知识点25 最怕空气突然的安静——大气环境质量预测在线视频

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