1、環(huán)境系統(tǒng)分析教程第13講,第三節(jié) 箱式大氣質(zhì)量模型,第六章 大氣質(zhì)量模型,基本假設(shè)：在模擬大氣的污染物時(shí)可以把研究的空間范圍看成是一個(gè)尺寸固定的“箱子”，高度就是從地面計(jì)算的混合層高度，而污染物濃度在箱子內(nèi)處處相等。 可以分為單箱模型和多箱模型,箱式大氣質(zhì)量模型,混合層是由于溫度層結(jié)不連續(xù)產(chǎn)生上下層間的湍流不連續(xù)而形成。下層空氣湍流強(qiáng)，上層空氣湍流弱，這就造成不連續(xù)面以下能夠發(fā)生強(qiáng)烈的湍流混合，使得位溫、水汽等要素隨高度分布均勻。由于混合層是湍流受熱對(duì)流控制的近地面層以上的大氣邊界層，所以它也常被稱為自由對(duì)流層。,一、單箱模型,1. 基本假設(shè)： 箱子的平面尺寸就是所研究的區(qū)域或城市的平面，箱子

2、的高度是由地面計(jì)算的混合層高度h。,一、單箱模型,2. 基本模型,C為箱內(nèi)的污染物濃度；l為箱的長(zhǎng)度；b為箱的寬度；h為箱的高度；C0為初始條件污染物的本底濃度；k為污染物的衰減速度常數(shù)；Q為污染源的源強(qiáng)；u為平均風(fēng)速；t為時(shí)間坐標(biāo),3. 模型的解,一、單箱模型,若K=0，則控制方程為,以上控制方程的初始條件為：t=0時(shí)，C=C0；,其解析解為：,當(dāng)t=時(shí)，,若K0，則其解析解為： 當(dāng)t=時(shí)，,思考,已知某工業(yè)基地位于一山谷地區(qū)，計(jì)算的混合高度h=120m，該地區(qū)長(zhǎng)45km，寬5km，上風(fēng)向的風(fēng)速為2m/s，SO2的本地濃度為0。該基地建成后的計(jì)劃燃煤量為7000t/d，煤的含硫量為3%，SO

3、2轉(zhuǎn)化率為85%，試用單箱模型估計(jì)該地區(qū)的SO2濃度。,二、多箱模型,在縱向和垂直向把單箱分為多箱，以考慮縱向和垂直向大氣污染物的不均勻分布，但橫向還是作為一個(gè)箱體，不考慮橫向濃度的不均勻分布。 多箱模型可以反映區(qū)域或城市大氣質(zhì)量的空間差異，其精度要比單箱模型好，是模擬大氣質(zhì)量的有效工具。,第四節(jié) 點(diǎn)源擴(kuò)散模型,第六章 大氣質(zhì)量模型,大氣污染物在大氣中的運(yùn)動(dòng)，一般呈三維運(yùn)動(dòng)，其基本運(yùn)動(dòng)方程為：,忽略污染物擴(kuò)散過(guò)程中自身的衰減，即k=0，同時(shí)忽略y方向和z方向上的流動(dòng)，即uy=uz=o，上式可以簡(jiǎn)化為：,假定大氣流場(chǎng)是均勻的，Ex,Ey和Ez都是常數(shù)，C為湍流時(shí)平均濃度：,各種高架點(diǎn)源模型的基礎(chǔ)

4、,一、無(wú)邊界的點(diǎn)源模型,1. 瞬時(shí)單煙團(tuán)正態(tài)擴(kuò)散模型,M為t=0時(shí)刻，由原點(diǎn)（0,0,0）瞬間排放量，即污染物的源強(qiáng),瞬時(shí)釋放的單煙團(tuán)正態(tài)擴(kuò)散模型是一切正態(tài)擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)。,假設(shè)點(diǎn)源位于坐標(biāo)原點(diǎn)，釋放時(shí)間為t=0，在無(wú)邊界的大氣環(huán)境中，瞬間排出的一個(gè)煙團(tuán)將沿三維方向擴(kuò)散?；谏鲜龌具\(yùn)動(dòng)方程及對(duì)應(yīng)假設(shè)條件，得空間任一點(diǎn)、任一時(shí)刻的污染物濃度：,令三個(gè)坐標(biāo)方向上的污染物分布的標(biāo)準(zhǔn)差為：,1. 瞬時(shí)單煙團(tuán)正態(tài)擴(kuò)散模型,2. 無(wú)邊界有風(fēng)的點(diǎn)源模型,設(shè)風(fēng)向平行于x軸，忽略y方向和z方向上的流動(dòng)，即uy=uz=0，則在空間任一點(diǎn)、任一時(shí)刻的污染物濃度可以用下式計(jì)算。,3. 無(wú)邊界無(wú)風(fēng)的瞬時(shí)點(diǎn)源模型,在無(wú)

5、風(fēng)的條件下，ux=0,連續(xù)穩(wěn)定點(diǎn)源，C/ t=0，在有風(fēng)（ux1.5m/s）時(shí)，可以忽略擴(kuò)散作用。,4. 無(wú)邊界連續(xù)點(diǎn)源模型,Q為在原點(diǎn)（0,0,0）連續(xù)穩(wěn)定排放的污染源源強(qiáng)，即單位時(shí)間排放的污染物量,二、高架連續(xù)排放點(diǎn)源模型,高煙囪產(chǎn)生的地面污染物濃度比具有相同源強(qiáng)的低煙囪要低。,煙囪高度是大氣污染控制的主要變量之一。,？,煙囪高度？,煙囪的有效高度=物理高度+煙氣抬升高度；,物理高度：煙囪實(shí)體的高度； 煙氣抬升高度：煙氣在排出煙囪口之后在動(dòng)量和熱浮力的作用下能夠繼續(xù)上升的高度，這個(gè)高度可達(dá)數(shù)十至上百米，對(duì)減輕地面的大氣污染有很大作用。,煙云抬升的原因有兩個(gè)： 是煙囪出口處的煙流具有一初始動(dòng)

6、量（使它們繼續(xù)垂直上升）； 是因煙流溫度高于環(huán)境溫度產(chǎn)生的靜浮力。 這兩種動(dòng)力引起的煙氣浮力運(yùn)動(dòng)稱煙云抬升，煙云抬升有利于降低地面的污染物濃度。,高架源須考慮到地面對(duì)擴(kuò)散的影響。 用“像源法”處理把P點(diǎn)污染物濃度看成為兩部分（實(shí)源和像源）作用之和。,建立三個(gè)坐標(biāo)系： 1、以實(shí)源在地面的投影點(diǎn)為原點(diǎn)；P點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y，z）； 2、以實(shí)源為原點(diǎn)； 3、以像源為原點(diǎn)。,（1）實(shí)源貢獻(xiàn)：P點(diǎn)在以實(shí)源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為（z-H）。不考慮地面的影響，實(shí)源在P點(diǎn)形成的污染物濃度為：,（2）像源貢獻(xiàn)：P點(diǎn)在以像源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為（z+H），像源在P點(diǎn)形成的污染物濃度為：,高斯模型,思考

7、,已知煙囪的物理高度為60m，煙氣抬升高度為98m，計(jì)算平均風(fēng)速為6m/s，SO2排放量為650g/s，試計(jì)算自地面至240m高處的SO2濃度在下風(fēng)向800m處軸線上的垂直分布。（y=2.06x0.61；z=0.10 x1.01）,1. 高架連續(xù)點(diǎn)源的地面濃度模型,令z=0，得：,2. 高架連續(xù)點(diǎn)源的地面軸線濃度模型,令y=0，z=0，得：,3. 高架連續(xù)點(diǎn)源最大落地濃度模型,當(dāng),4. 煙囪有效高度的估算,如果給定地面污染物最大允許濃度，由上式可以估算煙囪的有效高度He*,思考,已知某工廠排放Nox的速率為100g/s，平均風(fēng)速為5m/s，如果控制Nox的地面濃度增量為0.15mg/m3，試求

8、所必須的煙囪有效高度。（y=0.237x0.691；z=0.217x0.610）,5. 逆溫條件下的高架連續(xù)點(diǎn)源模型,h表示從地面到逆溫層底部的高度,應(yīng)用條件是Heh,如果在煙囪排出口的上空存在逆溫層，從地面到逆溫層的底部的高度為h，這時(shí)，煙囪的排煙不僅要受到地面的反射，還要受到逆溫層的反射。,逆溫條件下高架連續(xù)點(diǎn)源的地面軸線濃度：,三、高架多點(diǎn)源連續(xù)排放模型 四、可沉降顆粒物的擴(kuò)散模型,當(dāng)顆粒物的粒徑小于10m時(shí)，在空氣中的沉降速度小于1cm/s，由于垂直湍流和大氣運(yùn)動(dòng)的支配，不可能自由沉降到地面，顆粒物的濃度分布仍可用前面所述各式計(jì)算；,地面顆粒物濃度計(jì)算模型：,當(dāng)顆粒物的粒徑大于10 m

9、時(shí)，在空氣中的沉降速度在100 cm/s左右，顆粒物除了隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)以外，還由于重力下沉的作用，使擴(kuò)散羽的中心軸線逐漸向地面傾斜，在不考慮地面反射的情況下可以利用下述模型計(jì)算地面顆粒物濃度：,第五節(jié) 線源和面源模型,第六章 大氣質(zhì)量模型,一、線源模型,若污染源在空間呈連續(xù)線狀分布，就組成線型污染源，污染物在此線上均勻排放到大氣環(huán)境。例如：川流不息的交通干線上汽車廢氣的排放就可近似為一線源，線源可以看作是多點(diǎn)源求和。 無(wú)限長(zhǎng)線源模型 有限長(zhǎng)線源模型 線源分段求和模式,二、面源模型,污染物若在一平面上近似均勻地排放(如：一居民區(qū)的生活廢氣排放、一分布密集的小工廠區(qū)的工業(yè)燃燒廢氣排放)，對(duì)周圍環(huán)境的污

10、染影響需用面源擴(kuò)散模型(用大量的點(diǎn)源擴(kuò)散模型計(jì)算求和不僅不經(jīng)濟(jì)而且反而不精確) 簡(jiǎn)化模型 點(diǎn)源積分模型 大氣湍流與擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)室（ATDL）模型,第六節(jié) 復(fù)雜邊界層的大氣質(zhì)量模型,第六章 大氣質(zhì)量模型,一、大氣邊界層,邊界層廣義地講是在流體介質(zhì)中受邊界相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及熱量和物質(zhì)交換影響最明顯的那一層流體。 大氣中，對(duì)流層內(nèi)貼近地表面約1-2km處的大氣，直接受到地面摩擦力的影響，它的厚度比整個(gè)大氣層小得多，氣流具有邊界層的性質(zhì)，故稱為大氣邊界層（ABL）。,低層大氣結(jié)構(gòu),二、小風(fēng)、靜風(fēng)擴(kuò)散模型,當(dāng)風(fēng)速0.5m/su101.5m/s時(shí)作為小風(fēng)狀態(tài)； 當(dāng)風(fēng)速u(mài)100.5m/s時(shí)作為靜風(fēng)情形。,模型（自學(xué)）,前述擴(kuò)散模型幾乎都假定沿平均風(fēng)向即x方向的平均風(fēng)速的推流輸移速率遠(yuǎn)大于湍流擴(kuò)散速率，因此忽略x方向湍流擴(kuò)散，但在小風(fēng)和靜風(fēng)條件下，這一假設(shè)不能成立。,三、熏煙模型,夜間下墊面的輻射冷卻形成貼地逆溫層，日出后地面受太陽(yáng)輻射增加溫度，逆溫層將逐漸自下而上的消失，形成一個(gè)不斷增厚的混合層。原來(lái)在逆溫層中處于穩(wěn)定狀態(tài)的煙羽進(jìn)入混合層后，上部的逆溫使得擴(kuò)散只能向下發(fā)展，由其本身的下沉和