環境系統分析教程

第13講環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第1頁第三節箱式大氣質量模型第六章大氣質量模型環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第2頁基本假設：在模擬大氣污染物時能夠把研究空間范圍看成是一個尺寸固定“箱子”，高度就是從地面計算混合層高度，而污染物濃度在箱子內處處相等。能夠分為單箱模型和多箱模型箱式大氣質量模型混合層是因為溫度層結不連續產生上下層間湍流不連續而形成。下層空氣湍流強，上層空氣湍流弱，這就造成不連續面以下能夠發生強烈湍流混合，使得位溫、水汽等要素隨高度分布均勻。因為混合層是湍流受熱對流控制近地面層以上大氣邊界層，所以它也常被稱為自由對流層。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第3頁一、單箱模型1.基本假設：箱子平面尺寸就是所研究區域或城市平面，箱子高度是由地面計算混合層高度h。推流通量uc0

Q

b

hl

uc環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第4頁一、單箱模型2.基本模型推流通量uc0

Q

b

hl

ucC為箱內污染物濃度；l為箱長度；b為箱寬度；h為箱高度；C0為初始條件污染物本底濃度；k為污染物衰減速度常數；Q為污染源源強；u為平均風速；t為時間坐標環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第5頁3.模型解一、單箱模型若K=0，則控制方程為

以上控制方程初始條件為：t=0時，C=C0；其解析解為：

當t=∞時，環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第6頁若K≠0，則其解析解為：當t=∞時，環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第7頁思索已知某工業基地位于一山谷地域，計算混合高度h=120m，該地域長45km，寬5km，上風向風速為2m/s，SO2當地濃度為0。該基地建成后計劃燃煤量為7000t/d，煤含硫量為3%，SO2轉化率為85%，試用單箱模型預計該地域SO2濃度。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第8頁二、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不均勻分布，但橫向還是作為一個箱體，不考慮橫向濃度不均勻分布。多箱模型能夠反應區域或城市大氣質量空間差異，其精度要比單箱模型好，是模擬大氣質量有效工具。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第9頁第四節點源擴散模型第六章大氣質量模型環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第10頁大氣污染物在大氣中運動，普通呈三維運動，其基本運動方程為：忽略污染物擴散過程中本身衰減，即k=0，同時忽略y方向和z方向上流動，即uy=uz=o，上式能夠簡化為：環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第11頁假定大氣流場是均勻，Ex,Ey和Ez都是常數，C為湍流時平均濃度：各種高架點源模型基礎環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第12頁一、無邊界點源模型1.瞬時單煙團正態擴散模型M為t=0時刻，由原點（0,0,0）瞬間排放量，即污染物源強瞬時釋放單煙團正態擴散模型是一切正態擴散模型基礎。假設點源位于坐標原點，釋放時間為t=0，在無邊界大氣環境中，瞬間排出一個煙團將沿三維方向擴散。基于上述基本運動方程及對應假設條件，得空間任一點、任一時刻污染物濃度：環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第13頁令三個坐標方向上污染物分布標準差為：1.瞬時單煙團正態擴散模型環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第14頁2.無邊界有風點源模型設風向平行于x軸，忽略y方向和z方向上流動，即uy=uz=0，則在空間任一點、任一時刻污染物濃度能夠用下式計算。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第15頁3.無邊界無風瞬時點源模型在無風條件下，ux=0環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第16頁連續穩定點源，?C/?t=0，在有風（ux≥1.5m/s）時，能夠忽略擴散作用。4.無邊界連續點源模型Q為在原點（0,0,0）連續穩定排放污染源源強，即單位時間排放污染物量環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第17頁二、高架連續排放點源模型高煙囪產生地面污染物濃度比含有相同源強低煙囪要低。煙囪高度是大氣污染控制主要變量之一。？煙囪高度？環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第18頁煙囪有效高度=物理高度+煙氣抬升高度；物理高度：煙囪實體高度；煙氣抬升高度：煙氣在排出煙囪口之后在動量和熱浮力作用下能夠繼續上升高度，這個高度可達數十至上百米，對減輕地面大氣污染有很大作用。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第19頁煙云抬升原因有兩個：①是煙囪出口處煙流含有一初始動量（使它們繼續垂直上升）；②是因煙流溫度高于環境溫度產生靜浮力。這兩種動力引發煙氣浮力運動稱煙云抬升，煙云抬升有利于降低地面污染物濃度。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第20頁高架源須考慮到地面對擴散影響。用“像源法”處理——把P點污染物濃度看成為兩部分（實源和像源）作用之和。建立三個坐標系：1、以實源在地面投影點為原點；P點坐標為（x，y，z）；2、以實源為原點；3、以像源為原點。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第21頁（1）實源貢獻：P點在以實源為原點坐標系中垂直坐標為（z-H）。不考慮地面影響，實源在P點形成污染物濃度為：環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第22頁（2）像源貢獻：P點在以像源為原點坐標系中垂直坐標為（z+H），像源在P點形成污染物濃度為：高斯模型環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第23頁思索已知煙囪物理高度為60m，煙氣抬升高度為98m，計算平均風速為6m/s，SO2排放量為650g/s，試計算自地面至240m高處SO2濃度在下風向800m處軸線上垂直分布。（σy=2.06x0.61；σz=0.10x1.01）環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第24頁1.高架連續點源地面濃度模型令z=0，得：環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第25頁2.高架連續點源地面軸線濃度模型令y=0，z=0，得：環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第26頁3.高架連續點源最大落地濃度模型當環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第27頁4.煙囪有效高度估算假如給定地面污染物最大允許濃度，由上式能夠估算煙囪有效高度He*環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第28頁思索已知某工廠排放Nox速率為100g/s，平均風速為5m/s，假如控制Nox地面濃度增量為0.15mg/m3，試求所必須煙囪有效高度。（σy=0.237x0.691；σz=0.217x0.610）環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第29頁環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第30頁5.逆溫條件下高架連續點源模型h表示從地面到逆溫層底部高度應用條件是He≤h假如在煙囪排出口上空存在逆溫層，從地面到逆溫層底部高度為h，這時，煙囪排煙不但要受到地面反射，還要受到逆溫層反射。逆溫條件下高架連續點源地面軸線濃度：環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第31頁三、高架多點源連續排放模型四、可沉降顆粒物擴散模型當顆粒物粒徑小于10μm時，在空氣中沉降速度小于1cm/s，因為垂直湍流和大氣運動支配，不可能自由沉降到地面，顆粒物濃度分布仍可用前面所述各式計算；環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第32頁地面顆粒物濃度計算模型：當顆粒物粒徑大于10μm時，在空氣中沉降速度在100cm/s左右，顆粒物除了隨流場運動以外，還因為重力下沉作用，使擴散羽中心軸線逐步向地面傾斜，在不考慮地面反射情況下能夠利用下述模型計算地面顆粒物濃度：環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第33頁第五節線源和面源模型第六章大氣質量模型環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第34頁一、線源模型若污染源在空間呈連續線狀分布，就組成線型污染源，污染物在此線上均勻排放到大氣環境。比如：川流不息交通干線上汽車廢氣排放就可近似為一線源，線源能夠看作是多點源求和。無限長線源模型有限長線源模型線源分段求和模式環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第35頁二、面源模型污染物若在一平面上近似均勻地排放(如：一居民區生活廢氣排放、一分布密集小工廠區工業燃燒廢氣排放)，對周圍環境污染影響需用面源擴散模型(用大量點源擴散模型計算求和不但不經濟而且反而不準確)簡化模型點源積分模型大氣湍流與擴散試驗室（ATDL）模型環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第36頁第六節復雜邊界層大氣質量模型第六章大氣質量模型環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第37頁一、大氣邊界層邊界層廣義地講是在流體介質中受邊界相對運動以及熱量和物質交換影響最顯著那一層流體。大氣中，對流層內貼近地表面約1-2km處大氣，直接收到地面摩擦力影響，它厚度比整個大氣層小得多，氣流含有邊界層性質，故稱為大氣邊界層（ABL）。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第38頁低層大氣結構環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第39頁二、小風、靜風擴散模型當風速0.5m/s≤u10<1.5m/s時作為小風狀態；當風速u10<0.5m/s時作為靜風情形。模型（自學）前述擴散模型幾乎都假定沿平均風向即x方向平均風速推流輸移速率遠大于湍流擴散速率，所以忽略x方向湍流擴散，但在小風和靜風條件下，這一假設不能成立。環境系統分析教程之箱式大氣質量模型第40頁三、熏煙模型夜間下墊面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，逆溫層將逐步自下而上消失，形成一個不停增厚混合層。原來在逆溫層中處于穩定狀態煙羽進入混合層后，上部逆溫使得擴散只能向下發展，由其本身下沉和垂直方向強擴散