【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 理論：泰勒是湍流統(tǒng)計(jì)理論的創(chuàng)始人之一。他在1921 年發(fā)表的論文中，首先應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來研究湍流擴(kuò)散問題，提出了著名的泰勒公式。它把描寫湍流的擴(kuò)散參數(shù) Y2(t)，和另一統(tǒng)計(jì)特征量相關(guān)系數(shù) R 建立起關(guān)系，只要能找到相關(guān)系數(shù)的具體函數(shù)，通過積分就可求出擴(kuò)散參數(shù)Y2(t)，污染物在湍流中擴(kuò)散問題就得到解決。薩頓首先找到了相關(guān)系數(shù)的具體表達(dá)式，應(yīng)用泰勒公式，提出了解決污染物在大氣中擴(kuò)散的實(shí)用模式，成為這一領(lǐng)域的先驅(qū)者。高斯煙流模式是在大量實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)理論得到的。它是目前應(yīng)用較廣的模式。3． 相似擴(kuò)散理論湍流相似擴(kuò)散理論，最早始于英國(guó)科學(xué)家里查森和泰勒。后來由于許多科學(xué)家的努力，特別是俄國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)，使湍流擴(kuò)散相似理論得到很大發(fā)展。湍流擴(kuò)散相似理論的基本觀點(diǎn)是，湍流由許多大小不同的湍渦所構(gòu)成，大湍渦失去穩(wěn)定分裂成小湍渦，同時(shí)發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這一過程一直進(jìn)行到最小的湍渦轉(zhuǎn)化為熱能為止。從這一基本觀點(diǎn)出發(fā)，利用量綱分析的理論，建立起某種統(tǒng)計(jì)物理量的普適函數(shù)，再找出普適函數(shù)的具體表達(dá)式，從而解決湍流擴(kuò)散問題。我們把這種理論稱為相似擴(kuò)散理論。第二節(jié)、高斯擴(kuò)散模式一、高斯模式的有關(guān)假設(shè)l 坐標(biāo)系高斯模式的坐標(biāo)系為：以排放點(diǎn)(無界點(diǎn)源或地面源)或高架源排放點(diǎn)在地面的投影點(diǎn)為原點(diǎn)，平均風(fēng)向?yàn)?x軸，y 軸在水平面內(nèi)垂直于x 軸，y 軸的正向在 x 軸的左側(cè)，z 軸垂直于水平面，向上為正方向。即為右手坐標(biāo)系。在這種坐標(biāo)系中，煙流中心或與 x 軸重合(無界點(diǎn)源)，或在 xoy，面的投影為 x 軸 (高架點(diǎn)源)。l 高斯模式的四點(diǎn)假設(shè)高斯模式的四點(diǎn)假設(shè)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(kuò)散；(2)在整個(gè)空間中風(fēng)速是均勻、穩(wěn)定的，風(fēng)速大于lm／s；(3)源強(qiáng)是連續(xù)均勻的；(4)在擴(kuò)散過程中污染物質(zhì)量是守衡的。對(duì)后述的模式只要沒有特殊指明，以上四點(diǎn)假設(shè)條件都是遵守的。二、 無界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式由正態(tài)分布的假設(shè)(1)寫出下風(fēng)向任意點(diǎn)(x、y、z)污染物平均濃度分布的函數(shù)為:由概率統(tǒng)計(jì)理論可以寫出方差的表達(dá)式：；由假設(shè)（4）可寫出：上述四個(gè)方程，組成一個(gè)方程組，源強(qiáng)Q、平均風(fēng)速u、標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)源高斯模式：式中σy、σz為污染物在y、z方向的標(biāo)準(zhǔn)差，為平均風(fēng)速 m／s，Q 源強(qiáng)。三、高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式高架連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散問題，必須考慮到地面對(duì)擴(kuò)散的影響。根據(jù)前述假設(shè)(4)，可以認(rèn)為地面象鏡面那樣，對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(dāng)于實(shí)源在地面下的 H 位置處的像源，按照無限空間連續(xù)點(diǎn)源模式，在P點(diǎn)所造成的污染物濃度。首先看實(shí)源的作用：P 點(diǎn)在以實(shí)源排放點(diǎn)(有效源高處)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系(無限空間)中的鉛直坐標(biāo)（距煙流中心線的鉛直距離）為(zH)。當(dāng)不考慮地面影響時(shí)，濃度按式(524)計(jì)算，它在 P 點(diǎn)所造成的污染物為：（525） 像源的作用：P 點(diǎn)在以像源排放點(diǎn)(負(fù)的有效源高處)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系（無限空間）中的鉛直坐標(biāo)(距像源產(chǎn)生的煙流中心線的鉛直距離)為(z+H)。它在 P 點(diǎn)產(chǎn)生的污染物濃度也按式(524)計(jì)算，它在 P 點(diǎn)所造成的污染物為：（526） P 點(diǎn)的實(shí)際污染物濃度應(yīng)為實(shí)源和像源作用之和，即 （527）式(527)為高架連續(xù)點(diǎn)源正態(tài)分布假設(shè)下的擴(kuò)散模式。由這一模式可求出下風(fēng)向任一點(diǎn)的污染物濃度。按照這一普適公式,如果 H =0,則對(duì)應(yīng)于地面源的情況；如果z=0,則對(duì)應(yīng)于連續(xù)點(diǎn)源作用下，地面處的污染物濃度情況；如果 z=0且 y=0,則對(duì)應(yīng)于點(diǎn)源作用下，正風(fēng)向軸線上，地面處的污染物濃度情況；在實(shí)施環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí),我們往往特別關(guān)注這樣一些特殊情況。表52 歸納總結(jié)了這些高斯模式的濃度擴(kuò)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(diǎn)源高斯模式的推導(dǎo)H四、地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式一、 顆粒物的擴(kuò)散模式對(duì)于粒徑小于15微米的顆粒物，其地面濃度可按氣體擴(kuò)散模式計(jì)算。對(duì)于粒徑大于15微米的顆粒物，按傾斜煙流模式計(jì)算。表 高斯模式的濃度擴(kuò)散公式匯總地面源 （H=0）高架源 （H≠0 ）無界(任一點(diǎn))C(x,y,z)（524）（528）半無界(任一點(diǎn))C(x,y,z)（529）（527）地面點(diǎn)C(x,y,0)（530）（532）（531）地面軸線上點(diǎn)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(jì)算煙囪高度Hs為定值, 以ΔH 表示煙流抬升高度，只要計(jì)算出ΔH 值，將煙囪實(shí)體高度Hs，與ΔH 取和，H=Hs+ΔH產(chǎn)生煙流抬升的原因有兩個(gè)，一是煙囪出口處的煙流具有一定的初始動(dòng)量，二是由于煙流溫度高于周圍空氣溫度而產(chǎn)生的凈浮力。影響這兩種作用的因素很多，歸結(jié)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(nèi)徑。氣象因素有平均風(fēng)速、環(huán)境空氣溫度、風(fēng)速垂直切變、湍流強(qiáng)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(fù)雜。到目前為止，國(guó)內(nèi)外已提出的煙流抬升公式有數(shù)十個(gè)之多，還沒有一個(gè)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(jīng)驗(yàn)的，是在各自有限的，觀測(cè)資料基礎(chǔ)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(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得出的動(dòng)力抬升公式，并增加了浮力抬升項(xiàng)，利用三個(gè)發(fā)電廠煙流上升軌跡的照片進(jìn)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(fēng)速(m/s)；無實(shí)測(cè)值時(shí)，用10m 處平均風(fēng)速和風(fēng)速廓線計(jì)算。 此后公式中符號(hào)同上者不予說明。考慮到大氣穩(wěn)定度的影響，霍蘭德建議：對(duì)不穩(wěn)定大氣，按上式計(jì)算出的ΔH再增大 1020％，對(duì)穩(wěn)定大氣，按上式計(jì)算出的ΔH 減小10—20％。國(guó)內(nèi)外學(xué)者都認(rèn)為霍蘭德公式保守，特別對(duì)高煙囪、強(qiáng)熱源計(jì)算結(jié)果偏低。煙氣的熱釋放率是指單位時(shí)間內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的體積流量（NM3/s）CP 是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的定壓熱容( = KJ/)。當(dāng)煙氣以實(shí)際出口溫度Ts゜K 時(shí)的排煙流量Qv m3/s 表示時(shí)，熱釋放率的計(jì)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(chǔ)上，先后推導(dǎo)出一系列抬升公式，然后用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行參數(shù)估值，推算常數(shù)項(xiàng)。該模型獲得了廣泛的應(yīng)用。它適應(yīng)于不穩(wěn)定和中性條件。《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)防法》GB/T 1320191對(duì)煙氣抬升計(jì)算公式作了如下規(guī)定。（＞≥；靜風(fēng)＜二、擴(kuò)散參數(shù)的確定擴(kuò)散參數(shù)σy、σz的確定，可以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，也可以風(fēng)洞模擬試驗(yàn)確定，還可以通過實(shí)測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納整理的經(jīng)驗(yàn)公式或圖表來估算。1. P—G擴(kuò)散曲線法（帕斯圭爾和吉福德）要點(diǎn)：根據(jù)太陽(yáng)輻射情況和距地面10m高風(fēng)速將大氣的擴(kuò)散稀釋能力劃分為AF六個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別，然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論考慮，用曲線表示每一個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別的σy、σz隨下風(fēng)距離的變化。應(yīng)用：根據(jù)常規(guī)氣象資料確定穩(wěn)定度級(jí)別；利用擴(kuò)散曲線確定σy、σz；濃度估算。l 穩(wěn)定度分類方法；太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)云量，1/10太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)總云量/低云量夜間hθ≤15176。15176。＜hθ≤35176。35176。＜hθ≤65176。hθ＞65176。≤4／≤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(jí)地面風(fēng)速，m/s太 陽(yáng) 輻 射 等 級(jí)+3+2+1012≤AA～B BDEF2～A～BBCDEF3～BB～CCDDE5～CC～DDDDD≥6DDDDDDl 擴(kuò)散參數(shù)的選取；太陽(yáng)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(kuò)散曲線 冪函數(shù)數(shù)據(jù)如下：穩(wěn)定度等級(jí)（PS）α1下風(fēng)距離，mα2下風(fēng)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(kuò)散模式一、封閉型擴(kuò)散模式實(shí)際中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)這樣的氣溫層結(jié)，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(gè)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(kuò)散受到抑制，實(shí)際上被限制在地面到逆溫層之間進(jìn)行。因此，有上部逆溫時(shí)的擴(kuò)散亦稱為封閉型擴(kuò)散。為推導(dǎo)封閉型擴(kuò)散，首先假設(shè)：擴(kuò)散制到逆溫層中的污染物可忽略不計(jì)，把逆溫層底和地面看作是起全反射的鏡面。這樣，封閉型擴(kuò)散實(shí)際上是污染物在地面和逆溫層底之間的空間進(jìn)行擴(kuò)散。仍可用像源法處理這個(gè)問題，這時(shí)污染源在兩個(gè)鏡面上所形成的像不是一個(gè)，而是無窮多個(gè)像對(duì)。污染物的濃度可看成是實(shí)源和無窮多對(duì)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(diǎn)的污染物濃度可以在高斯模式的高架源基礎(chǔ)上疊加計(jì)算。由于實(shí)際計(jì)算公式過于復(fù)雜，我們采用一種簡(jiǎn)化的方法。分為三種情況。H圖 高架連續(xù)點(diǎn)封閉型擴(kuò)散模式γ0Hshγ0XD（1）X《XD時(shí)，σz＝（DH）／,根據(jù)圖表查出對(duì)應(yīng)的下風(fēng)距離x,即為XD，進(jìn)而可求地面軸線濃度。（2）X》2XD，可得到：（3）當(dāng)在二者之間，利用內(nèi)插值法求得。二、熏煙型擴(kuò)散模式在夜間，當(dāng)存在輻射逆溫時(shí)，高架連續(xù)點(diǎn)源排放的煙流排入穩(wěn)定的逆溫層中，形成平展型擴(kuò)散。這種煙流在鉛直方向?yàn)槁U(kuò)散，在源高度上形成一條狹長(zhǎng)的高濃度區(qū)。日出以后，太陽(yáng)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(dāng)輻射逆溫破壞到煙流下邊緣稍高一些時(shí)，在熱力湍流的作用下，煙流中的污染物便發(fā)生了強(qiáng)烈的向下混合作用，增大了地面的污染物濃度, 這個(gè)過程稱為熏煙(漫煙)過程。熏煙過程可一直進(jìn)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(kuò)散模式一、城市大氣擴(kuò)散模式l 線源擴(kuò)散模式當(dāng)風(fēng)向與線源垂直時(shí)，主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向?yàn)閤 軸。連續(xù)排放的無限長(zhǎng)線源下風(fēng)向濃度模式為: 當(dāng)風(fēng)向與線源不垂直時(shí)，如果風(fēng)向和線源交角為ф且ф 45176。，線源下風(fēng)向的濃度模式為，當(dāng)估算有限長(zhǎng)線源產(chǎn)生的環(huán)境濃度時(shí)，必須考慮有限長(zhǎng)線源兩端引起的“邊緣效應(yīng)”。隨著接收點(diǎn)距線源距離的增加，邊緣效應(yīng)將在更大的橫風(fēng)距離上起作用。當(dāng)風(fēng)向垂直于有限長(zhǎng)線源時(shí)，通過所關(guān)心的接收點(diǎn)作垂直于有限長(zhǎng)線源的直線，該直線與有跟長(zhǎng)線源的交點(diǎn)選作坐標(biāo)原點(diǎn)，直線的下風(fēng)方向?yàn)閤軸。線源的范圍為從y1延伸到y(tǒng)2。有限線源擴(kuò)散模式為： 面源擴(kuò)散模式（1）箱模式（2）轉(zhuǎn)化為點(diǎn)源的面源模式（3）窄煙流模式二、山區(qū)擴(kuò)散模式（美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局National Oceanic and Atmospheric Administration）和EPA（Environmental Protection Agency）模式。（環(huán)境技術(shù)有限公司）模