主讲教师陈孟林.ppt
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1、主讲教师陈孟林 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第 五五 章章 大气环境影响评价大气环境影响评价 大气环境影响评价是从环境保护的目的大气环境影响评价是从环境保护的目的出发,通过调查、预测、评价等手段,分出发,通过调查、预测、评价等手段,分析、判断生产生活活动所排放的大气污染析、判断生产生活活动所排放的大气污染物对大气环境质量影响的程度和范围,为物对大气环境质量影响的程度和范围,为制定大气污染防治措施、合理安排生产生制定大气污染防治措施、合理安排生产
2、生活活动提供科学依据或指导性意见。活活动提供科学依据或指导性意见。1大气环境影响预测(模式)大气环境影响预测(模式)2开发行为对大气环境影响的识别开发行为对大气环境影响的识别3大气环境影响评价(大气环境影响评价(HJ2.22008)4主要内容主要内容 大气环境污染与大气扩散(自学为主)大气环境污染与大气扩散(自学为主)15-2 大气环境影响预测的计算方法大气环境影响预测的计算方法一、一、空气质量模式的概念与构成空气质量模式的概念与构成以数学方法定量描述大气以数学方法定量描述大气污染物从源地到接受地所污染物从源地到接受地所经历的全过程的一种手段经历的全过程的一种手段或工具,其核心部分为大或工具,
3、其核心部分为大气扩散模式,主要描写大气扩散模式,主要描写大气对污染物输送、扩散和气对污染物输送、扩散和稀释的作用。稀释的作用。概念概念 构成构成 二、空气质量模式的类型二、空气质量模式的类型经验模式:经验模式:在统计、分析历史资料的基础上,结合未来的发展规在统计、分析历史资料的基础上,结合未来的发展规划进行预测。划进行预测。理论模式理论模式:(1)统计理论模式:应用统计学的方法研究湍流扩散问题;)统计理论模式:应用统计学的方法研究湍流扩散问题;(2)K理论模式:假设湍流通量正比于平均梯度(梯度理论);理论模式:假设湍流通量正比于平均梯度(梯度理论);(3)相似理论模式:利用因次分析的理论,解决
4、湍流扩散问题。)相似理论模式:利用因次分析的理论,解决湍流扩散问题。按按模模拟拟区区的的范范围围:微微尺尺度度模模式式、局局地地模模式式、远远距距离离输输送送模式。模式。按模式的时间尺度:短期平均模式、长期平均模式。按模式的时间尺度:短期平均模式、长期平均模式。按按污污染染源源的的形形态态:点点源源、线线源源、面面源源、体体源源及及多多源源或或复复合源模式。合源模式。按按模模拟拟对对象象:酸酸雨雨模模式式、光光化化学学烟烟雾雾模模式式、干干沉沉积积模模式式等。等。针针对对某某种种特特殊殊气气象象条条件件:熏熏烟烟型型扩扩散散模模式式、热热内内力力边边界界层扩散模式层扩散模式按模式的应用需要:法
5、规应用级、研究级。按模式的应用需要:法规应用级、研究级。三、模式的选择三、模式的选择考虑考虑污染源的类型污染源的类型污染物的性质污染物的性质要求的空间分辨率要求的空间分辨率模拟区的下垫面特征模拟区的下垫面特征模拟区的范围模拟区的范围模拟的时间尺度模拟的时间尺度对模式效能的要求对模式效能的要求浓度差分析浓度差分析最大浓度分析最大浓度分析浓度比值分析浓度比值分析相关分析相关分析浓度分布比较浓度分布比较 四、模式的性能评价四、模式的性能评价1.合理性分析合理性分析2.模式检验:检查模式的保真性模式检验:检查模式的保真性3.灵敏度分析灵敏度分析灵敏度的定义:灵敏度的定义:模式输出对输入模式输出对输入变
6、量的偏导数变量的偏导数。五、大气扩散基本计算公式五、大气扩散基本计算公式(高斯或正态分布模式)(高斯或正态分布模式)u高斯模式的基本假定高斯模式的基本假定(1)污染物在空间的概率密度分布是正态分布;污染物在空间的概率密度分布是正态分布;(2)在整个空间中风速是均匀的、稳定的;)在整个空间中风速是均匀的、稳定的;(3)源强是连续均匀的;)源强是连续均匀的;(4)在在扩扩散散过过程程中中污污染染物物只只有有物物理理运运动动,无无化化学学或或生生物变化,即质量是守恒的。物变化,即质量是守恒的。u模式的坐标系说明模式的坐标系说明x 轴与平均风向一致,轴与平均风向一致,y 轴为横风向,轴为横风向,z 轴
7、指向天顶。轴指向天顶。式中式中:x,y,z,t 预测点的空间坐标和预测时的时间;预测点的空间坐标和预测时的时间;x0,y0,z0,t0 烟团初始空间坐标和初始时间;烟团初始空间坐标和初始时间;x,y,z 烟团中心在烟团中心在t t0期间迁移的距离,期间迁移的距离,假假定定单单位位容容积积粒粒子子比比 /q(m-3)在在空空间间的的概概率率分分布布密密度为正态分布,则度为正态分布,则 u,v,w 烟团中心在烟团中心在 x,y,z 方向的速度分量;方向的速度分量;预测点的烟团瞬时浓度;预测点的烟团瞬时浓度;q 烟团的瞬时排放量;烟团的瞬时排放量;x,y,z x,y,z 方向的的标准差(扩散参数),
8、是扩方向的的标准差(扩散参数),是扩 散时间散时间T的函数,的函数,T=t t0。1.连连续续排排放放源源,源源强强 Q 恒恒定定、有有风风且且均均匀匀稳稳定定条条件件下下,其其最最基基本本的的烟烟流流扩扩散散公公式式(不不考考虑虑地地面面与与混混合合层层顶顶的的反射)反射)以烟团初始空间坐标为原点,下风向为以烟团初始空间坐标为原点,下风向为 x 轴,横风轴,横风向为向为 y 轴,指向天顶为轴,指向天顶为 z 轴。假设轴。假设u=常值,常值,v=w=0,x,y,z 都是都是 x 的函数,将式的函数,将式(51)对)对 t0 从从 到到 t 积分积分可得可得 式中式中:(x,y,z)预测点(预测
9、点(x,y,z)处的污染物浓度。处的污染物浓度。设设地地面面为为全全反反射射体体,采采用用像像源源法法,即即假假设设地地平平线线为为一一镜镜面面,在在其其下下方方有有一一与与真真实实源源完完全全对对称称的的虚虚源源,则则这这两两个个源源按按式式(5-2)叠叠加加后后的的效效果果和和真真实实源源考考虑虑到到地地面面反反射射的的结结果果是是等等价价的的。以以烟烟囱囱地地面面位位置置的的中中心心点点为为坐坐标标原原点点,污污染染源源下下风风向向任任一一点点的的污污染染物浓度为物浓度为:2.考虑地面的反射的连续排放源考虑地面的反射的连续排放源烟流扩散公式烟流扩散公式式中:式中:He 烟囱(排气筒)有效
10、源高,为烟囱几何高度烟囱(排气筒)有效源高,为烟囱几何高度Hs与与 烟气抬升高度烟气抬升高度H之和;之和;u 取烟囱出口处的平均风速。取烟囱出口处的平均风速。对地面浓度,则对地面浓度,则z=0,有有下风向下风向 x 轴线上的地面浓度(轴线上的地面浓度(y=0,z=0)为:为:环境评价中需要预测的环境评价中需要预测的1小时浓度,通常是利用最大小时浓度,通常是利用最大落地浓度公式计算的。且一般主要计算不稳定条件下的落地浓度公式计算的。且一般主要计算不稳定条件下的最大落地浓度,此时的混合层比较厚,且下风距离较近,最大落地浓度,此时的混合层比较厚,且下风距离较近,无需作混合层顶反射修正。无需作混合层顶
11、反射修正。扩散参数扩散参数 y,z用下述回归式表示用下述回归式表示 将上两式代入下风向将上两式代入下风向 x 轴线地面浓度公式(轴线地面浓度公式(5-5),),然后对然后对 x 求导并令其等于求导并令其等于0,可分别求得,可分别求得若若 z/y常数,则有:常数,则有:xmax 或由下式求解或由下式求解:3.考虑混合层顶反射的连续排放源烟流扩散公式考虑混合层顶反射的连续排放源烟流扩散公式 对高架点源,需考虑混合层顶的反射作用。设地面对高架点源,需考虑混合层顶的反射作用。设地面与混合层顶全反射,用像源法修正后可得与混合层顶全反射,用像源法修正后可得式中:式中:h 混合层厚度混合层厚度 n 反射次数
12、,一般取反射次数,一般取k=45即可满足精度要求。即可满足精度要求。若若 z 1.6 h,可认为浓度在铅直方向已接近均匀分布,有:可认为浓度在铅直方向已接近均匀分布,有:当风速较小(当风速较小(U10 1.5m/s)时,实验结果表明:扩散时,实验结果表明:扩散参数与参数与T基本上为一次方的关系。可假设基本上为一次方的关系。可假设 x=01T,y=01T,z=02T,01与与 02 可参照教材可参照教材P118表表58选选取取。再假设:再假设:Q常值,常值,u=常值,常值,v=w=0。以烟囱地面位以烟囱地面位置中心点为坐标原点,对(置中心点为坐标原点,对(51)式将)式将t0 从从 到到 t 积
13、分可积分可得到小风扩散模式的解析解。污染物的地面浓度为:得到小风扩散模式的解析解。污染物的地面浓度为:1.小风扩散模式小风扩散模式2.静静风(风(U10 f1,则则 fm f0,否则依次计算出否则依次计算出 f2、f3,直至,直至 fn-1 fn fn+1,可得可得 fm fn。如。如p 0、xf 无解,依次计算无解,依次计算p1、p2、时的时的xf,直至有解为止。直至有解为止。一般无特殊要求时,只计算一般无特殊要求时,只计算 f 的最大值的最大值 fm及其对应及其对应时刻时刻tm的浓度分布。的浓度分布。(2)fm对对应应时时刻刻tm的的浓浓度度分分布布计计算算:计计算算出出 fm对对应应的的
14、xf m、pm、hfm 对对给给定定的的x,计计算算p(由由p=pm(xfm/x)计计算算,为为 z的的回回归归指指数数)、yf、(p)取取hf hfm,由式由式(57)计算)计算 f。式中式中:Ql 线源源强,(恒定)线源源强,(恒定)f 表示连续点源浓度连续变化的函数,应根表示连续点源浓度连续变化的函数,应根 据具体情况选择适当的表达式。据具体情况选择适当的表达式。连续线源等于连续点源在线源长连续线源等于连续点源在线源长度度L上的积分,浓度公式为:上的积分,浓度公式为:1.风向与线源垂直的直线型线源风向与线源垂直的直线型线源 取取 x 轴与风向一致,坐标原点为线源中点。设线轴与风向一致,坐
15、标原点为线源中点。设线源的长度为源的长度为2y0,f 选择考虑地面反射的扩散模式(选择考虑地面反射的扩散模式(5-3)的相应函数式,积分后可得到浓度公式为:)的相应函数式,积分后可得到浓度公式为:相应的地面相应的地面浓度公式(浓度公式(z=0)为:为:令令y0 ,得到无限长线源的浓度公式:得到无限长线源的浓度公式:2.风向与线源平行的直线型线源风向与线源平行的直线型线源 取取 x 轴与线源一致,坐标原点为线源中点。设线轴与线源一致,坐标原点为线源中点。设线源的长度为源的长度为2x0,f 选择考虑地面反射的扩散模式(选择考虑地面反射的扩散模式(5-3)的相应函数式,积分后可得到地面浓度公式为:的
16、相应函数式,积分后可得到地面浓度公式为:令令x0 ,得到无限长线源的地面浓度公式:得到无限长线源的地面浓度公式:3.风向与线源成任意交角的情况风向与线源成任意交角的情况风向与线源的夹角为风向与线源的夹角为(900),浓度计算公式为:),浓度计算公式为:垂垂、平平由前述方法计算。由前述方法计算。点源修正法(直接修正法、虚点源法);点源积分法点源修正法(直接修正法、虚点源法);点源积分法源强恒定源强恒定的面源的面源2.虚点源法连续面源公式虚点源法连续面源公式 1.常用模式常用模式 设设想想面面源源上上风风方方有有一一个个“虚虚点点源源”,其其烟烟羽羽扩扩散散到到面面源源中中心心时时,烟烟羽羽的的宽
17、宽度度与与高高度度分分别别为为L、He ,L 为为面源在面源在y方向的长度,方向的长度,He 是面源的平均排放高度。是面源的平均排放高度。“虚虚点点源源”后后退退的的距距离离为为xy(对对 y而而言言)和和xz(对对 z而而言言),根根据据已已知知的的 y(x)和和 z(x)关关系系式式通通过过经经验验式式 y(xy)=L/4.3、z(xz)=He/2.15 可可推算出推算出xy、xz。具具体体计计算算时时,利利用用前前述述的的点点源源模模式式,只只需需将将 y(x)和和 z(x)的自变量的自变量x分别代以分别代以(x+xy)和和(x+xz)即可。即可。1.孤立源长期平均浓度公式孤立源长期平均
18、浓度公式或或 当平均时间超过当平均时间超过1h后,由于风的摆动,任一风方后,由于风的摆动,任一风方位内的污染物浓度在横向都将趋于均匀分布。位内的污染物浓度在横向都将趋于均匀分布。(1)简简单单的的扇扇形形公公式式:将将式式(5-4)或或(5-6)对对 y 积积分分,再再除除以以接接受受点点所所在在角角宽宽度度为为2/n的的扇扇形形区区的的风风方方位位宽宽度度,并并乘乘以以平平均均时时段段内内扇扇形形区区风风向向所占的成数所占的成数 f,可得可得 (2)联合频率计算公式:对任一种风向()联合频率计算公式:对任一种风向(k),按照每一),按照每一种风速(种风速(l)和稳定度()和稳定度(m)下的联
19、合频率)下的联合频率 kml(或或 Lkml)进行加权平均:进行加权平均:说明:说明:(a)下标下标L表示小风或静风段,此时的表示小风或静风段,此时的 l 只含静风和小风只含静风和小风两个风速段,如两个风速段,如He 200m且且 Lkml 20%时,也可不单时,也可不单独统计;独统计;(b)联合频率)联合频率 根据气象观测资料进行统计得到;根据气象观测资料进行统计得到;(c)kml 的求取:由前述简单的扇形公式计算,但不的求取:由前述简单的扇形公式计算,但不乘以乘以平均时段内扇形区风向所占的成数平均时段内扇形区风向所占的成数 f;(d)Lkml:由静风和小风模式计算得到。由静风和小风模式计算
20、得到。rkml、Lrkml的计算方法与的计算方法与“孤立源孤立源”的的 kml、Lkml相同,但要注意坐标变换,即将坐标转换到以接相同,但要注意坐标变换,即将坐标转换到以接受点为原点、受点为原点、k 风方位为正风方位为正 x 轴的新坐标系后,再应用轴的新坐标系后,再应用公式进行计算。公式进行计算。2.多源长期平均浓度公式多源长期平均浓度公式评价区有评价区有 r 个烟囱时,接受点(个烟囱时,接受点(x,y)的长期平均浓度为:)的长期平均浓度为:特别说明:特别说明:估计扩散参数的途径:稳定度分类法;湍流量确定法。估计扩散参数的途径:稳定度分类法;湍流量确定法。地表风速地表风速/m s-1日射状态(
21、白天)日射状态(白天)夜夜 间间强强中中弱弱薄云全天或低云薄云全天或低云 4/8 3/8云量云量6CDDDD(1)帕斯奎尔()帕斯奎尔(Pasquill)分类方法分类方法1.大气稳定度的分类大气稳定度的分类式中:式中:当地的纬度,当地的纬度,deg;当地的经度,当地的经度,deg;t 进行观测时的北京时间;进行观测时的北京时间;太阳倾角,太阳倾角,deg,dn 一年中日期序数,一年中日期序数,0,1,2,3,364。(a)太阳高度角)太阳高度角h0的计算的计算(2)HJ/T2.293推荐的修订帕斯奎尔分类方法推荐的修订帕斯奎尔分类方法(b)确定太阳辐射等级:根据云量和太阳高度角从)确定太阳辐射
22、等级:根据云量和太阳高度角从 表表5-4查取。查取。(c)由太阳辐射等级和地面风速(离地)由太阳辐射等级和地面风速(离地10m处的平均处的平均 风速)根据表风速)根据表55确定大气稳定度级别。确定大气稳定度级别。(1)0.5h取样时间取样时间(a)平原地区农村及城市远郊区)平原地区农村及城市远郊区:A、B、C级稳定度级稳定度直接由表直接由表5-6和表和表5-7查算,查算,D、E、F级稳定度则需向不稳级稳定度则需向不稳定方向提半级后查算。定方向提半级后查算。(b)工业区或城区中的点源、丘陵山区的农村或城市:)工业区或城区中的点源、丘陵山区的农村或城市:A、B级不提级,级不提级,C级提到级提到B级
23、,级,D、E、F级向不稳定方向级向不稳定方向提一级,再按表提一级,再按表5-6和表和表5-7查算。查算。2.有风时扩散参数有风时扩散参数y、z的确定的确定或或式中:式中:对应取样时间为对应取样时间为 1、2时时的横向扩散系数的横向扩散系数 对应取样时间为对应取样时间为 1、2时时的横向扩散参数的横向扩散参数 回归系数回归系数 q 时间稀释系数时间稀释系数(2)大于)大于0.5h取样时间取样时间 铅直方向扩散参数不变,横向扩散参数及稀释铅直方向扩散参数不变,横向扩散参数及稀释系数满足下式系数满足下式:(1)0.5h取样时间取样时间:扩散参数的系数按表:扩散参数的系数按表58确定。确定。(2)大于
24、)大于0.5h取样时间时,参照有风时情况的方法换算。取样时间时,参照有风时情况的方法换算。3.小风和静风时扩散参数的确定小风和静风时扩散参数的确定 (1)烟气热释放率)烟气热释放率Qh 2100 kJ/s,且烟气温度与环境且烟气温度与环境温度的差值温度的差值 T 35K时时 介绍介绍HJ/T2.2-93推荐的计算公式。有效源高与烟气抬推荐的计算公式。有效源高与烟气抬升高度升高度 H 的关系为:的关系为:有效源高有效源高HeHs H1.有风,中性和不稳定条件有风,中性和不稳定条件 式中:式中:H2按按式式(1)中中的的H 的的计计算算公公式式计计算算,n0、n1、n2按按Qh较小一类选取。较小一
25、类选取。(2)1700 kJ/s Qh 2100 kJ/s(3)Qh 1700 kJ/s 或或T 35K时时注:注:dTa/dz 的取值不宜小于的取值不宜小于0.01K/m。2.有风,稳定条件有风,稳定条件3.小风静风小风静风3.Vs/u 1.5 时,考虑下洗时,考虑下洗 下洗距离下洗距离:hd=2(Vs/u 1.5)D 则有效源高度则有效源高度He=Hs+hd六、平原局地空气质量模式及平均值计算六、平原局地空气质量模式及平均值计算1.1.有效、合理的模式:以高斯型扩散公式为主体的模有效、合理的模式:以高斯型扩散公式为主体的模式。式。2.2.模式的坐标系。模式的坐标系。地理坐标系:原点为模地理
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