1、第七章 大气质量模型一 、大气层的结构1对流层 对流层是指由下垫面算起， 到平均高度为12km的一层大气。 对流层特点：(1) 气温随高度的增加而降低，由下垫面至高空，高差每100m气温约平均降低0.65。(2) 对流层内有强烈的对流运动。(3) 对流层的空气密度最大，集中了全部大气质量的3/4，几乎集中了大气中的全部水汽；云、雾、雨、雪等大气现象都发生在这层。这是模型应用的主要区域,2平流层从对流层顶到离下垫面55km高度的一层称为平流层。特点： （1）气温随高度升高而上升，形成逆温层。 （2）由于平流层基本是逆温层，故没有强烈的对流运动；空气垂直混合微弱，气流平稳。水汽、尘埃都很少，很少有
2、云出现。 3中间层从下垫面算起的5585km高度的一层称为中间层。特点：气温随高度的增高而降低，大约高度每增高1km，气温降低1。空气有强烈的对流运动，垂直混合明显，故有高空对流层之称。4热成层从下垫面算起85800km左右高度的一层称为热成层或热层。气温随高度增高而迅速增高，在300km高度上，气温可达1000以上。该层空气在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，处在高度的电离状态，故有电离层之称。,5散逸层热成层顶以上的大气层，统称为散逸层。该层气温极高，空气稀薄，大气粒子运动速度很高，常可以摆脱地球引力而散逸到太空中去，故称散逸层。二、 大气污染及其主要影响因素 （1）主要污染物：气溶胶污染
3、物：指分散在气体介质中，以液体或固体微粒为分散相，粒径大部分小于lm的微粒，它具有胶体性质。根据气溶胶物理状态的不同可分为粉尘、烟、雾等气态污染物：包括无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物有含硫气体、碳氧化物、含氮气体、卤素及卤化物、光化学产物(无机光化学氧化剂)、氰化物(HCN)等；有机污染物有碳氢化合物(CH4、C2H4，C6H6、苯并a芘等)，脂肪族化合物(甲醛、丙酮、有机酸、醇、过氧酰基亚硝酸酯或硝酸酯)。大气的污染具有量微和易变的特点。空气的总量是很大的，但其中污染物质的含量甚微，常用mgm3，或 ppm 来表示,（2）主要影响因素 a.污染物的排放情况与排放量的关系（源强）：在
4、其他条件相同的情况下，单位时间内排放的污染物越多，则对大气的污染越重与污染源距离的关系：污染物被大气所稀释的程度与污染源物所通过的距离有关。经过的距离越远，其污染物扩散开的断面越大，稀释程度也越大。 与排放高度的关系：其他条件相同时，污染物排放的高度越高，相应高度处的风速亦越大，加速了污染物与大气的混合，污染物的浓度也越低。b大气的自净过程：自净作用有两种形式：扩散稀释作用：污染物与大气混合而使污染物浓度降低，大气中污染物的稀释程度与气象因素有关。沉降作用和其他作用：,三 、气温的垂直分布1. 气温层结：气温沿垂直高度的变化，称气温层结或层结。（大气）气温垂直递减率：数学定义式为, r- dT
5、/dz，它系指单位(通常取100m) 高差气温变化速率的负值（气团）干绝热气温垂直递减率：干空气在绝热升降过程中，每单位距离 (通常取100m)，气温变化速率的值， rd - dT/dz 气温层结有四种典型情况: 气温随高度的增加而递减，r0，称为正常分布层结 气温随高度的增加而增加，r0,正常分布层结,r0,逆温,温度 T,温度 T,r=0,等温层结,r=rd,z,t,z1,z2,t1,t2,z,t,2 大气稳定度及其判据 （1）大气稳定度:,高度Z,温度 T,实际气温r,干绝热递减rd,t1,rd,rrd,rrd-1,图（2）帕斯奎尔稳定度分级（p.s)根据风速，太阳高度角，云量等气象条件
6、，将稳定度分为： A 极不稳定 B 不稳定 C 弱不稳定 D 中性 E 弱稳定 F 稳定（P156,表7-4） 特纳尔分级法：,r,rd,熏烟型,0r-rd,熏烟型,三 污染源源强计算 （1） 源强： 根据污染源的形状的差异，大气污染源： 根据排放的时间特征可分为： （2）最常用的经验估算法 A 连续点源排放量一般估算公式： B 燃煤的SO2气态污染物产生速率估算： C 流动源SO2气态污染物产生速率估算（燃油）,面源（重量/单位时间.单位面积）线源 （重量/单位时间.单位长度）点源,瞬时排放源 （g, kg, ton）连续排放源 （g/s, kg/s, ton/s）,产生量 排放因子 耗量
7、治理去除率i:污染物编号,S+O2 = SO2,产生量 分子量加倍 耗油量 含硫量,D 燃煤烟尘产生量与排放量估算 烟：黑烟指烟气中未完全燃烧的炭粒 灰分：煤炭中不能燃烧的部分 四 大气箱式模型一 单箱模型基本假定:(1)把所研究的大气空间范围视作一个箱子下底是地面，一顶是混合层顶，前起自上风向某处(如城市区域上风向边缘)，后止下风向某处(城市区域下风向边缘)，左右限于横风向(垂直于风向)城市范围之内，(2)设定横风向没有质量交换(无横向扩散)，地面和上风向有质量流入，下风向有质量流出，箱内各种物质浓度则处处相等。,排放量 耗煤量 含灰量 烟气中烟尘占灰分百分比 除尘器除尘效率,箱内各种物质的
8、质量平衡方程可写为：若K=0，则控制方程为 以上控制方程的初始条件为：t=0时，C=C0；其解析解为：,推流通量uc0,Q,b,h,l,uc,浓度时间变率 风速 入箱浓度 出箱浓度 地面源强 裒减速率,lbh体积 bh迎风面面积 lb地面面积 lbh体积 箱内平均浓度m3 m2 m2 m3 g/m3,当t=时，若K0，则其解析解为：当t=时，二、多箱模型： 在纵向和垂直向把单箱分为多箱，以考虑纵向和垂直向大气污染物的不均匀分布，但横向还是作为一个箱体，不考虑横向浓度的不均匀分布。,4*4 箱式模型图设垂直方向各小箱箱体高都为h，而箱体宽都为w(整个城市之宽度),第一个小箱之质量平衡方程(稳态）
9、：,u1c01,u2c02,u3c03,u4c04,z,u,Q1,Q5,Q9,Q11,c1,c2,c3,c4,u1c1,Fick定律,上风向输入量 下风向输出量 地面输入量 向上输出量=垂直扩散系数面积浓度梯度,令：,(1),w,对于中间层( i = 2, 3 )：改写 :对于顶层( i = 4 ),向上层扩散输出 由下层扩散输入,上风向推流输入 下风向推流输出,上风向推流输入 下风向推流输出 由下层扩散输入,(2),(3),a1+e1 -e1 0 0 C1 Q1l + a1C01 -e1 a2+e1+e2 -e2 0 C2 a2 C02 0 -e2 a3+e2+e3 -e3 C3 = a3
10、C03 0 0 -e3 a4+e3 C4 a4 C04,A C = D,C= A-1 D,由（1）（2）（3）方程构成矩阵：,高斯点源扩散模型 大气污染物在大气中的运动，一般呈三维运动，其基本运动方程为： 一 地面源、无边界模型 （一） 瞬时排放 （1）一般烟团模型(无边界，k=0)控制方程为：,解析解为：,ux,x,z,y,地面,*,当：x=uxt, y=uyt, z=uzt时 ，即空中气团中某点得到最大值。,令(2)瞬时排放，有主导风向ux, 但uy, uz,忽略解析解：当：x=uxt, y=0, z=0时 ，即地面x轴上某点得到浓度最大值。,X方向分布,y方向分布,z方向分布,x=uxt
11、,（二）大气污染物连续稳定排放情况下的扩散若忽略污染物在纵向的扩散(宏观推流速度u扩散速度x)，则控制方程可简化为 ：此时有解析解代入,源点,c,y,c,z,烟轴,x,*,所求点至烟轴面的距离,二。高架点源的气态污染物连续排放情况下的扩散对于热烟气或向上喷放的烟囱排放，烟气的排放高度(He)包括二部分：烟囱物理高度(HS)和烟气抬升高度(H)。即：He = HS + H 。He又称有效高度。高空排放的烟气，向下扩散要受到地面边界的反射，设反射系数为 (一般小于1，即有部分大气污染物被地面所吸收， =1为全反射，地面不吸收该大气污染物)，则方程的解 ：,x,烟轴,*,z,He,x,图像为 :（1
12、）地面浓度估算模型 （2）地面轴线浓度估算模型：（3）最大落地浓度估算模型：设k=0, =1，此时浓度估算模型可简化为：,*,He,z-He,z-He,z-He,z-He,z-He,z,z+He,实源,虚源,y方向浓度分布,地面烟轴(断线最大浓度）,因：估算模型可变为 ：当 时， 有极值两边求导：此式可用于反求满足一定地面浓度限制条件下的He ：,即在某个x处，,（4） 逆温条件下的浓度估算模型：此时，大气污染物将在垂直方向受到地面和高空逆温层的多次反射，某计算点处的污染物浓度将是直接影响与多次反射影响之和公式见P138,7-33,D,*,H,逆温层,虚源,三。高架多点源连续排放模型,*,（x
13、,y,z),（x1,y1,z1,H1),（x2,y2,z2 H2),（xi,yi,zi Hi),ux,不考虑地面反射：,污染源i的坐标,各污染源到所求点的标准差,高架点源的可沉降颗粒物连续排放情况下的扩散 当颗粒物粒径 10m时，其受重力影响下沉的速度很小，可忽略，仍可应用气态污染物的浓度估算公式估算浓度。当颗粒物粒径 10m时，其受重力影响下沉的速度较大，使其烟流的中心轴线(最大浓度处)逐渐向地面倾斜。在不考虑地面反射的情况下，可沉降颗粒物的浓度估算公式便为： 为某种可沉降颗粒物在总悬浮颗粒物中所占的比重；vg为该种颗粒物的重力下沉速度；其它符号的物理意义同前,水平烟轴,倾斜烟轴,He,t,
14、vg,*,高斯线源、面源、体源扩散模型 一、线源扩散模型若污染源在空间呈连续线状分布，就组成线型污染源，污染物在此线上均匀排放到大气环境。例如：川流不息的交通干线上汽车废气的排放就可近似为一线源，线源可以看作是多点源求和。1、风向与线源垂直模型（线源无限长）,*,（x,y,z),*,风向,（x,0,z),x,y0/2,y0/2,多点高架公式（复习）,污染源位置,地面点(z=0),2若源很长，且与风向不垂直，90 o 交角 45 o ，则：,3 若线段很长，且与风向平行，此时只有上风向的线段才对计算点有污染贡献： 地面线源对高于地面点的污染贡献 地面线源对地面点的污染贡献： 4 线源与风向交角
15、1 m/s时，被积函数为：,(0,0),(0,-b/2),(0,b/2),(a,0),*(x,y,0),积分位置：X坐标为0 a ，Y坐标为 -b/2 b/2 。得以下方程：,面源源强,对y积分：,对x积分：,三、ATDL模型 若对城市区域划分成一个个1km2 的小面源，各小面源的污染物排放强度各不相同，便可解决复杂的城市面源污染问题。这也相当于在水平方向分成许多箱体的箱模式，即ATDL 设某点(A)上风向有若干个面积相等、但高度不等、源强不等的、边长为b的正方形面源(见示意图)，求地面该点的污染浓度。 根据面源污染计算先对Y积分得：再对X积分得A点的污染浓度：,Qn Q i+1 Q i Q
16、i-1 Q3 Q2 Q1 Q0,A,(2n+1)b/2 (2n-1)b/2 (2i+1) b/2 (2i-1)b/2 7b/2 5b/2 3b/2 b/2,若污染源的源高(Hi)都为0，并令： 则上式可改写为： 令,积分得,则得：,四。模型参数的求法模式参数有：源强、风速、扩散参数、反射率、有效源高、裒减常数、还有混合层厚度、大气颗粒污染物还有干沉降速度、线源面源体源还有其几何尺度等等。（一）大气稳定度 （复习）（二）大气扩散参数(标准差y,z)大气扩散的重要性质是在垂直于污染物迁移(推流)方向上，存在污染物浓度的正态分布，其标准差y与z是高斯扩散模式的重要参数。它们分别表示横风向与垂直向扩散
17、程度的大小，是纵向(下风向)距离(x)和大气稳定度的函数。一般可表达为：式中,b, p,q 是稳定度的函数，具体取值见类似于p.126上之表6-17。（三）混合层厚度(D)指地面排放的大气污染物可能达到的高度，其值主要取决于高空逆温条件，具体可用气象条件求得。高空逆温层底即为混合层厚度。,不稳定、中性：,稳定：,地转参数,边界层系数,边界层系数,（四）风速(u)高斯扩散模型中的风速，理论上应是竖向平均风速风速，但由于烟轴高度是众多因子的函数，不是一个常数高度，一般就取烟囱排放口的高度(几何高度)，此高度上的风速不等于气象部门提供的地面风速(实为10米高度上的风速)，需作高度订正：1任一高度风速
18、： 式中，m是稳定度的函数，取值见p.122上之表6-9。2 竖向平均风速：（五）烟气抬升高度(H )高斯扩散模型中的烟轴高度指的是烟气排放的有效高度(He)，而不是烟囱口的几何高度(HS)。二者之差即为烟气抬升高度(H )。烟气抬升有热力和动力二种原因。前者由热浮力驱使，后者由向上的动力驱使。一般热烟气排放二种抬升都有。但大热源的热力抬升比其动力抬升要大得多，此时可略去动力抬升只计算热力抬升即可。具体抬升高度是烟气的热排放量、烟气出烟囱口速度、风速、大气稳定度的函数。具体又可分为：,烟气的热释放率选用抬升公式时首先需要考虑烟气的排放因素，计算出烟气的热释放率。烟气的热释放率是指单位时间内向环
19、境释放的热量，即：T 是烟气温度与环境温度的差值, QN 是烟气折合成标准状态时的体积流量（NM3/s）CP 是标准状态下的定压热容( =1.298 KJ/度.NM3)。烟气以实际出口温度TsK ,排烟流量Qv m3/s 1、小热源，中性，有风时的烟气抬升公式(Holland,1953)：,动力抬升项， 热力抬升项,定压比热容,气体常数,N,p,H,TQ,C,Q,D,=,单位时间排出烟气质量,1kg物体在某一过程中，每升高（或降低）（1k）单位温度时从外界吸收（或放出）的热量。如传递的热量为 Q温度改变T时，物体在该过程中的热容C被定义为 ：,2、布里格斯公式对于高烟囱、Qh 20920 (k
20、J/s，千焦耳/秒)，有风、中性和不稳定条件3 我国常用公式我国在中华人民共和国环境保护行业标准（HJ/T 2.2-93）环境影响评价技术导则-大气环境中，按不同情况指定选用相应的抬升公式。（1） 有风时，中性和不稳定条件，热释放率QH 大于或等于2100KJ/s，且烟气温度与环境温度的差值T 大于或等于35K 时，H 采用下式计算：,公式系数表（2） 有风时，中性和不稳定条件，当热释放率Qh 1700kJ/s,或者T35K 时，（可以看出这一情况使用的是霍兰德公式）。（3） 有风时，中性和不稳定条件，当1700Qh2100(KJ/s),式中,（4）当有风、稳定层结时 式中 是垂直方向气温梯度
21、（K/m），0.0098（K/m）是干绝热直减率d 的取值。（5）当风速为小风、静风时,式中,某城区有一边长1500*1500米的正方形区域，该区域二氧化硫的排放量为5000mg/s，区内排放源的有效源高15米，大气稳定度为E类，u为3m/s,求其下风向1500米处的二氧化硫的浓度贡献。,华北平原某电厂，烟囱高度120米，出口内径6米，排气量：60标准立方米/秒，出口温度145度，当地平均温度11度，风速3.5米/秒，大气压为1个标准大气压，计算烟气在B类稳定度情况下的抬升高度,一大气压=1013.25百帕,某工厂一个烟囱，有效源高45米，排放强度90g/s,有一地点距离该厂1500米，方位2
22、03度的地方，稳定度为c，风向为30度，u为3米/秒，计算该点污染物浓度度多少,90度,270度,203度,1500米,180度,风向,30度,3 水平方向水体一般都有边界(除尺度特别大的海洋问题外)，必须考虑水平边界对水流、水体污染物的限制、吸附、反射影响；大气一般水平向无边界，不需考虑水平边界对气流、大气污染物的限制、吸附、反射影响，除非地形特别复杂的山区才需要考虑二侧高山对气流、大气污染物的限流、吸附、反射影响；4大气污染主要是由于燃料的燃烧、汽车尾气的排放以及某些工厂排出的有害气体造成的。目前比较引人注意的污染物是粉尘、可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等。5 按照污染物的排放方式，可以将大气污染源分为点源、线源和面源。随着所处大气环境和污染物排放方式的不同，计算大气环境影响的模型也不同。,推导：在x方向上立方体内污染物在t1 t2时段内的变化量：在单位时间内的变化量： 推流作用 扩散作用,
