(精选)大气污染物扩散模式
大气污染扩散及浓度估算模式概述
大气污染扩散及浓度估算模式概述大气污染是指空气中某些物质或能量的浓度超过了一定的标准，对人类健康、生态系统和环境产生一定危害的现象。
而大气污染扩散及浓度估算模式则是一种基于数学、物理学原理的模拟工具，用来描述和预测大气污染物在大气中的扩散传播过程及其浓度分布情况。
扩散模式的基本原理大气污染物的扩散传播是受到气象条件、地形地貌、大气污染物排放源等多种因素的影响。
因此，扩散模式一般包括了以下几个基本原理：1.对流扩散：大气中的对流运动是造成大气污染物扩散的主要因素之一。
通过对流运动，大气中的污染物会随着空气的流动在近地层逐渐扩散。
2.湍流扩散：湍流是大气中涡动和乱流的运动形式，对大气污染物的扩散传播起着重要作用。
湍流扩散模式一般基于大气边界层内的湍流动力学理论建立。
3.稳定度影响：大气的稳定度会影响大气污染物的扩散情况。
在稳定的大气层中，扩散较小，而不稳定的大气层则容易形成污染物下沉和较大范围的扩散。
4.地形地貌影响：地形地貌会对大气污染物的扩散产生重要的影响，如山脉、山谷等地形特征会对污染物传播产生局部影响。
浓度估算模式的发展随着大气环境科学的发展和计算机技术的进步，大气污染扩散及浓度估算模式得到了长足的发展。
目前，常用的大气污染扩散及浓度估算模式主要包括了以下几种：1.高斯模型：高斯模型是最简单的扩散模型之一，假设大气污染物的传播呈现高斯分布。
其适用于平坦地形、均匀排放源的情况。
2.拉格朗日模型：拉格朗日模型是一种基于粒子运动轨迹的扩散模式，可以更准确地描述污染物的扩散传播路径。
3.欧拉模型：欧拉模型是一种基于流体动力学方程的扩散模型，适用于描述大气边界层内的湍流扩散过程。
4.数值模拟模型：数值模拟模型是最常用的大气污染扩散及浓度估算模式之一，利用数值计算方法对复杂的大气扩散传播过程进行模拟。
应用及展望大气污染扩散及浓度估算模式在环境保护、城市规划、应急响应等领域具有重要的应用意义。
通过对大气污染物的扩散传播过程进行模拟和预测，可以帮助政府及相关部门制定合理的环境政策和控制措施。
大气污染扩散模型
第一节大气污染物的扩散一、湍流与湍流扩散理论1.湍流低层大气中的风向是不断地变化，上下左右出现摆动；同时，风速也是时强时弱，形成迅速的阵风起伏。
风的这种强度与方向随时间不规则的变化形成的空气运动称为大气湍流。
湍流运动是由无数结构紧密的流体微团——湍涡组成，其特征量的时间与空间分布都具有随机性，但它们的统计平均值仍然遵循一定的规律。
大气湍流的流动特征尺度一般取离地面的高度，比流体在管道内流动时要大得多，湍涡的大小及其发展基本不受空间的限制，因此在较小的平均风速下就能有很高的雷诺数，从而达到湍流状态。
所以近地层的大气始终处于湍流状态，尤其在大气边界层内，气流受下垫面影响，湍流运动更为剧烈。
大气湍流造成流场各部分强烈混合，能使局部的污染气体或微粒迅速扩散。
烟团在大气的湍流混合作用下，由湍涡不断把烟气推向周围空气中，同时又将周围的空气卷入烟团，从而形成烟气的快速扩散稀释过程。
烟气在大气中的扩散特征取决于是否存在湍流以及湍涡的尺度(直径)，如图5－7所示。
图5－7（a）为无湍流时，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，烟团的扩散速率非常缓慢，其扩散速率比湍流扩散小5～6个数量级；图5－7（b）为烟团在远小于其尺度的湍涡中扩散，由于烟团边缘受到小湍涡的扰动，逐渐与周边空气混合而缓慢膨胀，浓度逐渐降低，烟流几乎呈直线向下风运动；图5－7（c）为烟团在与其尺度接近的湍涡中扩散，在湍涡的切入卷出作用下烟团被迅速撕裂，大幅度变形，横截面快速膨胀，因而扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；图5－7（d）为烟团在远大于其尺度的湍涡中扩散，烟团受大湍涡的卷吸扰动影响较弱，其本身膨胀有限，烟团在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。
实际上烟云的扩散过程通常不是仅由上述单一情况所完成，因为大气中同时并存的湍涡具有各种不同的尺度。
根据湍流的形成与发展趋势，大气湍流可分为机械湍流和热力湍流两种形式。
机械湍流是因地面的摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，或者由于地面障碍物(如山丘、树木与建筑物等)导致风向与风速的突然改变而造成的。
大气污染物扩散模式
四、烟流型与大气稳定度的关系
波浪型（不稳）
锥型（中性or弱稳）
扇型（逆温） 爬升型（下稳，上不稳） 漫烟型（上逆、下不稳）
第二节 高斯扩散模式
一、高斯模式的有关假定
（一）坐标系 原点为排放点或高架源排放点在地面上的
三、高架连续点源扩散模式
（一）实际浓度
镜像全反射---->像源法
实源： c(x, y, z, H z)
像源： c(x, y, z, H z)
实源的贡献
c(x, y, z, H ) Qq exp( y2 ) exp[ (z H )2 ]
2 u y z
2
2 y
2
2 y
像源的贡献
c(x,
车流量 Ql = 平均车速 ×每辆车单位时间污染物排放量
c(x,0,0)
2Ql
2 u
z
• exp
H
2 e
2
2 z
（三）形成原因与两种形式 热力：温度垂直分布不均（不稳定） 机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度
二、大气稳定度
（一）概念
指气层的稳定度，即大气中某一高度上的气团在垂直方 向上相对稳定的程度。
受密度层结和温度层结共同作用。
外力使气块上升或下降 气块去掉外力
气块减速，有返回趋势，稳定 气块加速上升或下降，不稳定 气块停在外力去掉处，中性
H
2 2
1
2
（五）地面连续点源扩散模式（令H＝0）：
c(x,
y, z, 0)
u y z
exp[(
y2
2
2 y
大气污染物迁移与扩散模拟模型
大气污染物迁移与扩散模拟模型近年来，随着工业化的迅猛发展，大气污染问题成为世界各国共同面临的挑战。
大气污染物的迁移与扩散模拟模型的研究，对于理解和预测大气污染物的传播路径和浓度分布具有重要意义。
大气污染物的迁移与扩散过程受到多种因素的影响，包括气象条件、地形地貌和污染源的特征等。
为了将这些复杂情况模拟并预测大气污染物的迁移与扩散，研究者们开发了各种模拟模型。
在大气污染物迁移与扩散模拟模型中，气象条件起着重要的作用。
气象因素如风速、风向和大气稳定度可以直接影响污染物的传播路径和浓度分布。
通过使用气象数据，可以对大气污染物的迁移与扩散进行预测和模拟。
此外，地形和地貌也对大气污染物的传播具有重要影响。
地形中的山脉、山谷和河流等地貌特征会影响风的流动，从而改变污染物的传播路径和浓度分布。
通过对地形和地貌的建模，并与气象数据结合，可以更准确地模拟大气污染物的迁移与扩散过程。
污染源的特征也是影响大气污染物迁移与扩散的重要因素。
不同污染源的类型和排放强度将影响污染物在大气中的浓度分布。
对于不同类型的污染源，研究者们利用不同的排放模型进行模拟和预测。
通过与实际监测数据进行对比验证，可以提高模拟模型的准确性。
在大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究中，数学模型和计算机模拟技术起着核心作用。
利用数学和物理方程来描述气象条件、地形地貌和污染源的特征，再结合计算机模拟技术进行模拟计算和预测。
这些模型可以提供各种研究大气污染问题的工具和方法。
近年来，随着计算机性能的提升和数据获取的便捷，大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究也得到了迅猛发展。
研究者们不断改进和完善模型，提高其预测准确性和适用性。
同时，也将模型与实际监测数据相结合，对模拟结果进行验证和修正，以提高模拟模型的可靠性。
大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究对于环境管理和政策制定具有重要意义。
通过预测和模拟大气污染物的传播路径和浓度分布，可以为各国政府提供科学依据，制定相关政策和措施来减少大气污染。
大气污染控制工程_第四章_大气污染浓度估算模式
太阳高度角
云量
日射等级
稳定度
风速
② 利用扩散曲线确定扩散参数 y 和 z
水平扩散参数
垂直扩散参数
P－G曲线的应用
地面最大浓度估算
由 H 和 z
x xm
H 2
z
由 z ~ x 曲线（图 曲线（图4-5） 反查出 xcmax 由 y ~ x 曲线（图 曲线（图4-4）查 y
( 1 ) 当 Q H 2 1 0 0 k W 和 (Ts Ta ) 3 5 K 时 H n 0Q H
n1
Hs
n2
u
1
Q H = 0 .3 5 Pa Q V
T Ts H 1)
T Ta Ts
(2)当1700 kW Q H 2100 kW 时 Q H 1700 2 400 2 (1 .5 v s D 0 .0 1Q H ) 0 .0 4 8 ( Q H 1 7 0 0 ) H 1= u u (3)当 Q H 1700 kW 或 T 35K 时 H =H 1 (H 2 (1 .5 v s D 0 .0 1Q H ) u ( 4 ) 当 1 0 m 高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于 1 .5 m /s 时 H = H = 5 .5 Q H 1 / 4 ( d Ta 0 .0 0 9 8 ) 3 / 8 dz
总贡献：
源强
有效源高
Q y2 ( z H )2 ( z H )2 q( x, y, z；H ) exp( 2 ) {exp[ ] exp[ ]} 2 2 2 y 2 z 2 z 2 u y z
平均风速
扩散参数
三、高架点源地面扩散模式
大气污染物扩散模式
2
• 平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级
• 工业区和城市中心区，C、D、E、F向不稳定方向提一级
• 丘陵山区的农村或城市，同工业区 • 取样时间大于0.5h， 不变，
z
y y ( 2 )q 1
2 1
例：在C级大气稳定条件下,求高架点源下风向800米处的扩散参数.
2 qL H2 ( x,0,0, H ) exp( 2 ) 2 z 2 π u z sin
有限长线源
2qL H 2 P2 1 P2 ( x,0,0, H ) exp( ) exp( )dP P 2 z 1 2π 2 2 π u z
37
城市大气扩散模式
2.面源扩散模式 大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量<0.04t/h
像源的贡献
q y 2 ( z H )2 c( x, y , z, H ) exp[ ( 2 )] 2 2 y 2 z 2 π u y z
实际浓度
q y2 ( z H )2 ( z H )2 c( x, y , z, H ) exp( 2 ){exp[ ] exp[ ]} 2 2 2 y 2 y 2 z 2 πu y z
z y
图4-5
图4-4
式4-10
27
例题4-3
计算地面最大浓度.
28
2.中国国家标准规定的方法
• （１）稳定度分类方法
太阳高度角 （式4-29） 辐射等级 稳定度
地面风速
云量
29
2.中国国家标准规定的方法
• （２）扩散参数的选取
• 扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）
空气污染物的扩散模式
線 污染源
若二者之間的夾角為θ， 且θ大於450，則濃度分佈 須修正為：
2 2Q 1 H C x, o, H exp 2 z u z sin
19
空氣污染物的衰減
放射性物質的衰減可依一階衰減率定律表示當放射性物質 的衰減量為原來質量的一半，其所經歷的時間稱為半衰期 (half-life)
20
模式的限制
1. 模式假設煙柱為穩定狀態，如果氣流隨時間的變化量極大 ( 如風向及風速 )，則公式並不適用。 2. 公式中考慮了「鏡像法」，但當污染物接觸地面時，地表 土壤、植物及建築物等能吸收部份的空氣污染物，亦會阻 礙反射作用，另外污染物中的粒狀物質會發生沉降作用， 因此模式的正確性受到限制。 3. 擴散模式中並未考慮空氣污染物的衰減。先前一次衰減率 定律對碳氫化合物及氮氧化物等無法用一次微分方程加以 說明。此外，模式中亦未考慮到其他污染物的生成。 4. 雖然擴散係數的求取過程考慮了氣象因素，然而忽略了溫 度對擴散係數的影響或其他諸如污染物本身的物理及化學 特性等。同時模式亦未考慮地形對濃度擴散的效應。
21
固定盒模式(Fixed-Box Model)
模式的假設有： 1. 城市為四方形，其中 x 軸方位平行風向。 2. 大氣擾動所造成空氣污染物的混合，完全發生於混 合層高 H 以下，而 H 以上則沒有混合。 3. 使得盒中污染物的濃度呈現均一。 4. x 軸方向的風速定值，不因時間、高程、及地點等 而變。 5. 城市上風處的背景濃度為固定值 b。 6. 城市空氣污染物的溢散率為 Q。 7. 沒有污染物自盒的頂面或平行風向的平面進出。 8. 污染物在大氣中沒有衰減或產生的現象。
vs h d u
1.4
第04章 大气污染扩散模型——环境保护概论课件PPT
积分，可以解出四个未知数：得到高斯模式
c(x, y, z)
q
2 u y z
exp[(
y2
2
2 y
z2
2
2 z
)]
高斯烟流的形态
c(x, y, z) q exp[( y 2 z 2 )]
2 u y z
2
2 y
2
2 z
高架连续点源扩散模式
镜像全反射---->像源法 实源： c(x, y, z, H z) 像源： c(x, y, z, H z)
湍流扩散理论
主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系
1.梯度输送理论
➢ 欧拉坐标，固定空间某一点为研究对象 ➢ 理论基础：质量守恒定律，把扩散类似分子扩散，污染物
的扩散速率与负浓度梯度成正比，脉动值用平均值代替。
2.湍流统计理论
➢ 拉格朗日方法，空间微团为研究对象 ➢ 理论基础：解决扩散参数时用二元相关理论：方差、概率 ➢ 泰勒公式；萨顿实用模式；高斯模式
H
n 0Q H n1
H
n2 s
1
u
Q H =0.35
Pa Q V
T Ts
T Ta Ts
(2)当1700kW QH 2100kW 时
H
=H
1
(H
2
H 1)
QH
1700 400
H 1=
2 (1 .5vs D
u
0 .0 1Q H )
0.048(Q H u
1700)
(3)当 QH 1700kW 或 T 35K时
exp(
H2
2
2 z
)
上式，x 增大，则 y 、 z 增大，第一项减小，第二 项增大，必然在某x 处有最大值
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地 面 轴 线 浓 度 模 式 ： 再 取 y=0代 入 上 式
c(x,0,0,H)πuqyzexp(2H 2z2)
地面最大浓度模式：
考虑地面轴线浓度模式q NhomakorabeaH2
c(x,0,0,H)
πuyz
exp(2z2)
上式，x增大，则y、 z 增大，第一项减小，第二
项增大，必然在某x处有最大值
高架连续点源扩散模式
湍流的基本概念
湍流——大气的无规则运动
风速的脉动 风向的摆动
起因与两种形式
热力：温度垂直分布不均（不稳定） 机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度
湍流扩散理论
主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系
1.梯度输送理论
➢ 类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比
2.湍流统计理论
（3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方 法”(GB/T13201-91)中的公式
( 1 ) 当 Q H 2 1 0 0 kW 和 (Ts Ta ) 3 5 K 时
H
n 0Q H n1 H
n2 s
1
u
T Q H = 0 .3 5 PaQ V T s
T
(2)当 1700kW Q H 2100kW 时
当 QH21000kW时
x10Hs
H=0.362QH1/3x2/3u1
x10Hs
H=1.55QH1/3Hs2/3u1
当QH 21000kW时
x3x*
H=0.362QH1/3
x1/3
1
u
x3x*
H=0.332QH3/5
H2/5 s
x*=0.33QH3/5
H3/5 s
6/5
u
烟气抬升高度的计算
抬升高度计算式 （续）
积 分 ， 可 以 解 出 四 个 未 知 数 ： 得 到 高 斯 模 式
c(x,y,z)2πu qyzexp[(2y 2y 22z2z2)]
高斯烟流的形态 c(x,y,z)2πu qyzexp[(2y 2y 22z2z2)]
高斯烟流的浓度分布
高斯烟流中心线上的浓度分布
高架连续点源扩散模式
镜像全反射---->像源法
无界空间连续点源扩散模式
由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布 c(x,y,z)A (x)eay2ebz2
方差的表达式
y 2cdy
2 y
0
0 cdy
z2cdz
2 z
0
0 cdz
由假定d 源强积分式
（单位时间物料守恒） q
ucdydz
c 未 知 数 ： 浓 度 ， 待 定 函 数 A ( x ) ， 待 定 系 数 a ,b （ 2 1 2）
李艳广
大气污染物扩散模式
1
大气污染物扩散模式
1.湍流扩散的基本理论 2.高斯扩散模式 3.污染物浓度的估算方法 4.特殊气象条件下的扩散模式 5.城市及山区的扩散模式 6.烟囱高度设计
第一节 湍流扩散的基本理论
扩散的要素
风：平流输送为主，风大则湍流大 湍流：扩散比分子naturally扩散快105～106倍
c (x ,y ,z,H ) q e x p (y 2){ e x p [ (z H )2] e x p [ (z H )2]}
2 π uy z
2y 2
2y 2
2z 2
高架连续点源扩散模式
地 面 浓 度 模 式 ： 取 z＝ 0代 入 上 式 ， 得
c(x,y,0,H)πuqyzexp(2y 2y 2)exp(2H 2z2)
➢ 泰勒－>正态分布 ➢ 萨顿实用模式 ➢ 高斯模式
第二节 高斯扩散模式
高斯模式的有关假定
坐标系
右手坐标，y为横风向，z为垂直向
四点假设
a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 b．全部高度风速均匀稳定 c．源强是连续均匀稳定的 d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）
高斯扩散模式
高斯扩散模式的坐标系
粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算
大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式
c (x ,y ,0 ,H ) 2 (1 π u a y )q ze x p ( 2 y2 y 2)e x p [ (H 2 v tx z 2/u )2]
vt
d p2 pg 18
地面反射系数
第三节 污染物浓度的估算
实源： c(x,y,z,Hz)
像源： c(x,y,z,Hz)
实 源 的 贡 献
c(x,y,z,H )2πu qyzex p [ (2 y 2y 2(z2 H y 2)2)]
像 源 的 贡 献
c(x,y,z,H )2πu qyzexp[ (2 y 2y 2(z2 H z 2)2)]
实 际 浓 度
H v s u D ( 1 .5 2 .7 T s T s T aD ) u 1 ( 1 .5 v s D 9 .6 1 0 3 Q H ) ➢Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下
烟气抬升高度的计算
抬升高度计算式（续）
（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件
q 源强 计算或实测
u 平均风速 多年的风速资料
H 有效烟囱高度
y 、 z 扩散参数
1.烟气抬升高度的计算
有 效 源 高 H H s H
H s ― ― 烟 囱 几 何 高 度 H― ― 抬 升 高 度
烟气抬升
初始动量： 速度、内径 烟温度 －>浮力
烟气抬升高度的计算
抬升高度计算式
（1） Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小， 不稳时增加10％～20％）
地面最大浓度模式（续）：
设 y z const （实际中成立）
dc(x,0,0,H) 0
dz
由此求得
cmax
2q πuH2e
z y
H
| 2 z xxcmax
地面源高斯模式（令H＝0）：
c(x,y,z,0) q
πuyz
exp[(2y2y2
2z2z2)]
相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）
颗粒物扩散模式
Ta Ts
H
=H
1
( H
2
H
1) Q
H
1700 400
H
1=
2 (1 .5 v sD
u
0 .0 1Q H )
0 .0 4 8 (Q H u
1700)
(3)当 Q H 1700kW 或 T 35K 时
H = 2 (1 .5 v sD 0 .0 1Q H ) u
( 4 ) 当 1 0 m 高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于 1 .5 m /s时
H
=
5
.5
Q
( 1 / 4
H
d Ta dz
0 .0 0 9 8 ) 3 /8
扩散参数的确定
P－G曲线法
P－G曲线Pasquill常规气象资料估算 Gifford制成图表