当前课程知识点:环境规划 > 第3章 呼吸相关——大气环境规划 > 知识点25 最怕空气突然的安静——大气环境质量预测 > 知识点25 最怕空气突然的安静——大气环境质量预测
在上一节课
我们主要学习的是
大气污染源源强预测
在这里面主要关注从污染源
排放出了多少污染物
那么当污染物进入到大气之后
它是如何进行扩散
并且如何影响大气环境质量的呢
我们一般是可以根据污染源的特征
将污染源分为面源和点源
来进行这种影响的预测
那么第一种我们首先来看一下
用于面源预测的箱体模型
这里所谓的面源
就是指高度小于100米的大气污染源
我们又可以把它细分为
从30米到100米
这个高度的中架源
以及小于30米的低架源
箱模型就主要适用于这些
城市家庭的炉灶
低矮烟囱这些分布不太均匀的面源
在我们使用箱体模型的时候
还需要进行一些基本的假设
也就是我们要把
我们所要评价的空间范围
看成是一个尺寸固定的箱子
这个箱子的高度要等于
从地面到混合层顶端的高度
同时我们还要假设污染物在这个
箱子里面的浓度是处处相等的
那么在满足了这些假设前提之后
大气污染物浓度预测值C
它就等于面源排放污染物的源强
来除以进入箱内的平均风速
它与箱子的宽度b
以及箱子的高度
也就是大气混合层高度H三者之积
然后再加上预测区大气环境
背景的浓度值C0
那么这个理解非常容易
下面我们一起来看一道
箱体模型的应用习题
来进一步加强理解
那么已知某工业基地
位于一个山谷地区
我们计算出来它的
大气混合层的高度 H=120m
该那么这个地区长45km 宽5km
上风向的风速是2m/s
SO2的本地浓度为0
该基地建成后的计划燃煤量为7000t/d
煤的含硫量大约为3%
SO2的转化率为85%
我们试着用箱体模型
估计一下这个地区的SO2浓度是多少
我们用毫克每立方米来进行表征
那么我们根据箱体模型的计算公式
如果我们要求这个地区
从污染源排放出的污染物
进了大气之后这个二氧化硫的浓度
我们首先需要知道
二氧化硫的排放强度Q
要知道风速 区域宽度 高度
还有二氧化硫的本地初始浓度
那么根据已知条件风速u等于2m/s
区域宽度b=5千米
高度H=120米
二氧化硫的本地初始浓度C0是0
但是在这里面二氧化硫的排放强度Q
没有直接给出
所以我们第一步需要干什么
就是先要计算出二氧化硫的排放强度
那么我们在已知条件中可以找出
燃煤量为7000t/d
而煤的含硫量为3%
SO2转化率是85%
那么我们就可以利用这个
源强的计算公式
用燃煤量乘以煤中含硫百分数
得到煤中纯硫的排放强度为210t/d
从化学反应方程式中可以看出
二氧化硫的相对分子质量
是硫的二倍
所以硫转化为二氧化硫时
质量需要乘以2
然后再乘以转化率求出燃煤中
二氧化硫的排放强度为357t/d
为方便后续计算
我们再把它进行一个单位换算
最后得到的结果就是4131944mg/s
那么这里面相对于之前
给大家提供的源强计算公式里面
我们说二氧化硫直接燃煤排放
跟着烟气排放出来的
我们乘的系数是1.6
当时给大家提到的
在这里面为什么没有乘
我们这里面是整个区域的排放量
所以就不去考虑
从烟气中排放二氧化硫的时候
它所占的比例80%
没有乘以这个数
所以我们只乘以一个2
那么最后我们再把得到的所有参数
带入箱体模型计算公式中
求出该地区的二氧化硫
浓度为3.44毫克每立方米
那么这是箱体模型
相对来讲比较直观比较容易理解
而第二种预测模型主要针对的
是几何高度大于等于100米的
这样的一些污染源
我们把它叫做高架点源
所采用的预测模式被称为高斯模型
它是在大气污染物浓度
分布符合正态分布的
情况下计算出来的
那么高斯模型主要使用的是右手坐标系
它以排放点在地面的投影作为原点
平均的风向作为x轴
在水平面内垂直于x轴的
横风向是y轴
垂直于水平面向上的
铅直方向是z轴
那么这个图中表示的就是污染物
在高斯模式坐标系中的扩散方式
那么在使用高斯模型的时候
要有四个假设为前提
第一个假设就是
污染物浓度在y轴和x轴
这两个风向的分布都是呈正态分布
第二点假设就是
全部高度风速均匀稳定
第三点假设是
源强是连续均匀稳定的
第四点假设则是
在扩散过程中污染物是守恒的
也就是我不考虑它的转化
比如说它有降解
还有其他的一些过程我不考虑
那么在使用高斯模型进行预测的点源
一般有两种情况
第一种是无边界大气中
点源的扩散
这种情况下
它的坐标为(x y z)处的浓度C
它的求解方法
就是用公式1所示
非常复杂的这样一个(公式)
来进行计算的
那么在这个公式里面Q就是
烟囱这个点源它的排放的源强
也就是单位时间内污染物的排放量
而这里面的σy是指侧向扩散系数
也就是污染物在y方向分布的标准偏差
它是这个距离x的函数
而σz它是指竖向扩散系数
也就是指污染物在z方向分布的标准偏差
它同样也是距离x的函数
而这里面的u则是指
排烟高度处的风速
那么这是第一种模式
第二种模式是叫做高架连续点源的扩散
我们首先来看一下这种模式下的
一种普通情况
也就是说对于烟囱有效高度为H的
这样一个烟囱它的下风向
任一点污染物浓度C(x y z H)
它的浓度可以用公式2进行求解
这里面提到了烟囱有效高度H
主要是指烟囱的实际物理高度
这个大于100米的高架点源
它的物理高度再加上
排放烟气时候烟气抬升的高度
那么加在一起是有效源高
那么当我们把垂直高度z简化为零时
也就是垂向为0
也就是能够得到这种
在地面上的浓度分布
那么这个C就可以表达为(x y 0 H)
这个时候我们可以用
公式3对其进行求解
那么在这个基础上
我们再进一步的把垂向于风向的
y轴距离也简化为零
那么这个时候我们就能得到
污染物排放之后沿着地面轴向
它的任意一点的的浓度
那么这个时候这个浓度C
就主要是由x和H来决定的
y和z均等于0
我们就可以采用公式4对其进行求解
那么在地面轴线浓度模式的基础上
我们可以看出
当x增大的时候 σy和σz都是增大的
第一项减小 第二项增大
便必然在x轴上的
某一处会存在一个最大浓度值Cmax
也就是说存在一个地面浓度
最大的位置X
也就是说烟气扩散到
某一个位置Xmax的时候
它有一个最大的浓度值Cmax
那么σy和σz它的计算公式分别是
公式5和公式6来进行计算的
在这里面有γ 有α
都是可以查表的
那么γ和α都是常数
我们将在随堂的资料中提供给大家
那么在这种情况下
我们可以对公式4进行求导
然后再取它的极值
这样便能够计算得到地面最大浓度Cmax
并且用这个公式7来表示这个结果
而这个时候地面最大浓度的位置
Xmax则可以用公式8所示结果来表示
那么在这个里面参数P1
可以用公式9表示的常数来表达
那么我们还可以假定一个
最简单的情况
也就是我们用σz除以σy
假定它为一个常数的时候
这个时候α1等于α2的
公式7可进一步简化为公式10
在这个时候的的σz等于根号2分之H
那么大气环境质量的
预测模型的公式是比较多的
计算过程相对较为复杂
下面我们通过两道习题
体会一下高斯模型的计算过程
那么第一个习题
我们来看这个已知条件
已知某一高架连续点源
在沿轴线地面最大浓度模式中
P1=σy/σz=1 风速u=6m/s
排烟有效源高H=150m
排烟量为3.6×10四次方立方米每小时
排烟中SO2浓度为2.4mg/m3
那么这个时候我们怎么样来求解
这个高架点源在下风向地面轴线上的
SO2最大浓度为多少毫克每立方米
那么这是求解地面最大浓度的问题
所以我们回去查找应该使用的是公式7
那么对比已知条件和公式7
所需的参数
这里面也是只有二氧化硫的源强
没有直接给出
所以我们首先要用
排烟量3.6×10四次方立方米每小时
来乘以排烟中二氧化硫的浓度
2.4毫克每立方米
从而得到二氧化硫的源强
是24毫克每立方米
这里面要注意的是
我们将单位小时转化为秒
要除以3600
最后再把全部的参数带入到公式7中
便可以解出
在这个高架点源下风向地面轴线上的
二氧化硫的最大浓度
计算结果等于
4.16×10负5次方毫克每立方米
这是第一个习题
那么我们再来看另外一个习题
这个已知条件上告诉我们说
城市远郊区某一个磷肥厂
它的排气筒出口直径是1m
废气排放量为65000立方米每小时
有效源高为167.6m
排出氟化氢的量为4.80kg/d
排气筒口上的平均风速U是5m/s
并且给出了σy和σz的值
那么让我们求排气筒下风向500m处的
HF地面轴线浓度为多少毫克每立方米
这是一道求解地面轴线浓度的问题
所以我们主要是要用公式4进行求解
在这个公式中所需的参数
在已知条件中均已给出
所以我们直接带入求解就行了
最后得到排气筒下风向500m处的
氟化氢的地面轴线浓度等于
1.35×10负14次方毫克每立方米
那么同学们可以自己来进行一个计算
在这里面我们计算的时候
还要注意单位转换的问题
也就是我们从天换算成秒的时候
需要除以24×60×60这个因子式
那么大气环境质量的预测模型
相对与水环境预测模型更为复杂
尤其是在高斯模型中的
高架连续点源的计算公式比较多
为了简化记忆
同学们就可以发现其中的规律
你只需熟练掌握下风向任何一点的
污染物浓度的计算公式
那么其它情况都是特殊情况
你可以在这个公式的基础上
逐步地自己去推导便可以得出
希望大家能够灵活的去运用
在各种情况下的求解的模型
在解决问题的时候能够做到举一反三
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