環(huán)境系統(tǒng)分析教程之箱式大氣質(zhì)量模型

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1、Computer Science | Software Engineering & Information System環(huán)境系統(tǒng)分析教程環(huán)境系統(tǒng)分析教程第第1313講講第六章第六章 大氣質(zhì)量模型大氣質(zhì)量模型 l基本假設(shè)：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。l可以分為單箱模型和多箱模型箱式大氣質(zhì)量模型箱式大氣質(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

2、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、單箱模型一、單箱模型1. 基本假設(shè)：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，箱子的高度是由地面計(jì)算的混合層高度h。推流通量uc0 Q b hl uc一、單箱模型一、單箱模型2. 基本模型基本模型推流通量uc0 Q b hl uckClbhlbQC)ubh(ClbhdtdC0C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. 模型的解模型的解一、單箱模型一、單箱模型lbQCCubhdt

3、dClbh)(010tlueuhQlCC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： uhQlCCP0當(dāng)t=時(shí)，若K0，則其解析解為：當(dāng)t=時(shí)，1 )(00tKlueKluKChQCCKluKChQCCP00思考思考已知某工業(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%，SO2轉(zhuǎn)化率為85%，試用單箱模型估計(jì)該地區(qū)的SO2濃度。二、多箱模型二、多箱模型l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

4、，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。l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。第六章第六章 大氣質(zhì)量模型大氣質(zhì)量模型 l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：kc)zC(Ez)yC(Ey)xC(ExzCuyCuxCutCzyxzyx忽略污染物擴(kuò)散過程中自身的衰減，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：)zC(Ez)yC(Ey)xC(ExxCutCzyxxl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：222222zCEyCExCExCutCz

5、yxx各種高架點(diǎn)源模型的基礎(chǔ)一、無邊界的點(diǎn)源模型一、無邊界的點(diǎn)源模型1. 瞬時(shí)單煙團(tuán)正態(tài)擴(kuò)散模型瞬時(shí)單煙團(tuán)正態(tài)擴(kuò)散模型z2zy2yx2xzyx23Et)u(zEt)u(yEt)u(x4t1expEEEt)8(Mt)z,y,C(x,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：t2Et2Et2Ez2zy2yx2x，令三個(gè)坐標(biāo)方向上的污染物分布的標(biāo)準(zhǔn)差為：1.

6、瞬時(shí)單煙團(tuán)正態(tài)擴(kuò)散模型瞬時(shí)單煙團(tuán)正態(tài)擴(kuò)散模型2z2z2y2y2x2xzyx32t)u(z2t)u(y2t)u(xexp8Mt)z,y,C(x,2. 無邊界有風(fēng)的點(diǎn)源模型無邊界有風(fēng)的點(diǎn)源模型l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。2z22y22x2xzyx32z2y2t)u(xexp8Mt)z,y,C(x,3. 無邊界無風(fēng)的瞬時(shí)點(diǎn)源模型無邊界無風(fēng)的瞬時(shí)點(diǎn)源模型l在無風(fēng)的條件下，ux=02z22y22x2zyx32z2y2xexp8Mt)z,y,C(x,l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

7、擴(kuò)散作用。4. 無邊界連續(xù)點(diǎn)源模型無邊界連續(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2z22y2zyxzy21exp2Qt)z,y,C(x,二、高架連續(xù)排放點(diǎn)源模型二、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？l煙囪的有效高度=物理高度+煙氣抬升高度；物理高度：物理高度：煙囪實(shí)體的高度；煙氣抬升高度：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。l 煙云抬升的原因有兩個(gè)：是煙囪出口處的煙

8、流具有一初始動(dòng)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。l 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。l高架源須考慮到地面對(duì)擴(kuò)散的影響。l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：2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 實(shí)源的貢獻(xiàn)實(shí)源的貢獻(xiàn)222

9、2()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu 實(shí)源的貢獻(xiàn)實(shí)源的貢獻(xiàn)（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：2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像源的貢獻(xiàn)像源的貢獻(xiàn)2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu 像源的貢獻(xiàn)像源的貢獻(xiàn)高斯模型高斯模型思考思考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

10、布。（y=2.06x0.61；z=0.10 x1.01）1. 高架連續(xù)點(diǎn)源的地面濃度模型高架連續(xù)點(diǎn)源的地面濃度模型l令z=0，得：2. 高架連續(xù)點(diǎn)源的地面軸線濃度模型高架連續(xù)點(diǎn)源的地面軸線濃度模型l令y=0，z=0，得：3. 高架連續(xù)點(diǎn)源最大落地濃度模型高架連續(xù)點(diǎn)源最大落地濃度模型當(dāng)當(dāng)z2ex*4EHuxxy2exzy2exze*maxeHeu2QEHeuE2Q)H,0,0,C(x)HC(x,0,0,4. 煙囪有效高度的估算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囪的有效高度He*maxyxz*eC(x,0,

11、0)eu2Q H思考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：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

12、的擴(kuò)散模型1. 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：地面顆粒物濃度計(jì)算模型：2. 當(dāng)顆粒物的粒徑大于10 m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：第六章第六章 大氣質(zhì)量模型大氣質(zhì)量模型 一、線源模型一、線源模型l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

13、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。1.無限長(zhǎng)線源模型2.有限長(zhǎng)線源模型3.線源分段求和模式二、面源模型二、面源模型l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)1.簡(jiǎn)化模型2.點(diǎn)源積分模型3.大氣湍流與擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)室（ATDL）模型第六章第六章 大氣質(zhì)量模型大氣質(zhì)量模型 一、大氣邊界層一、大氣邊界層l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。l大氣中，對(duì)流層內(nèi)貼近地表面約

14、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（大氣邊界層（ABLABL）。低低層層大大氣氣結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)二、小風(fēng)、靜風(fēng)擴(kuò)散模型二、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u100.5m/s時(shí)作為靜風(fēng)情形。l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、熏煙模型三、熏煙模型l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，由其本身的下沉和垂直方向的強(qiáng)擴(kuò)散作用，污染物濃度在這一方向?qū)⒔咏诰鶆蚍植?，造成地面高濃度污染，出現(xiàn)所謂熏煙現(xiàn)象熏煙現(xiàn)象。熏煙的含義四、復(fù)雜地形擴(kuò)散模型四、復(fù)雜地形擴(kuò)散模型l狹長(zhǎng)山谷擴(kuò)散模型l山區(qū)丘陵模型五、干濕沉積及化學(xué)轉(zhuǎn)化模型五、干濕沉積及化學(xué)轉(zhuǎn)化模型1. 定義定義2. 源衰減模型源衰減模型基本思路：基本思路：在常數(shù)源強(qiáng)的點(diǎn)源擴(kuò)散模型基礎(chǔ)上，將由于沉積或化學(xué)轉(zhuǎn)化作用引起的濃度隨擴(kuò)散距離而降低看作是源強(qiáng)的衰減