穩(wěn)定度頻率，作出必要的圖表。3、混合層高度的確定混合層高度是影響混合物鉛直擴散的重要參數(shù)。具體指出污染物在鉛直方向的擴散范圍。混合層愈高，則污染物垂直擴散的范圍越大。受太陽輻射的影響，午后混合層高度最大。第61頁/共67頁二、長期平均濃度的估算（略）在廠址選擇和環(huán)境評價中，人們更關(guān)心的長期平均濃度的分布。氣象部門提供的風向資料是按16方位給出的，每個方位相當于一個22.5o的扇形。因此，可按每個扇形計算長期平均濃度。推導時作以下假定：（1）同一扇形內(nèi)各角度的風向頻率相同，即在同一扇形內(nèi)同一距離上，污染物濃度在y方向是相等的。（2）當吹某一扇形風時，全部污染