【文章內容簡介】 理論：泰勒是湍流統(tǒng)計理論的創(chuàng)始人之一。他在1921 年發(fā)表的論文中，首先應用統(tǒng)計學的方法來研究湍流擴散問題，提出了著名的泰勒公式。它把描寫湍流的擴散參數(shù) Y2(t)，和另一統(tǒng)計特征量相關系數(shù) R 建立起關系，只要能找到相關系數(shù)的具體函數(shù)，通過積分就可求出擴散參數(shù)Y2(t)，污染物在湍流中擴散問題就得到解決。薩頓首先找到了相關系數(shù)的具體表達式，應用泰勒公式，提出了解決污染物在大氣中擴散的實用模式，成為這一領域的先驅者。高斯煙流模式是在大量實測資料分析的基礎上，應用統(tǒng)計理論得到的。它是目前應用較廣的模式。3． 相似擴散理論湍流相似擴散理論，最早始于英國科學家里查森和泰勒。后來由于許多科學家的努力，特別是俄國科學家的貢獻，使湍流擴散相似理論得到很大發(fā)展。湍流擴散相似理論的基本觀點是，湍流由許多大小不同的湍渦所構成，大湍渦失去穩(wěn)定分裂成小湍渦，同時發(fā)生了能量轉移，這一過程一直進行到最小的湍渦轉化為熱能為止。從這一基本觀點出發(fā)，利用量綱分析的理論，建立起某種統(tǒng)計物理量的普適函數(shù)，再找出普適函數(shù)的具體表達式，從而解決湍流擴散問題。我們把這種理論稱為相似擴散理論。第二節(jié)、高斯擴散模式一、高斯模式的有關假設l 坐標系高斯模式的坐標系為：以排放點(無界點源或地面源)或高架源排放點在地面的投影點為原點，平均風向為 x軸，y 軸在水平面內垂直于x 軸，y 軸的正向在 x 軸的左側，z 軸垂直于水平面，向上為正方向。即為右手坐標系。在這種坐標系中，煙流中心或與 x 軸重合(無界點源)，或在 xoy，面的投影為 x 軸 (高架點源)。l 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(tài)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(wěn)定的，風速大于lm／s；(3)源強是連續(xù)均勻的；(4)在擴散過程中污染物質量是守衡的。對后述的模式只要沒有特殊指明，以上四點假設條件都是遵守的。二、 無界空間連續(xù)點源擴散模式由正態(tài)分布的假設(1)寫出下風向任意點(x、y、z)污染物平均濃度分布的函數(shù)為:由概率統(tǒng)計理論可以寫出方差的表達式：；由假設（4）可寫出：上述四個方程，組成一個方程組，源強Q、平均風速u、標準差σy、σz為已知量，濃度C、待定函數(shù)A(x)、待定系數(shù)a 和 b為未知量。因此，方程組可求解。將式(5—19)依次代入式(5—20)的兩式中，積分后得到：最后得到無界空間連續(xù)點源高斯模式：式中σy、σz為污染物在y、z方向的標準差，為平均風速 m／s，Q 源強。三、高架連續(xù)點源擴散模式高架連續(xù)點源的擴散問題，必須考慮到地面對擴散的影響。根據(jù)前述假設(4)，可以認為地面象鏡面那樣，對污染物起著全反射的作用。按照全反射原理，可以用像源法來處理這類問題。如圖56所示，我們可以把 P 點的污染物濃度看成是兩部分之和。一部分是不存在地面影響情況下, P 點所具有的污染物濃度；另一部分是由于地面反射作用所增加的污染物濃度。這相當于實源在地面下的 H 位置處的像源，按照無限空間連續(xù)點源模式，在P點所造成的污染物濃度。首先看實源的作用：P 點在以實源排放點(有效源高處)為原點的坐標系(無限空間)中的鉛直坐標（距煙流中心線的鉛直距離）為(zH)。當不考慮地面影響時，濃度按式(524)計算，它在 P 點所造成的污染物為：（525） 像源的作用：P 點在以像源排放點(負的有效源高處)為原點的坐標系（無限空間）中的鉛直坐標(距像源產生的煙流中心線的鉛直距離)為(z+H)。它在 P 點產生的污染物濃度也按式(524)計算，它在 P 點所造成的污染物為：（526） P 點的實際污染物濃度應為實源和像源作用之和，即 （527）式(527)為高架連續(xù)點源正態(tài)分布假設下的擴散模式。由這一模式可求出下風向任一點的污染物濃度。按照這一普適公式,如果 H =0,則對應于地面源的情況；如果z=0,則對應于連續(xù)點源作用下，地面處的污染物濃度情況；如果 z=0且 y=0,則對應于點源作用下，正風向軸線上，地面處的污染物濃度情況；在實施環(huán)境評價時,我們往往特別關注這樣一些特殊情況。表52 歸納總結了這些高斯模式的濃度擴散公式。根據(jù)地面軸線濃度公式：地面最大濃度： HHsHsl l PC(x,y,z)像源圖 高架連續(xù)點源高斯模式的推導H四、地面連續(xù)點源擴散模式一、 顆粒物的擴散模式對于粒徑小于15微米的顆粒物，其地面濃度可按氣體擴散模式計算。對于粒徑大于15微米的顆粒物，按傾斜煙流模式計算。表 高斯模式的濃度擴散公式匯總地面源 （H=0）高架源 （H≠0 ）無界(任一點)C(x,y,z)（524）（528）半無界(任一點)C(x,y,z)（529）（527）地面點C(x,y,0)（530）（532）（531）地面軸線上點C(x,0,0)（533）第三節(jié)、污染物濃度的估算一、 煙氣抬生高度的計算煙囪高度Hs為定值, 以ΔH 表示煙流抬升高度，只要計算出ΔH 值，將煙囪實體高度Hs，與ΔH 取和，H=Hs+ΔH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(huán)境空氣溫度、風速垂直切變、湍流強度及大氣穩(wěn)定度。由于影響煙流抬升的因素較多，使煙流抬升問題變得十分復雜。到目前為止，國內外已提出的煙流抬升公式有數(shù)十個之多，還沒有一個公式考慮了上述所有這些因素。大多數(shù)煙流抬升公式是半經驗的，是在各自有限的，觀測資料基礎上歸納出來的，所以具有局限性。1. 霍蘭德 (Holland)公式霍蘭德采用了勒普由風洞實驗得出的動力抬升公式，并增加了浮力抬升項，利用三個發(fā)電廠煙流上升軌跡的照片進行了校核，于1953年得出中性條件適用的公式：（536）； 或（537）式中： Qh——煙氣熱釋放率，KJ/s；Vs——排氣筒出口處, 平均煙流速度(m/s)；D——排氣筒出口處, 直徑 (m)；Ts——煙氣出口溫度（゜K）——排氣筒出口處平均風速(m/s)；無實測值時，用10m 處平均風速和風速廓線計算。 此后公式中符號同上者不予說明?？紤]到大氣穩(wěn)定度的影響，霍蘭德建議：對不穩(wěn)定大氣，按上式計算出的ΔH再增大 1020％，對穩(wěn)定大氣，按上式計算出的ΔH 減小10—20％。國內外學者都認為霍蘭德公式保守，特別對高煙囪、強熱源計算結果偏低。煙氣的熱釋放率是指單位時間內向環(huán)境釋放的熱量，即：（534）這里 ΔT 是煙氣溫度與環(huán)境溫度的差值, QN 是煙氣折合成標準狀態(tài)時的體積流量（NM3/s）CP 是標準狀態(tài)下的定壓熱容( = KJ/)。當煙氣以實際出口溫度Ts゜K 時的排煙流量Qv m3/s 表示時，熱釋放率的計算公式為： （535）這里 Pa——大氣壓力，（KPa ）。2. 布里吉斯（Briggs）公式布里吉斯在“2／3 次律”抬升公式的基礎上，先后推導出一系列抬升公式，然后用實測資料進行參數(shù)估值，推算常數(shù)項。該模型獲得了廣泛的應用。它適應于不穩(wěn)定和中性條件?！吨贫ǖ胤酱髿馕廴疚锱欧艠藴实募夹g防法》GB/T 1320191對煙氣抬升計算公式作了如下規(guī)定。（＞≥；靜風＜二、擴散參數(shù)的確定擴散參數(shù)σy、σz的確定，可以現(xiàn)場測定，也可以風洞模擬試驗確定，還可以通過實測和試驗數(shù)據(jù)歸納整理的經驗公式或圖表來估算。1. P—G擴散曲線法（帕斯圭爾和吉福德）要點：根據(jù)太陽輻射情況和距地面10m高風速將大氣的擴散稀釋能力劃分為AF六個穩(wěn)定度級別，然后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和理論考慮，用曲線表示每一個穩(wěn)定度級別的σy、σz隨下風距離的變化。應用：根據(jù)常規(guī)氣象資料確定穩(wěn)定度級別；利用擴散曲線確定σy、σz；濃度估算。l 穩(wěn)定度分類方法；太陽輻射等級數(shù)云量，1/10太陽輻射等級數(shù)總云量/低云量夜間hθ≤15176。15176。＜hθ≤35176。35176。＜hθ≤65176。hθ＞65176?！?／≤4－2－1+1+2+35～7／≤4－10+1+2+3≥8／≤4－100+1+1≥5／5～70000+1≥8／≥800000大氣穩(wěn)定度的等級地面風速，m/s太 陽 輻 射 等 級+3+2+1012≤AA～B BDEF2～A～BBCDEF3～BB～CCDDE5～CC～DDDDD≥6DDDDDDl 擴散參數(shù)的選取；太陽傾角的概略值月旬赤緯角(度)月旬赤緯角(度)月旬赤緯角(度)1上225上+179上+7中21中+19中+3下19下+21下12上156上+2210上5中12中+23中8下9下+23下123上57上+2211上15中2中+21中18下+2下+19下214上+68上+1712上22中+10中+14中23下+13下+11下23其中P—G擴散曲線 冪函數(shù)數(shù)據(jù)如下：穩(wěn)定度等級（PS）α1下風距離，mα2下風距離，mA0～10000～300300～5001000500B0～10000～5001000500B～C0～10000～5001000500C0～10001000C～D0～10000～200010002000～1000010000D0～10001～10001000～10000100010000D～E0～10000～200010002000～1000010000E0～10000～100010001000～1000010000F0～10000～10001000～10000100010000第四節(jié) 特殊氣象條件下的擴散模式一、封閉型擴散模式實際中，時常會出現(xiàn)這樣的氣溫層結，低層為不穩(wěn)定大氣，在離地面幾百米到 1～2km 高空，存在一個明顯的逆溫層，即通常所稱的上部逆溫情況。它使污染物的鉛直擴散受到抑制，實際上被限制在地面到逆溫層之間進行。因此，有上部逆溫時的擴散亦稱為封閉型擴散。為推導封閉型擴散，首先假設：擴散制到逆溫層中的污染物可忽略不計，把逆溫層底和地面看作是起全反射的鏡面。這樣，封閉型擴散實際上是污染物在地面和逆溫層底之間的空間進行擴散。仍可用像源法處理這個問題，這時污染源在兩個鏡面上所形成的像不是一個，而是無窮多個像對。污染物的濃度可看成是實源和無窮多對像源作用之和。于是，地面到上部逆溫層底之間的空間中任一點的污染物濃度可以在高斯模式的高架源基礎上疊加計算。由于實際計算公式過于復雜，我們采用一種簡化的方法。分為三種情況。H圖 高架連續(xù)點封閉型擴散模式γ0Hshγ0XD（1）X《XD時，σz＝（DH）／,根據(jù)圖表查出對應的下風距離x,即為XD，進而可求地面軸線濃度。（2）X》2XD，可得到：（3）當在二者之間，利用內插值法求得。二、熏煙型擴散模式在夜間，當存在輻射逆溫時，高架連續(xù)點源排放的煙流排入穩(wěn)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(qū)。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(fā)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(fā)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。熏煙過程可一直進行到煙流上邊緣處的逆溫破壞為止。這一過程多發(fā)生在早晨8：00—10：00，因地而異。分四種情況：hf H hf = H hf = H+2σz hf H+2σz 第五節(jié) 城市和山區(qū)的擴散模式一、城市大氣擴散模式l 線源擴散模式當風向與線源垂直時，主導風向的下風向為x 軸。連續(xù)排放的無限長線源下風向濃度模式為: 當風向與線源不垂直時，如果風向和線源交角為ф且ф 45176。，線源下風向的濃度模式為，當估算有限長線源產生的環(huán)境濃度時，必須考慮有限長線源兩端引起的“邊緣效應”。隨著接收點距線源距離的增加，邊緣效應將在更大的橫風距離上起作用。當風向垂直于有限長線源時，通過所關心的接收點作垂直于有限長線源的直線，該直線與有跟長線源的交點選作坐標原點，直線的下風方向為x軸。線源的范圍為從y1延伸到y(tǒng)2。有限線源擴散模式為： 面源擴散模式（1）箱模式（2）轉化為點源的面源模式（3）窄煙流模式二、山區(qū)擴散模式（美國國家海洋和大氣局National Oceanic and Atmospheric Administration）和EPA（Environmental Protection Agency）模式。（環(huán)境技術有限公司）模