[doc] 下垫面粗糙度Zo对烟羽近距离扩散的影响

[doc] 下垫面粗糙度Zo对烟羽近距离扩散的影响 下垫面粗糙度Zo对烟羽近距离扩散的影响 下垫面粗糙度z.对烟羽近距 离扩散的影响 ? 陈长虹李德 (上海市环境保护科学研究所) 一 ,引言 烟羽在水平运动的过程中常常会遇到非 均匀性的粗糙下垫面.气流在流径这种地面 上空时,由于近地面摩擦力的作用和上,下 空气的动量交换,可形成新生边界层,从而 使得原有气流的动力状况发生改变.同时, 由于粗糙地面上空气流涡动加尉,气流的扩 散能力也将发生变化. 在一些大气污染扩散计算中,模拟结果 往往与实际污染状况有较大的差异,其原因 之一就是忽视了下垫面粗糙度的作,用.因 此,研究粗糙度Z.时烟羽扩散的影响无疑对 污染扩散模拟是有意义的. =,Z.对气流涡动影响的定性分析 根据M一0相似理论,假定铅直速度的方 差光全由摩擦度u,稳定度长度(或M— O长度)L和高度Z来确定. 中性层结时- l’/’l o’.=AKU?lIn【_争ll……(1)…0/J 式中,A为比例常数,K为卡门常数.Z.为 粗糙度,U为中性层结时的风速. 上半年各月浓度均较低,而下半年各且则均 较高.主要原因与各气象条件变化有关. 大气环境的气压,温度,湿度,降水量 等气象条件与飘尘质量浓度间的关系相当密 切o1988年与19婶年相比,上半年,气压值 增大,温度和湿度降低,降水量降I氐,飘尘质 量浓度增加,下半年,气压值减小,温度和 湿度增加,降水量增加飘尘质量r浓度降低这 是因为,气压对飘尘有压抑作用,温度对飘 尘有热抬举作用,飘尘被抬举到较高的高度, 降低了地面的檀度.湿度增加对飘尘的吸附 作用,飘尘被沉降到地面.此外,降水对飘尘 有冲刷作用,飘尘被降水捕捉带到地面,同时 降水时雨滴的拖曳作用产生的下沉气流也能 将飘尘带到湿地面.总之,这四种作用均能使 飘尘在近地面大气中的质量浓度发生变化. 飘尘质量浓度与能见度有很大关系, 1985,l988两年的飘尘采样,经分析表明, 1B 大气能见度对飘尘质量浓度的影响较大.当 能见度小对,飘尘质量浓度就高.两年所采 样品中,能见度?lO.0kin时,飘尘质量浓 度超过250g/m,超标率达82.8.能见度 ?30.0km时飘尘质量浓度<10~g/m.,最低 值为4.090~Z/m.\ 四,结束语 通过以r上分析,可得到以下结论 1.该地区飘尘质量浓度有增高的趋势, 其变化规律,四月份高,七月份低. . 气象条件的变化对飘尘质量浓度的影 响较大,气压的压抑作用,温度的热抬举作 用,湿度的吸附沉降作用,降水的冲刷作 用,均能使飘尘质量旅度发生较大的变化. 3.飘尘质量浓度与能见度的关系为能见 度?10kin时,大气中飘尘浓度约超过250}培 /m.,能见度~30km时,飘尘浓度小T-10~g /m.. 不稳定层结时t AaUua(?) -再zz陌z~’ …… (2) 其中m【(孚): 一 2t#n-tr+? r=e )]? 式中,6为常数,{<0Juu为不稳定层结 时的风速”. 稳定层结时t .:…. (3)手… 式中,aM为无西次量,p为常最(D>1), o. 从(1)一(3)式可见,NN~NgZ* 越大,值就越大,气流的垂直端流强度 iz一口/u亦越大?气流的垂直端流-强度不 但随着Z.的增大而加强,而且随着大气稳定 性增强Z.时iz的影响也随之加大. 兰,扩散参数的数学形式’ 在均匀流场中,有风时的连续烟流扩散 解析式常用高斯公式来描述.考虑下垫面粗 糙度Zo后,污染物在空间的分布形式为? c(x小z’z.)2丽 (一). (exp卜j】机 [.-l…L2z(x,)JJ 式中,Q为污染物排放速率,为平均风速, h为烟羽的有教高度,y(X,z.),z(X,Zo) 为扩散参数. 从形式上看,上式与常规的商斯公式相 似,但是它与后者的本质差别在于其扩散模 式中采用的扩散参数唧,z已不是简单地随 下风距离X而变化的幂指数关系,而是关于 X和Z.的复杂,其形式为 y(X,ZD)=taXl?Fl(X,Z.)……(5) 其中Fl(X,Zo)=(al—blX)? Z.’c2一x’ z(x,zD)=r工x’t?G(x)?Fi(X,Zo) …… (8) 其中G(X)=[1+C.’l] Fi(X,ZD)=1一ale一5x+C,Xj ? Z0’ 式中a工,bi,ci,di,cl,dJ,el,aI,bs. cI,d-,es,rn口,rz,a-是与稳定度有关 的常数,由表1绐出. 四Z.对烟羽扩散的髟畸分析 1.粗糖度变化时扩散参数的影响 根据(5)和(e)式可知,下垫面粗糙 度Z.的变化可导致气流动力状况的改变,其 表现为z.增大时扩散参数与值亦趋于增 大.当Z.为0.50m时,其相应的横向扩散参 数口,值与P—G曲线祖比约高半级而铅直扩 散参数值在D类稳定可时,4000m以内的 o’z值高于Pr-G曲线,但在4000m以远与P-G 曲线接近l当大气为E类稳定可时,口z值普 遍水P—G曲线高半级.这一结果与理论分析 是一致的.謦教\ \ cI15l8L2251.2(1(I1.09(I1.12,(I1:0.45 dl’--29—29一57,S9--68--96 eI2.9355.74S. 855.46.18.15 2.2l2.122. 3(11.971.72,1.7l bt0570.(15720. 10.0760.n5430.1159 ? ctO.182O.I9O. 2船0.1690. 1360.13 dt752Xlo_l9. 77×16-”l0. (1171, 0.0l39.8(I×IO--Z.0. Or04 a?000. 33.,L080.650.35 b?00280x10-s1. 5(I×1(I一33. 45×l0-$4. 30×10”l cI?ll527.03D. 046.026. 016. O d|1.2S0.80.650.650.50.47 el0.900.6770. 4960. S520.4l20.4,t4 rl11”1口t按PB一?iIll—Giff0扩散系数取值【_】 开.虽然烟羽中轴线污染物浓度随着下垫面 增大而明显降低,但是烟羽两侧的污染物 浓度却随之升高. 5.污染物轴向浓度的变化. 对扩散计算说来,人们最关心的问题之 一 是污物在顺风向的地面轴线浓度分布.在 同一类稳定度大气中,当h取定后,Z.越大 近距离的污染浓度越高.当Z.一定;有效烟羽 高度越低地面浓度亦越高当Zo和h均为一定 时,z对地面浓度和影响将随着气流的稳定 性增加而太.气流越稳定Z.影响的范圈越大. 表2-h=60m时地面浓度增加幅 下墨距离cm,ls帅I.ool:ooolso?IsoIoooof!l , C岛cO.1D1.0.98o.920.920.92o.92o.鸭 I ? Cz.=0.?,E3.91.21.0-0.96o.94o.9,3i.2, C=0.5-D27o.97o.8Oo.80O.80o.001.0 ? C互0.?E2o1.7I.0O.900.840.83】.d C互1.0D3.40.950.75o.740.740.74.1,3 C=o.03E34L81_00. 86o.8oo.781.5 袭2和表3所示为z.变化时,污染物浓度 在不同下风距离的增加幅.由表中数据可 见,当大气处于中性屠结时,有效源高在 l8 100m~下的烟羽.在2O倍h的蓖国内(4)式 的计算结果(即考虑z.的作甩)要比平坦草 原(Zo一0o03m)的计算结果明显增大.并 衰5h=1OO巾时地面浓度增加幅 下风E离(皿)如?20003000500010000地面最 大浓度比 Czo=0.1D1.51.00.970.94O.920.97 Cz.=0.03E4.11.61.31.10.991.0 Cz.=0.5D-3.41.20.980.880.861.0 r Cz.一O.03E343.62.01.30.991. 2 .Cz.一1. 0D5.21.41.00.850.821.1L C岛;0.03E785.i2.41. 41.01. d J 且随着有源高的增加浓度的减加幅度也逐步 升高,但是污染物的浓度绝对值增加量却是 源高较低的烟羽为大.当大气处于稳定层结 时,在4O一50倍h的范围内(4)式的结果要 比平坦草原的计算结果增大得更为明显.由 此看来,在估算低矮烟源对周围环境的影响 时,地面情况的复杂性是值得考虑的.计算 参数调整的主要目的在于使数值计算结果更 接近于真实情况,但是首题是模拟的过程要 与实际过程一致. 4.烟羽的下洗现象, 下面为E种稳定度条件下,Z.改变后不 同下风距离处污染物标化浓度关于Z方向的 变化曲线.由图可见,Z.增大后,近地面气 层的气流湍动加大.使得与其相邻的气体产 生物质交换,从而形成明显的烟羽.下洗 现象,造成近距离地面污染物浓度显着升 高.随着污染物向下风向的输运,有效流高 以下的气层中污染物浓度在Z方向趋于均匀 分布.而后,浓度的分布呈现出单调下降. 下洗现象的结果形成近距离的高浓度污染, 其原因在于Z.的作用. 五,结论 通过以上分析,我们认为.气体流径复 杂地面上空时,由于Z.的作用可产生强烈的 气流涡动,上,下气层的物质交换和烟羽的 下洗造成地面的高浓度污染.特别在稳 定层结时,20—30倍有效源高的近距离范围 内,Zo造成的污染物浓度增加幅可选50呖 以上.尤其在有效源高h较低时,在非均匀 下垫面的污染扩散计算中,Z.的影响应给予 充分的重视. 虽然本文的一些结果有待实测进一 步证实,但是从已有的文献报道来看,其结 果是一致的,因此仍然可供实际参考. 参考文献 [13WiuianPendefgra~s=hdS.P.S.Arya: AtmosEnviron/267-1279,18(7):1984一 [2]WiliianPendergrassaad.S.P.S.Arya:3z’d ItCoalApp1.I’oLhttMe~erorol,PP.268-251, 1982 [3]M.Yerse[,R.GobieandJ.Mor!i:AtmOS Environ27.%282,l7(2):l983 [4]雷孝露:中国环境科学26,l(6):1981 t5]柳捉三郎:大气污染防止计算图表集7.一 一:昭裙56年 / 20 O 乜 帚 口峙. .口’I foq/一 口叶Q 梧彘删岳}嗣簿辕j【髓勇羞区卜匠匾 EO?O)c .1f山 ?l_0I×