核环境监测与评价放射性物质在大气中的行为学习教案.pptx

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1、会计学1核环境监测与评价放射性物质在大气核环境监测与评价放射性物质在大气(dq)中的行为中的行为第一页，共74页。大气大气(dq)颗粒物（颗粒物（PM10）中核素的）中核素的gama谱谱2第1页/共73页第二页，共74页。上海应用上海应用上海应用上海应用(yngyng)(yngyng)物理研究所，南华大学空气污染来源反轨迹图物理研究所，南华大学空气污染来源反轨迹图物理研究所，南华大学空气污染来源反轨迹图物理研究所，南华大学空气污染来源反轨迹图3第2页/共73页第三页，共74页。地球上空的大气(dq)简介：人为产生的气载污染物一般都排入边界层中。污染物质释入大气(dq)后将随风的运动向下风向输运

2、，污染物分布不均匀形成的浓度梯度导致其在水平和铅直方向上扩散，空气流场的切变则导致污染物的弥散。4第3页/共73页第四页，共74页。输运过程中放射性核素将逐渐衰变，其子体逐渐积累。雨雪的清洗湿沉积；粒径较大(20m)的固体颗粒沉降；气溶胶与地面附着物碰撞(pn zhun)干沉积；风的作用沉积物悬浮二次污染。5第4页/共73页第五页，共74页。空气中的放射性污染物的危害：空气中的放射性污染物的危害：空气中的放射性污染对人直接造成外照射空气中的放射性污染对人直接造成外照射(zhosh)(zhosh)；人吸入污染的空气人吸入污染的空气内照射内照射(zhosh)(zhosh)；沉积到地面上的污染物沉积

3、到地面上的污染物 沉积造成的地面污染沉积造成的地面污染 外照射外照射(zhosh)(zhosh)；沉积导致的农作物污染经食物链沉积导致的农作物污染经食物链内照射内照射(zhosh)(zhosh)。6第5页/共73页第六页，共74页。4.1 放射性物质在大气中的化学放射性物质在大气中的化学(huxu)行为行为 7第6页/共73页第七页，共74页。（一）大气的恒定组分（一）大气的恒定组分（一）大气的恒定组分（一）大气的恒定组分 大气的恒定组分是指大气中的大气的恒定组分是指大气中的大气的恒定组分是指大气中的大气的恒定组分是指大气中的O2O2、N2N2和稀有气体。在近地层大气中这些气和稀有气体。在近地

4、层大气中这些气和稀有气体。在近地层大气中这些气和稀有气体。在近地层大气中这些气体组分的含量几乎可认为是不变的，它们约占大气总量的体组分的含量几乎可认为是不变的，它们约占大气总量的体组分的含量几乎可认为是不变的，它们约占大气总量的体组分的含量几乎可认为是不变的，它们约占大气总量的99.97%99.97%。（二（二（二（二)大气的可变组分大气的可变组分大气的可变组分大气的可变组分 主要主要主要主要(zh(zh yo)yo)指指指指CO2CO2和和和和H2OH2O（g g），这些气体组分受不同地区气候、季节等），这些气体组分受不同地区气候、季节等），这些气体组分受不同地区气候、季节等），这些气体组分

5、受不同地区气候、季节等多种因素的影响而发生变化。正常状况下，多种因素的影响而发生变化。正常状况下，多种因素的影响而发生变化。正常状况下，多种因素的影响而发生变化。正常状况下，H2O(g)H2O(g)约占约占约占约占0-40-4，CO2CO2约占约占约占约占0.02%-0.02%-0.04%0.04%。由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气。由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气。由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气。由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气。大气大气(dq)的化学组成的化学组成 （三）大气的不定组分（三）大气的不定组分 大气中的尘埃大气中的尘埃(chn

6、i)、硫化物、氮氧化物等是大气中的不、硫化物、氮氧化物等是大气中的不定组分，当它们进入大气后，可能造成大气污染。定组分，当它们进入大气后，可能造成大气污染。8第7页/共73页第八页，共74页。9第8页/共73页第九页，共74页。成云致雨的必要条件成云致雨的必要条件(b yo tio jin)主要主要(zhyo)成分成分次要次要(cyo)成分成分 水水 汽汽固体杂质固体杂质生物体的基本成分生物体的基本成分维持生物活动的必要物质维持生物活动的必要物质植物光合作用的原料；对地面保温植物光合作用的原料；对地面保温吸收紫外线，使地球上的生吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害物免遭过量紫外线的伤

7、害成云致雨的必要条件，对地面保温作用成云致雨的必要条件，对地面保温作用大气组成大气组成主主 要要 作作 用用干干洁洁空空气气O3N2O2CO2大气各组成成分的作用10第9页/共73页第十页，共74页。大气圈结构大气圈结构(jigu)w w 大气层又叫大气圈，地球就被这一大气层又叫大气圈，地球就被这一大气层又叫大气圈，地球就被这一大气层又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成层很厚的大气层包围着。大气层的成层很厚的大气层包围着。大气层的成层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要环境空气的成分。大气层的空分主要环境空气的成分。大气层的空分主要环境空气的成分。大气层的空分主要环境空气的

8、成分。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀气密度随高度而减小，越高空气越稀气密度随高度而减小，越高空气越稀气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在薄。大气层的厚度大约在薄。大气层的厚度大约在薄。大气层的厚度大约在1000-14001000-1400千千千千米以上，但没有明显的界限。整个大米以上，但没有明显的界限。整个大米以上，但没有明显的界限。整个大米以上，但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，气层随高度不同表现出不同的特点，气层随高度不同表现出不同的特点，气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层分为对流层、平流层、中间层、暖层分为

9、对流层、平流层、中间层、暖层分为对流层、平流层、中间层、暖层和逸散层，再上面就是星际和逸散层，再上面就是星际和逸散层，再上面就是星际和逸散层，再上面就是星际(xngj)(xngj)空间了。空间了。空间了。空间了。11第10页/共73页第十一页，共74页。大气中的一般化学过程大气中的一般化学过程大气中的一般化学过程大气中的一般化学过程 在一些射线的作用下，大气中会发生一系列的化学在一些射线的作用下，大气中会发生一系列的化学在一些射线的作用下，大气中会发生一系列的化学在一些射线的作用下，大气中会发生一系列的化学反应，其中最重要的是光化学反应。各层的化学反应反应，其中最重要的是光化学反应。各层的化学

10、反应反应，其中最重要的是光化学反应。各层的化学反应反应，其中最重要的是光化学反应。各层的化学反应不近一致。不近一致。不近一致。不近一致。这些射线是太阳辐射、宇宙射线、这些射线是太阳辐射、宇宙射线、这些射线是太阳辐射、宇宙射线、这些射线是太阳辐射、宇宙射线、X X射线及闪电引射线及闪电引射线及闪电引射线及闪电引起的放电效应起的放电效应起的放电效应起的放电效应(xioyng)(xioyng)。平流层：平流层：平流层：平流层：热层的主要光反应：热层的主要光反应：热层的主要光反应：热层的主要光反应：12第11页/共73页第十二页，共74页。大气中的主要成分是N2和 O2，它们可以吸收太阳辐射而引起光致

11、离解，产生氮原子和氧原子，这些原子非常活跃，在不同的气流(qli)层中发生一些化学反应。宇宙射线、太阳紫外线和X射线等可引起大气组分电离，这主要发生在60km以上的大气层，生成一些自由基。这些离子也可发生一系列的化学反应。大气层中另一类重要化学反应是由大气中的污染物质造成的，如酸雨、氮氧化物和烃类等。13第12页/共73页第十三页，共74页。中间层主要的光化学反应中间层主要的光化学反应(huxu f(huxu f nyng)nyng)有：有：平流层主要反应有：平流层主要反应有：对流层有：对流层有：14第13页/共73页第十四页，共74页。放射性物质在大气中的化学行为放射性物质在大气中的化学行为

12、 大气中的放射性物质可发生一系列的化大气中的放射性物质可发生一系列的化学变化：学变化：氧化反应、光化学反应氧化反应、光化学反应(huxu fnyng)和同位素交换反应；和同位素交换反应；气溶胶的形成和吸附现象；气溶胶的形成和吸附现象；云雾、雨滴对放射性物质的溶解、吸收云雾、雨滴对放射性物质的溶解、吸收等。等。15第14页/共73页第十五页，共74页。放射性气溶胶的形成：放射性气溶胶的形成：放射性气溶胶的形成：放射性气溶胶的形成：液态或固态放射性核素大部分被大气溶胶捕集形成气液态或固态放射性核素大部分被大气溶胶捕集形成气液态或固态放射性核素大部分被大气溶胶捕集形成气液态或固态放射性核素大部分被大

13、气溶胶捕集形成气溶胶。大气气溶胶主要包括微尘、有机碳化物微粒和液溶胶。大气气溶胶主要包括微尘、有机碳化物微粒和液溶胶。大气气溶胶主要包括微尘、有机碳化物微粒和液溶胶。大气气溶胶主要包括微尘、有机碳化物微粒和液态的雾。态的雾。态的雾。态的雾。核爆炸核爆炸核爆炸核爆炸放射性核素进入对流层顶部放射性核素进入对流层顶部放射性核素进入对流层顶部放射性核素进入对流层顶部(d(d n n b)b)温度温度温度温度降低降低降低降低放射性气溶胶放射性气溶胶放射性气溶胶放射性气溶胶 环境污染。环境污染。环境污染。环境污染。氡溢出氡溢出氡溢出氡溢出衰变衰变衰变衰变子体（钋、铅、铋等）子体（钋、铅、铋等）子体（钋、铅

14、、铋等）子体（钋、铅、铋等）大气气溶胶大气气溶胶大气气溶胶大气气溶胶环境污染。环境污染。环境污染。环境污染。核设施、核事故放出的铷、碘、铯、钼、氚、碳等它核设施、核事故放出的铷、碘、铯、钼、氚、碳等它核设施、核事故放出的铷、碘、铯、钼、氚、碳等它核设施、核事故放出的铷、碘、铯、钼、氚、碳等它们中的放射性核素形成气溶胶对环境污染。们中的放射性核素形成气溶胶对环境污染。们中的放射性核素形成气溶胶对环境污染。们中的放射性核素形成气溶胶对环境污染。16第15页/共73页第十六页，共74页。化学反应化学反应化学反应化学反应 大气中的放射性物质在迁移、扩散过程中，因其化大气中的放射性物质在迁移、扩散过程中

15、，因其化大气中的放射性物质在迁移、扩散过程中，因其化大气中的放射性物质在迁移、扩散过程中，因其化学活性或大气中其它物质的化学活性而发生多种化学学活性或大气中其它物质的化学活性而发生多种化学学活性或大气中其它物质的化学活性而发生多种化学学活性或大气中其它物质的化学活性而发生多种化学反应。其中与反应。其中与反应。其中与反应。其中与O2O2和和和和CO2CO2的反应是大气中最容易发生的的反应是大气中最容易发生的的反应是大气中最容易发生的的反应是大气中最容易发生的化学反应。如化学反应。如化学反应。如化学反应。如SrSr通过一系列的反应可以生成通过一系列的反应可以生成通过一系列的反应可以生成通过一系列的

16、反应可以生成(shn(shn chnchn)SrCO3)SrCO3，T2T2可以氧化成可以氧化成可以氧化成可以氧化成T2OT2O等。等。等。等。17第16页/共73页第十七页，共74页。此外，大气中发生的化学过程与大气吸收太阳能辐射此外，大气中发生的化学过程与大气吸收太阳能辐射引起引起(y(y nqnq)的大气光化学过程有密切关系。大气中的某些的大气光化学过程有密切关系。大气中的某些放射性气体在太阳光的照射下，也可直接发生光化学反应。放射性气体在太阳光的照射下，也可直接发生光化学反应。主要是因为自由基的生成。主要是因为自由基的生成。同位素交换反应：同位素交换反应：18第17页/共73页第十八页

17、，共74页。4.2 放射性物质在大气中的输运和弥散放射性物质在大气中的输运和弥散大气边界层的温度场和风场大气边界层的温度场和风场1、大气边界层的温度场、大气边界层的温度场 1）干绝热递减率）干绝热递减率 不含水分的干空气团随不含水分的干空气团随机运动而绝热上升时，其膨胀、位置升高机运动而绝热上升时，其膨胀、位置升高其内能降低、温度下其内能降低、温度下 降；反之降；反之(fnzh)，温度，温度升高。干空气团每绝热升降升高。干空气团每绝热升降100m而导致其身而导致其身温度变化率的负值称为干绝热递减率，以温度变化率的负值称为干绝热递减率，以rd表表示，其理论值为：示，其理论值为：0.98K/100

18、m1.0K/100m。未饱和湿空气上升时，其温度下降率将小于未饱和湿空气上升时，其温度下降率将小于1.0K/100m。19第18页/共73页第十九页，共74页。2）大气的气温层结 大气边界层气温在铅直方向上的变化情况称为气温层结，其特征可用气温垂直递减率表示：一般取单位高差(100m)上气温变化速率为负值。因此，当气温随高度增高而降低时，r0，反之(fnzh),则小于0,表示气温随高度增高而上升。20第19页/共73页第二十页，共74页。大气边界层中气温层结有四种典型情况：气温随高度增高而递减，且其递减率大于干绝热递减率r rd时，为正常分布层结或超绝热递减层结；r rd时，为中性(zhngx

19、ng)层结；r0时，为逆温层结；r=0时，等温层结。由不同的气温层结而产生不同的烟羽形状。21第20页/共73页第二十一页，共74页。气温的垂直分布气温的垂直分布(fnb)(fnb)（温度层结）（温度层结）0，正常分布层结正常分布层结 ，中性层结（绝热直减率），中性层结（绝热直减率）0 ，等温层结，等温层结 0 ，逆温层结逆温层结 22第21页/共73页第二十二页，共74页。逆逆逆逆 温温温温n n逆温不利于扩散逆温不利于扩散逆温不利于扩散逆温不利于扩散(kusn)(kusn)(kusn)(kusn)，容易造成大气污染，包括辐射逆温、下沉逆温、平流，容易造成大气污染，包括辐射逆温、下沉逆温、平

20、流，容易造成大气污染，包括辐射逆温、下沉逆温、平流，容易造成大气污染，包括辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温等。逆温、锋面逆温等。逆温、锋面逆温等。逆温、锋面逆温等。w辐辐射射逆逆温温：由由于于地地面面强强烈烈辐辐射射冷冷却却而而形形成成的的逆逆温温，地地面面夜夜间间变变冷冷，大大气气自自下下而而上上冷冷却却，造造成成温温度自下而上的增加，产生逆温现象；地面白天度自下而上的增加，产生逆温现象；地面白天(bi tin)加热，大气自下而上变暖，逆温消失。加热，大气自下而上变暖，逆温消失。下午(xiw)日落前1小时黎明日出后上午10点左右辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程23第22页/共73页

21、第二十三页，共74页。3）气温的垂直变化与大气）气温的垂直变化与大气(dq)稳定度性的关系稳定度性的关系 地地球球表表面面上上方方大大气气的的温温度度随随高高度度发发生生变变化化，大大气气温温度度随随高高度度的的分分布布情情况况与与大大气气稳稳定定性性关关系系密密切切，同同时时影影响响受受污污染染的的空空气气(kngq)被被较较洁洁净净的的空空气气(kngq)混混合合而而冲冲释其污染浓度的作用。释其污染浓度的作用。24第23页/共73页第二十四页，共74页。烟流型与大气烟流型与大气(dq)(dq)稳定度的关系稳定度的关系 n n波浪波浪(blng)(blng)型（不稳）型（不稳）n n锥型（中

22、性锥型（中性oror弱稳）弱稳）n n扇型（逆温）扇型（逆温）n n爬升型（下稳，上不稳）爬升型（下稳，上不稳）n n漫烟型（上逆、下不稳）漫烟型（上逆、下不稳）25第24页/共73页第二十五页，共74页。大气大气(dq)稳定度和烟羽行为稳定度和烟羽行为26第25页/共73页第二十六页，共74页。逆逆温温对对扩扩散散的的影影响响27第26页/共73页第二十七页，共74页。2、大气边界层的风场、大气边界层的风场1）作用于大气的水平力）作用于大气的水平力 大气水平方向存在着气压差，就存在水平力。水大气水平方向存在着气压差，就存在水平力。水平气压梯度力是导致空气水平运动的原动力；地球平气压梯度力是导

23、致空气水平运动的原动力；地球的转动使之与大气之间产生相对运动而造成旋转效的转动使之与大气之间产生相对运动而造成旋转效应，产生地球的偏转力应，产生地球的偏转力(科里奥利力科里奥利力)，其存在与风，其存在与风伴生伴生(bn shn)，其方向与实际风向垂直；近地层，其方向与实际风向垂直；近地层空气运动还会产生摩擦力，方向与风向相反；作曲空气运动还会产生摩擦力，方向与风向相反；作曲线运动的大气还会受到惯性离心力的作用，其方向线运动的大气还会受到惯性离心力的作用，其方向与实际风方向垂直。与实际风方向垂直。2）大气边界层中的风场）大气边界层中的风场 在自由大气中，摩擦力可忽略，但在大气边界在自由大气中，摩

24、擦力可忽略，但在大气边界层中，气压梯度力层中，气压梯度力G，科氏力，科氏力D及摩擦力及摩擦力F三者处于三者处于同一数量级，三者的合力构成风场。同一数量级，三者的合力构成风场。28第27页/共73页第二十八页，共74页。湍流扩散的基本湍流扩散的基本湍流扩散的基本湍流扩散的基本(jbn)(jbn)理论理论理论理论 扩散的要素扩散的要素扩散的要素扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大风：平流输送为主，风大则湍流大风：平流输送为主，风大则湍流大风：平流输送为主，风大则湍流大湍流是导致烟羽扩散的主要原因：扩散速率比分子扩散快湍流是导致烟羽扩散的主要原因：扩散速率比分子扩散快湍流是导致烟羽扩散的主要原因

25、：扩散速率比分子扩散快湍流是导致烟羽扩散的主要原因：扩散速率比分子扩散快105105105105106106106106倍倍倍倍 湍流的基本概念湍流的基本概念湍流的基本概念湍流的基本概念 （什么是湍流？）（什么是湍流？）（什么是湍流？）（什么是湍流？）除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点和摆动称为大气湍流。（有点和摆动称为大气湍流。（有点和摆动

26、称为大气湍流。（有点(yudin)(yudin)(yudin)(yudin)象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规则运动则运动则运动则运动 。(湍流湍流湍流湍流大气的无规则运动大气的无规则运动大气的无规则运动大气的无规则运动:风速的脉动和风向的摆动风速的脉动和风向的摆动风速的脉动和风向的摆动风速的脉动和风向的摆动)起因与两种形式起因与两种形式起因与两种形式起因与两种形式 热力：温度垂直分布不均（不稳定）热力：温度垂直分布不均（不稳定）热力：温度垂直分布不均（不稳定）热力：温度垂直分

27、布不均（不稳定）机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度29第28页/共73页第二十九页，共74页。湍流扩散湍流扩散(kusn)理论简介理论简介主要阐述：湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系主要阐述：湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 1.1.梯度输送理论梯度输送理论 德国科学家菲克，在德国科学家菲克，在18551855年发表了一篇题为年发表了一篇题为“论扩散论扩散”的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩

28、散理论。他把这个理论表述为：这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。发生的热扩散相同，是十分自然的。”湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。为了求得各种为了求得各种(zhn)(zhn)条件下某污染物的时、空分布，必须对条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的

29、边界条件下求解。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。30第29页/共73页第三十页，共74页。湍流扩散理论湍流扩散理论湍流扩散理论湍流扩散理论(l(l ln)ln)简介简介简介简介2.2.湍流统计理论：湍流统计理论：湍流统计理论：湍流统计理论：湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，

30、呈连续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。定空间发生的。定空间发生的。定空间发生的。如图表示从污染源释放出的粒子，在风沿着如图表示从污染源释放出的粒子，在风沿着如图表示从污染源释放出的粒子，在风沿着如图表示从

31、污染源释放出的粒子，在风沿着x x方向吹的湍方向吹的湍方向吹的湍方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用原点释放出的一个粒子的位置用原点释放出的一个粒子的位置用原点释放出的一个粒子的位置用y y表示，则表示，则表示，则表示，则y y随时间而变化随时间而变化随时间而变化随时间而变化(binhu)(binhu)，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，

32、则，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则在在在在x x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以轴上粒子的浓度最高，浓度分布以轴上粒子的浓度最高，浓度分布以轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x x轴为对称轴，并符合轴为对称轴，并符合轴为对称轴，并符合轴为对称轴，并符合正态分布。正态分布。正态分布。正态分布。31第30页/共73页第三十一页，共74页。由湍流(tunli)引起的扩散 32第31页/共73页第三十二页，共74页。3.3.相似相似相似相似(xin(xin s)s)扩散理论扩散理论扩散理论扩散理论 湍流扩散相似理论的基本观点：湍流由许多大小不湍流扩散相

33、似理论的基本观点：湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计论，建立起某种统计(t(t ngj)ngj)物理量的普适函数，再找出物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。湍流湍流(tunli)扩散理论简介扩散理论简介33第32页/共73页第三十三页，

34、共74页。大气大气(dq)湍流与污染物的扩散湍流与污染物的扩散 图图a a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度(nngd)(nngd)也不断地降低。也不断地降低。图图b b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。图图c c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。表示烟

35、团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述几种过程共同完成的。在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述几种过程共同完成的。34第33页/共73页第三十四页，共74页。点源弥散点源弥散(msn)的高斯模式的高斯模式n n高斯模式的有关假定高斯模式的有关假定高斯模式的有关假定高斯模式的有关假定n n1.1.坐标系坐标系坐标系坐标系n n坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为坐标系取排放点（无界源、地

36、面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为x x轴，轴，轴，轴，y y轴在水平面内垂直于轴在水平面内垂直于轴在水平面内垂直于轴在水平面内垂直于x x轴，正方向在轴，正方向在轴，正方向在轴，正方向在x x轴的左侧，轴的左侧，轴的左侧，轴的左侧，z z轴垂直于水平面，向上为正，轴垂直于水平面，向上为正，轴垂直于水平面，向上为正，轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。食指即右手坐标系。食指即右手坐标系。食指即右手坐标系。食指xx轴；中指轴；中指轴；中指轴；中指yy轴；拇指轴；拇指轴；拇指轴；拇指zz轴。此坐标系中，

37、烟流中心与轴。此坐标系中，烟流中心与轴。此坐标系中，烟流中心与轴。此坐标系中，烟流中心与x x轴重合轴重合轴重合轴重合或烟流在或烟流在或烟流在或烟流在oxyoxy平面的投影为平面的投影为平面的投影为平面的投影为x x轴。轴。轴。轴。n n2.2.四点假设四点假设四点假设四点假设 n na a污染物浓度污染物浓度污染物浓度污染物浓度(nngd)(nngd)在在在在y y、z z风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布n nb b全部高度风速均匀稳定全部高度风速均匀稳定全部高度风速均匀稳定全部高度风速均匀稳定n nc c源强是连续均匀稳定的源强是连续均匀稳定

38、的源强是连续均匀稳定的源强是连续均匀稳定的n nd d扩散中污染物（或核素活度）是守恒的扩散中污染物（或核素活度）是守恒的扩散中污染物（或核素活度）是守恒的扩散中污染物（或核素活度）是守恒的 35第34页/共73页第三十五页，共74页。高斯扩散高斯扩散(kusn)模式坐标系模式坐标系36第35页/共73页第三十六页，共74页。无界空间连续点源扩散(kusn)模式(a)(c.d)37第36页/共73页第三十七页，共74页。上式中：上式中：平均风速，平均风速，m/s；Q源强源强,核素活度释放率，核素活度释放率，Bq/s。y侧侧向向扩扩散散参参数数，污污染染物物在在y方方向向分分布布的的标标准准偏偏

39、差差，是距离是距离y的函数，的函数，m；z竖竖向向扩扩散散参参数数，污污染染物物在在z方方向向分分布布的的标标准准偏偏差差，是距离是距离z的函数，的函数，m；未未知知量量浓浓度度(nngd)c、待待定定函函数数A(x)、待待定定系系数数a、b；式式、组组成成一一方方程程组组，四四个个方方程程式式有有四四个个未知数，故方程式可解。未知数，故方程式可解。38第37页/共73页第三十八页，共74页。39第38页/共73页第三十九页，共74页。40第39页/共73页第四十页，共74页。高斯烟流的浓度高斯烟流的浓度(nngd)分布分布高斯高斯高斯高斯(o s)(o s)烟流中心线上的浓度烟流中心线上的浓

40、度烟流中心线上的浓度烟流中心线上的浓度分布分布分布分布41第40页/共73页第四十一页，共74页。高斯高斯(o s)烟流的形态烟流的形态42第41页/共73页第四十二页，共74页。高架连续点源扩散模式高架连续点源扩散模式 当当污污染染物物通通过过高高烟烟囱囱释释放放时时，可可采采用用高高位位连连续续点点源源的的弥弥散散公公式式计计算算下下风风向向(fngxing)空空间间任任意意点点处处的的空空气气污污染染浓浓度度。由由于于烟烟羽羽的的抬抬升升，应取有效烟囱高度应取有效烟囱高度H=HS+H作为释放高度。作为释放高度。高高架架连连续续点点源源的的扩扩散散问问题题，必必须须考考虑虑到到地地面面对对

41、扩扩散散的的影影响响。根根据据前前述述假假设设(d)，可可以以认认为为地地面面象象镜镜面面那那样样，对对污污染染物物起起着着全全反反射射的的作作用用。按按照照全全反反射射原原理理，地地面面就就象象镜镜子子一一样样对对污污染染物物起起全全反反射射作作用用,可可以以用用像像源源法法来来处处理理这这类类问问题题。可可以以把把P点点污污染染物物浓浓度度看看成成为为两两部部分分作作用用之之和和，一一部部分分实实源源作作用用，一一部部分分是是虚虚源源作作用用。见见下下页页图图：相相当当于于位位置置在在（0，0，H）的的实实源源和和位位置置在在（0，0，-H）的的像像源源，当当不不存存在在地地面面时时在在P

42、点点产生的浓度之和。产生的浓度之和。（1）实实源源作作用用：由由于于坐坐标标原原点点原原选选在在地地面面上上，现现移移到到源源高高为为H处处，相相当当于于原原点点上上移移H，即即原原式式中中的的Z在在新新坐坐标标系系中中为为（Z-H）,不不考考虑虑地地面面的影响，则：的影响，则：43第42页/共73页第四十三页，共74页。44第43页/共73页第四十四页，共74页。45第44页/共73页第四十五页，共74页。46第45页/共73页第四十六页，共74页。47第46页/共73页第四十七页，共74页。地面的最大浓度地面的最大浓度地面的最大浓度地面的最大浓度 高架源的污染源是在空中，我们时常关心高架源

43、的污染源是在空中，我们时常关心高架源的污染源是在空中，我们时常关心高架源的污染源是在空中，我们时常关心(gun(gunxn)xn)的是污染物到达地面的浓度，而不是空中任一点的是污染物到达地面的浓度，而不是空中任一点的是污染物到达地面的浓度，而不是空中任一点的是污染物到达地面的浓度，而不是空中任一点的浓度。地面浓度是以的浓度。地面浓度是以的浓度。地面浓度是以的浓度。地面浓度是以 x x 轴为对称的，轴为对称的，轴为对称的，轴为对称的，x x 轴上具有最轴上具有最轴上具有最轴上具有最大值，向两侧方向遂渐减小。因此，地面轴线浓度是大值，向两侧方向遂渐减小。因此，地面轴线浓度是大值，向两侧方向遂渐减小

44、。因此，地面轴线浓度是大值，向两侧方向遂渐减小。因此，地面轴线浓度是我们所关心我们所关心我们所关心我们所关心(gun(gunxn)xn)的。我们知道标准差的。我们知道标准差的。我们知道标准差的。我们知道标准差yy、z z 反映的是反映的是反映的是反映的是 y y 和和和和z z 方向上的浓度分布，随距离方向上的浓度分布，随距离方向上的浓度分布，随距离方向上的浓度分布，随距离 x x 的增大，的增大，的增大，的增大，浓度分布趋于平均，即浓度分布趋于平均，即浓度分布趋于平均，即浓度分布趋于平均，即yy、z z 随随随随 x x 而增大。必然在而增大。必然在而增大。必然在而增大。必然在某一距离某一距

45、离某一距离某一距离 x x 处出现浓度处出现浓度处出现浓度处出现浓度 C C 的最大值。的最大值。的最大值。的最大值。另一方面，地面最大污染物浓度出现的位置和另一方面，地面最大污染物浓度出现的位置和另一方面，地面最大污染物浓度出现的位置和另一方面，地面最大污染物浓度出现的位置和数值，与高架污染源在空中的位置有关，空中的位置数值，与高架污染源在空中的位置有关，空中的位置数值，与高架污染源在空中的位置有关，空中的位置数值，与高架污染源在空中的位置有关，空中的位置则是以有效源高表现。因此还要考虑气象因素。则是以有效源高表现。因此还要考虑气象因素。则是以有效源高表现。因此还要考虑气象因素。则是以有效源

46、高表现。因此还要考虑气象因素。48第47页/共73页第四十八页，共74页。以上模式适用于气态污染物和粒径小于10m的飘尘(pio chn)，对于大10m的颗粒物，由于自身的沉降作用，浓度分布将有所改变。49第48页/共73页第四十九页，共74页。污染物浓度污染物浓度(nngd)的估算的估算n nQ 源强 计算或实测 n n 平均风速 多年的风速资料 n nH 有效烟囱高度 n n 、扩散(kusn)参数50第49页/共73页第五十页，共74页。烟流抬升高度是确定高架源的位置，准确判断大气污染扩散及估计地面污染浓度的重要参数之一。从烟囱里排出的烟气，通常会继续上升，因此有效源的高度高于烟囱实际高

47、度。上升的原因：一是热力(rl)抬升，即当烟气温度高于周围空气温度时，密度比较小，浮升力的作用而使其上升；二是动力抬升，即离开烟囱的烟气本身具有的动量，促使烟气继续向上运动。1)1)烟气抬升高度烟气抬升高度(god)(god)的计算的计算 51第50页/共73页第五十一页，共74页。热烟流从烟囱中喷出直至变平是一个连续的逐渐缓变过程一般可分为热烟流从烟囱中喷出直至变平是一个连续的逐渐缓变过程一般可分为四个阶段，如图所示。四个阶段，如图所示。首先是烟气依靠本身的初始动量垂直向上喷射的喷出阶段，该阶段的距首先是烟气依靠本身的初始动量垂直向上喷射的喷出阶段，该阶段的距离约为几至十几倍烟囱的直径；离约

48、为几至十几倍烟囱的直径；其次是由于烟气和周围空气之间温差而产生的密度差所形成的浮力而使其次是由于烟气和周围空气之间温差而产生的密度差所形成的浮力而使烟流上升的浮升阶段，上升烟流与水平气流之间的速度差异而产生的小烟流上升的浮升阶段，上升烟流与水平气流之间的速度差异而产生的小尺度湍涡使得两者混合后的温差不断减小，烟流上升趋势不断减缓，逐尺度湍涡使得两者混合后的温差不断减小，烟流上升趋势不断减缓，逐渐趋于水平方向；渐趋于水平方向；然后是在烟体不断膨胀过程中使得大气湍流作用明显加强然后是在烟体不断膨胀过程中使得大气湍流作用明显加强(jiqing)(jiqing)，烟，烟体结构瓦解，逐渐失去抬升作用的瓦

49、解阶段；体结构瓦解，逐渐失去抬升作用的瓦解阶段；最后是在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的变平阶段。最后是在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的变平阶段。52第51页/共73页第五十二页，共74页。从烟流抬升及扩散发展的过程可以看出，显然，浮升力和初始动从烟流抬升及扩散发展的过程可以看出，显然，浮升力和初始动量是影响烟流抬升的主要因素，但使烟流抬升的发展又受到气象条件量是影响烟流抬升的主要因素，但使烟流抬升的发展又受到气象条件和地形状况的制约。和地形状况的制约。主要表现为：主要表现为：浮升力取决于烟流与环境空气的密度差，即与两者的温差有关；浮升力取决于烟流与环境空气的密度差，

50、即与两者的温差有关；而烟流初始动量取决于烟囱出口的烟流速度，即与烟囱出口的内径有而烟流初始动量取决于烟囱出口的烟流速度，即与烟囱出口的内径有关。一般来讲，增大烟流与周围空气的温差以及提高烟流速度，抬升关。一般来讲，增大烟流与周围空气的温差以及提高烟流速度，抬升高度增加高度增加(zngji)(zngji)。但如果烟流的初始速度过大，促进烟流与空气的。但如果烟流的初始速度过大，促进烟流与空气的混合，反而会减少浮力抬升高度，一般该速度大于出口处附近风速的混合，反而会减少浮力抬升高度，一般该速度大于出口处附近风速的两倍为宜。两倍为宜。大气的湍流强度愈大，烟与周围空气混合就愈快，烟流的温度和大气的湍流强