1、第四章 城市、山区和水域附近扩散 4.1 城市大气扩散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山区大气扩散 4.4 水域附近大气扩散特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式 一、封闭型扩散模式一、封闭型扩散模式 污染源在两镜面上形成的污染源在两镜面上形成的像不止一个，而是无穷多个像不止一个，而是无穷多个像对。污染物的浓度可看成像对。污染物的浓度可看成是实源和无穷多对像源贡献是实源和无穷多对像源贡献之和。地面轴线上的污染物之和。地面轴线上的污染物浓度可表示为：浓度可表示为： 2222200zzynDHuQx )(exp),(n为反射次数；为反射次数；D为混合层高度为混合层高度 一、封闭型扩散
2、模式一、封闭型扩散模式（1）当）当x xD时：时：xD为烟流垂直扩散高度刚好到达逆温层底时的水为烟流垂直扩散高度刚好到达逆温层底时的水平距离。在平距离。在 xxD时，烟流扩散尚未受到上部逆温层时，烟流扩散尚未受到上部逆温层的影响，其浓度仍可按一般扩散模式估算。其中：的影响，其浓度仍可按一般扩散模式估算。其中： 152.HDz 按上式求出按上式求出z 后，确定该值对应的下风距离后，确定该值对应的下风距离x，此此 x 值即为值即为 xD D。最后计算出污染物浓度。最后计算出污染物浓度。 一、封闭型扩散模式一、封闭型扩散模式（2）当）当x 2xD时：时：当当 x 2 xD时，烟流经过两界面的多次反射
3、，达到时，烟流经过两界面的多次反射，达到某一距离某一距离 x 后，在垂直方向的浓度分布将渐趋均匀。后，在垂直方向的浓度分布将渐趋均匀。一般认为，一般认为， x 2 xD 时，垂直方向污染物的浓度可达均时，垂直方向污染物的浓度可达均匀，但匀，但 y 方向的浓度分布仍为正态分布，且仍符合扩方向的浓度分布仍为正态分布，且仍符合扩散的连续性条件，浓度计算式为：散的连续性条件，浓度计算式为：)exp(),(yyyDuQyx2222 一、封闭型扩散模式一、封闭型扩散模式（3）当）当2 xD x xD时：时：污染物浓度在的变化较为复杂。可取污染物浓度在的变化较为复杂。可取x =xD 和和 x = 2xD 两
4、点浓度的内插值。两点浓度的内插值。二、熏烟型扩散模式二、熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式假设烟流是排入稳定层内的假设烟流是排入稳定层内的（1）当逆温层消失到高度当逆温层消失到高度 hf f 时，时，在高度在高度 hf f 以下，以下，浓度的垂直分布是均匀的，可按下式估算污染物浓度：浓度的垂直分布是均匀的，可按下式估算污染物浓度：)2(exp2d)21(exp21), 0 ,(222yfyffpyhuppQHx,y815215152HtgHyyyf .熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式22( , ,0,)exp()22 2FyffyfQyx yHuh （2）逆温层消失到烟囱的有效高度处，即）
5、逆温层消失到烟囱的有效高度处，即 hf = H 时时，可认为烟流的一半向下混合，另一半仍留，可认为烟流的一半向下混合，另一半仍留在上面的稳定大气中。污染物浓度可按下式进行在上面的稳定大气中。污染物浓度可按下式进行估算：估算：22( , ,0,)exp()22FyffyfQyx yHuh （3）逆温层消失到烟流上边缘，即）逆温层消失到烟流上边缘，即 hf = H + 2z 时，可以认为烟流全部向下混合，地面熏烟浓度将时，可以认为烟流全部向下混合，地面熏烟浓度将达到极大值：达到极大值：熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式（4） 逆温消失逆温消失 H + 2z 时，熏烟过程不复存在。时，熏烟过程不复存在。4
6、.2 城市多源高斯模式n城市和工业区的排放源及排放方式是多种多样的，不能归结为一种理想的形式。因此，解决城市和工业区的污染物扩散问题，不能简单套用前面的公式。n目前已建立了各类城市多源空气污染模式。n这里介绍一般的处理原则及常用模式。n城市的空气污染是由性质和形式不同的大量污染源造成的，这些源通常分成以下几类：1）孤立的高架点源，如火电厂的高烟囱；2）工业生产用的矮小的烟囱排放；3）面源排放，近地面密集的许多小排放源，主要系居民生活源；4）交通流动源，如汽车、飞机、火车等。因此，针对不同形式的排放源应分别设计不同的扩散计算方法，选用不同性质的模式参数。城市污染源： 孤立高架点源 工业用矮小烟囱
7、 面源排放居民生活源 交通流动源一、一般考虑1.孤立高架点源排放孤立高架点源排放这类源排放具有热浮力，可抬升到几百米的有效源高城区的这类源的扩散计算可用第三章所述的扩散公式和烟流抬升公式处理。但采用城市影响修正的扩散参数y和z 1.孤立高架点源排放孤立高架点源排放城区情况下，日间混合层对流活跃，夜间城市混合层经常发生。扩散计算需采用封闭性扩散公式，以计入混合层对污染物的反射作用。还需考虑运用熏烟型扩散公式，处理夜间城市混合层的作用 将此类熏烟扩散作为事故处理：将此类熏烟扩散作为事故处理：烟流下缘的向下伸展很快（与烟流抬升相比）并使污染物落地；尺度与烟流高度相仿的大气垂直向对流活动剧烈，会将烟流
8、带向地面；一些下垫面特殊地形影响。2. 孤立、低矮的工业烟囱排放孤立、低矮的工业烟囱排放p许多孤立的工业烟囱排放并不划归高架点源处理 ，通常归入面源考虑。p尤其在城市，要考虑由于烟囱附近建筑物增强湍流而造成的污染物向下或者或者由于排放物出口速度较低而造成烟囱下洗作用的影响。2. 孤立、低矮的工业烟囱排放孤立、低矮的工业烟囱排放p烟囱下洗的影响：下洗会使实际烟囱高度降低一个修正量hdp建筑物下洗的影响：如果烟囱高度与周围建筑物高度相比太低，即：如果hs+hd 45o）)(),(z2LHQHx2expsin22002 （2）有限长线源扩散模式 在估算有限长线源造成的污染物浓度时，必须考虑线源末端引
9、起的“边缘效应”。对于横风有限长线源，取通过所关心的接受点的平均风向为x轴。线源的范围变化为y 。有限长线源的扩散模式：)2exp()2exp()2exp(2);,(0022yyzzllyLyLzuQozyxqydyyzuQzyxqyzLLzyl22222)(exp)2exp(2),(00三、 面源模式1、虚点源模式 有风用虚点源法，将面源化为点源处理。 假定面源与上风向某一虚点源所造成的污染浓度分布等假定面源与上风向某一虚点源所造成的污染浓度分布等效，即由虚拟点源排放的污染物经过虚拟距离效，即由虚拟点源排放的污染物经过虚拟距离x0后，与后，与面源具有同样的扩散幅。面源具有同样的扩散幅。 计算
10、时，相当于在点源扩散公式中增加一个初始扩散参数。 评论计算简便，精度不好，近源不好。下风距离。是以等效点源为起算的值。可确定计算点扩散参数和由代入即可则形式如，取的位置。向上风方推移的虚点源（等效点源位置），然后计算出面源中心和先定出应用时：x)()()()()2(15. 2/3 . 4/:,) 1 ()(2exp)(2exp)(), 0 ,(000000000000000020220200dzzzzzbyyyyyzyzdzzdzybyybyzyzzyyzzyyxxcxxxxaxxxxxHcxcxxLaxaxHyuQHyxqxXy0a=LQ为面源源强为面源源强H为面源高度为面源高度例： 某工业
11、区占地1000亩，规划建筑物平均高度40m，SO2无组织排放源强为60Kg/h ，该地年平均风速为3m/s，求阴天开发区下风向500m，1500m处的SO2最大浓度。 x0y 0 L/2 L/2 +500 L/2 +15001亩=60平方丈，1丈=10尺，1尺=33.3cm， 1亩=666.67m21000亩=66.67104m2 边长 L= 8.17102m H=40m Q=60kg/h= 1.67104mg/s阴天为中性，55. 089. 073. 014. 0 xxzy15. 23 . 400HLZy36073. 0*15. 2331014. 0*3 . 455. 01089. 010H
12、xLxzy55. 0089. 00)5002(73. 0)500()5002(14. 0)500(zzyyxLxL2、积分面源模式、积分面源模式将面源看成是由许多面积很小的面源单元组成，而每个微小的面源单元又可看成一个点源处理。采用点源扩散公式，可确定由微小的面源单位对某点的浓度贡献，只要将点源扩散公式对面源单元（面积aa）积分得浓度场迭加。计算复杂。 3、窄烟云模式(ATDL模式)n模式由美国大气湍流扩散实验室（ATDL）Hanna（1971，1973）和Gifford等（1973）提出. 近距离好，应用最广。n假定：面源边缘够长，认为边缘网格除上风向外，对考虑点浓度可忽略，即烟云很窄，达不
13、到考虑点。n窄烟云假设:侧面扩散比网格宽度小得多. 某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向两侧单元对其影响很小风向两侧单元对其影响很小 某点的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定某点的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定nATDL模式应用高斯烟流扩散公式的积分形式并把面源处理成为无限多个源强为Qa(x,y)的点源的组合排列。接受点浓度可以认为是上风方半无限平面内无限多个点源贡献之和。将高斯扩散公式在半无限面内对x和y积分，则有：dydxyuyxQDyxqyyxa)2exp(),()0 ,(220 式中，面源源强Qa是位置（x
14、,y）的函数，根据窄烟流假定，对点源排放烟流与Qa等值线的交角仅为10o20o的情况下，一般有y/dx1dxxuxQxqza)()()2()(210在x=dx范围内，有Qa（x）=Qzzx)(zuQxq212NiiiiiiiiLLLLLddcxLzziKQuKQuqqdqqdqqKuQdxcxHcxuQdxdqqHuxQqdz110252/32232/100202202002221212)2exp(12)2exp(2N取决于精度，一般取56，面源小时，N取大些 L一般国内取12km 面源大时，N取小些 美国取5km nH=0时，可积分出来 计算结果表明，需考虑源高， 否则偏大一个数量级。n风向
15、的考虑，注意源强的取法， 修正dddidiiludcQqludcQq111100) 12() 12()2(2)1 (1)2(2)1 (1四、正态烟团模式 虚点源后用烟团模式 实际计算时，在源内部及近距离，用窄烟云好 远处用虚点源法好 多源：qq点+q线+q面正态模型优缺点： 优：a. 计算相对简单，适用多源尺度10km，地形平坦 b. 空间分辨率高 缺：a. 不能反应复杂扩散的气象过程 b. 不能反应非线形的化学转化 c. 时间上是静态的A B五、箱模式 假定污染浓度在混和层内处处相等， 整个城市具有相同的面源强度Q，把城市或区域作为一个箱体或多个箱体。考虑其质量变化，利用质量守恒，不考虑侧向
16、扩散。WLdtQWLdtQcdtWHudtcWHuWLQdtdcLWHDDDWFFF)( 质量变化 源排放 流入 流出 上部扩散 沉积耗散等平衡态0FDDFDWFHQHQcLucLuHQdtdc)()(cQQQuHLQQuHLcuHQLcDDDWFDDDWFF不考虑沉积，上部扩散，区域外上风向浓度c，则：uHQLcFn把整个城市当作一个箱体，不考虑源强分布的不均匀性，十分把整个城市当作一个箱体，不考虑源强分布的不均匀性，十分粗糙也不符合实际。有人提出多箱体模式，即把单一箱体分层粗糙也不符合实际。有人提出多箱体模式，即把单一箱体分层若干个多箱体，以考虑源强分布不均一而加以订正；若干个多箱体，以考
17、虑源强分布不均一而加以订正；n模式隐含污染物一排放就立即在整个气箱范围内（尤其在铅直模式隐含污染物一排放就立即在整个气箱范围内（尤其在铅直方向）均匀混合，显然与实际情况不符合。只能在混合层高度方向）均匀混合，显然与实际情况不符合。只能在混合层高度不高的情况下，近似满足。而且因为略去了水平扩散，所以要不高的情况下，近似满足。而且因为略去了水平扩散，所以要求气箱有足够的宽度，并有适当的长宽比。求气箱有足够的宽度，并有适当的长宽比。n需具体解决箱体质量守恒方程中需具体解决箱体质量守恒方程中QDW和和QDD这两项的具体表达形这两项的具体表达形式，使得箱体模式处理的物理意义较为完善，估算结果也能比式，使
18、得箱体模式处理的物理意义较为完善，估算结果也能比较符合实际。较符合实际。六、平流扩散模式n由原始扩散方程：SDRzcKzycKyxcKxzcwycvxcutczyx)()()( 平流 扩散 化学 沉积 源 方程可考虑各种变化，但没有分析解，只有数值解，存在稳定性、格式问题。平流扩散模式的特点是： 如何合理地简化方程附加方程的简化算法处理对象1、方程的简化各项的 阶次分析 如： 又如：2、假扩散现象 差分格式的耗散性， 解决方法： 利用隐式 分步法 交替方向法 日本东京都光化学烟雾法拉格朗日法称轨道法设洛杉矶光化学烟雾为混合层高度则可化为二维问题积分，令DSRzcKztcdzcHczHH)()P
19、IC.(, 0w, v, u)H(.1003、优缺点n目前处理多源扩散与非线性化学反应唯一的方法n优：适应性强，地形复杂，动态特征n缺：原理 ？ 应用上，空间分辨 率差，输入参数要求高 xcKcux七、喷烟团模式1、排放扩散过程的分解n排放：持续的烟团n扩散：烟团中心位置d摆动 围绕烟团中心的湍流扩散 水平风搬迁n（x，y，z)是在t时刻的浓度为t之前到t时刻排放出烟囱中污染物的迭加 2、分析表示 源点（x0,y0,z0）, 现在时间t，t时刻烟团运行到（xP,yP,zP），考虑点（x,y,z）的浓度 烟团离中心轴线偏离： tTttttTttttTtttdwdwzzzttdvdvyyyttTd
20、uduxxxppp)()(: )()()()(000小时为一般取即：1T)()(),()(2) ()(2) ()(2) (21exp)()()()2()() () () (21exp) () () ()2() (),(022022022002/32202202202/3dTTGTtQtzyxCdTTzzzTyyyTxxxTTTTtQCdtCzzzyyyxxxtttttttQtzyxCzyxzyxtzyxzyx3、优缺点n适用：非均匀、非定常、复杂地形、中、大尺度 无法处理非线性化学反应n原理缺点：相对扩散与摆动，在实际上无法分清n应用缺点：T取法4、输入数据要求高n风场风向、风速，n湍流扩散特
21、征n源八、模式性能比较时间 分辨率空间 分辨率复杂 地形污染物输入数据要求计算量评价烟云 模式3（差）1321111烟团 模式2（中）1+222-3312平流扩散模式1（好）31132-311三种各有千秋，不存在最好或最差；需根据问题性质选择扩散模式箱模式简单、混合层现象普遍、显著n质量模式的应用 源 应用 决策 气象条件 模式 输出 评价 执行 监测资料 判断 标准应用最多，虚点源模式（平流扩散模式） 小结1、城市多源空气质量模式： 为点源、线源、面源模式总称，关键是源强的处理。1）点源模式)2exp()()2(); 0 ,(222327zzHxuQHxq2）线源模式-模式与风向和线源长度有
22、关a) 无限长线源， 风向与其呈正交，则线源造成的地面浓度由下式计算 风向与线源平行，有b) 有限长线源，设线源长度为2L02)(21exp22); 0 ,(zzllHuQHyxq2)(21exp22)0 ,(zzllHuQHyxq；ydyyzuQzyxqyzLLzyl22222)(exp)2exp(2),(00)2exp()2exp()2exp(2);,(0022yyzzllyLyLzuQozyxq3)、面源 a) 分解为无限点源积分 b) 后退点源4）、多源模式 dxdyyuQyxqyzyAA)2exp()0, 0(220平流扩散模式烟流（烟云）模式烟团模式箱模式.20220200)(2e
23、xp)(2exp)(), 0 ,(zzyyzzyyHyuQHyxq2、城市多源空气质量模式应用山区扩散模式对风向稳定、研究尺度不大、地形相对较为开对风向稳定、研究尺度不大、地形相对较为开阔及起伏不很大的地区，相当多的实验数据基本上阔及起伏不很大的地区，相当多的实验数据基本上还是遵循正态分布规律。在这样的地区，仍可使用还是遵循正态分布规律。在这样的地区，仍可使用平原地区的高斯扩散模式。但扩散参数应取平原地区的高斯扩散模式。但扩散参数应取向不稳向不稳定方向提级定方向提级后的扩散参数。后的扩散参数。山区扩散模式1. 1. 封闭山谷中的扩散模式封闭山谷中的扩散模式在狭长山谷中，由于峡谷两壁的多次反射，
24、可在狭长山谷中，由于峡谷两壁的多次反射，可以认为在距离污染源一段距离后，污染物在横向近以认为在距离污染源一段距离后，污染物在横向近似为均匀分布，但在垂直方向上仍为正态分布。似为均匀分布，但在垂直方向上仍为正态分布。山区扩散模式1. 1. 封闭山谷中的扩散模式封闭山谷中的扩散模式扩散模式：扩散模式：)2(22)(22zzzwuQx,z 地面浓度模式：zwuQx, 220)( 高架源模式2)(exp2)(exp22),(2222zzzHzHzwuQHx,z 1. 1. 封闭山谷中的扩散模式封闭山谷中的扩散模式在烟流开始扩散的一段距离内，污染物在横向的在烟流开始扩散的一段距离内，污染物在横向的扩散尚
25、未达到均匀，这时应考虑横向扩散的影响。当扩散尚未达到均匀，这时应考虑横向扩散的影响。当达到一定距离后，可以认为污染物在横向的扩散达到达到一定距离后，可以认为污染物在横向的扩散达到了均匀分布。这个距离与谷宽了均匀分布。这个距离与谷宽 W W 有关，其关系为：有关，其关系为：3 . 4wy 根据大气稳定度和y 值，可确定相应的 x 值。此距离可认为是扩散开始受峡谷两侧壁影响的距离。2. NOAA 2. NOAA 和和 EPA EPA 模式模式美国国家海洋和大气局（美国国家海洋和大气局（NOAANOAA）分析了高架点源烟）分析了高架点源烟流受到起伏地形的影响后，提出了以高斯模式为基础的流受到起伏地形
26、的影响后，提出了以高斯模式为基础的计算模式，仅对有效源高作了修正。计算模式，仅对有效源高作了修正。美国国家环保局（美国国家环保局（EPAEPA）提出的模式，在稳定度分）提出的模式，在稳定度分类、扩散参数选取和浓度计算公式方面与类、扩散参数选取和浓度计算公式方面与NOAANOAA相同，不相同，不同之处是同之处是对所有稳定度级别都作了地形高度修正对所有稳定度级别都作了地形高度修正。3. ERT 3. ERT 模式模式环境技术研究有限公司（环境技术研究有限公司（ERTERT）提出的模式，仍然）提出的模式，仍然利用高斯模式，只对有效源高作了修正。利用高斯模式，只对有效源高作了修正。69一个区域的大气环
27、境质量主要取决于该区域大气污染一个区域的大气环境质量主要取决于该区域大气污染物的排放总量、污染源的分布和源高、大气扩散能力等。物的排放总量、污染源的分布和源高、大气扩散能力等。大气环境容量是指某区域自然环境空气对某种大气污大气环境容量是指某区域自然环境空气对某种大气污染物的容许承受量或负荷量，其主要取决于该区域面积及染物的容许承受量或负荷量，其主要取决于该区域面积及其与风向垂直方向上的宽度、混合层高度、风速等。其与风向垂直方向上的宽度、混合层高度、风速等。制定地方大气污染物排放标准的技术方法制定地方大气污染物排放标准的技术方法中给出中给出了区域污染物允许排放总量限值和点源允许排放总量限值了区域
28、污染物允许排放总量限值和点源允许排放总量限值的计算方法。的计算方法。区域大气环境质量模型70一、箱式大气环境质量模型一、箱式大气环境质量模型在估算大气污染物的浓度时，把所研究的区域看在估算大气污染物的浓度时，把所研究的区域看作是作是“箱子箱子”的底，箱子的高度就是该区域的混合层的底，箱子的高度就是该区域的混合层高度，而污染物浓度在箱子内处处相等。高度，而污染物浓度在箱子内处处相等。箱式大气环境质量模型分为单箱模型和多箱模型箱式大气环境质量模型分为单箱模型和多箱模型区域大气环境质量模型71一、箱式大气环境质量模型一、箱式大气环境质量模型单箱模型单箱模型根据整个箱子大气污染物的输入和输出量，可以写
29、出根据整个箱子大气污染物的输入和输出量，可以写出大气污染物的质量守恒方程：大气污染物的质量守恒方程：lbhKlbQbhulbhdtdb )(如果大气污染物的衰减可以忽略，可以得到其解析解)(lt ubelhuQl （4-66）72一、箱式大气环境质量模型一、箱式大气环境质量模型单箱模型单箱模型当时间当时间 t 很长时，箱体内的大气污染物浓度随时间的变很长时，箱体内的大气污染物浓度随时间的变化趋于稳定，这时大气污染物的浓度称为平衡浓度：化趋于稳定，这时大气污染物的浓度称为平衡浓度：huQlbp 如果大气污染物的衰减不能忽略，可以得到：（4-68）)(exp/ tKluKluKhQbb1 （4-67）73二、多源大气环境质量模型二、多源大气环境质量模型区域内大气中某一点的污染物浓度等于背景浓度与区域内大气中某一点的污染物浓度等于背景浓度与各污染源对该点浓度的贡献值之和：各污染源对该点浓度的贡献值之和：),(),(nnnbyyxxyx 0F 叠加计算时应注意坐标变换（4-70）
