大气污染 控制理论与方法环境科学与工程学院第二章 污染气象学基础知识
§ 2~1 主要气象要素及大气的基本物理性质；
§ 2~2 大气的热力过程；
§ 2~3 大气污染与气象的关系；
§ 3~4 大气扩散模式；
§ 3~5 污染物浓度估算；
§ 3~6 厂址选择和烟囱设计 。
§ 3~1 主要气象要素及大气的基本物理性质一、低层大气的成分,干洁空气、水汽、气溶胶粒子二、大气的垂直结构三、影响大气污染的主要气象要素
气象要素（因子）：
表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为 ～ 。
与大气污染关系密切的气象要素主要有：
气温、气压、空气湿度（气湿）,风（风向、风速）,
云况,能见度,降水,蒸发、日照时数,太阳辐射,
地面辐射、大气辐射 等。
1,气温,
表示大气温度高低的物理量 。 通常指距地面 1.5m高处百叶箱中的空气温度 。
2,气压,
任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量,
气压总是随高度的增加而降低的 。 气压随高度递减关系式可用气体静力学方程式描述,即 ΔP=-ρgΔZ,其积分式 — 压高公式：
据实测近地层高度每升高 100米,气压平均降低约 12.4毫巴
（ 1mb=100Pa),在高层小于此值 。
3,空气湿度 （ 气湿 ）,
反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量 。
常用的表示方法有：绝对湿度,水蒸气压力,体积百分比,
含湿量,相对湿度,露点等 。
1212 lnln ZZRT gPP
m
4,风（ wind speed and direction)
什么是风？空气的流动就形成风。水平 (horizontal)方向的空气运动称为风。
风的形成,风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由温度分布不均造成。
P 4 P 4 P 4
P 3 P 3 P 3
P 2 P 2 P 2
P 1 P 1 P 1
A B A B A B
t 1 t 2 t 1 t 2 t 1 t 2
t 1 = t 2 t 1 ＞ t 2 t 1 ＞ t 2
a b c 风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不会停止运动。
风的度量 （ 风向和风速 ）
风是矢量,有方向和大小,即风向和风速 。
风速 (风的大小 )：单位时间内空气在水平方向移动的距离,
常用单位,m/s,Km/s。
风向 (风的来向 )：可用 8个方位或 16方位表示 (地面风 ),见图 2-2；
也可用角度表示 (高空风 ):以北为零点,沿顺时针方向旋转 [正北为
360° (或 0° ) ;正东 90° ;正南 180° ;正西 270° ]。
NW NW N N NEN
N E
W NW ENE
W E
E S E
W S W
S W S W S S S E S S E
图 2 - 2
风的性质,
① 随时在变化,如我国季风 （ 北京附近冬天东北风 ） ；
② 随高度变化,在一定范围内,风随高度的增大而增大 。 地面有建筑物,树木的影响 。
风速随高度变化的曲线叫 风速廓线,其数学表达式叫风速廓线模式 。 在近地层中性层结情况下推导的两个表达式分别为：
③ 随地理位置而变,山区会产生山风,谷风,海风,海区有海陆风 （ 如上海,大连等 ） 。
对数律,Z — 离地面的高度； Z 0 — 粗糙度（ m ）； M — 系数；
指数律,Z 1 — 风速仪的高度； 1u — Z 1 高度处的平均风速（ m / s ）； m — 指数；
00
_
lnln
Z
Z
K
U
Z
Z
Mu
m
Z
Z
uu
1
1
5,云云,是发生在高空的水汽凝结现象 。
形成的基本条件,水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境 。
云量,指云遮蔽天空的成数 。 在我国,将天空分为 10等份,
有几分天空被云遮盖,云量就是几 。 如：云占天空的 1/10,云量记为 1；在云层中有少量空隙 （ 空隙总量不到天空的 1/20） 记为
10；当天空无云或云量不到 1/20时,云量为 0。
国外,将天空分为 8等份 。
国外云量与我国云量间的关系,国外云量 × 1.25=我国云量 。
总云量,指所有云遮蔽天空的成数,不论云的层次和高度 。
低云量,低云的云掩盖天空的成数 。
云量的记录,一般总云量 /低云量的形式记录,如 10/7。
云状,多种多样,1932年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属 。
云高,指云底距地面的垂直距离,以米为单位 。 测定方法：
激光测云仪,弧光测云仪等,目力测定法
6,能见度能见度,在当时的天气条件下,视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出目标物的最大距离,单位,m,Km。
能见度的大小反应了大气的混浊现象,反映出大气中杂质的多少 。 大气中的雾,水汽,烟尘等,可使能见度降低 。
7,太阳高度角太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角,是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一 。 ho即太阳高度角,它随时间而变化 。
8,降水降水是指大气中降落至地面的液态或固态水的通称 。 如雨,
雪等 。 降水是清除大气污染物的重要机制之一 。
四、大气的基本物理性质 （ 自学 ）
h o h
o
太阳光线地面
§ 2-2 大气的热力过程一,太阳辐射
1,什么是辐射？
自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能量,这种传递能量的方式称为辐射,以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能,有时简称辐射 。
2,大气对太阳辐射的减弱及影响因素
（ 1） 吸收辐射 ;（ 2） 散射作用 ;（ 3） 反射 ;（ 4） 透过大气层,
3,大气温度依地面温度的变化关系地面温度 （ 土壤温度 ） 的日变化是周期性的,具有一最高值和最低值,在一天里地表温度最高值在 13点左右,最低温度在日出前后 。
气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行,但振幅较小 。
二,气温的垂直变化
1,大气的绝热过程
（ 1 ）热力学第一定律大气中的热力学过程遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。
表示加于任一封闭物系（气体）的热量
Q?
等于该物系内能的变化
U?
和物系对外所做的功
W?
，即,
WUQ
在无非膨胀功时，其微分表达式为,
P d VdTCdQ
v
----------------- ①
将状态方 程
RTPV?
代入上式，并取
RCC
vp
，则上式写成
P
dP
RTdTCdQ
p
----------------- ②
变形为,
P
dP
C
RT
C
dQ
dT
pp
----------------- ③
式中,dQ — 加入物系的热量； R — 气体常数； Cp — 恒压比
（ 2 ）大气绝热过程实际中大气中的变化是非绝热变化，但计算时我们近似认为是绝热变化（气块在大气中的运动）。
原因有三,① 空气的导热率较小，变化慢； ② 气块大气中运动很快； ③ 气压变化很大。
大气的绝热方程,
绝热,0 Q,③ 式变为,
两边积分，得即有,
因 C
P
- C
V
= R 又 C
P
/C
V
= K,对于空气 K = 1,404
于是得大气绝热方程,
1
2
1
2
lnln
P
P
C
R
T
T
P
P
dP
C
R
T
dT
P
P
C
R
P
P
T
T
1
2
1
2
2 8 8.0
1
2
1
1
2
1
2
P
P
P
P
T
T
K
K
2,干绝热递减率,
绝热垂直递减率 （ 绝热直减率 ）,气块在绝热过程中,垂直方向上每升降单位距离时的温度变化值 。 （ 通常取 100m）,
单位,℃ /100m。
干绝热垂直递减率 γd（ 干绝热直减率 ）,干气块 （ 包括未饱和湿空气 ） 在绝热过程中,垂直方向上每升降单位距离的温度变化值 。 （ 通常取 100米 ）,根据计算,得到 γd约为 0.98℃ /100m，
近似 1℃ /100m。
（ 1） 准静力条件绝热过程中气温,气压都是指大气中气块本身的特性,但是对于气压而言,一般情况 P≠P环,若过程进行的十分缓慢,可使外界气压变化与系统内部气压变化充分平衡,每一瞬间外部气压与内部气压看成是相等的,即 P=P环,这个条件称为准静力条件 。 讨论的大多数过程我们认为满足准静力条件,即 P=P′。
（ 2 ） 干绝热直减率 γ d
定义,
P
d
C
g
dZ
dT
dZ
dT
'
T ′ — 气块温度； T — 环境温度。实际中,T ′与 T 之差不超过 10 ℃,
T ′ / T ≈ 1 。实际中 T ′ 与 T 之差不超过 10 ℃,T ′ /T ≈ 1 。
推导过程如下,
根据热力第一定律，导出绝热过程方程式为, ①
又气压随高度变化规律, ②
又理想气体状态方程, ③
将 ②③代入①，则得,
P
dP
C
R
T
dT
P
gdZdPg
dZ
dP
RTPRTPV
p
C
g
dZ
dT
P
d
C
g
dZ
dT
干绝热,气团是未饱和状态,不会有状态的变化,负号
,—,表示气块在干绝热上升过程中温度随高度的升高而降低,
若不计高度,纬度影响,取 g=9.18m/s2,CP=1004.8J/(Kg·K)则
γd=0.98K/100m ≈1K/100m。 表示干空气在作干绝热上升 （ 或下降 ） 运动时,每升高 （ 或下降 ） 100m,温度降低 （ 或升高 ）
1℃ 。
（ 3） 湿空气的绝热变化湿空气团作绝热升降时情况较复杂,在升降过程中 若无相变化,其温度直减率和干绝热直减率一样,每升降 100m,温度变化 1℃ ； 若有相变化,每升高 100m,温度变化小于 1℃ 。 湿空气上升达到饱和状态并开始凝结的高度称为 凝结高度,在凝结高度以下,其温度变化同干空气一样；在凝结高度以上,温度变化小于干空气的变化值,饱和空气每上升 （ 或下降 ） 单位距离空气的温度变化,称为 湿绝热递减率 γm,约为 0.5℃ /100m。
三,大气的静力稳定度大气的静力稳定度,指大气垂直运动的气团是加速,抑制,
还是无影响的一种热力学性质 。 大气稳定度影响大气污染物的扩散能力 。
1,气温的垂直分布
（ 1） 温度层结,温度随高度的分布情况 。 它影响大气垂直方向的流动情况,由于地面构筑物不同,温度层结不同 。
（ 2） 温度层结类型
① 温度随高度的增加而降低 （ Z↗ t↘ ）,正常分布,或 递减层结,一般情况是这种规律 。
② 温度梯度等于或近似于 1℃ /100m,称 中性层结 。
③ 温度随高度增加而升高 （ Z↗ t ↗ ）,称为 逆温层结 。
④ 温度不随高度变化,称为 等温层结 。
见下图所示：
图,层结曲线
a — 递减层结
b — 中性层结
c — 逆温层结
d — 等温层结层结曲线高度
Z
（ m
）
温度 t ( ℃ )
a
b
d
c
（ 3）温度层结日变化夜里 早上
t
H H
t
H
t
H
t
H
t
H
t
上 午中午 下午夜里
（ 4） 温度变化的实质,温度变化的实质是内能变化 。
（ 5） 环境温度直减率 （ 定义与干绝热直减率相同 ）,环境温度的变化 。
γ不是一常数,随太阳辐射,气候等而变化,对流层中环境温度直减率的平均值为 0.65℃ /100m。
大气环境的各种状态,（ 见下一页图示 ）
（ 6） 位温 （ θ）
位温,把各层中的气块由最初的压力 P循着干绝热的程序订正到一个标准压力 1000hPa时所具有的温度 。
任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下，
位温是变化的。 ∴ 位温比气温更能代表气块的热力学性质。
1标准大气压力 =1013.25mb（毫巴） 1mb=103达因 /cm2
dZ
dT
2 8 8.01 0 0 01 0 0 0
PTPT
pCR
大气环境的各种状态：
①
（ 平均状态 ）
② γ=γd = 1℃ /100m
（ 干绝热状态 ）
③ γ = 0 （ 等温状态 ）
④ γ < 0 （ 逆温状态 ）
⑤ γ > γd （ 超绝热状态 ）
t
H
③
①
④
②
⑤
dZ
dT
2,大气稳定度
（ 1） 什么是大气稳定度？
是指大气中任一高度上的一空气块在铅直方向上的稳定程度 。
（ 2） 大气稳定度的分类 （ 3类 ）
如果一空气块由于某种原因受到外力的作用,产生了上升或者下降的运动,当外力消除后,可能发生三种情况：
① 气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势,此时 大气是稳定的 。
② 气块仍然加速上升或下降,此时 大气是不稳定的 。
③ 气块停留在外力消失时所处的位置,或者做等速运动,这时 大气是中性的 。
（ 3） 如何判别大气的稳定度？
① 设气块状态为 T′,P′,ρ′,环境大气状态为 T,P,ρ,气块受到的浮力为 F1=mg =ρVg,重力为,G =ρ′ Vg。
因而它的静浮力为,F1－ G = (ρ－ ρ′) Vg ……………… ①
∵ P=ρRT P′=ρ′ RT′
到达某一位置时 P= P′（ 达准静力条件 ）
∴ '' RTRT = >
T
T
'
'
gm
T
TT
gmg
m
VgGF '
'
'1
''
'
''
1
…… ②
设气块在起始位置高度的温度和环境温度相同，均等于 T
0
，于是：
''
0
dTTT
dTTT
0
将
dZ
dT
d
'
与
dZ
dT
代入上式有,
dZTT
d
0
'
，
dZTT
0
（对于未饱和空气 干空气按 γ d 变化）
∴
dZTT
d
)('
……………………………………… ③
将 ③代入 ②式，得
gd Z m
T
GF
d
'
1?
讨论,
< 1 >
0
d
气块上升时,dZ ↗,
00
1
aGF
，符合不稳定条件；
气块下降时,dZ ↘ 。
00
1
aGF
，符合不稳定条件。
∴
0
d
无论上升、下降均属于不稳定状态。
< 2 >
0
d
气块上升,d Z ↗,
00
1
aGF
，稳定状态；
气块下降,dZ ↘ 。
00
1
aGF
，稳定状态。
在此状态下，不易扩散。
γ =0 等温； γ < 0 逆温是稳定状态中更稳定的状态。
< 3 >
0
d
00
1
aGF
，中性状态。
∴ 判断大气是否稳定,
对于 未饱和空气、干空气,可利用
0
d
来判断；
而对 饱和空气 而言，用
0
m
来判别,
一般实验时用此法，但不实用，实际应用中常 用另一种方法。
② 用位温梯度判别
∵
d
TZ
∴
时，气层中性，
时，气层不稳定，
时，气层稳定，
d
d
d
Z
Z
Z
0
0
0
③ 用 层结曲线 （大气温度随高度变化曲线）和 状态曲线（ 即上升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。
Z
γ
d
γ < γ
d
稳定 t
t
Z
γ
不稳定不稳定
γ > γ
d
γ
d
γ
Z
γ = γ d
中性 t
γ
γ d
四,逆温
1,定义：温度随高度的增加而增加,此时 。
2,跟我们研究污染有关的因素：
① 逆温层的消失时间；
② 逆温层底的高度；
③ 逆温层的厚度；
④ 逆温的强度 （ 温度随高度的变化情况 ） 。
不同季节都应掌握上述数据 。
逆温的最危险状况是逆温层正好处于烟囱排放口 。
3,逆温形成的过程 （ 自学 ）
形成逆温的过程多种多样,最主要有以下几种：
① 辐射逆温 （ 较常见 ） ； ② 平流逆温； ③ 锋面逆温；
④ 湍流逆温； ⑤ 下沉逆温 。
要求掌握辐射逆温的形成机理,了解其它辐射逆温的形成机理 。
0?dZdT
§ 3-3 大气污染与气象的关系一,边界层的风和湍流对大气污染的影响风,湍流 是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接最本质的因素 。 风速越大,湍流越强,污染物扩散速度越快,污染物浓度越低 。
（ 一 ） 风对大气污染物扩散和输送的影响风对污染物的作用体现为 风向 和 风速 两方面的影响 。
1,风向影响污染物的水平迁移扩散方向 。
2,风速的大小决定了大气扩散稀释作用的强弱 。
通常,污染物在大气中的浓度与平均风速成反比,风速增大 1倍,
下风向污染物将减少一半 。
（ 1） 风速随高度的分布：对数律；指数律 。
（ 2） 风向频率和污染系数为综合考虑风向,风速对空气污染物的输送扩散影响,往往要用 风向频率 和 污染系数 。
风向频率 是指一定时间内 （ 年或月 ）,某风向出现次数占各风向出现总次数的百分率 。
污染系数 表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响程度。
P越大，某下风向污染越严重。
（二）湍流
1,什么是湍流？
除在水平方向运动外,还会由上,下,左,右方向的乱运动,
风的这种特性和摆动称为大气湍流 。 （ 有点象分子的热运动 ）
2,湍流与扩散的关系把湍流想象成是由许多湍涡形成的,湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似 。
该风向的平均风速风向频率污染系数各风向的总次数某风向出现次数风向频率
P
%100
不同的是，分子的运动以分子为单位，湍流以湍涡为单位，湍涡运动速度比分子运动速度大的多，比分子扩散快 105— 106倍。
没有湍流运动，污染物的扩散就成了问题 。这是因为无湍流时，
污染物单靠分子扩散，扩散速度很小；有湍流时，由于其靠湍流扩散，运动的方向和大小都极不规则，使流场各部分间强烈混合，混合加快了扩散速度。若只有风无湍流，从烟囱中排出的废气像一条“烟管”一样几乎保持着同样粗细，吹向下方，
很少扩散。
3,形成：
近地层大气湍流有两种,热力湍流 ； 机械湍流 。
① 热力湍流：主要由于大气的铅直稳定度而引起,大气的铅直稳定度是由于气温的垂直分布决定的 。
② 机械湍流：有动力因子产生,由于大气垂直方向上的风速梯度不同和地面粗糙度不同而产生 。
归纳而言,风速越大,湍流越强,污染物扩散速度越快,污染物浓度越低 。 风,湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接因素 。
（ 三 ） 地方性风场 （ 自学 ）
二,大气稳定度对大气污染的影响大气稳定度对烟流扩散有很大的影响,不同稳定度导致从烟囱排出的烟羽形状不同 。 下面是与稳定度有关的五种典型烟流,。
平展型 漫烟型波浪型熏烟型扇型锥型爬升型屋脊型
T
Z Z Z
T T
γ
d
γ
γ
γ - γ
d
< - 1
γ - γ
d
>0
γ >0 γ > γ
d
γ
γ - γ
d
< - 1
稳定晴夜、早晨下部不稳定，上部稳定早 8 - 10 时，时间短，
危害重不稳定
Z Z
T T
γ - γ
d
≈ 0
γ γ
中性稳定强风、阳光下部稳定，上部不稳定，污染小三,降水对大气污染的影响降水对大气污染有净化作用,降水的净化作用与降水的强度和持续时间有关 。 降水越强,降水时间越长,降水后大气污染物浓度越低,保持低浓度的时间越长 。
四,云量与辐射的昼夜变化一般来说：晴天白天,特别是夏季中午,太阳辐射最强,温度层结递减,处于极不稳定状态；夜间,黎明前逆温最强,日出与日落前后为转换期,均接近中性层结 。
云：对辐射起屏障作用,既阻挡白天的太阳辐射,又阻挡夜间地面向上的辐射 。 总效果：减小气温随高度的变化 。
五,天气形势的影响天气形势指大范围气压分布状况 。 一定的天气现象和气象条件都与相应的天气形势联系起来 。 所以,天气形势与影响空气污染的气象因素密切相关,影响了污染物在大气中的扩散 。
低压气旋控制区：空气有上升运动,云天较多,通常风速较大 。
强高压反气旋控制区：天气晴朗,风速较小 。
天气形势的影响都是大范围的,它对个别源造成的小范围的污染影响不太明显 （ 没有气象条件日变化作用明显 ） 。
六,大气污染指数为了综合表示风,大气稳定度,降水及混合层高度等气象因素对污染物扩散的共同作用,可采用污染指数 Id。
式中,Id— d方向上的污染指数,无量纲； P— 降水； S— 大气稳定度； u— 风速； h— 混合层高度 。
Id越大,d方向下侧的污染较重 。 实践证明,Id≤0.8时,为清洁型大气 。
uh
SPI
d?
§ 3-4 正态分布下的大气扩散模式一,污染源污染源对污染物的影响很大,从污染源考虑污染物浓度主要有以下几方面：
(1) 污染物指的化学组分及性质,各组分间是否易发生化学反应形成二次污染物等；
(2) 源的几何形状和排放方式；
(3)源强,即污染物的排放速率；
(4) 源的高度。
在源强等条件相同的情况下,源高对地面污染物的影响见下图所示。
地面轴线浓度离源距离
H
1
H
2
H
3
H
3
>H
2
>H
1
H — 有效源高二,大气扩散试验方法简介
1,示踪剂浓度测量法优点：可直接测得数据,只要网点布置得当,就可对整个浓 度场进行分析 。
缺点：人力,物力耗费大,不经济 。
示踪剂：要求灵敏度高,无毒,性能稳定,检验方法可靠 。
常用的有：荧光微粒,六氟化硫 （ SF6）,SO2等 。
2,光学轮廓法优点：简便,经济； 缺点：精度差,研究范围小 。
常在研究烟羽抬升高度时应用 。
3,,标记粒子,轨迹法优点：精度高,适于大尺度扩散研究；
缺点：工作量大,不经济,多次观察等 。
此外还有风洞试验研究等 。
三,正态分布假设下的扩散模式研究湍流场中物质扩散的理论体系有三种：
梯度输送理论 ； 统计理论 ； 相似理论 。
1,梯度输送理论研究方法：利用欧拉提出的方法,在充满流体的空间固定多个点,量测各固定点上的各个参数的变化 。
理论基础：质量守恒定律,把扩散类似分子扩散,脉动值用平均值代替 。
2,统计理论研究方法：拉格朗日方法,空间有一微团,跟随微团流动时各个流动点的规律 。
理论基础：解决扩散参数时用二元相关理论：方差,概率 。
下面我们介绍据扩散统计理论导出的正态分布假设下的扩散模式。
（ 1） 坐标系坐标系取排放点 （ 无界源,地面源或高架源排放点 ） 在地面的投影点为原点,主风向为 x轴,y轴在水平面内垂直于 x轴,正方向在 x轴的左侧,z轴垂直于水平面,向上为正,即右手坐标系 。
食指 — x轴；中指 — y轴；拇指 — z轴 。 此坐标系中,烟流中心与 x
轴重合或烟流在 oxy平面的投影为 x轴 。
（ 2） 正态分布 （ 高斯模式 ） 假设下的扩散模式的假定
① 在 y,z轴上的分布为正态分布,即在 y,z轴上分别有； ；
② 在扩散的各个空间,风速是均匀稳定的,即时时,处处风速为常数,ū =常数 ；
③ 污染物排放的源强 Q是连续均匀的；
④ 在扩散过程中污染物没有沉降,化合和分解；地面对其起全反射作用,不发生吸收或吸附作用 。
⑤ x向风速 （ 平均 ） 不能太小,远远大于其它方向的湍流 。
下述的模式只要无特殊说明,都遵从上述假设 。
20 ayecc 20 bzecc
3,无界情况下的扩散模式有正态分布假设 ① 可写出浓度分布函数
22
,,
bzay
zyx
eexAC
①
由统计理论可写出方差表达式
0
0
2
2
cd y
cd yy
y
②
0
0
2
2
cd z
cd zz
z
③
根据假设 ③④ 的连续 性 条件可写出
c d y d zuQ
④
u
上式中：
ū— 平均风速；
Q— 源强是指污染物排放速率 。 与空气中污染物质的浓度成正比,它是研究空气污染问题的基础数据 。 通常：
（ ⅰ ） 瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；
（ ⅱ ） 连续点源以单位时间的释放量表示；
（ ⅲ ） 连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；
（ ⅳ ） 连续面源以单位时间单位面积的排放量表示 。
δy— 侧向扩散参数,污染物在 y方向分布的 标准偏差,是距离 y
的函数,m；
δz— 竖向扩散参数,污染物在 z方向分布的 标准偏差,是距离 z
的函数,m；
未知量 — 浓度 c,待定函数 A(x),待定系数 a,b；
式 ①,②,③,④ 组成一方程组,四个方程式有四个未知数,
故方程式可解 。
∵ 由 查表 或将式级数展开 可得,
0
2
3
2
0 0
4
2
2
22
a
dyey
a
dyedye
ay
ayay
代入 ② 式,
a
a
a
y
2
1
2
4
2
3
2
,
2
2
1
y
a
…………… ⑤；
同理得,
2
2
1
z
b
…………… ⑥
将①、⑤、⑥代入④中，得,
yzzy
z
y
z
z
y
y
z
y
z
y
uxAuxA
z
de
y
deuxA
dzedyexAud yd zeexAuQ
z
y
z
y
z
y
22
22
22
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
其中,
u
Q
xA
zy
2
…………………………… ⑦
再将⑤、⑥、⑦代入①式得无界状况下，下风向任意位置的污染物浓度（ g /m
3
）
2
2
2
2
,,
22
e x p
2
zyzy
zyx
zy
u
Q
C
…………………… ⑧
4,高架连续点源扩散模式高架源既考虑到地面的影响,又考虑到高出地面一定高度的排放源 。 地面对污染物的影响很复杂,如果地面对污染物全部吸收,
则 ⑧ 式仍适用于地面以上的大气,但根据假设 ④ 可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用,按全反射原理,可用：,像源法,处理这类问题 。 可以把 P点污染物浓度看成为两部分作用之和,
一部分实源作用,一部分是虚源作用 。 见下页图：相当于位置在
（ 0,0,H） 的实源和位置在 （ 0,0,-H） 的像源,当不存在地面时在 P点产生的浓度之和 。
（ 1） 实源作用,由于坐标原点原选在地面上,现移到源高为 H处,
相当于原点上移 H,即原式 ⑧ 中的 Z在新坐标系中为 （ Z-H）,不考虑地面的影响,则：
2
2
2
2
1
22
ex p
2 zyzy
Hzy
u
QC
实源虚源
H
H
P ( x,y,z )
反射区
Z + H
Z - H
Z
有效源高 H = H
s
+ △ H
（ 2 ）像源作用：源高 H,P 点距像源产生的烟流中心线的距离为 Z+ H,则,
2
2
2
2
2
22
ex p
2
zyzy
Hzy
u
Q
C
（ 3 ） P 点的实际浓度为两源作用之和,
2
2
2
2
2
2
21
2
e x p
2
e x p
2
e x p
2
zzyzy
HzHzy
u
Q
CCC
即高架连续点源正态分布假设下的扩散模式 。
（ 4 ）高架连续点源正态分布下 地面浓度扩散模式
Z= 0 时即得地面浓度模式,
2
2
2
2
2
e x p
2
e x p,0,,
zyzy
Hy
u
Q
HyxC
（ 5 ）高架连续点源正态分布下 地面轴线浓度模式
2
2
2
ex p,0,0,
zzy
H
u
Q
HxC
（ 6 ）高架连续点源正态分布下 地面最大浓度模式及位置
σ
y
,σ
z
是 距离 x 的函数（ 而 x 是 t 的函数）,且 随 x 的增大而增大,
在上式中
zy
u
Q
随 x 增大而减小,而
2
2
2
e x p
z
H
随 x 的增大而增大,两项共同作用的结果 必 将在某一距离 x 上出现最大浓度 C
m ax
。
求最大浓度 利用求极值的方法，即
0?
dx
dc
,作一些近于实际的假设 常数）(c o n s t
z
y
,即 σ
y
,σ
z
随 x 增加的倍数相同。
由 0
2
ex p
2
2
zzyzz
H
u
Q
d
d
d
dc
得
y
z
eHu
Q
C
2
m a x
2
且最大浓度出现于满足下列关系的下风处,
2
2
2
H
z
2
m a x
H
XCXz
则风速不变时，可导出
2
m a x
e u H
Q
c
以上模式适用于气态污染物和粒径小于 10μm的飘尘,对于大
10μm的颗粒物,由于自身的沉降作用,浓度分布将有所改变 。
7,倾斜烟云模式在预测上述颗粒时，假设沉积和无沉积有相同的分布形式，但在整个烟云离开源以后，便以重力终端速度下降（ ut）,此时，只要将高斯模式中有效源高 H用 ( )来置换即可得到倾斜烟云模式。
5,地面连续点源扩散模式令 H= 0 的地面连续点源扩散模式
2
2
2
2
2
ex p
2
ex p
zyzy
zy
u
Q
C
可见地面源所造成的浓度为无界情况下浓度的 2 倍。
6,地面源下风向地面轴向浓度当 y = 0,z = 0,H= 0 得,
zy
x
ue
Q
c
0,0,0,
u
xuH t?
2
2
2
2
2
2
,,,
2
e x p
2
e x p
2
e x p
2 z
t
z
t
yzy
Hzyx
u
xu
Hz
u
xu
Hz
y
u
Q
C
u
t
t
0 x
H
u
x
t?
四,非点源扩散模式 （ 简述 ）
1.线源扩散模式 ; 2,简单箱模式 ; 3.面源扩散模式 ; 4.山区扩散模式五,特殊气象条件下的扩散模式
（ 一 ） 有上部逆温层的扩散模式如果大气低层处于不稳定,某一高度以上有逆温层存在,这是上部逆温层就像一个,盖子,使污染物垂直扩散受限制,扩散只能在地面和逆温间进行,称之为,封闭型扩散,。
此类模型的推导是 把逆温层底面看成和地面一样能起全反射的
,镜面,,这时的烟云多次反射 。 如下页图所示 。
污染源浓度可看成是实源和无穷多个虚源作用之和 。
n zz
yzy
Hzyx
nDHznDHz
y
u
Q
C
2
2
2
2
2
2
,,,
2
2
ex p
2
2
ex p
2
ex p
2
式中,D — 逆温层底高度，即混合层高度,m ；
n — 烟流在两界间的反射次数，一般 n= 3 或 4 已包括主要反 射。
二次反射一次反射无反射
o
o
o
地面和逆温层底对烟云多次反射实际计算往往要进行简化，设 xD为烟羽边缘刚好达逆温底层时离烟源的水平距离。
0
D
z
0
x
D
x
Hs
Δ H
逆温层 z
① 当 x≤xD时,按原扩散模式 （ 一般高斯模式 ） 计算；
② 当 x≥2xD时,水平方向仍呈正态分布,z方向浓度渐趋均匀；
③ 当 xD<x<2xD时,情况复杂,此时可取 x=xD和 x=2xD时两点浓度的内差值 （ 采用双对数坐标系 ） 。
（ 二 ） 熏烟扩散模式熏烟过程,是指由于夜间辐射逆温在日出后,受太阳辐射,使逆温自下而上消失,转变为中性或不稳定层结,消失到烟羽下界时,上部仍为逆温,扩散只能向下进行,致使出现地面高浓度 。 随着逆温自下而上逐渐消退而发展至烟流上界时达高潮,
此过程称为熏烟过程,持续数十分钟 。
计算公式有几种,见书 P72,式 3.66— 3.72。
2
2
,0,,2ex p2
yy
Hyx
y
Lu
QC
§ 3-5 平坦开阔地形上的点源扩散
（污染物浓度估计）
一,有效源高
H称为 烟囱的有效高度 （烟轴高度，它由烟囱几何高度 Hs和烟流（最大）抬升高度 ΔH组成，即 H=Hs+ΔH）,要得到 H,只要求出 ΔH即可。 ΔH：烟囱顶层距烟轴的距离，随 x而变化的。
1,烟气抬升
（ 1） 烟气从烟囱排出,有风时,大致有四个阶段,(见下页图 )
a） 喷出阶段 ； b） 浮升阶段 ； c） 瓦解阶段 ； d） 变平阶段,
（ 2） 烟云抬升的原因有两个：
① 是烟囱出口处的烟流具有一初始动量 （ 使它们继续垂直上升 ） ； ② 是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力 。
这两种动力引起的烟气浮力运动称 烟云抬升,烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度 。
浮升阶段 瓦解 阶段 变平 阶段喷出阶段
Hs
Δ H
图 烟气抬升与扩散
2,影响烟云抬升的因素影响烟云抬升的因素很多,这里只考虑几种重要因素：
（ 1） 烟气本身的因素
a） 烟气出口速度 （ Vs）,决定了烟起初始动力的大小；
b） 热排放率 （ QH） — 烟囱口排出热量的速率
QH越高烟云抬升的浮力就越大,大多数烟云抬升模式认为,其中 α=1/4～ 1,常取 α为 2/3。
c） 烟囱几何高度 （ 看法不一 ）
有人认为有影响,；有人认为无影响 。
（ 2） 环境大气因素
a ） 烟囱出口高度处风速越大,抬升高度愈低,。
b ） 大气稳定度不稳时,抬升较高；中性时,抬升稍高；稳定时,抬升低 。
c） 大气湍流的影响大气湍流越强,抬升高度愈低 。
（ 3） 下垫面等因素的影响
HQ
32s
3,烟云最大抬升高度的经验计算抬升高度的计算公式很多,但由于影响抬升高度的因素很多,
所以目前大多数烟羽抬升公式是凭经验的,且各有其特点 （ 局限性 ）,因此 应尽量选择该公式的导出条件和我们的计算条件相仿的 。
下面介绍几个常见公式：
1 ） 只考虑动力上 升的烟羽抬升公式
a,勒普公式,d
u
Vs
5.1 b,史密斯公式,
4.1
u
Vs
d
2 ） 以热力抬升为主的公式
a,霍兰德 (Holland) 公式,
uQDuD
T
TT
u
Du
H
hs
s
ass
/)1079.95.1()7.25.1(
6?
式中,u
s
- 烟气出口流速,m /s ； D - 烟囱出口处的内径,m ；
ū - 烟囱出口处的平均风速,m /s ； Q
h
- 烟囱的热排放率,K J/s ；
T
s
- 烟气出口温度,K ； T
a
- 环境大气平均温度,K,取当地近 5 年平均值。
适用条件,中性大气条件；对于非中性大气条件,进行修正：
不稳定大气 → 增加 （ 10% ～ 20% ） △ H；稳定大气 → 减少
（ 10%～ 20%） △ H。 不适于,计算大型的热排放源或高于 100m
烟囱的抬升高度 。
b.布里吉斯 （ Briggs） 公式适用于 不稳定大气条件和中性大气条件的计算式 。
当 Q
h
> 2 0 9 2 0 KJ / s 时,
x < 1 0 H
s
1
3/23/1
3 6 2.0
uxQH
h； x > 1 0 H
s
1
3/23/1
55.1
uxQH
h
当 Q
h
< 2 0 9 2 0 KJ / s 时：（
5/6
5/35/2*
33.0 uxQx
h
）
x < 3 x *
1
3/13/1
3 6 2.0
uxQH
h ； x > 3 x *
1
5/25/3
33.0
uxQH
h
c,康凯维 （ Con c a we ） 公式,
4
3
2
1
/7 0 3.2 uQ
h
适用于 Q
h
< 8,37 4 × 10
3
KJ / s,近于中性稳定度，中小型烟源的抬升高度计算。
3） 我国（ GB/T13201-91）,制定地方大气污染物排放标准的技术方法”推荐的抬升公式,
a,当 Q
h
≥ 2100 KJ /s 且 △ T ≥ 35 K 时,uHQn
n
s
n
h
/
21
0
,其中
svah
TTQPQ /35.0
表 系数 n
0
,n
1
,n
2
的取值 （ 见 书 P 7 5 表 3 - 6 ）
Q
h
(K J/ s ) 下垫面情况（平原地区） n
0
n
1
n
2
农村或城市远郊区 1,42 7 1 /3 2 /3
Q
h
≥ 21000
城区及近郊 1,30 3 1 /3 2 /3
农村或城市远郊区 0,33 2 3 /5 2 /5 21000> Q
h
≥ 2100
且 Δ T ≥ 35K 城区 0,29 2 3 /5 2 /5
当 Z
2
≤ 200 m,
m
Z
Z
uu )(
1
2
1； 当 Z
2
> 200 m,
m
Z
uu )
2 0 0
(
1
1
式中,u
1
- 附近气象台（站）高度 5 年平均风速,m /s ； m - 见书 P 55 表 3 - 5 。
Z
1
- 附近气象台（站）高度 5 年平均风速,m /s ； Z
2
- 烟囱出口处高度,m ；
4,烟云抬升高度的测定选用烟云抬升高度计算公式前往往根据实例，根据实测时烟囱参数代入各种公式进行计算，选用与实测值近似的公式，
或将公式中系数作以修改。目前已知的测定方法有照相法、气球测高法、激光雷达法等。
b,当 1700 k J/s<Q
h
<2 1 0 0 k J/s 时,)
4 0 0
1 7 0 0
)((
121
h
Q
HHHH
式中,uQuQDuH
hhs
/)1700(048.0/)01.05.1(2
1
△ H
2
- 由布里吉斯公式求得。
c,当 Q
h
≤ 1700 k J/s 或者 △ T<3 5 K 时,uQDuH hs /)01.05.1(2
d,凡地面以上 10 m 高处 ū ≤ 1,5 m /s 的地区，
8/34/1
)0 0 9 8.0(5.5
dZ
dT
QH
a
h
5,有效源高对地面最大浓度的影响高架连续点源地面最大浓度计算式是在风速不变的情况下导出的 。 当考虑有效源高对地面最大浓度的影响时,应把风速看成变量考虑其影响 。
从 Cmax公式看出：风速对 Cmax有两种作用结果,① 风速增大,地面最大浓度减小； ② 从各种抬升公式看,风速增大时抬升高度减小,
地面最大浓度增大 。 因此可以设想在某一风速下会出现地面最大浓度的极大值,称为 地面绝对最大浓度,相对此时的风速称为 危险风速 。 地面最大浓度 Cmax不是随风速增加而单纯的减小,而是先随风速增加而增大,当 Cmax达到最大值后再减小 。
下面举一种地面绝对最大浓度表达式,说明有效源高对地面最大浓度的影响 。
大多数烟流抬升公式可概括为 ΔH=B/ū的形式,其中 B为某一抬升公式中除 ū以外的一切量 。 例如用霍兰德公式计算 ΔH时,
。 若将上述抬升公式代入地面最大浓度公式 Cmax中,对 ū求导 （ B视为常数 ）,并令则得到 ū=B/Hs,即当 ū=B/Hs时,Cmax达极大 。
不取 ΔH=B/ū时,计算要繁杂得多,但都有一危险风速 。
y
z
eHu
QC
2m a x
2?
Hs qduB 61079.95.1
0/m a x?uddc
二,大气扩散参数 （ σy,σz） 的确定
1,扩散参数的性质
① 随着 扩散距离 的加长,σ增大 。
② 随着水平和垂直湍流的强烈交换,大气处于不稳定状态,σ较大,即 σ与 稳定度 密切相关 。 σ = f（ 稳定度 ） 。
③ 稳定度,扩散距离一定时,σ与 粗糙度 有关 。 粗糙度越趋于稳定,σ越小 。
2,确定 σ的方法
① 示踪实验法； ② 风标法； ③ 经验方法 （ 应用最广泛 ）
3,帕斯奎尔 （ F.Pasquill） — 吉福特 （ F.A.Gifford） 扩散曲线法
（ 简,P-G扩散曲线法 ）
帕斯奎尔在 1961年首先提出应用观测到的风速,云量,云状和日照等天气资料,将大气扩散稀释能力分为 6个等级,
A — 极不稳定,B — 不稳定,C — 弱不稳定,D — 中性,
E — 弱稳定,F — 稳定 。 若稳定级别为 A～ B,则表示按 A,B级的数据内插 。 （ 详见书 P77,表 3-8）
该法的要点,
首先 根据帕斯奎尔划分大气稳定度的方法来确定大气稳定度级别； 然后 从 图 3-21和 图 3-22中查得对应的扩散参数 σy和 σz； 最后将 σy,σz代入前面介绍的一系列扩散模式中,就可估计出各种情况下的浓度值 。
须指出,
① 为防止各种书籍中扩散参数曲线的复制误差,英国伦敦气象局在此基础上制成表格,见书 P79表 3-9直接列出了不同稳定度时,一些 σy与 σz的具体数值,用内插法可求出 20Km距离内 σy、
σz的值 。 ② 当估算地面最大浓度 Cmax和它出现的距离 XCmax时先按 计算出,结合当时的大气稳定度级别由 图 3-22上查出对应的 x值,此即该稳定度下的 XCmax,。 然后从 图 3-21上 查出与 XCmax.对应的值,代入本章节 公式 3.33即可算出 Cmax值 。
适用条件,该法在 D,C级稳定度下误差较小；在 E,F级稳定度下误差较大； H越大,误差越小 。
2/Hz ma xCz xx
4,帕斯奎尔 曲线法的发展
P-G扩散曲线法的 缺点,稳定度的划分比较粗糙,难以准确确定其级别 。 因此,1964年,特纳尔 （ D.B.turner） 对其进行改进,提出 先根据太阳高度角,云高和云量确定辐射等级,再根据辐射等级和地面风速来划分稳定度级别 。
P-G扩散曲线法 比较适用于开阔平坦的下垫面 (如平原地区 ),对于粗糙度较大的地区,则应向不稳定方向提高 1-2级后再查表或图 。
5,布里吉斯扩散参数布里吉斯根据大量实验资料,考虑到下垫面和烟囱高度的影响,提出了适用于估算平原地区和城市地区的扩散参数公式 。 适用于高烟囱排放下风向 20～ 30Km左右的范围 。
书 P80表 3-13和表 3-14分别列出了估算 σy,σz的公式 。
6,,国标,推荐的扩散参数在我国国标,制定地方大气污染物排放标准的技术方法,
（ GB/T13021-91） 中规定,取样时间在 30min时,扩散参数按下原则选取 。
（ 1） 平原,农村地区及城市远郊区的扩散参数的选取,
A,B,C级稳定度直接由 表 3-15和 表 3-16查出 σy,σz幂函数； D、
E,F级稳定度则需向不稳定方向提半级后查算 。
（ 2） 工业区或城区中点源的扩散参数选取,
工业区,A,B级不提级； C级提到 B级； D,E,F级向不稳定方向提一级半；然后查算 。
非工业区的城区,A,B级不提级； C级提到 B～ C级； D,E,F
级向不稳定方向提一级；然后查算 。
（ 3） 丘陵山区的农村或城市,同城市工业区 。
（ 4） 大于 30min的取样时间,σz不变,σy按下式计算,
式中,σyτ 2－取样时间为 τ 2时的横向扩散参数,m；
σyτ 1－取样时间为 τ 1时的横向扩散参数,m；
q－时间稀释指数。
三、计算举例 （见书 P82例 3.1）
q
yy )(
1
2
12?
§ 3-6 厂址选择和烟囱设计一,选择厂址所需的气候资料气候资料 是指气象资料的常年统计形式 。
1,厂址选择所需的气候资料
（ 1） 风向和风速气候资料：
为了一目了然,常把风资料画成风玫瑰图 。 图 a是 风向玫瑰图 ；
图 b风速玫瑰图 是各个风向的平均风速绝对值 。 图 c是 风速和风向频率复合图,该图矢线长度代表风向频率大小,矢线末端的风速羽代表平均风速,每一羽可表示 0.5或 1.0m/s。 。
风向 （ 风速 ） 玫瑰图,在 8个或 16个方向上给出风向 （ 风速 ） 的相对频率或绝对值,用线段表示,连接各端点即成 。
风玫瑰图可按多年 （ 5-10年或更长 ） 的平均值作；也可按某月或某季的多年平均值作,山区地形复杂,风向,风速随地形和高度而变,可做出不同地点和高度的风玫瑰图 。
静风 （ 风速 <1.0m/s） 或微风 （ 风速为 1～ 2m/s） 情况大气通风条件差,容易引起高浓度污染,尤其是长时间静风会使污染物大量积累,引起严重污染 。 因此,在空气污染分析中不仅应统计静风频率,有条件还要统计静风持续时间 。
图 a 风向玫瑰图 图 b 风速玫瑰图
NW
N
NE
E
S
SE
SW
W
S
SE
E
SW
W
NW
N
NE
图 c 风速和风向频率复合图
（ 2） 大气稳定度的气象资料一般气象台没有近地层大气逆温层结的详细资料,但可据 pasquill
或我们废气排放制定标准中规定的方法 。 利用已知的气象资料进行分类,统计出月 （ 年,季 ） 各稳定度频率,作出必要的图表 。
（ 3） 混合层高度的确定混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数 。 由于温度层结的昼夜变化,混合层高度也随时间变化 。 混合层高度可看作气块作干绝热上升运动的上限高度 。 （ 即：干绝热递减率上限高度 。 混合层愈高,则污染物垂直扩散的范围越大 。 ） 具体指出污染物在铅直方向的扩散范围 。 受太阳辐射的影响,午后混合层高度最大,在温度 —
高度图上,从上午最大地面温度作干绝热线,与早晨温度探空曲线的交点高度为午后混合层高度,即最大混合层高度 。 见下页图示 。
大范围内的平均污染浓度,可以认为与混合层高度和混合层内的平均风速的乘积成反比 。 通常定义 Dū为 通风系数 。 Dū－ 单位时间内通过与平均风向垂直的单位宽度混合层的空气层 。 通风系数越大,
污染浓度越小 。
H
T
早晨探空曲线干绝热过程线日最高地温最大混合层高度图 确定最大混合层高度示意图
2,长期平均浓度的计算在厂址选择和环境评价中,人们更关心的长期平均浓度的分布 。 下面讨论长期平均浓度的计算方法 。
气象随提供的风向资料是按 16方位给出的,每个方位相当于一个 22.5o的扇形 。 因此,可按每个扇形计算长期平均浓度 。
推导时作以下假定：
（ 1） 同一扇形内各角度的风向频率相同,即在同一扇形内同一距离上,污染物浓度在 y方向是相等的 。
（ 2） 当吹某一扇形风时,全部污染物都落在这个扇形里 。
B
O
C
Q
污染源
x
如 上 图 所示,当风向为 OQ 时，由假定（ 2 ）知
BC 弧上的总浓度为
dyC
Hyx?
,0,,
（侧向积分浓度）
有假定①，此时
BC
弧长的平均浓度 C 为
2
1
22
2
2
2
,0,,
,0,,
2
16
2
16
2
2
16
16
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
zZ
y
y
z
H
z
H
y
y
z
y
H
zy
Hyx
BC
Hyx
e
u
x
Q
e
y
de
xu
Q
dyee
u
Q
x
dyC
xL
dyC
C
xxL
BC 16
2
1 8 0
5.22?
半径弧度弧长在此扇形外，浓度为 0 。
如果某个方位的风向频率在考虑时段内为 f%,则整个时段内该风向的平均浓度为,
2
2
22
1
16
2
01.02
z
H
z
e
u
x
fQ
C
由于我们假定同一扇形中同一弧线上的地面浓度相等，而不同扇形内 的风向频率又不相等，这就导致了扇形边界上浓度不连续。这显然是不合理，为了解决这种不连续性，简单方法就是以相邻两扇形中心线浓度为基准作线性内插，就可得到较合理的浓度分布，
也就对假定①作了修订。推导一下,
某地面浓度是相邻两扇形按比例贡献的和，即 21 CCC 。 如图 2 - 20 所示,a 表示该点所在扇形的宽度,y 表示该点与扇形中心线的横向距离，线性比例项可用 a - y θ /a 表示。
21 CC 和 分别为：
a
yaH
u
x
fQ
C
a
yaH
u
x
fQ
C
z
zH
H
z
z
1
2
1
2
12
1
2
2
2
2
1
1
2
ex p
16
2
01.02
2
ex p
16
2
01.02
应该注意 以上求的是平均浓度，因此公式中的 zzu? 也应是相应风向下的长期平均浓度；
准确的讲，分别求出该风向不同稳定度，不同风速时的浓度，再按频率加权平均，则可求出该风向的长度平均浓度。
用上述方法求出一个污染源周围的污染物浓度分布，进而画出长期平均浓度的等值线图 。
二,厂址选择从环境保护角度出发,理想的建厂位置 是 污染本底值最小,扩散稀释能力强,排出的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方 。
1,本底浓度本底浓度超标的地区不宜建厂,本底浓度虽未超标,但加上拟建厂贡献,短期内又无法改进的也不宜建厂,应选择本底浓度小的地区建厂 。
2,扩散稀释能力扩散稀释能力主要决定于该地区的气象条件和地形 。
（ 1） 风向,风速污染物危害的程度和受污染的时间及浓度有关,所以居住区,作物生长区都希望能设在受污染时间短,污染浓度低的位置,因而确定工厂和居民区的相对位置时要考虑风向,风速两个因素 。
污染系数表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响程度。其表达式为：
污染系数 =
该风向的平均风速风向频率某风向污染系数小,表示该风向吹来的风所造成的污染小,因此污染源可布置在污染源在污染系数最小风向的上侧 。
结合 书 P86表 3-19（ 某地风向频率及污染系数 ） 分析 。
（ 2） 稳定度由于一般污染物扩散是在距地面几米高范围内进行的,所以离地面几百米范围内的大气稳定度对污染物的扩散稀释过程有重要影响,
选厂址必须注意收集逆温层的强度,厚度,出现频率和持续时间等资料,要特别注意逆温同时出现静风或微风的情况 。
大型工厂：若排烟有效烟囱高度能突破经常出现的逆温层高度而在逆温层以上扩散,对防止污染有利,若逆温层出现在烟囱有效高度上部,往往易造成污染 。
中小工厂：距地面 200~300米以下的逆温层对中,小型工厂是不利的条件,高层逆温对几公里范围内的扩散影响不大 。
（ 3） 其它气象资料：如降雨,云,雾等 。
（ 4） 地形地形对空气污染的影响很复杂,在复杂地形建厂,必须作具体分析,
一般应进行专门的气象观测和现场扩散实验或进行风洞试验以便对当地的扩散稀释条件做出准确评价 。
三,烟囱设计烟囱不单是一排气装置,也是控制空气污染,保护环境的重要设备 。 烟囱高度,出口直径,喷出速度等工艺参数应满足减少对地面污染的需要 。 增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染,
大体上 C地面 ∝ 1/H2（ 见书 P88图 3-24所示 ）,但超过一定高度后再增加高度,对地面浓度的影响甚微,而烟囱的造价却随高度增加而急剧增大 （ 烟囱的造价 ∝ H2）,所以并不是烟囱愈高愈好 。 设计烟囱高度的基本原则 是既要保证排放物造成的地面最大浓度或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准,又应做到投资最省 。
1,烟囱高度计算烟囱高度的计算分为,① 精确计算法 ； ② 简化计算法 。
烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算,据对地面浓度要求不同,有两种计算法方法,（ 一 ） 保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算方法； （ 二 ） 保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法 。
（ 1） 以地面最大浓度不超过规定为依据,保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算公式由地面最大浓度模式
y
z
eHu
Q
C
2
m a x
2
及
HHH
S
，可导出烟囱高度
H
Cue
Q
H
y
z
S
m a x
2
一般地面最大浓度不应超过最大允许浓度值 C
0
（标准浓度），设本底浓度为 C
b
，又 为考虑今后的发展有一余地，于是 C
k
值为
bK
CC
k
fP
C
0,其中 f －该项目可占的污染权重；
k －污染源密集系数； P － 地形因子。
则 C
m a x
≤ C
k
,那么设计的烟囱高度为,H
Cue
Q
H
yk
z
S
2
式中 Δ H 根据自选的抬升公式计算； ū 可取当地烟囱高度的长度平均风速；
y
z
一般取 0,5 ～ 1,0 。
（ 2 ）保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法通常
u
B
H
代入最大浓度公式，有
2
m ax
uBHu
A
C
S
式中
y
e
Q
A
2
,
s
c
HuB?,令 0?
du
dC
，则危险风速
S
c
H
B
u?
相应地，地面绝对最大浓度公式
yS
z
a b s m
eBH
Q
C
2
令 C
a bs m
≤ C
k
（意义同上），可导出烟囱高度计算公式
yK
z
S
BCe
Q
H
2
,
由于危险风速
S
c
H
B
u?
代入上式，得：
yk
c
z
S
Cue
Q
H
2
上述计算公式实际上会遇到许多问题,必须予以考虑,如上述模式仅适于锥形扩散,实际是变化的,要根据建厂地区的气象条件等来取值 。
（ 3） 根据一定保证率计算烟囱高度
∵ 由地面最大浓度计算法 → HS较矮,当 u＜ ū时,地面浓度超标；
由 地面绝对最大浓度计算法 → HS较高,无论 u多大,地面浓度不超标,但烟囱造价高 。
∴ 在确定保证率后,ū,稳定度取一定值后代入上述公式,可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度,较前面较合理 。
（ 4） 根据点源烟尘允许排放率设计 （ P值法计算烟囱高度 ）
根据,指定大气污染物排放标准的技术方法,GB/T13201-91中规定的点源烟尘允许排放率计算式,
式中,Qe－烟尘允许排放速率,t/h； Pe－烟尘排放控制系数,
t/(h·m2)； H－有效源高,m。
由此得烟囱高度为：
62 10 HPQ ee
HPQH
e
e
s
610
2,烟囱设计中的若干问题
（ 1） 分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率,正确选用烟囱高度计算公式 。
烟型不同产生的地面最大浓度不同,烟囱高度的计算公式不同,因此确定烟型很重要 。 常用两种方法：
1） 选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式；
2） 选择保证一定的地面最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱高度计算公式 。
① 波型,发生在天气晴朗,风速不大,比较缓和的日子里,近距离造成短时间的污染浓度比锥形高 。 近地层中,低矮烟囱发热量小的污染源以此烟型为例,并应校核逆温层情况 。
② 锥型,100m左右的烟囱多发生此烟型 。 此烟型发生在温度层结近中性或中等到大风的情况,即发生在多云有风的白天或有风的夜晚 。
③ 平展型和漫烟型,较大的发电厂以漫烟型为主,夜间多为平展型,日出后一段时间发生漫烟型 。
④ 封闭型,大于 200m的较高烟囱以此型为主 。 观测发现：当混合层厚度在 760— 1065m间时,它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍,
Cmax可持续 2— 4小时,常出现在早晨和中午 。
地面最大浓度与 B/H关系很大,在某一比值以后,污染浓度主要取决于 B,烟囱高度只起次要作用 。 此时靠增加 Hs减少污染浓度不经济 。 总之,目前 Hs计算以锥形模式为主,对超高型烟囱无成熟可靠的方法 。
（ 2） 抬升公式很多,用何公式应按具体情况而定,一般选霍氏公式 。
（ 3） 公式中与气象有关的参数取值有两种方法,
① 取多年平均值； ② 取某一保障频率的值：如已知 ū＞ 3m/s的频率为 80%,取 3m/s可保证有 80%不超标,而地面平均最大浓度可能比规定标准更低 。
y
z
值在 0,5 ～ 1,0 间，即,当 H s>1 0 0 m 时,5.0?
y
z
；当 H s<1 00m 时，
0.16.0
y
z
。
（ 4 ）其它考虑
① Hs 为周围建筑物的 1,5 ～ 2,5 倍（避免建筑物背风面湍流影响）；
② 烟气出口速度 Vs 应为 20 ～ 3 0 m /s,并 5.1?
u
V
s
（避免下沉现象）；
③ 分散的烟囱不利于抬升，当需要几个烟囱时，尽量采用多筒集合式烟囱。
厂址选择和烟囱设计是一复杂的综合性很强的问题，必须统观多种因素,
才能得到较合理的方案。
（ 5 ）烟囱出口直径 D 的计算公式：
s
v
V
Q
D
4
其中,Q
v
－烟 气排放量,m /s ； V
s
－烟气出口速度,m /s 。
§ 2~1 主要气象要素及大气的基本物理性质；
§ 2~2 大气的热力过程；
§ 2~3 大气污染与气象的关系；
§ 3~4 大气扩散模式；
§ 3~5 污染物浓度估算；
§ 3~6 厂址选择和烟囱设计 。
§ 3~1 主要气象要素及大气的基本物理性质一、低层大气的成分,干洁空气、水汽、气溶胶粒子二、大气的垂直结构三、影响大气污染的主要气象要素
气象要素（因子）：
表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为 ～ 。
与大气污染关系密切的气象要素主要有：
气温、气压、空气湿度（气湿）,风（风向、风速）,
云况,能见度,降水,蒸发、日照时数,太阳辐射,
地面辐射、大气辐射 等。
1,气温,
表示大气温度高低的物理量 。 通常指距地面 1.5m高处百叶箱中的空气温度 。
2,气压,
任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量,
气压总是随高度的增加而降低的 。 气压随高度递减关系式可用气体静力学方程式描述,即 ΔP=-ρgΔZ,其积分式 — 压高公式：
据实测近地层高度每升高 100米,气压平均降低约 12.4毫巴
（ 1mb=100Pa),在高层小于此值 。
3,空气湿度 （ 气湿 ）,
反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量 。
常用的表示方法有：绝对湿度,水蒸气压力,体积百分比,
含湿量,相对湿度,露点等 。
1212 lnln ZZRT gPP
m
4,风（ wind speed and direction)
什么是风？空气的流动就形成风。水平 (horizontal)方向的空气运动称为风。
风的形成,风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由温度分布不均造成。
P 4 P 4 P 4
P 3 P 3 P 3
P 2 P 2 P 2
P 1 P 1 P 1
A B A B A B
t 1 t 2 t 1 t 2 t 1 t 2
t 1 = t 2 t 1 ＞ t 2 t 1 ＞ t 2
a b c 风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不会停止运动。
风的度量 （ 风向和风速 ）
风是矢量,有方向和大小,即风向和风速 。
风速 (风的大小 )：单位时间内空气在水平方向移动的距离,
常用单位,m/s,Km/s。
风向 (风的来向 )：可用 8个方位或 16方位表示 (地面风 ),见图 2-2；
也可用角度表示 (高空风 ):以北为零点,沿顺时针方向旋转 [正北为
360° (或 0° ) ;正东 90° ;正南 180° ;正西 270° ]。
NW NW N N NEN
N E
W NW ENE
W E
E S E
W S W
S W S W S S S E S S E
图 2 - 2
风的性质,
① 随时在变化,如我国季风 （ 北京附近冬天东北风 ） ；
② 随高度变化,在一定范围内,风随高度的增大而增大 。 地面有建筑物,树木的影响 。
风速随高度变化的曲线叫 风速廓线,其数学表达式叫风速廓线模式 。 在近地层中性层结情况下推导的两个表达式分别为：
③ 随地理位置而变,山区会产生山风,谷风,海风,海区有海陆风 （ 如上海,大连等 ） 。
对数律,Z — 离地面的高度； Z 0 — 粗糙度（ m ）； M — 系数；
指数律,Z 1 — 风速仪的高度； 1u — Z 1 高度处的平均风速（ m / s ）； m — 指数；
00
_
lnln
Z
Z
K
U
Z
Z
Mu
m
Z
Z
uu
1
1
5,云云,是发生在高空的水汽凝结现象 。
形成的基本条件,水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境 。
云量,指云遮蔽天空的成数 。 在我国,将天空分为 10等份,
有几分天空被云遮盖,云量就是几 。 如：云占天空的 1/10,云量记为 1；在云层中有少量空隙 （ 空隙总量不到天空的 1/20） 记为
10；当天空无云或云量不到 1/20时,云量为 0。
国外,将天空分为 8等份 。
国外云量与我国云量间的关系,国外云量 × 1.25=我国云量 。
总云量,指所有云遮蔽天空的成数,不论云的层次和高度 。
低云量,低云的云掩盖天空的成数 。
云量的记录,一般总云量 /低云量的形式记录,如 10/7。
云状,多种多样,1932年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属 。
云高,指云底距地面的垂直距离,以米为单位 。 测定方法：
激光测云仪,弧光测云仪等,目力测定法
6,能见度能见度,在当时的天气条件下,视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出目标物的最大距离,单位,m,Km。
能见度的大小反应了大气的混浊现象,反映出大气中杂质的多少 。 大气中的雾,水汽,烟尘等,可使能见度降低 。
7,太阳高度角太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角,是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一 。 ho即太阳高度角,它随时间而变化 。
8,降水降水是指大气中降落至地面的液态或固态水的通称 。 如雨,
雪等 。 降水是清除大气污染物的重要机制之一 。
四、大气的基本物理性质 （ 自学 ）
h o h
o
太阳光线地面
§ 2-2 大气的热力过程一,太阳辐射
1,什么是辐射？
自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能量,这种传递能量的方式称为辐射,以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能,有时简称辐射 。
2,大气对太阳辐射的减弱及影响因素
（ 1） 吸收辐射 ;（ 2） 散射作用 ;（ 3） 反射 ;（ 4） 透过大气层,
3,大气温度依地面温度的变化关系地面温度 （ 土壤温度 ） 的日变化是周期性的,具有一最高值和最低值,在一天里地表温度最高值在 13点左右,最低温度在日出前后 。
气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行,但振幅较小 。
二,气温的垂直变化
1,大气的绝热过程
（ 1 ）热力学第一定律大气中的热力学过程遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。
表示加于任一封闭物系（气体）的热量
Q?
等于该物系内能的变化
U?
和物系对外所做的功
W?
，即,
WUQ
在无非膨胀功时，其微分表达式为,
P d VdTCdQ
v
----------------- ①
将状态方 程
RTPV?
代入上式，并取
RCC
vp
，则上式写成
P
dP
RTdTCdQ
p
----------------- ②
变形为,
P
dP
C
RT
C
dQ
dT
pp
----------------- ③
式中,dQ — 加入物系的热量； R — 气体常数； Cp — 恒压比
（ 2 ）大气绝热过程实际中大气中的变化是非绝热变化，但计算时我们近似认为是绝热变化（气块在大气中的运动）。
原因有三,① 空气的导热率较小，变化慢； ② 气块大气中运动很快； ③ 气压变化很大。
大气的绝热方程,
绝热,0 Q,③ 式变为,
两边积分，得即有,
因 C
P
- C
V
= R 又 C
P
/C
V
= K,对于空气 K = 1,404
于是得大气绝热方程,
1
2
1
2
lnln
P
P
C
R
T
T
P
P
dP
C
R
T
dT
P
P
C
R
P
P
T
T
1
2
1
2
2 8 8.0
1
2
1
1
2
1
2
P
P
P
P
T
T
K
K
2,干绝热递减率,
绝热垂直递减率 （ 绝热直减率 ）,气块在绝热过程中,垂直方向上每升降单位距离时的温度变化值 。 （ 通常取 100m）,
单位,℃ /100m。
干绝热垂直递减率 γd（ 干绝热直减率 ）,干气块 （ 包括未饱和湿空气 ） 在绝热过程中,垂直方向上每升降单位距离的温度变化值 。 （ 通常取 100米 ）,根据计算,得到 γd约为 0.98℃ /100m，
近似 1℃ /100m。
（ 1） 准静力条件绝热过程中气温,气压都是指大气中气块本身的特性,但是对于气压而言,一般情况 P≠P环,若过程进行的十分缓慢,可使外界气压变化与系统内部气压变化充分平衡,每一瞬间外部气压与内部气压看成是相等的,即 P=P环,这个条件称为准静力条件 。 讨论的大多数过程我们认为满足准静力条件,即 P=P′。
（ 2 ） 干绝热直减率 γ d
定义,
P
d
C
g
dZ
dT
dZ
dT
'
T ′ — 气块温度； T — 环境温度。实际中,T ′与 T 之差不超过 10 ℃,
T ′ / T ≈ 1 。实际中 T ′ 与 T 之差不超过 10 ℃,T ′ /T ≈ 1 。
推导过程如下,
根据热力第一定律，导出绝热过程方程式为, ①
又气压随高度变化规律, ②
又理想气体状态方程, ③
将 ②③代入①，则得,
P
dP
C
R
T
dT
P
gdZdPg
dZ
dP
RTPRTPV
p
C
g
dZ
dT
P
d
C
g
dZ
dT
干绝热,气团是未饱和状态,不会有状态的变化,负号
,—,表示气块在干绝热上升过程中温度随高度的升高而降低,
若不计高度,纬度影响,取 g=9.18m/s2,CP=1004.8J/(Kg·K)则
γd=0.98K/100m ≈1K/100m。 表示干空气在作干绝热上升 （ 或下降 ） 运动时,每升高 （ 或下降 ） 100m,温度降低 （ 或升高 ）
1℃ 。
（ 3） 湿空气的绝热变化湿空气团作绝热升降时情况较复杂,在升降过程中 若无相变化,其温度直减率和干绝热直减率一样,每升降 100m,温度变化 1℃ ； 若有相变化,每升高 100m,温度变化小于 1℃ 。 湿空气上升达到饱和状态并开始凝结的高度称为 凝结高度,在凝结高度以下,其温度变化同干空气一样；在凝结高度以上,温度变化小于干空气的变化值,饱和空气每上升 （ 或下降 ） 单位距离空气的温度变化,称为 湿绝热递减率 γm,约为 0.5℃ /100m。
三,大气的静力稳定度大气的静力稳定度,指大气垂直运动的气团是加速,抑制,
还是无影响的一种热力学性质 。 大气稳定度影响大气污染物的扩散能力 。
1,气温的垂直分布
（ 1） 温度层结,温度随高度的分布情况 。 它影响大气垂直方向的流动情况,由于地面构筑物不同,温度层结不同 。
（ 2） 温度层结类型
① 温度随高度的增加而降低 （ Z↗ t↘ ）,正常分布,或 递减层结,一般情况是这种规律 。
② 温度梯度等于或近似于 1℃ /100m,称 中性层结 。
③ 温度随高度增加而升高 （ Z↗ t ↗ ）,称为 逆温层结 。
④ 温度不随高度变化,称为 等温层结 。
见下图所示：
图,层结曲线
a — 递减层结
b — 中性层结
c — 逆温层结
d — 等温层结层结曲线高度
Z
（ m
）
温度 t ( ℃ )
a
b
d
c
（ 3）温度层结日变化夜里 早上
t
H H
t
H
t
H
t
H
t
H
t
上 午中午 下午夜里
（ 4） 温度变化的实质,温度变化的实质是内能变化 。
（ 5） 环境温度直减率 （ 定义与干绝热直减率相同 ）,环境温度的变化 。
γ不是一常数,随太阳辐射,气候等而变化,对流层中环境温度直减率的平均值为 0.65℃ /100m。
大气环境的各种状态,（ 见下一页图示 ）
（ 6） 位温 （ θ）
位温,把各层中的气块由最初的压力 P循着干绝热的程序订正到一个标准压力 1000hPa时所具有的温度 。
任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下，
位温是变化的。 ∴ 位温比气温更能代表气块的热力学性质。
1标准大气压力 =1013.25mb（毫巴） 1mb=103达因 /cm2
dZ
dT
2 8 8.01 0 0 01 0 0 0
PTPT
pCR
大气环境的各种状态：
①
（ 平均状态 ）
② γ=γd = 1℃ /100m
（ 干绝热状态 ）
③ γ = 0 （ 等温状态 ）
④ γ < 0 （ 逆温状态 ）
⑤ γ > γd （ 超绝热状态 ）
t
H
③
①
④
②
⑤
dZ
dT
2,大气稳定度
（ 1） 什么是大气稳定度？
是指大气中任一高度上的一空气块在铅直方向上的稳定程度 。
（ 2） 大气稳定度的分类 （ 3类 ）
如果一空气块由于某种原因受到外力的作用,产生了上升或者下降的运动,当外力消除后,可能发生三种情况：
① 气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势,此时 大气是稳定的 。
② 气块仍然加速上升或下降,此时 大气是不稳定的 。
③ 气块停留在外力消失时所处的位置,或者做等速运动,这时 大气是中性的 。
（ 3） 如何判别大气的稳定度？
① 设气块状态为 T′,P′,ρ′,环境大气状态为 T,P,ρ,气块受到的浮力为 F1=mg =ρVg,重力为,G =ρ′ Vg。
因而它的静浮力为,F1－ G = (ρ－ ρ′) Vg ……………… ①
∵ P=ρRT P′=ρ′ RT′
到达某一位置时 P= P′（ 达准静力条件 ）
∴ '' RTRT = >
T
T
'
'
gm
T
TT
gmg
m
VgGF '
'
'1
''
'
''
1
…… ②
设气块在起始位置高度的温度和环境温度相同，均等于 T
0
，于是：
''
0
dTTT
dTTT
0
将
dZ
dT
d
'
与
dZ
dT
代入上式有,
dZTT
d
0
'
，
dZTT
0
（对于未饱和空气 干空气按 γ d 变化）
∴
dZTT
d
)('
……………………………………… ③
将 ③代入 ②式，得
gd Z m
T
GF
d
'
1?
讨论,
< 1 >
0
d
气块上升时,dZ ↗,
00
1
aGF
，符合不稳定条件；
气块下降时,dZ ↘ 。
00
1
aGF
，符合不稳定条件。
∴
0
d
无论上升、下降均属于不稳定状态。
< 2 >
0
d
气块上升,d Z ↗,
00
1
aGF
，稳定状态；
气块下降,dZ ↘ 。
00
1
aGF
，稳定状态。
在此状态下，不易扩散。
γ =0 等温； γ < 0 逆温是稳定状态中更稳定的状态。
< 3 >
0
d
00
1
aGF
，中性状态。
∴ 判断大气是否稳定,
对于 未饱和空气、干空气,可利用
0
d
来判断；
而对 饱和空气 而言，用
0
m
来判别,
一般实验时用此法，但不实用，实际应用中常 用另一种方法。
② 用位温梯度判别
∵
d
TZ
∴
时，气层中性，
时，气层不稳定，
时，气层稳定，
d
d
d
Z
Z
Z
0
0
0
③ 用 层结曲线 （大气温度随高度变化曲线）和 状态曲线（ 即上升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。
Z
γ
d
γ < γ
d
稳定 t
t
Z
γ
不稳定不稳定
γ > γ
d
γ
d
γ
Z
γ = γ d
中性 t
γ
γ d
四,逆温
1,定义：温度随高度的增加而增加,此时 。
2,跟我们研究污染有关的因素：
① 逆温层的消失时间；
② 逆温层底的高度；
③ 逆温层的厚度；
④ 逆温的强度 （ 温度随高度的变化情况 ） 。
不同季节都应掌握上述数据 。
逆温的最危险状况是逆温层正好处于烟囱排放口 。
3,逆温形成的过程 （ 自学 ）
形成逆温的过程多种多样,最主要有以下几种：
① 辐射逆温 （ 较常见 ） ； ② 平流逆温； ③ 锋面逆温；
④ 湍流逆温； ⑤ 下沉逆温 。
要求掌握辐射逆温的形成机理,了解其它辐射逆温的形成机理 。
0?dZdT
§ 3-3 大气污染与气象的关系一,边界层的风和湍流对大气污染的影响风,湍流 是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接最本质的因素 。 风速越大,湍流越强,污染物扩散速度越快,污染物浓度越低 。
（ 一 ） 风对大气污染物扩散和输送的影响风对污染物的作用体现为 风向 和 风速 两方面的影响 。
1,风向影响污染物的水平迁移扩散方向 。
2,风速的大小决定了大气扩散稀释作用的强弱 。
通常,污染物在大气中的浓度与平均风速成反比,风速增大 1倍,
下风向污染物将减少一半 。
（ 1） 风速随高度的分布：对数律；指数律 。
（ 2） 风向频率和污染系数为综合考虑风向,风速对空气污染物的输送扩散影响,往往要用 风向频率 和 污染系数 。
风向频率 是指一定时间内 （ 年或月 ）,某风向出现次数占各风向出现总次数的百分率 。
污染系数 表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响程度。
P越大，某下风向污染越严重。
（二）湍流
1,什么是湍流？
除在水平方向运动外,还会由上,下,左,右方向的乱运动,
风的这种特性和摆动称为大气湍流 。 （ 有点象分子的热运动 ）
2,湍流与扩散的关系把湍流想象成是由许多湍涡形成的,湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似 。
该风向的平均风速风向频率污染系数各风向的总次数某风向出现次数风向频率
P
%100
不同的是，分子的运动以分子为单位，湍流以湍涡为单位，湍涡运动速度比分子运动速度大的多，比分子扩散快 105— 106倍。
没有湍流运动，污染物的扩散就成了问题 。这是因为无湍流时，
污染物单靠分子扩散，扩散速度很小；有湍流时，由于其靠湍流扩散，运动的方向和大小都极不规则，使流场各部分间强烈混合，混合加快了扩散速度。若只有风无湍流，从烟囱中排出的废气像一条“烟管”一样几乎保持着同样粗细，吹向下方，
很少扩散。
3,形成：
近地层大气湍流有两种,热力湍流 ； 机械湍流 。
① 热力湍流：主要由于大气的铅直稳定度而引起,大气的铅直稳定度是由于气温的垂直分布决定的 。
② 机械湍流：有动力因子产生,由于大气垂直方向上的风速梯度不同和地面粗糙度不同而产生 。
归纳而言,风速越大,湍流越强,污染物扩散速度越快,污染物浓度越低 。 风,湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接因素 。
（ 三 ） 地方性风场 （ 自学 ）
二,大气稳定度对大气污染的影响大气稳定度对烟流扩散有很大的影响,不同稳定度导致从烟囱排出的烟羽形状不同 。 下面是与稳定度有关的五种典型烟流,。
平展型 漫烟型波浪型熏烟型扇型锥型爬升型屋脊型
T
Z Z Z
T T
γ
d
γ
γ
γ - γ
d
< - 1
γ - γ
d
>0
γ >0 γ > γ
d
γ
γ - γ
d
< - 1
稳定晴夜、早晨下部不稳定，上部稳定早 8 - 10 时，时间短，
危害重不稳定
Z Z
T T
γ - γ
d
≈ 0
γ γ
中性稳定强风、阳光下部稳定，上部不稳定，污染小三,降水对大气污染的影响降水对大气污染有净化作用,降水的净化作用与降水的强度和持续时间有关 。 降水越强,降水时间越长,降水后大气污染物浓度越低,保持低浓度的时间越长 。
四,云量与辐射的昼夜变化一般来说：晴天白天,特别是夏季中午,太阳辐射最强,温度层结递减,处于极不稳定状态；夜间,黎明前逆温最强,日出与日落前后为转换期,均接近中性层结 。
云：对辐射起屏障作用,既阻挡白天的太阳辐射,又阻挡夜间地面向上的辐射 。 总效果：减小气温随高度的变化 。
五,天气形势的影响天气形势指大范围气压分布状况 。 一定的天气现象和气象条件都与相应的天气形势联系起来 。 所以,天气形势与影响空气污染的气象因素密切相关,影响了污染物在大气中的扩散 。
低压气旋控制区：空气有上升运动,云天较多,通常风速较大 。
强高压反气旋控制区：天气晴朗,风速较小 。
天气形势的影响都是大范围的,它对个别源造成的小范围的污染影响不太明显 （ 没有气象条件日变化作用明显 ） 。
六,大气污染指数为了综合表示风,大气稳定度,降水及混合层高度等气象因素对污染物扩散的共同作用,可采用污染指数 Id。
式中,Id— d方向上的污染指数,无量纲； P— 降水； S— 大气稳定度； u— 风速； h— 混合层高度 。
Id越大,d方向下侧的污染较重 。 实践证明,Id≤0.8时,为清洁型大气 。
uh
SPI
d?
§ 3-4 正态分布下的大气扩散模式一,污染源污染源对污染物的影响很大,从污染源考虑污染物浓度主要有以下几方面：
(1) 污染物指的化学组分及性质,各组分间是否易发生化学反应形成二次污染物等；
(2) 源的几何形状和排放方式；
(3)源强,即污染物的排放速率；
(4) 源的高度。
在源强等条件相同的情况下,源高对地面污染物的影响见下图所示。
地面轴线浓度离源距离
H
1
H
2
H
3
H
3
>H
2
>H
1
H — 有效源高二,大气扩散试验方法简介
1,示踪剂浓度测量法优点：可直接测得数据,只要网点布置得当,就可对整个浓 度场进行分析 。
缺点：人力,物力耗费大,不经济 。
示踪剂：要求灵敏度高,无毒,性能稳定,检验方法可靠 。
常用的有：荧光微粒,六氟化硫 （ SF6）,SO2等 。
2,光学轮廓法优点：简便,经济； 缺点：精度差,研究范围小 。
常在研究烟羽抬升高度时应用 。
3,,标记粒子,轨迹法优点：精度高,适于大尺度扩散研究；
缺点：工作量大,不经济,多次观察等 。
此外还有风洞试验研究等 。
三,正态分布假设下的扩散模式研究湍流场中物质扩散的理论体系有三种：
梯度输送理论 ； 统计理论 ； 相似理论 。
1,梯度输送理论研究方法：利用欧拉提出的方法,在充满流体的空间固定多个点,量测各固定点上的各个参数的变化 。
理论基础：质量守恒定律,把扩散类似分子扩散,脉动值用平均值代替 。
2,统计理论研究方法：拉格朗日方法,空间有一微团,跟随微团流动时各个流动点的规律 。
理论基础：解决扩散参数时用二元相关理论：方差,概率 。
下面我们介绍据扩散统计理论导出的正态分布假设下的扩散模式。
（ 1） 坐标系坐标系取排放点 （ 无界源,地面源或高架源排放点 ） 在地面的投影点为原点,主风向为 x轴,y轴在水平面内垂直于 x轴,正方向在 x轴的左侧,z轴垂直于水平面,向上为正,即右手坐标系 。
食指 — x轴；中指 — y轴；拇指 — z轴 。 此坐标系中,烟流中心与 x
轴重合或烟流在 oxy平面的投影为 x轴 。
（ 2） 正态分布 （ 高斯模式 ） 假设下的扩散模式的假定
① 在 y,z轴上的分布为正态分布,即在 y,z轴上分别有； ；
② 在扩散的各个空间,风速是均匀稳定的,即时时,处处风速为常数,ū =常数 ；
③ 污染物排放的源强 Q是连续均匀的；
④ 在扩散过程中污染物没有沉降,化合和分解；地面对其起全反射作用,不发生吸收或吸附作用 。
⑤ x向风速 （ 平均 ） 不能太小,远远大于其它方向的湍流 。
下述的模式只要无特殊说明,都遵从上述假设 。
20 ayecc 20 bzecc
3,无界情况下的扩散模式有正态分布假设 ① 可写出浓度分布函数
22
,,
bzay
zyx
eexAC
①
由统计理论可写出方差表达式
0
0
2
2
cd y
cd yy
y
②
0
0
2
2
cd z
cd zz
z
③
根据假设 ③④ 的连续 性 条件可写出
c d y d zuQ
④
u
上式中：
ū— 平均风速；
Q— 源强是指污染物排放速率 。 与空气中污染物质的浓度成正比,它是研究空气污染问题的基础数据 。 通常：
（ ⅰ ） 瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；
（ ⅱ ） 连续点源以单位时间的释放量表示；
（ ⅲ ） 连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；
（ ⅳ ） 连续面源以单位时间单位面积的排放量表示 。
δy— 侧向扩散参数,污染物在 y方向分布的 标准偏差,是距离 y
的函数,m；
δz— 竖向扩散参数,污染物在 z方向分布的 标准偏差,是距离 z
的函数,m；
未知量 — 浓度 c,待定函数 A(x),待定系数 a,b；
式 ①,②,③,④ 组成一方程组,四个方程式有四个未知数,
故方程式可解 。
∵ 由 查表 或将式级数展开 可得,
0
2
3
2
0 0
4
2
2
22
a
dyey
a
dyedye
ay
ayay
代入 ② 式,
a
a
a
y
2
1
2
4
2
3
2
,
2
2
1
y
a
…………… ⑤；
同理得,
2
2
1
z
b
…………… ⑥
将①、⑤、⑥代入④中，得,
yzzy
z
y
z
z
y
y
z
y
z
y
uxAuxA
z
de
y
deuxA
dzedyexAud yd zeexAuQ
z
y
z
y
z
y
22
22
22
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
其中,
u
Q
xA
zy
2
…………………………… ⑦
再将⑤、⑥、⑦代入①式得无界状况下，下风向任意位置的污染物浓度（ g /m
3
）
2
2
2
2
,,
22
e x p
2
zyzy
zyx
zy
u
Q
C
…………………… ⑧
4,高架连续点源扩散模式高架源既考虑到地面的影响,又考虑到高出地面一定高度的排放源 。 地面对污染物的影响很复杂,如果地面对污染物全部吸收,
则 ⑧ 式仍适用于地面以上的大气,但根据假设 ④ 可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用,按全反射原理,可用：,像源法,处理这类问题 。 可以把 P点污染物浓度看成为两部分作用之和,
一部分实源作用,一部分是虚源作用 。 见下页图：相当于位置在
（ 0,0,H） 的实源和位置在 （ 0,0,-H） 的像源,当不存在地面时在 P点产生的浓度之和 。
（ 1） 实源作用,由于坐标原点原选在地面上,现移到源高为 H处,
相当于原点上移 H,即原式 ⑧ 中的 Z在新坐标系中为 （ Z-H）,不考虑地面的影响,则：
2
2
2
2
1
22
ex p
2 zyzy
Hzy
u
QC
实源虚源
H
H
P ( x,y,z )
反射区
Z + H
Z - H
Z
有效源高 H = H
s
+ △ H
（ 2 ）像源作用：源高 H,P 点距像源产生的烟流中心线的距离为 Z+ H,则,
2
2
2
2
2
22
ex p
2
zyzy
Hzy
u
Q
C
（ 3 ） P 点的实际浓度为两源作用之和,
2
2
2
2
2
2
21
2
e x p
2
e x p
2
e x p
2
zzyzy
HzHzy
u
Q
CCC
即高架连续点源正态分布假设下的扩散模式 。
（ 4 ）高架连续点源正态分布下 地面浓度扩散模式
Z= 0 时即得地面浓度模式,
2
2
2
2
2
e x p
2
e x p,0,,
zyzy
Hy
u
Q
HyxC
（ 5 ）高架连续点源正态分布下 地面轴线浓度模式
2
2
2
ex p,0,0,
zzy
H
u
Q
HxC
（ 6 ）高架连续点源正态分布下 地面最大浓度模式及位置
σ
y
,σ
z
是 距离 x 的函数（ 而 x 是 t 的函数）,且 随 x 的增大而增大,
在上式中
zy
u
Q
随 x 增大而减小,而
2
2
2
e x p
z
H
随 x 的增大而增大,两项共同作用的结果 必 将在某一距离 x 上出现最大浓度 C
m ax
。
求最大浓度 利用求极值的方法，即
0?
dx
dc
,作一些近于实际的假设 常数）(c o n s t
z
y
,即 σ
y
,σ
z
随 x 增加的倍数相同。
由 0
2
ex p
2
2
zzyzz
H
u
Q
d
d
d
dc
得
y
z
eHu
Q
C
2
m a x
2
且最大浓度出现于满足下列关系的下风处,
2
2
2
H
z
2
m a x
H
XCXz
则风速不变时，可导出
2
m a x
e u H
Q
c
以上模式适用于气态污染物和粒径小于 10μm的飘尘,对于大
10μm的颗粒物,由于自身的沉降作用,浓度分布将有所改变 。
7,倾斜烟云模式在预测上述颗粒时，假设沉积和无沉积有相同的分布形式，但在整个烟云离开源以后，便以重力终端速度下降（ ut）,此时，只要将高斯模式中有效源高 H用 ( )来置换即可得到倾斜烟云模式。
5,地面连续点源扩散模式令 H= 0 的地面连续点源扩散模式
2
2
2
2
2
ex p
2
ex p
zyzy
zy
u
Q
C
可见地面源所造成的浓度为无界情况下浓度的 2 倍。
6,地面源下风向地面轴向浓度当 y = 0,z = 0,H= 0 得,
zy
x
ue
Q
c
0,0,0,
u
xuH t?
2
2
2
2
2
2
,,,
2
e x p
2
e x p
2
e x p
2 z
t
z
t
yzy
Hzyx
u
xu
Hz
u
xu
Hz
y
u
Q
C
u
t
t
0 x
H
u
x
t?
四,非点源扩散模式 （ 简述 ）
1.线源扩散模式 ; 2,简单箱模式 ; 3.面源扩散模式 ; 4.山区扩散模式五,特殊气象条件下的扩散模式
（ 一 ） 有上部逆温层的扩散模式如果大气低层处于不稳定,某一高度以上有逆温层存在,这是上部逆温层就像一个,盖子,使污染物垂直扩散受限制,扩散只能在地面和逆温间进行,称之为,封闭型扩散,。
此类模型的推导是 把逆温层底面看成和地面一样能起全反射的
,镜面,,这时的烟云多次反射 。 如下页图所示 。
污染源浓度可看成是实源和无穷多个虚源作用之和 。
n zz
yzy
Hzyx
nDHznDHz
y
u
Q
C
2
2
2
2
2
2
,,,
2
2
ex p
2
2
ex p
2
ex p
2
式中,D — 逆温层底高度，即混合层高度,m ；
n — 烟流在两界间的反射次数，一般 n= 3 或 4 已包括主要反 射。
二次反射一次反射无反射
o
o
o
地面和逆温层底对烟云多次反射实际计算往往要进行简化，设 xD为烟羽边缘刚好达逆温底层时离烟源的水平距离。
0
D
z
0
x
D
x
Hs
Δ H
逆温层 z
① 当 x≤xD时,按原扩散模式 （ 一般高斯模式 ） 计算；
② 当 x≥2xD时,水平方向仍呈正态分布,z方向浓度渐趋均匀；
③ 当 xD<x<2xD时,情况复杂,此时可取 x=xD和 x=2xD时两点浓度的内差值 （ 采用双对数坐标系 ） 。
（ 二 ） 熏烟扩散模式熏烟过程,是指由于夜间辐射逆温在日出后,受太阳辐射,使逆温自下而上消失,转变为中性或不稳定层结,消失到烟羽下界时,上部仍为逆温,扩散只能向下进行,致使出现地面高浓度 。 随着逆温自下而上逐渐消退而发展至烟流上界时达高潮,
此过程称为熏烟过程,持续数十分钟 。
计算公式有几种,见书 P72,式 3.66— 3.72。
2
2
,0,,2ex p2
yy
Hyx
y
Lu
QC
§ 3-5 平坦开阔地形上的点源扩散
（污染物浓度估计）
一,有效源高
H称为 烟囱的有效高度 （烟轴高度，它由烟囱几何高度 Hs和烟流（最大）抬升高度 ΔH组成，即 H=Hs+ΔH）,要得到 H,只要求出 ΔH即可。 ΔH：烟囱顶层距烟轴的距离，随 x而变化的。
1,烟气抬升
（ 1） 烟气从烟囱排出,有风时,大致有四个阶段,(见下页图 )
a） 喷出阶段 ； b） 浮升阶段 ； c） 瓦解阶段 ； d） 变平阶段,
（ 2） 烟云抬升的原因有两个：
① 是烟囱出口处的烟流具有一初始动量 （ 使它们继续垂直上升 ） ； ② 是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力 。
这两种动力引起的烟气浮力运动称 烟云抬升,烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度 。
浮升阶段 瓦解 阶段 变平 阶段喷出阶段
Hs
Δ H
图 烟气抬升与扩散
2,影响烟云抬升的因素影响烟云抬升的因素很多,这里只考虑几种重要因素：
（ 1） 烟气本身的因素
a） 烟气出口速度 （ Vs）,决定了烟起初始动力的大小；
b） 热排放率 （ QH） — 烟囱口排出热量的速率
QH越高烟云抬升的浮力就越大,大多数烟云抬升模式认为,其中 α=1/4～ 1,常取 α为 2/3。
c） 烟囱几何高度 （ 看法不一 ）
有人认为有影响,；有人认为无影响 。
（ 2） 环境大气因素
a ） 烟囱出口高度处风速越大,抬升高度愈低,。
b ） 大气稳定度不稳时,抬升较高；中性时,抬升稍高；稳定时,抬升低 。
c） 大气湍流的影响大气湍流越强,抬升高度愈低 。
（ 3） 下垫面等因素的影响
HQ
32s
3,烟云最大抬升高度的经验计算抬升高度的计算公式很多,但由于影响抬升高度的因素很多,
所以目前大多数烟羽抬升公式是凭经验的,且各有其特点 （ 局限性 ）,因此 应尽量选择该公式的导出条件和我们的计算条件相仿的 。
下面介绍几个常见公式：
1 ） 只考虑动力上 升的烟羽抬升公式
a,勒普公式,d
u
Vs
5.1 b,史密斯公式,
4.1
u
Vs
d
2 ） 以热力抬升为主的公式
a,霍兰德 (Holland) 公式,
uQDuD
T
TT
u
Du
H
hs
s
ass
/)1079.95.1()7.25.1(
6?
式中,u
s
- 烟气出口流速,m /s ； D - 烟囱出口处的内径,m ；
ū - 烟囱出口处的平均风速,m /s ； Q
h
- 烟囱的热排放率,K J/s ；
T
s
- 烟气出口温度,K ； T
a
- 环境大气平均温度,K,取当地近 5 年平均值。
适用条件,中性大气条件；对于非中性大气条件,进行修正：
不稳定大气 → 增加 （ 10% ～ 20% ） △ H；稳定大气 → 减少
（ 10%～ 20%） △ H。 不适于,计算大型的热排放源或高于 100m
烟囱的抬升高度 。
b.布里吉斯 （ Briggs） 公式适用于 不稳定大气条件和中性大气条件的计算式 。
当 Q
h
> 2 0 9 2 0 KJ / s 时,
x < 1 0 H
s
1
3/23/1
3 6 2.0
uxQH
h； x > 1 0 H
s
1
3/23/1
55.1
uxQH
h
当 Q
h
< 2 0 9 2 0 KJ / s 时：（
5/6
5/35/2*
33.0 uxQx
h
）
x < 3 x *
1
3/13/1
3 6 2.0
uxQH
h ； x > 3 x *
1
5/25/3
33.0
uxQH
h
c,康凯维 （ Con c a we ） 公式,
4
3
2
1
/7 0 3.2 uQ
h
适用于 Q
h
< 8,37 4 × 10
3
KJ / s,近于中性稳定度，中小型烟源的抬升高度计算。
3） 我国（ GB/T13201-91）,制定地方大气污染物排放标准的技术方法”推荐的抬升公式,
a,当 Q
h
≥ 2100 KJ /s 且 △ T ≥ 35 K 时,uHQn
n
s
n
h
/
21
0
,其中
svah
TTQPQ /35.0
表 系数 n
0
,n
1
,n
2
的取值 （ 见 书 P 7 5 表 3 - 6 ）
Q
h
(K J/ s ) 下垫面情况（平原地区） n
0
n
1
n
2
农村或城市远郊区 1,42 7 1 /3 2 /3
Q
h
≥ 21000
城区及近郊 1,30 3 1 /3 2 /3
农村或城市远郊区 0,33 2 3 /5 2 /5 21000> Q
h
≥ 2100
且 Δ T ≥ 35K 城区 0,29 2 3 /5 2 /5
当 Z
2
≤ 200 m,
m
Z
Z
uu )(
1
2
1； 当 Z
2
> 200 m,
m
Z
uu )
2 0 0
(
1
1
式中,u
1
- 附近气象台（站）高度 5 年平均风速,m /s ； m - 见书 P 55 表 3 - 5 。
Z
1
- 附近气象台（站）高度 5 年平均风速,m /s ； Z
2
- 烟囱出口处高度,m ；
4,烟云抬升高度的测定选用烟云抬升高度计算公式前往往根据实例，根据实测时烟囱参数代入各种公式进行计算，选用与实测值近似的公式，
或将公式中系数作以修改。目前已知的测定方法有照相法、气球测高法、激光雷达法等。
b,当 1700 k J/s<Q
h
<2 1 0 0 k J/s 时,)
4 0 0
1 7 0 0
)((
121
h
Q
HHHH
式中,uQuQDuH
hhs
/)1700(048.0/)01.05.1(2
1
△ H
2
- 由布里吉斯公式求得。
c,当 Q
h
≤ 1700 k J/s 或者 △ T<3 5 K 时,uQDuH hs /)01.05.1(2
d,凡地面以上 10 m 高处 ū ≤ 1,5 m /s 的地区，
8/34/1
)0 0 9 8.0(5.5
dZ
dT
QH
a
h
5,有效源高对地面最大浓度的影响高架连续点源地面最大浓度计算式是在风速不变的情况下导出的 。 当考虑有效源高对地面最大浓度的影响时,应把风速看成变量考虑其影响 。
从 Cmax公式看出：风速对 Cmax有两种作用结果,① 风速增大,地面最大浓度减小； ② 从各种抬升公式看,风速增大时抬升高度减小,
地面最大浓度增大 。 因此可以设想在某一风速下会出现地面最大浓度的极大值,称为 地面绝对最大浓度,相对此时的风速称为 危险风速 。 地面最大浓度 Cmax不是随风速增加而单纯的减小,而是先随风速增加而增大,当 Cmax达到最大值后再减小 。
下面举一种地面绝对最大浓度表达式,说明有效源高对地面最大浓度的影响 。
大多数烟流抬升公式可概括为 ΔH=B/ū的形式,其中 B为某一抬升公式中除 ū以外的一切量 。 例如用霍兰德公式计算 ΔH时,
。 若将上述抬升公式代入地面最大浓度公式 Cmax中,对 ū求导 （ B视为常数 ）,并令则得到 ū=B/Hs,即当 ū=B/Hs时,Cmax达极大 。
不取 ΔH=B/ū时,计算要繁杂得多,但都有一危险风速 。
y
z
eHu
QC
2m a x
2?
Hs qduB 61079.95.1
0/m a x?uddc
二,大气扩散参数 （ σy,σz） 的确定
1,扩散参数的性质
① 随着 扩散距离 的加长,σ增大 。
② 随着水平和垂直湍流的强烈交换,大气处于不稳定状态,σ较大,即 σ与 稳定度 密切相关 。 σ = f（ 稳定度 ） 。
③ 稳定度,扩散距离一定时,σ与 粗糙度 有关 。 粗糙度越趋于稳定,σ越小 。
2,确定 σ的方法
① 示踪实验法； ② 风标法； ③ 经验方法 （ 应用最广泛 ）
3,帕斯奎尔 （ F.Pasquill） — 吉福特 （ F.A.Gifford） 扩散曲线法
（ 简,P-G扩散曲线法 ）
帕斯奎尔在 1961年首先提出应用观测到的风速,云量,云状和日照等天气资料,将大气扩散稀释能力分为 6个等级,
A — 极不稳定,B — 不稳定,C — 弱不稳定,D — 中性,
E — 弱稳定,F — 稳定 。 若稳定级别为 A～ B,则表示按 A,B级的数据内插 。 （ 详见书 P77,表 3-8）
该法的要点,
首先 根据帕斯奎尔划分大气稳定度的方法来确定大气稳定度级别； 然后 从 图 3-21和 图 3-22中查得对应的扩散参数 σy和 σz； 最后将 σy,σz代入前面介绍的一系列扩散模式中,就可估计出各种情况下的浓度值 。
须指出,
① 为防止各种书籍中扩散参数曲线的复制误差,英国伦敦气象局在此基础上制成表格,见书 P79表 3-9直接列出了不同稳定度时,一些 σy与 σz的具体数值,用内插法可求出 20Km距离内 σy、
σz的值 。 ② 当估算地面最大浓度 Cmax和它出现的距离 XCmax时先按 计算出,结合当时的大气稳定度级别由 图 3-22上查出对应的 x值,此即该稳定度下的 XCmax,。 然后从 图 3-21上 查出与 XCmax.对应的值,代入本章节 公式 3.33即可算出 Cmax值 。
适用条件,该法在 D,C级稳定度下误差较小；在 E,F级稳定度下误差较大； H越大,误差越小 。
2/Hz ma xCz xx
4,帕斯奎尔 曲线法的发展
P-G扩散曲线法的 缺点,稳定度的划分比较粗糙,难以准确确定其级别 。 因此,1964年,特纳尔 （ D.B.turner） 对其进行改进,提出 先根据太阳高度角,云高和云量确定辐射等级,再根据辐射等级和地面风速来划分稳定度级别 。
P-G扩散曲线法 比较适用于开阔平坦的下垫面 (如平原地区 ),对于粗糙度较大的地区,则应向不稳定方向提高 1-2级后再查表或图 。
5,布里吉斯扩散参数布里吉斯根据大量实验资料,考虑到下垫面和烟囱高度的影响,提出了适用于估算平原地区和城市地区的扩散参数公式 。 适用于高烟囱排放下风向 20～ 30Km左右的范围 。
书 P80表 3-13和表 3-14分别列出了估算 σy,σz的公式 。
6,,国标,推荐的扩散参数在我国国标,制定地方大气污染物排放标准的技术方法,
（ GB/T13021-91） 中规定,取样时间在 30min时,扩散参数按下原则选取 。
（ 1） 平原,农村地区及城市远郊区的扩散参数的选取,
A,B,C级稳定度直接由 表 3-15和 表 3-16查出 σy,σz幂函数； D、
E,F级稳定度则需向不稳定方向提半级后查算 。
（ 2） 工业区或城区中点源的扩散参数选取,
工业区,A,B级不提级； C级提到 B级； D,E,F级向不稳定方向提一级半；然后查算 。
非工业区的城区,A,B级不提级； C级提到 B～ C级； D,E,F
级向不稳定方向提一级；然后查算 。
（ 3） 丘陵山区的农村或城市,同城市工业区 。
（ 4） 大于 30min的取样时间,σz不变,σy按下式计算,
式中,σyτ 2－取样时间为 τ 2时的横向扩散参数,m；
σyτ 1－取样时间为 τ 1时的横向扩散参数,m；
q－时间稀释指数。
三、计算举例 （见书 P82例 3.1）
q
yy )(
1
2
12?
§ 3-6 厂址选择和烟囱设计一,选择厂址所需的气候资料气候资料 是指气象资料的常年统计形式 。
1,厂址选择所需的气候资料
（ 1） 风向和风速气候资料：
为了一目了然,常把风资料画成风玫瑰图 。 图 a是 风向玫瑰图 ；
图 b风速玫瑰图 是各个风向的平均风速绝对值 。 图 c是 风速和风向频率复合图,该图矢线长度代表风向频率大小,矢线末端的风速羽代表平均风速,每一羽可表示 0.5或 1.0m/s。 。
风向 （ 风速 ） 玫瑰图,在 8个或 16个方向上给出风向 （ 风速 ） 的相对频率或绝对值,用线段表示,连接各端点即成 。
风玫瑰图可按多年 （ 5-10年或更长 ） 的平均值作；也可按某月或某季的多年平均值作,山区地形复杂,风向,风速随地形和高度而变,可做出不同地点和高度的风玫瑰图 。
静风 （ 风速 <1.0m/s） 或微风 （ 风速为 1～ 2m/s） 情况大气通风条件差,容易引起高浓度污染,尤其是长时间静风会使污染物大量积累,引起严重污染 。 因此,在空气污染分析中不仅应统计静风频率,有条件还要统计静风持续时间 。
图 a 风向玫瑰图 图 b 风速玫瑰图
NW
N
NE
E
S
SE
SW
W
S
SE
E
SW
W
NW
N
NE
图 c 风速和风向频率复合图
（ 2） 大气稳定度的气象资料一般气象台没有近地层大气逆温层结的详细资料,但可据 pasquill
或我们废气排放制定标准中规定的方法 。 利用已知的气象资料进行分类,统计出月 （ 年,季 ） 各稳定度频率,作出必要的图表 。
（ 3） 混合层高度的确定混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数 。 由于温度层结的昼夜变化,混合层高度也随时间变化 。 混合层高度可看作气块作干绝热上升运动的上限高度 。 （ 即：干绝热递减率上限高度 。 混合层愈高,则污染物垂直扩散的范围越大 。 ） 具体指出污染物在铅直方向的扩散范围 。 受太阳辐射的影响,午后混合层高度最大,在温度 —
高度图上,从上午最大地面温度作干绝热线,与早晨温度探空曲线的交点高度为午后混合层高度,即最大混合层高度 。 见下页图示 。
大范围内的平均污染浓度,可以认为与混合层高度和混合层内的平均风速的乘积成反比 。 通常定义 Dū为 通风系数 。 Dū－ 单位时间内通过与平均风向垂直的单位宽度混合层的空气层 。 通风系数越大,
污染浓度越小 。
H
T
早晨探空曲线干绝热过程线日最高地温最大混合层高度图 确定最大混合层高度示意图
2,长期平均浓度的计算在厂址选择和环境评价中,人们更关心的长期平均浓度的分布 。 下面讨论长期平均浓度的计算方法 。
气象随提供的风向资料是按 16方位给出的,每个方位相当于一个 22.5o的扇形 。 因此,可按每个扇形计算长期平均浓度 。
推导时作以下假定：
（ 1） 同一扇形内各角度的风向频率相同,即在同一扇形内同一距离上,污染物浓度在 y方向是相等的 。
（ 2） 当吹某一扇形风时,全部污染物都落在这个扇形里 。
B
O
C
Q
污染源
x
如 上 图 所示,当风向为 OQ 时，由假定（ 2 ）知
BC 弧上的总浓度为
dyC
Hyx?
,0,,
（侧向积分浓度）
有假定①，此时
BC
弧长的平均浓度 C 为
2
1
22
2
2
2
,0,,
,0,,
2
16
2
16
2
2
16
16
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
zZ
y
y
z
H
z
H
y
y
z
y
H
zy
Hyx
BC
Hyx
e
u
x
Q
e
y
de
xu
Q
dyee
u
Q
x
dyC
xL
dyC
C
xxL
BC 16
2
1 8 0
5.22?
半径弧度弧长在此扇形外，浓度为 0 。
如果某个方位的风向频率在考虑时段内为 f%,则整个时段内该风向的平均浓度为,
2
2
22
1
16
2
01.02
z
H
z
e
u
x
fQ
C
由于我们假定同一扇形中同一弧线上的地面浓度相等，而不同扇形内 的风向频率又不相等，这就导致了扇形边界上浓度不连续。这显然是不合理，为了解决这种不连续性，简单方法就是以相邻两扇形中心线浓度为基准作线性内插，就可得到较合理的浓度分布，
也就对假定①作了修订。推导一下,
某地面浓度是相邻两扇形按比例贡献的和，即 21 CCC 。 如图 2 - 20 所示,a 表示该点所在扇形的宽度,y 表示该点与扇形中心线的横向距离，线性比例项可用 a - y θ /a 表示。
21 CC 和 分别为：
a
yaH
u
x
fQ
C
a
yaH
u
x
fQ
C
z
zH
H
z
z
1
2
1
2
12
1
2
2
2
2
1
1
2
ex p
16
2
01.02
2
ex p
16
2
01.02
应该注意 以上求的是平均浓度，因此公式中的 zzu? 也应是相应风向下的长期平均浓度；
准确的讲，分别求出该风向不同稳定度，不同风速时的浓度，再按频率加权平均，则可求出该风向的长度平均浓度。
用上述方法求出一个污染源周围的污染物浓度分布，进而画出长期平均浓度的等值线图 。
二,厂址选择从环境保护角度出发,理想的建厂位置 是 污染本底值最小,扩散稀释能力强,排出的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方 。
1,本底浓度本底浓度超标的地区不宜建厂,本底浓度虽未超标,但加上拟建厂贡献,短期内又无法改进的也不宜建厂,应选择本底浓度小的地区建厂 。
2,扩散稀释能力扩散稀释能力主要决定于该地区的气象条件和地形 。
（ 1） 风向,风速污染物危害的程度和受污染的时间及浓度有关,所以居住区,作物生长区都希望能设在受污染时间短,污染浓度低的位置,因而确定工厂和居民区的相对位置时要考虑风向,风速两个因素 。
污染系数表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响程度。其表达式为：
污染系数 =
该风向的平均风速风向频率某风向污染系数小,表示该风向吹来的风所造成的污染小,因此污染源可布置在污染源在污染系数最小风向的上侧 。
结合 书 P86表 3-19（ 某地风向频率及污染系数 ） 分析 。
（ 2） 稳定度由于一般污染物扩散是在距地面几米高范围内进行的,所以离地面几百米范围内的大气稳定度对污染物的扩散稀释过程有重要影响,
选厂址必须注意收集逆温层的强度,厚度,出现频率和持续时间等资料,要特别注意逆温同时出现静风或微风的情况 。
大型工厂：若排烟有效烟囱高度能突破经常出现的逆温层高度而在逆温层以上扩散,对防止污染有利,若逆温层出现在烟囱有效高度上部,往往易造成污染 。
中小工厂：距地面 200~300米以下的逆温层对中,小型工厂是不利的条件,高层逆温对几公里范围内的扩散影响不大 。
（ 3） 其它气象资料：如降雨,云,雾等 。
（ 4） 地形地形对空气污染的影响很复杂,在复杂地形建厂,必须作具体分析,
一般应进行专门的气象观测和现场扩散实验或进行风洞试验以便对当地的扩散稀释条件做出准确评价 。
三,烟囱设计烟囱不单是一排气装置,也是控制空气污染,保护环境的重要设备 。 烟囱高度,出口直径,喷出速度等工艺参数应满足减少对地面污染的需要 。 增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染,
大体上 C地面 ∝ 1/H2（ 见书 P88图 3-24所示 ）,但超过一定高度后再增加高度,对地面浓度的影响甚微,而烟囱的造价却随高度增加而急剧增大 （ 烟囱的造价 ∝ H2）,所以并不是烟囱愈高愈好 。 设计烟囱高度的基本原则 是既要保证排放物造成的地面最大浓度或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准,又应做到投资最省 。
1,烟囱高度计算烟囱高度的计算分为,① 精确计算法 ； ② 简化计算法 。
烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算,据对地面浓度要求不同,有两种计算法方法,（ 一 ） 保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算方法； （ 二 ） 保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法 。
（ 1） 以地面最大浓度不超过规定为依据,保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算公式由地面最大浓度模式
y
z
eHu
Q
C
2
m a x
2
及
HHH
S
，可导出烟囱高度
H
Cue
Q
H
y
z
S
m a x
2
一般地面最大浓度不应超过最大允许浓度值 C
0
（标准浓度），设本底浓度为 C
b
，又 为考虑今后的发展有一余地，于是 C
k
值为
bK
CC
k
fP
C
0,其中 f －该项目可占的污染权重；
k －污染源密集系数； P － 地形因子。
则 C
m a x
≤ C
k
,那么设计的烟囱高度为,H
Cue
Q
H
yk
z
S
2
式中 Δ H 根据自选的抬升公式计算； ū 可取当地烟囱高度的长度平均风速；
y
z
一般取 0,5 ～ 1,0 。
（ 2 ）保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法通常
u
B
H
代入最大浓度公式，有
2
m ax
uBHu
A
C
S
式中
y
e
Q
A
2
,
s
c
HuB?,令 0?
du
dC
，则危险风速
S
c
H
B
u?
相应地，地面绝对最大浓度公式
yS
z
a b s m
eBH
Q
C
2
令 C
a bs m
≤ C
k
（意义同上），可导出烟囱高度计算公式
yK
z
S
BCe
Q
H
2
,
由于危险风速
S
c
H
B
u?
代入上式，得：
yk
c
z
S
Cue
Q
H
2
上述计算公式实际上会遇到许多问题,必须予以考虑,如上述模式仅适于锥形扩散,实际是变化的,要根据建厂地区的气象条件等来取值 。
（ 3） 根据一定保证率计算烟囱高度
∵ 由地面最大浓度计算法 → HS较矮,当 u＜ ū时,地面浓度超标；
由 地面绝对最大浓度计算法 → HS较高,无论 u多大,地面浓度不超标,但烟囱造价高 。
∴ 在确定保证率后,ū,稳定度取一定值后代入上述公式,可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度,较前面较合理 。
（ 4） 根据点源烟尘允许排放率设计 （ P值法计算烟囱高度 ）
根据,指定大气污染物排放标准的技术方法,GB/T13201-91中规定的点源烟尘允许排放率计算式,
式中,Qe－烟尘允许排放速率,t/h； Pe－烟尘排放控制系数,
t/(h·m2)； H－有效源高,m。
由此得烟囱高度为：
62 10 HPQ ee
HPQH
e
e
s
610
2,烟囱设计中的若干问题
（ 1） 分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率,正确选用烟囱高度计算公式 。
烟型不同产生的地面最大浓度不同,烟囱高度的计算公式不同,因此确定烟型很重要 。 常用两种方法：
1） 选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式；
2） 选择保证一定的地面最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱高度计算公式 。
① 波型,发生在天气晴朗,风速不大,比较缓和的日子里,近距离造成短时间的污染浓度比锥形高 。 近地层中,低矮烟囱发热量小的污染源以此烟型为例,并应校核逆温层情况 。
② 锥型,100m左右的烟囱多发生此烟型 。 此烟型发生在温度层结近中性或中等到大风的情况,即发生在多云有风的白天或有风的夜晚 。
③ 平展型和漫烟型,较大的发电厂以漫烟型为主,夜间多为平展型,日出后一段时间发生漫烟型 。
④ 封闭型,大于 200m的较高烟囱以此型为主 。 观测发现：当混合层厚度在 760— 1065m间时,它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍,
Cmax可持续 2— 4小时,常出现在早晨和中午 。
地面最大浓度与 B/H关系很大,在某一比值以后,污染浓度主要取决于 B,烟囱高度只起次要作用 。 此时靠增加 Hs减少污染浓度不经济 。 总之,目前 Hs计算以锥形模式为主,对超高型烟囱无成熟可靠的方法 。
（ 2） 抬升公式很多,用何公式应按具体情况而定,一般选霍氏公式 。
（ 3） 公式中与气象有关的参数取值有两种方法,
① 取多年平均值； ② 取某一保障频率的值：如已知 ū＞ 3m/s的频率为 80%,取 3m/s可保证有 80%不超标,而地面平均最大浓度可能比规定标准更低 。
y
z
值在 0,5 ～ 1,0 间，即,当 H s>1 0 0 m 时,5.0?
y
z
；当 H s<1 00m 时，
0.16.0
y
z
。
（ 4 ）其它考虑
① Hs 为周围建筑物的 1,5 ～ 2,5 倍（避免建筑物背风面湍流影响）；
② 烟气出口速度 Vs 应为 20 ～ 3 0 m /s,并 5.1?
u
V
s
（避免下沉现象）；
③ 分散的烟囱不利于抬升，当需要几个烟囱时，尽量采用多筒集合式烟囱。
厂址选择和烟囱设计是一复杂的综合性很强的问题，必须统观多种因素,
才能得到较合理的方案。
（ 5 ）烟囱出口直径 D 的计算公式：
s
v
V
Q
D
4
其中,Q
v
－烟 气排放量,m /s ； V
s
－烟气出口速度,m /s 。
