料相吻合,且只需利用常规气象资料即可进行简单的数学运算,因此使用最为普遍 (二)连续线源的扩散 当污染物沿一水平方向连续排放时,可将其视为一线源,如汽车行驶在平坦开阔的公路上。 线源在横风向排放的污染物浓度相等,这样,可将点源扩散的高斯模式对变量y积分,即可获得 线源的高斯扩散模式。但由于线源排放路径相对固定,具有方向性,若取平均风向为x轴,则线 源与平均风向未必同向。所以线源的情况较复杂,应当考虑线源与风向夹角以及线源的长度等问 如果风向和线源的夹角B>45°,无限长连续线源下风向地面浓度分布为: C(x,0,H)= H exp Tuo.sin B 当β<45°时,以上模式不能应用。如果风向和线源的夹角垂直,即B=90°,可得: C(x,0,0) (5-30) 对于有限长的线源,线源末端引起的“边缘效应”将对污染物的浓度分布有很大影响。随着 污染物接受点距线源的距离增加,“边源效应”将在横风向距离的更远处起作用。因此在估算有 限长污染源形成的浓度分布时,“边源效应”不能忽视。对于横风向的有限长线源,应以污染物 接受点的平均风向为x轴。若线源的范围是从y到y2,且y1<y2,则有限长线源地面浓度分布为 x.0.H √zie2a:小reP (5-31) 式中,s1=y/oy,s2=y2/oy,积分值可从正态概率表中查出 (三)连续面源的扩散 当众多的污染源在一地区内排放时,如城市中家庭炉灶的排放,可将它们作为面源来处理。 因为这些污染源排放量很小但数量很大,若依点源来处理 实际浓度分布 将是非常繁杂的计算工作 常用的面源扩散模式为虚拟点源法,即将城市按污染源τ 的分布和高低不同划分为若干个正方形,每一正方形视为 个面源单元,边长一般在0.5~10km之间选取。这种方法假 虚拟点源浓度分布 设:①有一距离为x0的虚拟点源位于面源单元形心的上风 图5-12虚拟点源模型 处,如图5-12所示,它在面源单元中心线处产生的烟流宽度为2y0=4.300,等于面源单元宽度 B;②面源单元向下风向扩散的浓度可用虚拟点源在下风向造成的同样的浓度所代替。根据污染 物在面源范围内的分布状况,可分为以下两种虚拟点源扩散模式: 第一种扩散模式假定污染物排放量集中在各面源单元的形心上。由假设①可得: B/4.3 (5-32)
料相吻合，且只需利用常规气象资料即可进行简单的数学运算，因此使用最为普遍。 （二）连续线源的扩散 当污染物沿一水平方向连续排放时，可将其视为一线源，如汽车行驶在平坦开阔的公路上。 线源在横风向排放的污染物浓度相等，这样，可将点源扩散的高斯模式对变量 y 积分，即可获得 线源的高斯扩散模式。但由于线源排放路径相对固定，具有方向性，若取平均风向为 x 轴，则线 源与平均风向未必同向。所以线源的情况较复杂，应当考虑线源与风向夹角以及线源的长度等问 题。 如果风向和线源的夹角β＞45°，无限长连续线源下风向地面浓度分布为： 2 2 2 ( ,0, ) exp sin 2 z z q H C x H π σu β σ = − （5－29） 当β＜45°时，以上模式不能应用。如果风向和线源的夹角垂直，即β＝90°，可得： 2 2 2 ( ,0, ) exp 2 z z q H C x H π σu σ = − （5－30） 对于有限长的线源，线源末端引起的“边缘效应”将对污染物的浓度分布有很大影响。随着 污染物接受点距线源的距离增加，“边源效应”将在横风向距离的更远处起作用。因此在估算有 限长污染源形成的浓度分布时，“边源效应”不能忽视。对于横风向的有限长线源，应以污染物 接受点的平均风向为 x 轴。若线源的范围是从 y1到 y2，且 y1＜y2，则有限长线源地面浓度分布为： 2 1 2 2 2 2 1 ( ,0, ) exp exp 2 2 2 s s z z q H s C x H ds π σu σ π = − − ∫ （5－31） 式中，s1＝y1/σy，s2＝y2/σy，积分值可从正态概率表中查出。 （三）连续面源的扩散 当众多的污染源在一地区内排放时，如城市中家庭炉灶的排放，可将它们作为面源来处理。 因为这些污染源排放量很小但数量很大，若依点源来处理， 将是非常繁杂的计算工作。 常用的面源扩散模式为虚拟点源法，即将城市按污染源 的分布和高低不同划分为若干个正方形，每一正方形视为一 个面源单元，边长一般在 0.5～10km 之间选取。这种方法假 设：①有一距离为 x0 的虚拟点源位于面源单元形心的上风 处，如图 5-12 所示，它在面源单元中心线处产生的烟流宽度为 2y0＝4.3σy0，等于面源单元宽度 B；②面源单元向下风向扩散的浓度可用虚拟点源在下风向造成的同样的浓度所代替。根据污染 物在面源范围内的分布状况，可分为以下两种虚拟点源扩散模式： 第一种扩散模式假定污染物排放量集中在各面源单元的形心上。由假设①可得： 0 / 4.3 σ y = B （5－32）
由确定的大气稳定度级别和上式求出的,应用P-G曲线图(见下节)可查取x。再由 +x)分布查出a,和ax,则面源下风向任一处的地面浓度由下式确定: c=rig g exp( 24 (5-33) 上式即为点源扩散的高斯模式(5-24),式中H取面源的平均高度,m。 如果排放源相对较高,而且高度相差较大,也可假定z方向上有一虚拟点源,由源的最初垂 直分布的标准差确定口,再由求出xa,由x+x求出a,由(x0+x)求出a,最后代入 式(5-33)求出地面浓度。 第二种扩散模式假定污染物浓度均匀分布在面源的y方向,且扩散后的污染物全都均匀分布 在长为x(x0+x)/8的弧上,如图5-12所示。因此,利用式(5-32)求a,后,由稳定度级别 应用P一G曲线图查出x,再由(x0+x)查出σ2,则面源下风向任一点的地面浓度由下式确定: C 丌n(x+x)/8、小 (5-34) 扩散参数及烟流抬升高度的确定 高斯扩散公式的应用效果依赖于公式中的各个参数的准确程度,尤其是扩散参数σ、σx及 烟流抬升高度Δh的估算。其中,平均风速u取多年观测的常规气象数据:源强q可以计算或测 定,而σ、σ2及Ah与气象条件和地面状况密切相关 1.扩散参数ar、a的估算 扩散参数σy、σ2是表示扩散范围及速率大小的特征量,也即正态分布函数的标准差。为了 能较符合实际地确定这些扩散参数,许多研究工作致力于把浓度场和气象条件结合起来,提出了 各种符合实验条件的扩散参数估计方法。其中应用较多的由是帕斯奎尔( Pasqui1)和吉福特 ( Gifford)提出的扩散参数估算方法,也称为P一G扩散曲线,如图5-13和图5-14所示。由图 可见,只要利用当地常规气象观测资料,由表5-1査取帕斯奎尔大气稳定度等级,即可确定扩 散参数。扩散参数σ具有如下规律:①σ随着离源距离增加而增大:②不稳定大气状态时的σ值 大于稳定大气状态,因此大气湍流运动愈强,值愈大:③以上两种条件相同时,粗糙地面上的 a值大于平坦地面 由于利用常规气象资料便能确定帕斯奎尔大气稳定度,因此P一G扩散曲线简便实用。但是, P一G扩散曲线是利用观测资料统计结合理论分析得到的,其应用具有一定的经验性和局限性 d,是利用风向脉动资料和有限的扩散观测资料作出的推测估计,az是在近距离应用了地面源在 中性层结时的竖直扩散理论结果,也参照一些扩散试验资料后的推算,而稳定和强不稳定两种情 况的数据纯系推测结果。一般,P-G扩散曲线较适用于近地源的小尺度扩散和开阔平坦的地形 实践表明,σ,的近似估计与实际状况比较符合,但要对地面粗糙度和取样时间进行修正:a2 的估计值与温度层结的关系很大,适用于近地源的1km以内的扩散。因此,大气扩散参数的准确 定量描述仍是深入研究的课题
由确定的大气稳定度级别和上式求出的 0 σ y ，应用 P－G 曲线图（见下节）可查取 xo。再由 (x0＋x)分布查出σy和σz，则面源下风向任一处的地面浓度由下式确定： 2 2 exp 2 y z z q H C πuσ σ σ = − （5－33） 上式即为点源扩散的高斯模式（5－24），式中 H 取面源的平均高度，m。 如果排放源相对较高，而且高度相差较大，也可假定 z 方向上有一虚拟点源，由源的最初垂 直分布的标准差确定 0 σ z ，再由 0 σ z 求出 z0 ，由 x 0z x + x 求出σz，由(x0＋x) 求出σy，最后代入 式（5－33）求出地面浓度。 第二种扩散模式假定污染物浓度均匀分布在面源的 y 方向，且扩散后的污染物全都均匀分布 在长为π(x0＋x)／8 的弧上，如图 5-12 所示。因此，利用式（5－32）求σy后，由稳定度级别 应用 P－G 曲线图查出 x0，再由(x0＋x) 查出σz，则面源下风向任一点的地面浓度由下式确定： ( ) 2 2 2 exp /8 2 z o z q H C π u x σ π x σ = − + （5－34） 三、扩散参数及烟流抬升高度的确定 高斯扩散公式的应用效果依赖于公式中的各个参数的准确程度，尤其是扩散参数σy、σz及 烟流抬升高度Δh 的估算。其中，平均风速 u 取多年观测的常规气象数据；源强 q 可以计算或测 定，而σy、σz及Δh 与气象条件和地面状况密切相关。 1. 扩散参数σy、σz的估算 扩散参数σy、σz是表示扩散范围及速率大小的特征量，也即正态分布函数的标准差。为了 能较符合实际地确定这些扩散参数，许多研究工作致力于把浓度场和气象条件结合起来，提出了 各种符合实验条件的扩散参数估计方法。其中应用较多的由是帕斯奎尔(Pasquill) 和吉福特 (Gifford)提出的扩散参数估算方法，也称为 P－G 扩散曲线，如图 5－13 和图 5－14 所示。由图 可见，只要利用当地常规气象观测资料，由表 5－1 查取帕斯奎尔大气稳定度等级，即可确定扩 散参数。扩散参数σ具有如下规律：①σ随着离源距离增加而增大；②不稳定大气状态时的σ值 大于稳定大气状态，因此大气湍流运动愈强，σ值愈大；③以上两种条件相同时，粗糙地面上的 σ值大于平坦地面。 由于利用常规气象资料便能确定帕斯奎尔大气稳定度，因此 P－G 扩散曲线简便实用。但是， P－G 扩散曲线是利用观测资料统计结合理论分析得到的，其应用具有一定的经验性和局限性。 σy是利用风向脉动资料和有限的扩散观测资料作出的推测估计，σz是在近距离应用了地面源在 中性层结时的竖直扩散理论结果，也参照一些扩散试验资料后的推算，而稳定和强不稳定两种情 况的数据纯系推测结果。一般，P－G 扩散曲线较适用于近地源的小尺度扩散和开阔平坦的地形。 实践表明，σy 的近似估计与实际状况比较符合，但要对地面粗糙度和取样时间进行修正；σz 的估计值与温度层结的关系很大，适用于近地源的 lkm 以内的扩散。因此，大气扩散参数的准确 定量描述仍是深入研究的课题
估算地面最大浓度值Cm及其离源的距离xm时,可先按式(5-25)计算出a2,并图5-14 查取对应的ⅹ值,此值即为当时大气稳定度下的xm。然后从图5-13查取与xmx对应的a,值, 代如式(5-26)即可求出Cmx值。用该方法计算,在E、F级稳定度下误差较大,在D、C级时 误差较小。H越高,误差越小。 102351023510 下风向距离x/m 下风向距离x/m 图5-13P一G扩散曲线可 图5-14P-G扩散曲线 我国GB3840-91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》采用如下经验公式确定扩散 参数ay、a σ=x“及=2x2 (5-35) 式中,y1、a1、γ2及α2称为扩散系数。这些系数由实验确定,在一个相当长的x距离内为常 数,可从GB3840-91的表中查取。 2.烟流抬升高度Ah的计算 烟流抬升高度是确定高架源的位置,准确判断大气污染扩散及估计地面污染浓度的重要参数 之一。从烟囱里排出的烟气,通常会继续上升。上升的原因一是热力抬升,即当烟气温度高于周 围空气温度时,密度比较小,浮升力的作用而使其上升;二是动力抬升,即离开烟囱的烟气本身 具有的动量,促使烟气继续向上运动。在大气湍流和风的作用下,漂移一段距离后逐渐变为水平 运动,因此有效源的高度高于烟囱实际高度 热烟流从烟囱中喷出直至变平是一个连续的逐渐缓 变过程一般可分为四个阶段,如图5-15所示。首先是烟 气依靠本身的初始动量垂直向上喷射的喷出阶段,该阶段z 的距离约为几至十几倍烟囱的直径:其次是由于烟气和周窦 围空气之间温差而产生的密度差所形成的浮力而使烟流 瓦解阶段 变平阶段 上升的浮升阶段,上升烟流与水平气流之间的速度差异而 图5-15烟流抬升过程 产生的小尺度湍涡使得两者混合后的温差不断减小,烟流 上升趋势不断减缓,逐渐趋于水平方向:然后是在烟体不断膨胀过程中使得大气湍流作用明显加
估算地面最大浓度值 Cmax及其离源的距离 xmax时，可先按式（5－25）计算出σz，并图 5-14 查取对应的 x 值，此值即为当时大气稳定度下的 xmax。然后从图 5-13 查取与 xmax对应的σy值， 代如式（5－26）即可求出 Cmax值。用该方法计算，在 E、F 级稳定度下误差较大，在 D、C 级时 误差较小。H 越高，误差越小。 我国 GB3840－91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》采用如下经验公式确定扩散 参数σy、σz： 1 2 y 1 z 2 x x α α σ γ = = 及σ γ （5－35） 式中，γ1、α1、γ2及α2称为扩散系数。这些系数由实验确定，在一个相当长的 x 距离内为常 数，可从 GB3840－91 的表中查取。 2. 烟流抬升高度Δh 的计算 烟流抬升高度是确定高架源的位置，准确判断大气污染扩散及估计地面污染浓度的重要参数 之一。从烟囱里排出的烟气，通常会继续上升。上升的原因一是热力抬升，即当烟气温度高于周 围空气温度时，密度比较小，浮升力的作用而使其上升；二是动力抬升，即离开烟囱的烟气本身 具有的动量，促使烟气继续向上运动。在大气湍流和风的作用下，漂移一段距离后逐渐变为水平 运动，因此有效源的高度高于烟囱实际高度。 热烟流从烟囱中喷出直至变平是一个连续的逐渐缓 变过程一般可分为四个阶段，如图 5-15 所示。首先是烟 气依靠本身的初始动量垂直向上喷射的喷出阶段，该阶段 的距离约为几至十几倍烟囱的直径；其次是由于烟气和周 围空气之间温差而产生的密度差所形成的浮力而使烟流 上升的浮升阶段，上升烟流与水平气流之间的速度差异而 产生的小尺度湍涡使得两者混合后的温差不断减小，烟流 上升趋势不断减缓，逐渐趋于水平方向；然后是在烟体不断膨胀过程中使得大气湍流作用明显加
强,烟体结构瓦解,逐渐失去抬升作用的瓦解阶段:最后是在环境湍流作用下,烟流继续扩散膨 胀并随风飘移的变平阶段。 从烟流抬升及扩散发展的过程可以看出,显然,浮升力和初始动量是影响烟流抬升的主要因 素,但使烟流抬升的发展又受到气象条件和地形状况的制约。主要表现为:①浮升力取决于烟流 与环境空气的密度差,即与两者的温差有关;而烟流初始动量取决于烟囱出口的烟流速度,即与 烟囱出口的内径有关。一般来讲,增大烟流与周围空气的温差以及提高烟流速度,抬升高度增加 但如果烟流的初始速度过大,促进烟流与空气的混合,反而会减少浮力抬升高度,一般该速度大 于出口处附近风速的两倍为宜。②大气的湍流强度愈大,烟与周围空气混合就愈快,烟流的温度 和初始动量降低得也愈快,则烟流抬升高度愈低。大气的湍流强度取决于温度层结,而温度层结 的影响不是单一的,如不稳定温度层结由于湍流交换活跃能抑制烟流的抬升,但也能促进热力抬 升,这取决于大气不稳定程度;③平均风速越大,湍流越强,抬升高度越低;④地面粗糙度大 使近地层大气湍流增强,不利于烟流抬升 由于烟流抬升受诸多因素的相互影响,因此烟流抬升高度Ah的计算尚无统一的理想的结 果。在30多种计算公式中,应用较广适用于中性大气状况的霍兰德( Holland)公式如下: 场hsBD 1.5+2.7 x"D15D+0010n (5-36) 式中κ一烟流出口速度 D一烟囱出口内径,m u一烟囱出口的环境平均风速,m/s; T一烟气出口温度,K T—环境平均气温度,K; Q一烟囱的热排放率,kW。 上式计算结果对很强的热源(如大型火电站)比较适中甚至偏高,而对中小型热源(Q<60~ 80Mw)的估计偏低。当大气处于不稳定或稳定状态时,可在上式计算的基础上分别增加或减少 10%~20% 根据GB/T3840—91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》和GB13223-96《火电厂 大气污染物排放标准》,按照烟气的热释放率、烟囱出口烟气温度与环境温度的温差(T一T。) 及地面状况,我国分别采用下列抬升计算式。 (1)当Q≥2100kW并且(T-Tn)≥35K时 Ah= noRtH"a (5-37) Q,=cp0(7-7a) 式中m、m、n2-地表状况系数,可从GB/T3840-91查取 V一标准状态下的烟气排放量,m/s
强，烟体结构瓦解，逐渐失去抬升作用的瓦解阶段；最后是在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨 胀并随风飘移的变平阶段。 从烟流抬升及扩散发展的过程可以看出，显然，浮升力和初始动量是影响烟流抬升的主要因 素，但使烟流抬升的发展又受到气象条件和地形状况的制约。主要表现为：①浮升力取决于烟流 与环境空气的密度差，即与两者的温差有关；而烟流初始动量取决于烟囱出口的烟流速度，即与 烟囱出口的内径有关。一般来讲，增大烟流与周围空气的温差以及提高烟流速度，抬升高度增加。 但如果烟流的初始速度过大，促进烟流与空气的混合，反而会减少浮力抬升高度，一般该速度大 于出口处附近风速的两倍为宜。②大气的湍流强度愈大，烟与周围空气混合就愈快，烟流的温度 和初始动量降低得也愈快，则烟流抬升高度愈低。大气的湍流强度取决于温度层结，而温度层结 的影响不是单一的，如不稳定温度层结由于湍流交换活跃能抑制烟流的抬升，但也能促进热力抬 升，这取决于大气不稳定程度；③平均风速越大，湍流越强，抬升高度越低；④地面粗糙度大， 使近地层大气湍流增强，不利于烟流抬升。 由于烟流抬升受诸多因素的相互影响，因此烟流抬升高度Δh 的计算尚无统一的理想的结 果。在 30 多种计算公式中，应用较广适用于中性大气状况的霍兰德(Holland)公式如下： 1.5 0.01 1.5 2.7 s s a s s v D T T v D Q h D u T u − + ∆ = + = h m （5－36） 式中 vS—烟流出口速度，m/s； D—烟囱出口内径，m； u—烟囱出口的环境平均风速，m/s； Ts—烟气出口温度，K； Ta—环境平均气温度，K； Qh—烟囱的热排放率，kW。 上式计算结果对很强的热源(如大型火电站)比较适中甚至偏高，而对中小型热源(Qh＜60～ 80 MW)的估计偏低。当大气处于不稳定或稳定状态时，可在上式计算的基础上分别增加或减少 10％～20％。 根据 GB／T3840—91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》和 GBl3223—96《火电厂 大气污染物排放标准》，按照烟气的热释放率 Qh、烟囱出口烟气温度与环境温度的温差（Ts－Ta） 及地面状况，我国分别采用下列抬升计算式。 （1）当 Qh≥2100kW 并且（Ts－Ta）≥35 K 时： 1 2 0 n n h n Q h h u ∆ = m （5－37） 0 ( ) Q c h p = − V Ts Ta kW （5－38） 式中 n0、n1、n2—地表状况系数，可从 GB／T3840—91 查取； V0—标准状态下的烟气排放量，m 3 /s；