——向自然學習

熱愛自然、保護自然、自然和諧相處，我們就會從自然中獲得智慧和靈感仿生設計——向自然學習熱愛自然、保護自然、自然和諧相處，我仿生學在20世紀60年代，1960年9月13日，在美國召開的第一屆仿生學研討會上，斯蒂爾博士首次提出了仿生學(Bionics)的概念，并定義仿生學是模仿生物系統的原理來建造技術系統，或者使人造技術系統具有或類似于生物系統特征的科學，簡而言之，仿生學就是“模仿生物的科學”。仿生學在20世紀60年代，1960年9月13日，在美國召開的性質仿生學是生物學、數學和工程技術學相互滲透而結合成的一門模仿生物系統并具有生物系統特征或類似特征的新興邊緣科學。性質仿生學是生物學、數學和工程技術學相互滲透而結合成的一門模仿生學的研究主要包括三個階段首先是根據工程技術的目標、任務進行生物相關性的基礎研究或者以生物學的發現與研究成果為啟示和基礎篩選出對其他科學技術有意義有價值的內存；然后對基礎研究的成果進行分析、綜合，并提煉、概括出相關理論和概念，揭示內在規律，建立數學模型；最后在前兩個階段的基礎上進入具體模擬研究、試驗制造的應用研究階段，最終創造出人工化的成果。仿生學的研究主要包括三個階段首先是根據工程技術的目標、任務進方法復制不是仿生學的研究目的，對生物系統工作原理的本質認識、理解和應用是最終目標。在這個過程中發散性地進行類比、模擬和模型化是仿生學研究的主要方法，數學模型是從生物原型到應用模型的關鍵。但是對復雜生物系統的認識往往是一個長期的研究過程，并依賴于先進科學技術的支持，需要多學科的交叉、合作，所以仿生學的研究是一個系統工程，存在相當大的難度。方法復制不是仿生學的研究目的，對生物系統工作原理的本質認識、仿生學研究的分支

力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息和控制仿生等電子仿生、機械仿生、建筑仿生、化學仿生、人體的仿生、宇宙仿生等形態仿生、形式美感仿生、功能仿生、結構仿生、機理仿生、色彩仿生、意象仿生仿生學研究的分支力學仿生、分子仿生、能量仿生設計仿生設計學與舊有的仿生學成果應用不同，它是以自然界萬事萬物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“結構”等為研究對象，有選擇地在設計過程中應用這些特征原理進行的設計，同時結合仿生學的研究成果，為設計提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。仿生設計學作為人類社會生產活動與自然界的鍥合點，使人類社會與自然達到了高度的統一，正逐漸成為設計發展過程中新的亮點。仿生設計仿生設計學與舊有的仿生學成果應用不同，它是以自然界眾所周知的例子蝙蝠與聲納定位鳥與飛機船與魚對螢火蟲和海蠅地發光原理的研究，獲得了化學能轉化為光能的新方法，從而研制出化學熒光燈等等。

眾所周知的例子蝙蝠與聲納定位肌理與質感仿生

（以紡織仿生為例）亞馬遜河流域的閃峽蝶因其翅膀的外殼和基部翅瓣中特有的周期性多層結構，使周身散發鉆藍的色彩，具有金屬般的光澤。受此啟發日本帝人公司開發了光顯色纖維。在研究天然蠶絲結構和性能后，成功開發了異形纖維和超細纖維等仿真絲纖維和紡織品。肉色襪肌理與質感仿生

（以紡織仿生為例）亞馬遜河流域的閃峽蝶因其翅我們的服裝與仿生還有哪些關系？孔雀裙、燕尾服、荷葉領、燈籠褲變色龍與迷彩服2008年奧運會上的高科技泳衣美國華盛頓大學的研究人員正在試圖揭示蜘蛛吐出的水溶性蛋白質是如何變成不溶的、強度比防彈背心還要堅韌的絲的奧秘。科學家們已開始運用仿生學理論研制人造蜘蛛絲。我們的服裝與仿生還有哪些關系？孔雀裙、燕尾服、荷葉領、燈籠褲功能仿生水母的順風耳，仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，能提前15小時對風暴作出預報，對航海和漁業的安全都有重要意義。功能仿生水母的順風耳，仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳可惡的蒼蠅給我們的啟示？免疫力（活蠅蛆可接種于傷口之中，起殺菌清創，促進愈合之作用。）平衡能力（飛行器的平衡）嗅覺（傳感器、捕蠅器）棘毛的作用（減粘）超強的生殖能力（蒼蠅具有一次交配可終身產卵的生理特點，一只雌蠅一生可產卵5-6次，每次產卵數約100-150粒，最多可達300粒左右。一年內可繁殖10-12代。每只雌蠅能產生2000個后代，則100只雌蠅只需經過10個世代，繁殖的總蠅數將達到2萬億億個）可惡的蒼蠅給我們的啟示？免疫力（活蠅蛆可接種于傷口之中，起殺由烏龜想到的？生命力強靜——壽命（生命在于運動？）堅硬的外殼（坦克）中國人對烏龜的特殊意象？忍辱負重？高壽？忍垢偷生？由烏龜想到的？生命力強電子蛙眼青蛙的眼睛很奇怪，他們看活動的東西很敏銳，對靜止的東西視而不見。人們從中得到啟示，發明了電子蛙眼。保鮮膜結構仿生例如：食蠅草與發卡電子蛙眼青蛙的眼睛很奇怪，他們看活動的東西很敏銳，對靜止的東結構仿生白蟻冢與建筑仿生白蟻冢具有良好的通風、保溫、保濕功能鋸齒草與鋸（魯班）瑞士獵人喬治從蒼耳屬植物獲取靈感發明了尼龍搭扣。形態仿生天鵝形的觀光船仙鶴音響結構仿生白蟻冢與建筑仿生形態仿生天鵝形的觀光船剪子剪子綜合仿生仿人機器人肌肉和骨骼——現代假肢綜合仿生仿人機器人飛機的誕生1870年，德國人奧托.利連塔爾制造了第一架滑翔機。利連塔爾是十九世紀末的一位具有大無畏冒險精神的人，他望著家鄉波美拉尼亞的鸛用笨拙的翅膀從他房頂上飛過，他堅信人能飛行。1891年，他開始研制一種弧形肋狀蝙蝠翅膀式的單翼滑翔機，自己還進行試飛；此后五年，他進行了2000多次滑翔飛行，并同鳥類進行了對比研究，提供了很有價值的資料。飛機的誕生1870年，德國人奧托.利連塔爾制造了第一架滑翔機萊特兄弟發明了真正意義上的飛機。在飛機的設計制作過程中，怎樣使飛機拐彎和怎樣使它穩定一直困繞著他們。為此，萊特兄弟又研究了鳥的飛行。例如，他們研究鶙鵳怎樣使一只翅膀下落，靠轉動這只下落的翅膀保持平衡；這只翅膀上增大的壓力怎樣使鶙鵳保持穩定和平衡。萊特兄弟發明了真正意義上的飛機。在飛機的設計制作過程中，怎樣未來的飛機是個什么樣？太陽能袖珍房頂是飛機場翅膀收縮調整可以振翅可以俯沖空中停止如今飛機的平衡錘仿生了蒼蠅的平衡棒未來的飛機是個什么樣？太陽能如今飛機的平衡錘仿生了蒼蠅的平衡汽車與仿生（案例之二）形態仿生汽車與仿生（案例之二）形態仿生汽車的功能仿生螃蟹殼——輕而強一種內部高壓造型技術由此誕生。將金屬管置于模具中，高壓狀態下將液壓液體或氣體注入金屬管兩端，使金屬在2400巴的高壓下形成模具的形狀。這一技術保證了零件精準的尺寸和形狀，在充分利用空間、贏得更多軸力度和硬度的同時減輕了重量。汽車的功能仿生螃蟹殼——輕而強汽車的骨架在自然界，發泡材料出色的能量吸收性能發揮最突出的例子是貓頭鷹和大象的頭部，雖然象頭只有幾公斤，卻能輕松移動幾百公斤的重量。仿制輕骨架組織———發泡金屬進一步研究發現，泡孔組織結構的零部件強度/密度比極佳。如果向鋁模具內充氣或把將要發生化學反應的小顆粒注入鋁模具，形成發泡鋁的多孔組織，就能充分吸收能量，緩沖和降噪。汽車的骨架在自然界，發泡材料出色的能量吸收性能發揮最突出的例小阻力的外形寶馬H2R氫燃料汽車外型和設計的靈感來自海豚、企鵝的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾部，極小的正鋒面，成就了其0.21的阻力系數。同樣，尺寸龐大的寶馬7系得益于其流線造型，阻力系數也僅為0.29。小阻力的外形寶馬H2R氫燃料汽車外型和設計的靈感來自海豚、企仿生機器人（案例三）工業機器人——焊接機器人仿生機器人（案例三）工業機器人——焊接機器人機器人本體機器人本體某種機械手的運動簡圖某種機械手的運動簡圖并聯機器人并聯機器人未來機器人的構想機器人是仿生的結果，它的發展一刻也離不開仿生學習能力、決策能力、感覺能力……未來機器人的構想機器人是仿生的結果，它的發展一刻也離不開仿生仿生設計學的研究方法仿生設計學的研究方法主要為“模型分析法”：

1、創造生物模型和技術模型

①從功能出發、研究生物體結構形態——制造生物模型。

②從結構形態出發，達到抽象功能——制造技術模型仿生設計學的研究方法仿生設計學的研究方法主要為“模型分析法仿生設計學的研究方法2、可行性分析與研究①功能性分析找到研究對象的生物原理，通過對生物的感知，形成對生物體的感性認識。從功能出發，對照生物原型進行定性的分析。②外部形態分析

對生物體的外部形態分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此過程中重點考慮的是人機工學、寓意、材料與加工工藝等方面的問題。

仿生設計學的研究方法2、可行性分析與研究仿生設計學的研究方法③色彩分析

進行色彩的分析同時，亦要對生物的生活環境進行分析，要研究為什么是這種色彩？在這一環境下這種色彩有什么功能？④內部結構分析

研究生物的結構形態，在感性認識的基礎上，除去無關因素，并加以簡化，通過分析，找出其在設計中值得借鑒合利用的地方。仿生設計學的研究方法③色彩分析

進行色彩的分析同時，亦要⑤運動規律分析

利用現有的高科技手段，對生物體的運動規律進行研究，找出其運動的原理，針對性的解決設計工程中的問題。⑤運動規律分析

利用現有的高科技手段，對生物體的運動規律仿生設計的基本程式有些仿生設計是從生物概念開始到產品概念，有些仿生設計是從產品概念開始到生物概念，但都遵循如下基本程式：仿生設計的基本程式有些仿生設計是從生物概念開始到產品概念，有(1)確定仿生設計概念根據產品設計目標與產品概念的需求，明確描述仿生的思維方式和內容方向。具體來說，是對與產品構成要素相對應的自然生物形態、功能、結構、美感、意象等特征的方向性確定與描述，并與產品概念融合形成目標產品的仿生設計概念，然后在自然生物系統中尋求搜索與仿生概念相關的仿生目標對象，通過觀察、認知、研究來篩選并確定對仿生設計有啟迪意義的內容。(1)確定仿生設計概念根據產品設計目標與產品概念的需求，明(2)仿生設計發想所謂發想是設計活動中尋求“金鑰匙”的過程，是利用一定的思考技術來幫助設計師發倔解決問題的方案。仿生設計的發想在仿生設計概念的指導下，憑借設計師感性和直觀的思考，以及在對具體仿生目標對象進行進一步的認識與歸納的基礎上進行設計創新的探索與嘗試，然后再用理性和推理的思考方式來驗證這種感性和直觀認識的價值并進行修正。(2)仿生設計發想所謂發想是設計活動中尋求“金鑰匙”的過程(3)仿生設計提案在完成前期設計發想的各種意向性草案以后，必須以產品構成要素為核心，綜合產品設計的相關因素，先進行一次或多次的分析、評價，而后篩選出有發展可能與價值的草圖，經過探討和修正而得到比較符合產品概念和設計目標需要的若干較為詳細、完善的仿生設計方案。最后對設計方案進行預想效果的表現。(3)仿生設計提案在完成前期設計發想的各種意向性草案以后，必作業暢想未來的社會計算機、飛機、機器人、交通、家居、醫療、工廠、農業、娛樂……作業暢想未來的社會環境質量評價與系統分析環境質量評價與系統分析大氣環境質量評價及影響預測5.1大氣層和大氣污染

5.2大氣邊界層的溫度場

5.3湍流擴散的基本理論

5.4煙氣抬升與地面最大濃度計算

5.5點源特殊擴散模式

5.6非點源擴散模式

5.7大氣湍流擴散參數的計算和測量

5.8大氣環境影響評價及預測

大氣環境質量評價及影響預測5.1大氣層和大氣污染

5.1大氣層和大氣污染1．低層大氣的組成

2.描述大氣的物理量包圍地球的整個大氣圈的總體為大氣，大氣在地表的密度在標準狀態下每升重1.293克，愈向上愈稀薄。組成：干潔空氣、水汽、污染物氣溫、氣濕、氣壓（大氣壓力的單位有毫米汞柱(mmHg)、標準大氣壓(atm)、巴(bar)、毫巴(mbar)、帕(Pa（N/m2）)；）

1atm=76mmHg=101325Pa=1013．25mbar風力計算風速廓線5.1大氣層和大氣污染1．低層大氣的組成包圍地球的整個大大氣的結構和組成對流層平流層中間層外逸層臭氧熱成層大氣的結構和組成對流層平流層中間層外逸層臭氧熱成層大氣層的結構和組成大氣屬于混氣合氣體，氮、氧、氬合占總體積的９９.９６％，余為氖、氦、氨、氙、氫等微氣量氣體。

自１１０千米向上原子氧逐漸增加，直到主要是原子氧的層，再向上為原子氦層（高１０００—２４００千米）和氣原子氫層（２４００千米以上）。臭氧主要分布在１０—５０千米之間的氣層氣內，特別集中在２０—３０千米范圍內大氣按溫度高度的變化，可分為對流層、平流層、中層、熱層及外逸層。

大氣層的結構和組成大氣屬于混氣合氣體，氮、氧、氬合占總體積的1．對流層；對流層是指由下墊面算起，到平均高度為12km的一層大氣。

對流層的上界高度是隨緯度和季節而變化的，在熱帶平均為17—18km，溫帶平均為10一12km，高緯度和兩極地區為8—9km夏季對流層上界高度大于冬季的。對流層具有下述四個主要特點。(1)

氣溫隨高度的增加而降低，由下墊面至高空每高差109m氣溫約平均降低0.65℃。1．對流層；對流層是指由下墊面算起，到平均高度為12km的一1．對流層；(2)

對流層內有強烈的對流運動。這主要是由于下墊面受熱不均勻及下墊面物性不同所產生的。一般是低緯度的對流運動較強，高緯度地區的對流運動較弱。由于對流運動的存在，使高低層之間發生空氣質量交換及熱量交換，大氣趨于均勻。(3)

對流層的空氣密度最大，雖然該層很薄，但卻集中了全部大氣質量的3/4并且幾乎集中了大氣中的全部水汽；云、霧、雨、雪等大氣現象都發生在這層。(4)

氣象要素水平分布不均勻，特別是冷、暖氣團的過渡帶，即所謂鋒區。在這里往往有復雜的天氣現象發生，如寒潮、梅雨、暴雨、大風、冰雹等。1．對流層；(2)

對流層內有強烈的對流運動。這主要是2．平流層從對流層頂到離下墊面55km高度的一層稱為平流層。從對流層頂到30-35km這一層，氣溫幾乎不隨高度而變化，故有同溫層之稱。從這以上到平流層頂，氣溫隨高度升高而上升，形成逆溫層，故有暖層之稱。由于平流層基本是逆溫層，故沒有強烈的對流運動；空氣垂直混合微弱，氣流平穩。水汽、塵埃都很少，很少有云出現，大氣透明度良好。對流層和平流層交界處的過渡層稱為對流層頂。它約數百米到2km厚；最大可達4—5km厚。對流層頂的氣溫在鉛直方向的分布呈等溫或逆溫型。因此，它的氣溫直減率與對流層的相比發生了突變，往往利用這一點作為確定對流層頂高度的一種依據。

2．平流層從對流層頂到離下墊面55km高度的一層稱為平流層。3．中間層從下墊面算起的55—85km高度的一層稱為中間層。氣溫隨高度的增高而降低，大約高度每增高1km氣溫降：低1℃；空氣有強烈的對流運動，垂直混合明顯；故有高空對流層之稱。

3．中間層4．熱成層5．散逸層從下墊面算起85—800km左右高度的一層稱為熱成層或熱層。氣溫隨高度增高而迅速增高，在300km高度上，氣溫可達1000℃以上。該層空氣在強烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下，處在高度的電離狀態，故有電離層之稱。電離層具有反射無線電波的能力。因此它在無線電通訊上有重要意義。熱成層頂以上的大氣層，統稱為散逸層。該層氣溫極高，空氣稀薄，大氣粒子運動速度很高，常可以擺脫地球引力而散逸到太空中去，故稱散逸層。

4．熱成層5．散逸層從下墊面算起85—800km左右高度的5.2大氣邊界層的溫度場5.2.1氣溫的垂直分布1.氣溫層結氣溫沿鉛直高度的變化，稱氣溫層結或層結。氣溫隨高度變化快慢這一特征可用氣溫垂直遞減率來表示。氣溫垂直遞減率的數學定義式為,γ＝-dT/dz；它系指單位(通常取100m)高差氣溫變化速率的負值。如果氣溫隨高度增高而降低，γ為正值，如果氣溫隨高度增高而增高，γ為負值。大氣中的氣溫層結有四種典型情況，氣溫隨高度的增加而遞減，γ>0，稱為正常分布層結，或遞減層結；氣溫隨高度的增加而增加，γ<0，稱為氣溫逆轉，簡稱逆溫；氣溫隨鉛直高度的變化等于或近似等于干絕熱直減率，γ=γd稱為中性層結；氣溫隨鉛直高度增加是不變的，γ=0，稱為等溫層結。5.2大氣邊界層的溫度場5.2.1氣溫的垂直分布2.干絕熱直減率一個質量恒定的空氣塊，從地面絕熱上升時，將因周圍氣壓的減小而膨脹，一部分內能用于反抗外壓力膨脹，而做了功，因而它的溫度將逐漸下降；反之，當一個質量恒定的空氣塊從高空絕熱下降時，由于外界氣壓逐漸增大，外壓力對氣塊做壓縮功，并轉化為它的內能，因而它的溫度將逐漸上升。這種性質可用干絕熱直減率表示。2.干絕熱直減率5.2.2大氣靜力穩定度及其判據

大氣的靜力穩定度含義可以理解為，如果一空氣塊受到外部作用，獲得了向上或向下的初始運動速度后，可能發生三種情況：(1)氣塊加速上升或下降，稱這種大氣是不穩定的；(2)氣塊逐漸減速并有返回原來高度的趨勢，稱這種大氣是穩定的；(3)氣塊做等速直線運動，稱這種大氣是中性的。(1)avav(2)(3)a=0v處于不同平衡狀態的小球。5.2.2大氣靜力穩定度及其判據

大氣的靜力穩定度含義可以當γ-γd>0，氣塊加速運動，大氣不穩定；當γ-γd<0，氣塊減速運動，大氣穩定；當γ-γd=0，大氣為中性。因此，大氣靜力穩定度可以用溫度直減率與干絕熱直減率之差來判斷，即γ-γd大于、小于和等于零為大氣靜力穩定度的判據。對于γ和γd的物理意義應具有較確切認識，γd是以質量衡定的一塊空氣團為對象在干絕熱條件下沿垂直上升而導出的氣溫垂直遞減率，是一個由氣態方程給定的確定值。γ則是氣溫的環境層結,是在太陽、地球的熱量幅射和其他氣象因素作用下形成的實際環境狀況。

當γ-γd>0，氣塊加速運動，大氣不穩定；當γ-γd<0，氣5.2.3逆溫圖5-4由于太陽輻射引起逆溫的生消過程。5.2.3逆溫圖5-4由于太陽輻射引起逆溫的生消過程。5.3湍流擴散的基本理論5.3.1湍流的基本概念描述湍流運動有兩種方法，一種是歐拉法，它在空間劃出一個控制體為對象，考察流體流經它的情形，歐拉法注重于特定時刻整個流場及某定點不同時刻的流體運動性質。另一種是拉格朗日法，它在流體運動時，追隨研究一個典型的流體單元。5.3.2湍流擴散理論湍流擴散理論有三種：梯度輸送理論，統計擴散理論和相似擴散理論。5.3湍流擴散的基本理論5.3.1湍流的基本概念5.3.3點源擴散的高斯模式坐標系高斯模式的四點假設高斯模式的四點假設為：(1)污染物在空間yoz

平面中按高斯分布(正態分布)，在x方向只考慮遷移，不考慮擴散；(2)在整個空間中風速是均勻、穩定的，風速大于lm／s；(3)源強是連續均勻的；(4)在擴散過程中污染物質量是守衡的。無限空間連續點源的高斯模式5.3.3點源擴散的高斯模式坐標系高斯模式的坐標系和基本假設圖示高斯模式的坐標系和基本假設圖示高架連續點源的高斯模式

HHsHsPC(x,y,z)像源H高架連續點源的高斯模式HHsHsP像源H高斯模式的濃度擴散公式匯總地面源（H=0）高架源（H≠0）地面軸線上點C(x,0,0)地面點C(x,y,0)半無界(任一點)C(x,y,z)無界(任一點)C(x,y,z)高斯模式的濃度擴散公式匯總地面源（H=0）高架源5.4煙氣抬升與地面最大濃度計算5.4.1煙氣抬升高度公式煙流抬升高度的確定是計算有效源高的關鍵。熱煙流從煙囪出口噴出多大體經過四個階段：煙流的噴出階段、浮升階段、瓦解階段和變平階段。產生煙流抬升的原因有兩個:一是煙囪出口處的煙流具有一定的初始動量，二是由于煙流溫度高于周圍空氣溫度而產生的凈浮力。影響這兩種作用的因素很多，歸結起來可分為排放因素和氣象因素兩類。排放因素有煙囪出口的煙流速度、煙氣溫度和煙囪出口內徑。氣象因素有平均風速、環境空氣溫度、風速垂直切變、湍流強度及大氣穩定度。5.4煙氣抬升與地面最大濃度計算5.4.1煙氣抬升高度公1.煙氣的熱釋放率選用抬升公式時首先需要考慮煙氣的排放因素，計算出煙氣的熱釋放率。煙氣的熱釋放率是指單位時間內向環境釋放的熱量，即：這里ΔT

是煙氣溫度與環境溫度的差值,QN是煙氣折合成標準狀態時的體積流量（NM3/s）CP是標準狀態下的定壓熱容(=1.298KJ/度.NM3)。當煙氣以實際出口溫度Ts゜K時的排煙流量Qvm3/s表示時，熱釋放率的計算公式為：1.煙氣的熱釋放率選用抬升公式時首先需要考慮煙氣的排放因素2.霍蘭德(Holland)公式3.布里吉斯（Briggs）公式x<10Hsx>10Hs2.霍蘭德(Holland)公式3.布里吉斯（Briggs5.4.2我國煙氣抬升高度的計算方法排放因素氣象因素QhkJ/s△T゜K（≥1.5m/s）（≥1.5m/s）（<1.5m/s）≥2100≥35布里吉斯模式1700～2100～在霍蘭德和布里吉斯間修正≤1700～霍蘭德模式～＜35有風，中性和不穩定條件有風，穩定條件小風、靜風5.4.2我國煙氣抬升高度的計算方法排放因素氣象因素Qh5.4.3地面的最大濃度高架源的污染源是在空中，我們時常關心的是污染物到達地面的濃度，而不是空中任一點的濃度。地面濃度是以x軸為對稱的，x軸上具有最大值，向兩側方向遂漸減小。因此，地面軸線濃度是我們所關心的。根據地面軸線濃度公式：式中的兩項：一項隨x而減小，一項隨x而增大；兩項共同作用的結果，必然在某一距離

x處出現濃度C的最大值。另一方面，地面最大污染物濃度出現的位置和數值，與高架污染源在空中的位置有關，空中的位置則是以有效源高表現。因此還要考慮氣象因素。5.4.3地面的最大濃度高架源的污染源是在空中，我們時常關1．給定風速條件下地面的最大濃度

2．危險風速和地面絕對最大濃度

地面最大濃度隨風速的變化呈單峰形。在每一個風速下都有一個地面最大濃度，所有地面最大濃度中的極大者，即所謂地面絕對最大濃度。出現絕對最大濃度的風速稱為危險風速。在危險風速下，煙流抬升高度和煙囪幾何高度相等，有效煙囪高度為煙囪幾何高度的兩倍。當時，Cmax是所有地面最大濃度中的極大值

1．給定風速條件下地面的最大濃度2．危險風速和地面絕對最大5.5點源特殊擴散模式5.5.1封閉型擴散模式H圖5-7高架連續點封閉型擴散模式γ>0Hshγ<0XD5.5點源特殊擴散模式5.5.1封閉型擴散模式H圖5-7把濃度相當于煙流中心線濃度的1／10處，二點間的距離稱為煙流寬度(在y

方向)或煙流高度(在z

方向)。把濃度相當于煙流中心線濃度的1／10處到煙流中心線的距離稱為煙流半寬度(在y方向)或煙流半高度(在z

方向)。煙流寬度和高度的定義及煙流按正態分布的規律，可以推導出擴散參數與煙流寬度及煙流高度的關系。C2y0C0/10C0C0/10圖5-8煙流寬度示意圖把濃度相當于煙流中心線濃度的1／10處，二點間的距離稱為煙流5.5.2熏煙型擴散模式在夜間，當存在輻射逆溫時，高架連續點源排放的煙流排入穩定的逆溫層中，形成平展型擴散。這種煙流在鉛直方向為漫擴散，在源高度上形成一條狹長的高濃度區。日出以后，太陽輻射逐漸增加，地面逐漸變暖，輻射逆溫從地面開始破壞，逐漸向上發展。當輻射逆溫破壞到煙流下邊緣稍高一些時，在熱力湍流的作用下，煙流中的污染物便發生了強烈的向下混合作用，增大了地面的污染物濃度,這個過程稱為熏煙(漫煙)過程。5.5.2熏煙型擴散模式在夜間，當存在輻射逆溫時，高架連續5.5.3小風和靜風時的點源擴散模式上述各種擴散模式適用于有風條件下，即風速大于1.5m/s的條件。小風（1.5m/s＞u10≥0.5m/s），和靜風（u10＜0.5m/s）條件下上述各節的各種模式不再適用。在小風（1.5m/s＞u10≥0.5m/s）和靜風（u10＜0.5m/s)條件下，順風向(x軸方向)擴散不能忽略,必須考慮三個方向的湍流擴散作用。在高斯擴散模式中，則必須將σx

考慮在內。5.5.3小風和靜風時的點源擴散模式上述各種擴散模式適用于5.6非點源擴散模式5.6.1線源擴散模式5.6.2多源和面源排放模式1.無限長線源擴散模式2.

有限長線源擴散模式導則規定平原城區排氣筒高度不高于40m或排放量小于0.04t/h的排放源可作為面源處理。面源擴散的處理模式是將評價區在選定的坐標系內網格化。即以評價區的左下角為原點；分別以東（E）和北（N）為x和y軸。網格和單元，一般可取1×1(km2),評價區較小時，可取500×500(m2),建設項目所占面積小于網格單元,可取其為網格單元面積。然后，按網格統計面源的主要污染物排放量［t/(h.km2)］和面源平均排放高度（m）等參數。5.6.3體源擴散模式5.6非點源擴散模式5.6.1線源擴散模式1.無限長線源5.7大氣湍流擴散參數的計算和測量5.7.1由常規氣象資料求大氣穩定度我國的環境影響評價技術導則中推薦：當使用常規氣象資料時，大氣穩定度等級可采用修訂的帕斯奎爾（Pasquill）穩定度分級法（簡記P.S），分為強不穩定、不穩定、弱不穩定、中性、較穩定和穩定六級。它們分別表示為A、B、C、D、E、F。確定等級時,首先由云量與太陽高度角（日高角）,查出太陽輻射等級數，再由太陽輻射等級數與地面風速確定穩定度等級。5.7大氣湍流擴散參數的計算和測量5.7.1由常規氣象資日高角和日高圖太陽高度角（或日高角）是指當時當地太陽實際照射到水平面上的角度。在當地真太陽時正午12點日高角hθ、太陽傾角δ（赤緯角）和當地緯度角φ之間的相互關系。由于太陽到地球的距離遠遠大于地球的半徑，因此α≈φ-δ；Sinhθ=COSα=COS(φ-δ)任一時刻日高角hθ的計算式：Sinhθ=SinφSinδ+CosφCosδCosω日高角和日高圖太陽高度角（或日高角）是指當時當地太陽實際照射日高圖根據正午12點真太陽時（t=0）和由hθ=0求得的日出日落真太陽時，在納布可夫坐標上點出兩點并聯連成直線，即稱為日高圖。使用日高圖可方便地查出任一時刻的日高角。日高圖根據正午12點真太陽時（t=0）和由hθ=0求得的日出例5-2已知,北京處于116.28°E,40.0°N，求三月上旬的日出與日落時間(北京時間),并畫出納布可夫日高圖。解：三月上旬δ≈-5°，計算正午12點hθ，：hθ≈90°-（φ-δ）=45°計算日出日落真太陽時，由0=SinφSinδ+CosφCosδCosωω=85.7°，求出距正午12點時間為t=85.7/15=5.71(h)=5小時43分；由經度求時間補償，Δt=(120°-116.28°)×4分/度=14.9(分)由日落日出真太陽時:12±5小時43分，求得日出的北京時間為6：02；日落的北京時間為17：28。例5-2已知,北京處于116.28°E,40.0°N，云量，1/10太陽輻射等數總云量/低云量夜間ho≤15°15°＜ho≤35°35°＜ho≤65°ho＞65°≤4／≤4－2－1+1+2+35～7／≤4－10+1+2+3≥8／≤4－100+1+1≥5／5～70000+1≥8／≥800000由日高角和云量求幅射等級

云量，1/10太陽輻射等數總云量/低云量夜間ho≤15°15由幅射等級和地面風速求穩定度地面風速，m/s太陽輻射等級+3+2+1012≤1.9AA～BBDEF2～2.9A～BBCDEF3～4.9BB～CCDDE5～5.9CC～DDDDD≥6DDDDDD由幅射等級和地面風速求穩定度太陽輻射等級5.7.2擴散參數σy、σz的確定示蹤劑濃度法平移球示蹤法（等容球或平衡球）放煙照相法（光學輪廓法）激光測煙雷達法環境風洞模擬實驗法帕斯圭爾和吉福德根據常規氣象觀測資料確定穩定度級別，在大量擴散試驗的數據和理論分析的基礎上，總結出每一種穩定度級別的擴散參數隨距離變化的經驗曲線，解決了擴散參數的取值問題。這一經驗曲線一般稱為帕斯圭爾一吉福德擴散曲線，簡稱P—G擴散曲線。我國的“環境評價技術導則”采用擴散參數的冪函數表達式數據（取樣時間0.5h）5.7.3大氣湍流擴散參數的測量5.7.2擴散參數σy、σz的確定示蹤劑濃度法帕斯圭爾和吉穩定度等級（P·S）α1γ1下風距離，mα2γ2下風距離，mA0.9010740.4258090～10001.121540.079990～300

1.5260.008548300～5000.8509340.602052>10002.108810.000212>500B0.914370.2818460～10000.9410150.127190～5000.8650140.396353>10001.093560.057025>500B～C0.9193250.22950～10000.9410150.1146820～5000.8750860.314238>10001.00770.075718>500C0.9242790.1771540～10000.9175950.106803

0.8851570.232123>1000

C～D0.9268490.143940～10000.8386280.1261520～20000.886940.189396>10000.756410.2356672000～10000

0.8155750.136659>10000D0.9294810.1107260～10000.8262120.1046341～1000

0.6320230.4001671000～100000.8887230.146669>10000.555360.810763>10000D～E0.9251180.09856310～1000o.7768640.1046340～20000.8927940.124308>10000.5723470.4001672000～10000

0.4991491.0381>10000E0.9208180.0860010～10000.788370.0927530～10000.8968640.124308>10000.5651880.4333841000～10000

0.4147431.73241>10000F0.9294810.05536340～10000.78440.0620770～1000

0.5259690.3700151000～100000.8887230.073348>10000.3226592.40691>10000

穩定度等級（P·S）α1γ1下風距離，mα2γ2下風距離，m5.8大氣環境影響評價及預測5.8.1大氣環境影響評價通過建設項目大氣環境影響評價，查清建設項目周圍大氣環境質量現狀，預測建設項目建成后可能對周圍大氣環境產生的影響，并作出評價。大氣環境影響評價是對建設項目的大氣環境可行性的論證。它是大氣污染防治設計的依據之一，是環境管理的依據。根據評價項目的主要污染物排放量、周圍地形的復雜程度以及當地執行的大氣環境質量標準等因素,將大氣環境影響評價工作劃分為一、二、三級。大氣環境影響評價的技術工作程序如圖。5.8.2大氣環境影響算例5.8大氣環境影響評價及預測5.8.1大氣環境影響評價圖5-12大氣環境影響評價技術工作程序圖污染氣象及大氣擴散規律建設項目初步工程分析和環境概況調查劃分評價級別確定評價范圍編制大氣環境評價大綱（方案）工程分析：重點是污染調查、污染因子篩選環境狀況調查大氣環境評價標準或環境目標值確定評價區污染源社會自然城鎮社會結構地理、地形、氣候等大氣環境質量現狀工業民用土地利用環境敏感區發展規劃常規氣象資料、經驗數據的收集、統計和分析大氣邊界層平均場觀測湍流擴散參數測量室內模擬試驗大氣擴散模式選擇、計算參數確定大氣質量影響預測大氣環境影響評價環境對策建議結論結束圖5-12大氣環境影響評價技術工作程序圖污染氣象及大氣擴散例5-7

某地(P=100kPa)兩工廠煙囪在城市的位置以平面坐標表示A(15,15)、B(150,150)（以m計），高度分別為100m和80m,SO2

排放量分別為180g/s和130g/s；TSP排放量分別為340g/s和300g/s；煙氣溫度均為100℃,當地平均氣溫冬季為-10℃,春秋季節為15℃；其煙氣流量分別為135M3/s和124M3/s。分別求兩污染源在風速與

X方向平行，C穩定度和相應情況的熱排放率Qh,危險風速,地面絕對最大濃度值及發生部位（以平面坐標表示）。若在接受點C(110,950)，風向平行X，地面風速2.5m/s,C穩定度，考慮疊加效果。若在接受點C(110,950)，地面風速0.8m/s,其他條件同上，考慮疊加效果。YXA(15,15)B(150,150)C(110,950)圖5-13工廠和測點位置的平面坐標例5-7某地(P=100kPa)兩工廠煙囪在城市的位置解：（1）求解地面絕對最大濃度；由5-35式計算污染源熱釋放率，如A源冬季有抬升公式5-40式：由表5-4no=0.292，n1=3/5，n2=2/5；對照公式5-40式在危險風速條件下，有ΔH=Hs；求得危險風速由5-51式，地面最大濃度處查表5-10代入5-46,，解出xm,并計算

表5-12

地面絕對最大濃度的計算用表解：（1）求解地面絕對最大濃度；抬升公式5-40式：由表5-大氣環境質量評價及影響預測學習要點大氣污染與污染源和擴散環境有關。主要污染物有粉塵、可吸入顆粒物、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等。大氣污染源排放方式有點源、線源和面源三種。了解有關大氣層的基本物理量、基本結構及大氣污染成因。了解大氣邊界層中的溫度場、風場及湍流特征；掌握氣溫層結、干絕熱直減率、位溫、逆溫的概念，認識氣溫層結與大氣穩定度的關系。高斯模式是求解點源大氣污染物擴散的主要計算方法，掌握各種不同條件下高斯模式的應用公式；掌握煙氣抬升高度與地面最大濃度的計算公式，及在環境評價中的應用方法。學習利用常規氣象資料確定大氣穩定度的分級方法，在此基礎上獲得大氣湍流擴散參數（σx，σy，σz），并在環境評價中應用。認識點源、線源、面源，以及特殊氣象條件下大氣污染物擴散模式的處理方法。了解大氣環境影響評價技術工作程序，練習用Excel模板進行大氣環境影響計算。難點重點重點大氣環境質量評價及影響預測學習要點大氣污染與污染源和擴散環境——向自然學習

熱愛自然、保護自然、自然和諧相處，我們就會從自然中獲得智慧和靈感仿生設計——向自然學習熱愛自然、保護自然、自然和諧相處，我仿生學在20世紀60年代，1960年9月13日，在美國召開的第一屆仿生學研討會上，斯蒂爾博士首次提出了仿生學(Bionics)的概念，并定義仿生學是模仿生物系統的原理來建造技術系統，或者使人造技術系統具有或類似于生物系統特征的科學，簡而言之，仿生學就是“模仿生物的科學”。仿生學在20世紀60年代，1960年9月13日，在美國召開的性質仿生學是生物學、數學和工程技術學相互滲透而結合成的一門模仿生物系統并具有生物系統特征或類似特征的新興邊緣科學。性質仿生學是生物學、數學和工程技術學相互滲透而結合成的一門模仿生學的研究主要包括三個階段首先是根據工程技術的目標、任務進行生物相關性的基礎研究或者以生物學的發現與研究成果為啟示和基礎篩選出對其他科學技術有意義有價值的內存；然后對基礎研究的成果進行分析、綜合，并提煉、概括出相關理論和概念，揭示內在規律，建立數學模型；最后在前兩個階段的基礎上進入具體模擬研究、試驗制造的應用研究階段，最終創造出人工化的成果。仿生學的研究主要包括三個階段首先是根據工程技術的目標、任務進方法復制不是仿生學的研究目的，對生物系統工作原理的本質認識、理解和應用是最終目標。在這個過程中發散性地進行類比、模擬和模型化是仿生學研究的主要方法，數學模型是從生物原型到應用模型的關鍵。但是對復雜生物系統的認識往往是一個長期的研究過程，并依賴于先進科學技術的支持，需要多學科的交叉、合作，所以仿生學的研究是一個系統工程，存在相當大的難度。方法復制不是仿生學的研究目的，對生物系統工作原理的本質認識、仿生學研究的分支

力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息和控制仿生等電子仿生、機械仿生、建筑仿生、化學仿生、人體的仿生、宇宙仿生等形態仿生、形式美感仿生、功能仿生、結構仿生、機理仿生、色彩仿生、意象仿生仿生學研究的分支力學仿生、分子仿生、能量仿生設計仿生設計學與舊有的仿生學成果應用不同，它是以自然界萬事萬物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“結構”等為研究對象，有選擇地在設計過程中應用這些特征原理進行的設計，同時結合仿生學的研究成果，為設計提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。仿生設計學作為人類社會生產活動與自然界的鍥合點，使人類社會與自然達到了高度的統一，正逐漸成為設計發展過程中新的亮點。仿生設計仿生設計學與舊有的仿生學成果應用不同，它是以自然界眾所周知的例子蝙蝠與聲納定位鳥與飛機船與魚對螢火蟲和海蠅地發光原理的研究，獲得了化學能轉化為光能的新方法，從而研制出化學熒光燈等等。

眾所周知的例子蝙蝠與聲納定位肌理與質感仿生

（以紡織仿生為例）亞馬遜河流域的閃峽蝶因其翅膀的外殼和基部翅瓣中特有的周期性多層結構，使周身散發鉆藍的色彩，具有金屬般的光澤。受此啟發日本帝人公司開發了光顯色纖維。在研究天然蠶絲結構和性能后，成功開發了異形纖維和超細纖維等仿真絲纖維和紡織品。肉色襪肌理與質感仿生

（以紡織仿生為例）亞馬遜河流域的閃峽蝶因其翅我們的服裝與仿生還有哪些關系？孔雀裙、燕尾服、荷葉領、燈籠褲變色龍與迷彩服2008年奧運會上的高科技泳衣美國華盛頓大學的研究人員正在試圖揭示蜘蛛吐出的水溶性蛋白質是如何變成不溶的、強度比防彈背心還要堅韌的絲的奧秘。科學家們已開始運用仿生學理論研制人造蜘蛛絲。我們的服裝與仿生還有哪些關系？孔雀裙、燕尾服、荷葉領、燈籠褲功能仿生水母的順風耳，仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，能提前15小時對風暴作出預報，對航海和漁業的安全都有重要意義。功能仿生水母的順風耳，仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳可惡的蒼蠅給我們的啟示？免疫力（活蠅蛆可接種于傷口之中，起殺菌清創，促進愈合之作用。）平衡能力（飛行器的平衡）嗅覺（傳感器、捕蠅器）棘毛的作用（減粘）超強的生殖能力（蒼蠅具有一次交配可終身產卵的生理特點，一只雌蠅一生可產卵5-6次，每次產卵數約100-150粒，最多可達300粒左右。一年內可繁殖10-12代。每只雌蠅能產生2000個后代，則100只雌蠅只需經過10個世代，繁殖的總蠅數將達到2萬億億個）可惡的蒼蠅給我們的啟示？免疫力（活蠅蛆可接種于傷口之中，起殺由烏龜想到的？生命力強靜——壽命（生命在于運動？）堅硬的外殼（坦克）中國人對烏龜的特殊意象？忍辱負重？高壽？忍垢偷生？由烏龜想到的？生命力強電子蛙眼青蛙的眼睛很奇怪，他們看活動的東西很敏銳，對靜止的東西視而不見。人們從中得到啟示，發明了電子蛙眼。保鮮膜結構仿生例如：食蠅草與發卡電子蛙眼青蛙的眼睛很奇怪，他們看活動的東西很敏銳，對靜止的東結構仿生白蟻冢與建筑仿生白蟻冢具有良好的通風、保溫、保濕功能鋸齒草與鋸（魯班）瑞士獵人喬治從蒼耳屬植物獲取靈感發明了尼龍搭扣。形態仿生天鵝形的觀光船仙鶴音響結構仿生白蟻冢與建筑仿生形態仿生天鵝形的觀光船剪子剪子綜合仿生仿人機器人肌肉和骨骼——現代假肢綜合仿生仿人機器人飛機的誕生1870年，德國人奧托.利連塔爾制造了第一架滑翔機。利連塔爾是十九世紀末的一位具有大無畏冒險精神的人，他望著家鄉波美拉尼亞的鸛用笨拙的翅膀從他房頂上飛過，他堅信人能飛行。1891年，他開始研制一種弧形肋狀蝙蝠翅膀式的單翼滑翔機，自己還進行試飛；此后五年，他進行了2000多次滑翔飛行，并同鳥類進行了對比研究，提供了很有價值的資料。飛機的誕生1870年，德國人奧托.利連塔爾制造了第一架滑翔機萊特兄弟發明了真正意義上的飛機。在飛機的設計制作過程中，怎樣使飛機拐彎和怎樣使它穩定一直困繞著他們。為此，萊特兄弟又研究了鳥的飛行。例如，他們研究鶙鵳怎樣使一只翅膀下落，靠轉動這只下落的翅膀保持平衡；這只翅膀上增大的壓力怎樣使鶙鵳保持穩定和平衡。萊特兄弟發明了真正意義上的飛機。在飛機的設計制作過程中，怎樣未來的飛機是個什么樣？太陽能袖珍房頂是飛機場翅膀收縮調整可以振翅可以俯沖空中停止如今飛機的平衡錘仿生了蒼蠅的平衡棒未來的飛機是個什么樣？太陽能如今飛機的平衡錘仿生了蒼蠅的平衡汽車與仿生（案例之二）形態仿生汽車與仿生（案例之二）形態仿生汽車的功能仿生螃蟹殼——輕而強一種內部高壓造型技術由此誕生。將金屬管置于模具中，高壓狀態下將液壓液體或氣體注入金屬管兩端，使金屬在2400巴的高壓下形成模具的形狀。這一技術保證了零件精準的尺寸和形狀，在充分利用空間、贏得更多軸力度和硬度的同時減輕了重量。汽車的功能仿生螃蟹殼——輕而強汽車的骨架在自然界，發泡材料出色的能量吸收性能發揮最突出的例子是貓頭鷹和大象的頭部，雖然象頭只有幾公斤，卻能輕松移動幾百公斤的重量。仿制輕骨架組織———發泡金屬進一步研究發現，泡孔組織結構的零部件強度/密度比極佳。如果向鋁模具內充氣或把將要發生化學反應的小顆粒注入鋁模具，形成發泡鋁的多孔組織，就能充分吸收能量，緩沖和降噪。汽車的骨架在自然界，發泡材料出色的能量吸收性能發揮最突出的例小阻力的外形寶馬H2R氫燃料汽車外型和設計的靈感來自海豚、企鵝的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾部，極小的正鋒面，成就了其0.21的阻力系數。同樣，尺寸龐大的寶馬7系得益于其流線造型，阻力系數也僅為0.29。小阻力的外形寶馬H2R氫燃料汽車外型和設計的靈感來自海豚、企仿生機器人（案例三）工業機器人——焊接機器人仿生機器人（案例三）工業機器人——焊接機器人機器人本體機器人本體某種機械手的運動簡圖某種機械手的運動簡圖并聯機器人并聯機器人未來機器人的構想機器人是仿生的結果，它的發展一刻也離不開仿生學習能力、決策能力、感覺能力……未來機器人的構想機器人是仿生的結果，它的發展一刻也離不開仿生仿生設計學的研究方法仿生設計學的研究方法主要為“模型分析法”：

1、創造生物模型和技術模型

①從功能出發、研究生物體結構形態——制造生物模型。

②從結構形態出發，達到抽象功能——制造技術模型仿生設計學的研究方法仿生設計學的研究方法主要為“模型分析法仿生設計學的研究方法2、可行性分析與研究①功能性分析找到研究對象的生物原理，通過對生物的感知，形成對生物體的感性認識。從功能出發，對照生物原型進行定性的分析。②外部形態分析

對生物體的外部形態分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此過程中重點考慮的是人機工學、寓意、材料與加工工藝等方面的問題。

仿生設計學的研究方法2、可行性分析與研究仿生設計學的研究方法③色彩分析

進行色彩的分析同時，亦要對生物的生活環境進行分析，要研究為什么是這種色彩？在這一環境下這種色彩有什么功能？④內部結構分析

研究生物的結構形態，在感性認識的基礎上，除去無關因素，并加以簡化，通過分析，找出其在設計中值得借鑒合利用的地方。仿生設計學的研究方法③色彩分析

進行色彩的分析同時，亦要⑤運動規律分析

利用現有的高科技手段，對生物體的運動規律進行研究，找出其運動的原理，針對性的解決設計工程中的問題。⑤運動規律分析

利用現有的高科技手段，對生物體的運動規律仿生設計的基本程式有些仿生設計是從生物概念開始到產品概念，有些仿生設計是從產品概念開始到生物概念，但都遵循如下基本程式：仿生設計的基本程式有些仿生設計是從生物概念開始到產品概念，有(1)確定仿生設計概念根據產品設計目標與產品概念的需求，明確描述仿生的思維方式和內容方向。具體來說，是對與產品構成要素相對應的自然生物形態、功能、結構、美感、意象等特征的方向性確定與描述，并與產品概念融合形成目標產品的仿生設計概念，然后在自然生物系統中尋求搜索與仿生概念相關的仿生目標對象，通過觀察、認知、研究來篩選并確定對仿生設計有啟迪意義的內容。(1)確定仿生設計概念根據產品設計目標與產品概念的需求，明(2)仿生設計發想所謂發想是設計活動中尋求“金鑰匙”的過程，是利用一定的思考技術來幫助設計師發倔解決問題的方案。仿生設計的發想在仿生設計概念的指導下，憑借設計師感性和直觀的思考，以及在對具體仿生目標對象進行進一步的認識與歸納的基礎上進行設計創新的探索與嘗試，然后再用理性和推理的思考方式來驗證這種感性和直觀認識的價值并進行修正。(2)仿生設計發想所謂發想是設計活動中尋求“金鑰匙”的過程(3)仿生設計提案在完成前期設計發想的各種意向性草案以后，必須以產品構成要素為核心，綜合產品設計的相關因素，先進行一次或多次的分析、評價，而后篩選出有發展可能與價值的草圖，經過探討和修正而得到比較符合產品概念和設計目標需要的若干較為詳細、完善的仿生設計方案。最后對設計方案進行預想效果的表現。(3)仿生設計提案在完成前期設計發想的各種意向性草案以后，必作業暢想未來的社會計算機、飛機、機器人、交通、家居、醫療、工廠、農業、娛樂……作業暢想未來的社會環境質量評價與系統分析環境質量評價與系統分析大氣環境質量評價及影響預測5.1大氣層和大氣污染

5.2大氣邊界層的溫度場

5.3湍流擴散的基本理論

5.4煙氣抬升與地面最大濃度計算

5.5點源特殊擴散模式

5.6非點源擴散模式

5.7大氣湍流擴散參數的計算和測量

5.8大氣環境影響評價及預測

大氣環境質量評價及影響預測5.1大氣層和大氣污染

5.1大氣層和大氣污染1．低層大氣的組成

2.描述大氣的物理量包圍地球的整個大氣圈的總體為大氣，大氣在地表的密度在標準狀態下每升重1.293克，愈向上愈稀薄。組成：干潔空氣、水汽、污染物氣溫、氣濕、氣壓（大氣壓力的單位有毫米汞柱(mmHg)、標準大氣壓(atm)、巴(bar)、毫巴(mbar)、帕(Pa（N/m2）)；）

1atm=76mmHg=101325Pa=1013．25mbar風力計算風速廓線5.1大氣層和大氣污染1．低層大氣的組成包圍地球的整個大大氣的結構和組成對流層平流層中間層外逸層臭氧熱成層大氣的結構和組成對流層平流層中間層外逸層臭氧熱成層大氣層的結構和組成大氣屬于混氣合氣體，氮、氧、氬合占總體積的９９.９６％，余為氖、氦、氨、氙、氫等微氣量氣體。

自１１０千米向上原子氧逐漸增加，直到主要是原子氧的層，再向上為原子氦層（高１０００—２４００千米）和氣原子氫層（２４００千米以上）。臭氧主要分布在１０—５０千米之間的氣層氣內，特別集中在２０—３０千米范圍內大氣按溫度高度的變化，可分為對流層、平流層、中層、熱層及外逸層。

大氣層的結構和組成大氣屬于混氣合氣體，氮、氧、氬合占總體積的1．對流層；對流層是指由下墊面算起，到平均高度為12km的一層大氣。

對流層的上界高度是隨緯度和季節而變化的，在熱帶平均為17—18km，溫帶平均為10一12km，高緯度和兩極地區為8—9km夏季對流層上界高度大于冬季的。對流層具有下述四個主要特點。(1)

氣溫隨高度的增加而降低，由下墊面至高空每高差109m氣溫約平均降低0.65℃。1．對流層；對流層是指由下墊面算起，到平均高度為12km的一1．對流層；(2)

對流層內有強烈的對流運動。這主要是由于下墊面受熱不均勻及下墊面物性不同所產生的。一般是低緯度的對流運動較強，高緯度地區的對流運動較弱。由于對流運動的存在，使高低層之間發生空氣質量交換及熱量交換，大氣趨于均勻。(3)

對流層的空氣密度最大，雖然該層很薄，但卻集中了全部大氣質量的3/4并且幾乎集中了大氣中的全部水汽；云、霧、雨、雪等大氣現象都發生在這層。(4)

氣象要素水平分布不均勻，特別是冷、暖氣團的過渡帶，即所謂鋒區。在這里往往有復雜的天氣現象發生，如寒潮、梅雨、暴雨、大風、冰雹等。1．對流層；(2)

對流層內有強烈的對流運動。這主要是2．平流層從對流層頂到離下墊面55km高度的一層稱為平流層。從對流層頂到30-35km這一層，氣溫幾乎不隨高度而變化，故有同溫層之稱。從這以上到平流層頂，氣溫隨高度升高而上升，形成逆溫層，故有暖層之稱。由于平流層基本是逆溫層，故沒有強烈的對流運動；空氣垂直混合微弱，氣流平穩。水汽、塵埃都很少，很少有云出現，大氣透明度良好。對流層和平流層交界處的過渡層稱為對流層頂。它約數百米到2km厚；最大可達4—5km厚。對流層頂的氣溫在鉛直方向的分布呈等溫或逆溫型。因此，它的氣溫直減率與對流層的相比發生了突變，往往利用這一點作為確定對流層頂高度的一種依據。

2．平流層從對流層頂到離下墊面55km高度的一層稱為平流層。3．中間層從下墊面算起的55—85km高度的一層稱為中間層。氣溫隨高度的增高而降低，大約高度每增高1km氣溫降：低1℃；空氣有強烈的對流運動，垂直混合明顯；故有高空對流層之稱。

3．中間層4．熱成層5．散逸層從下墊面算起85—800km左右高度的一層稱為熱成層或熱層。氣溫隨高度增高而迅速增高，在300km高度上，氣溫可達1000℃以上。該層空氣在強烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下，處在高度的電離狀態，故有電離層之稱。電離層具有反射無線電波的能力。因此它在無線電通訊上有重要意義。熱成層頂以上的大氣層，統稱為散逸層。該層氣溫極高，空氣稀薄，大氣粒子運動速度很高，常可以擺脫地球引力而散逸到太空中去，故稱散逸層。

4．熱成層5．散逸層從下墊面算起85—800km左右高度的5.2大氣邊界層的溫度場5.2.1氣溫的垂直分布1.氣溫層結氣溫沿鉛直高度的變化，稱氣溫層結或層結。氣溫隨高度變化快慢這一特征可用氣溫垂直遞減率來表示。氣溫垂直遞減率的數學定義式為,γ＝-dT/dz；它系指單位(通常取100m)高差氣溫變化速率的負值。如果氣溫隨高度增高而降低，γ為正值，如果氣溫隨高度增高而增高，γ為負值。大氣中的氣溫層結有四種典型情況，氣溫隨高度的增加而遞減，γ>0，稱為正常分布層結，或遞減層結；氣溫隨高度的增加而增加，γ<0，稱為氣溫逆轉，簡稱逆溫；氣溫隨鉛直高度的變化等于或近似等于干絕熱直減率，γ=γd稱為中性層結；氣溫隨鉛直高度增加是不變的，γ=0，稱為等溫層結。5.2大氣邊界層的溫度場5.2.1氣溫的垂直分布2.干絕熱直減率一個質量恒定的空氣塊，從地面絕熱上升時，將因周圍氣壓的減小而膨脹，一部分內能用于反抗外壓力膨脹，而做了功，因而它的溫度將逐漸下降；反之，當一個質量恒定的空氣塊從高空絕熱下降時，由于外界氣壓逐漸增大，外壓力對氣塊做壓縮功，并轉化為它的內能，因而它的溫度將逐漸上升。這種性質可用干絕熱直減率表示。2.干絕熱直減率5.2.2大氣靜力穩定度及其判據

大氣的靜力穩定度含義可以理解為，如果一空氣塊受到外部作用，獲得了向上或向下的初始運動速度后，可能發生三種情況：(1)氣塊加速上升或下降，稱這種大氣是不穩定的；(2)氣塊逐漸減速并有返回原來高度的趨勢，稱這種大氣是穩定的；(3)氣塊做等速直線運動，稱這種大氣是中性的。(1)avav(2)(3)a=0v處于不同平衡狀態的小球。5.2.2大氣靜力穩定度及其判據

大氣的靜力穩定度含義可以當γ-γd>0，氣塊加速運動，大氣不穩定；當γ-γd<0，氣塊減速運動，大氣穩定；當γ-γd=0，大氣為中性。因此，大氣靜力穩定度可以用溫度直減率與干絕熱直減率之差來判斷，即γ-γd大于、小于和等于零為大氣靜力穩定度的判據。對于γ和γd的物理意義應具有較確切認識，γd是以質量衡定的一塊空氣團為對象在干絕熱條件下沿垂直上升而導出的氣溫垂直遞減率，是一個由氣態方程給定的確定值。γ則是氣溫的環境層結,是在太陽、地球的熱量幅射和其他氣象因素作用下形成的實際環境狀況。

當γ-γd>0，氣塊加速運動，大氣不穩定；當γ-γd<0，氣5.2.3逆溫圖5-4由于太陽輻射引起逆溫的生消過程。5.2.3逆溫圖5-4由于太陽輻射引起逆溫的生消過程。5.3湍流擴散的基本理論5.3.1湍流的基本概念描述湍流運動有兩種方法，一種是歐拉法，它在空間劃出一個控制體為對象，考察流體流經它的情形，歐拉法注重于特定時刻整個流場及某定點不同時刻的流體運動性質。另一種是拉格朗日法，它在流體運動時，追隨研究一個典型的流體單元。5.3.2湍流擴散理論湍流擴散理論有三種：梯度輸送理論，統計擴散理論和相似擴散理論。5.3湍流擴散的基本理論5.3.1湍流的基本概念5.3.3點源擴散的高斯模式坐標系高斯模式的四點假設高斯模式的四點假設為：(1)污染物在空間yoz

平面中按高斯分布(正態分布)，在x方向只考慮遷移，不考慮擴散；(2)在整個空間中風速是均勻、穩定的，風速大于lm／s；(3)源強是連續均勻的；(4)在擴散過程中污染物質量是守衡的。無限空間連續點源的高斯模式5.3.3點源擴散的高斯模式坐標系高斯模式的坐標系和基本假設圖示高斯模式的坐標系和基本假設圖示高架連續點源的高斯模式

HHsHsPC(x,y,z)像源H高架連續點源的高斯模式HHsHsP像源H高斯模式的濃度擴散公式匯總地面源（H=0）高架源（H≠0）地面軸線上點C(x,0,0)地面點C(x,y,0)半無界(任一點)C(x,y,z)無界(任一點)C(x,y,z)高斯模式的濃度擴散公式匯總地面源（H=0）高架源5.4煙氣抬升與地面最大濃度計算5.4.1煙氣抬升高度公式煙流抬升高度的確定是計算有效源高的關鍵。熱煙流從煙囪出口噴出多大體經過四個階段：煙流的噴出階段、浮升階段、瓦解階段和變平階段。產生煙流抬升的原因有兩個:一是煙囪出口處的煙流具有一定的初始動量，二是由于煙流溫度高于周圍空氣溫度而產生的凈浮力。影響這兩種作用的因素很多，歸結起來可分為排放因素和氣象因素兩類。排放因素有煙囪出口的煙流速度、煙氣溫度和煙囪出口內徑。氣象因素有平均風速、環境空氣溫度、風速垂直切變、湍流強度及大氣穩定度。5.4煙氣抬升與地面最大濃度計算5.4.1煙氣抬升高度公1.煙氣的熱釋放率選用抬升公式時首先需要考慮煙氣的排放因素，計算出煙氣的熱釋放率。煙氣的熱釋放率是指單位時間內向環境釋放的熱量，即：這里ΔT

是煙氣溫度與環境溫度的差值,QN是煙氣折合成標準狀態時的體積流量（NM3/s）CP是標準狀態下的定壓熱容(=1.298KJ/度.NM3)。當煙氣以實際出口溫度Ts゜K時的排煙流量Qvm3/s表示時，熱釋放率的計算公式為：1.煙氣的熱釋放率選用抬升公式時首先需要考慮煙氣的排放因素2.霍蘭德(Holland)公式3.布里吉斯（Briggs）公式x<10Hsx>10Hs2.霍蘭德(Holland)公式3.布里吉斯（Briggs5.4.2我國煙氣抬升高度的計算方法排放因素氣象因素QhkJ/s△T゜K（≥1.5m/s）（≥1.5m/s）（<1.5m/s）≥2100≥35布里吉斯模式1700～2100～在霍蘭德和布里吉斯間修正≤1700～霍蘭德模式～＜35有風，中性和不穩定條件有風，穩定條件小風、靜風5.4.2我國煙氣抬升高度的計算方法排放因素氣象因素Qh5.4.3地面的最大濃度高架源的污染源是在空中，我們時常關心的是污染物到達地面的濃度，而不是空中任一點的濃度。地面濃度是以x軸為對稱的，x軸上具有最大值，向兩側方向遂漸減小。因此，地面軸線濃度是我們所關心的。根據地面軸線濃度公式：式中的兩項：一項隨x而減小，一項隨x而增大；兩項共同作用的結果，必然在某一距離

x處出現濃度C的最大值。另一方面，地面最大污染物濃度出現的位置和數值，與高架污染源在空中的位置有關，空中的位置則是以有效源高表現。因此還要考慮氣象因素。5.4.3地面的最大濃度高架源的污染源是在空中，我們時常關1．給定風速條件下地面的最大濃度

2．危險風速和地面絕對最大濃度

地面最大濃度隨風速的變化呈單峰形。在每一個風速下都有一個地面最大濃度，所有地面最大濃度中的極大者，即所謂地面絕對最大濃度。出現絕對最大濃度的風速稱為危險風速。在危險風速下，煙流抬升高度和煙囪幾何高度相等，有效煙囪高度為煙囪幾何高度的兩倍。當時，Cmax是所有地面最大濃度中的極大值

1．給定風速條件下地面的最大濃度2．危險風速和地面絕對最大5.5點源特殊擴散模式5.5.1封閉型擴散模式H圖5-7高架連續點封閉型擴散模式γ>0Hshγ<0XD5.5點源特殊擴散模式5.5.1封閉型擴散模式H圖5-7把濃度相當于煙流中心線濃度的1／10處，二點間的距離稱為煙流寬度(在y

方向)或煙流高度(在z

方向)。把濃度相當于煙流中心線濃度的1／10處到煙流中心線的距離稱為煙流半寬度(在y方向)或煙流半高度(在z

方向)。煙流寬度和高度的定義及煙流按正態分布的規律，可以推導出擴散參數與煙流寬度及煙流高度的關系。C2y0C0/10C0C0/10圖5-8煙流寬度示意圖把濃度相當于煙流中心線濃度的1／10處，二點間的距離稱為煙流5.5.2熏煙型擴散模式在夜間，當存在輻射逆溫時，高架連續點源排放的煙流排入穩定的逆溫層中，形成平展型擴散。這種煙流在鉛直方向為漫擴散，在源高度上形成一條狹長的高濃度區。日出以后，太陽輻射逐漸增加，地面逐漸變暖，輻射逆溫從地面開始破壞，逐漸向上發展。當輻射逆溫破壞到煙流下邊緣稍高一些時，在熱力湍流的作用下，煙流中的污染物便發生了強烈的向下混合作用，增大了地面的污染物濃度,這個過程稱為熏煙(漫煙)過程。5.5.2熏煙型擴散模式在夜間，當存在輻射逆溫時，高架連續5.5.3小風和靜風時的點源擴散模式上述各種擴散模式適用于有風條件下，即風速大于1.5m/s的條件。小風（1.5m/s＞u10≥0.5m/s），和靜風（u10＜0.5m/s）條件下上述各節的各種模式不再適用。在小風（1.5m/s＞u10≥0.5m/s）和靜風（u10＜0.5m/s)條件下，順風向(x軸方向)擴散不能忽略,必須考慮三個方向的湍流擴散作用。在高斯擴散模式中，則必須將σx

考慮在內。5.5.3小風和靜風時的點源擴散模式上述各種擴散模式適用于5.6非點源擴散模式5.6.1線源擴散模式5.6.2多源和面源排放模式1.無限長線源擴散模式2.

有限長線源擴散模式導則規定平原城區排氣筒高度不高于40m或排放量小于0.04t/h的排放源可作為面源處理。面源擴散的處理模式是將評價區在選定的坐標系內網格化。即以評價區的左下角為原點；分別以東（E）和北（N）為x和