第二节 大气污染物的迁移扩散

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2020年09月08日

  第二节 大气污染物的迁移扩散_环境科学/食品科学_工程科技_专业资料。第二节 大气污染物 的迁移扩散 一、盒子模型 1、气体循环:大气组分通过大气圈与其它圈层发生的物理、 化学、生物过程进行物质交换、转换。 ? 源(source)大气组分产生的途径和过程。 ? 天然

  第二节 大气污染物 的迁移扩散 一、盒子模型 1、气体循环:大气组分通过大气圈与其它圈层发生的物理、 化学、生物过程进行物质交换、转换。 ? 源(source)大气组分产生的途径和过程。 ? 天然源:由自然界发生的物理、化学、生物过程向大气输 送物质: ? ? 扬尘(地面土石风化,大气颗粒物来源) 火山(H2S、SO2、COS、HCl、HF、颗粒物SPM,可传 送到平流层) 森林草原火灾(CO、CO2、SOx、NOx、VOC、SPM) ? ? 海水溅沫(海洋SPM)、植物排放(萜烯→O3) ? ? 森林草原火灾(CO、CO2、SOx、NOx、VOC、SPM) 海水溅沫(海洋SPM)、植物排放(萜烯→O3) ? 人为源:人类生活、生产活动向大气输送污染物: ? 工业排放源(烟、尘、 SOx 、 NOx 、 CO 、 CO2 、卤化物、 VOC、以燃料燃烧为重) 交通运输排放源 ? ? 生活排放源(取暖、炉灶、影响不低于甚至超过工业大锅炉) ? 农业排放源 ? 汇(sink) 大气组分从大气中去除的途径和过程,包括: ? ? ? ? (a)降水湿去除 (b)大气中化学反应转化为其它气体或微粒 (c)地表物质吸收或反应去除 (d)向平流层输送 ? 颗粒物的汇包括 ? (a)降水湿沉降:雨除(发生在云层当中,被去除物参 与成云)、冲刷(发生在云层下,被去除物被雨水带下) ? ? (b)干沉降 (c)与地表物质碰撞干去除 2、盒子模式 视大气圈为盒子,是各种大气组分的储库, Fi=Ri,Mi恒定。 Fi:输入速率 Ri:输出速率 Mi:大气中总量 环境水的盒子模式, 求FH2O和RH2O FH2O=(2.16×1016+0.9×1015) mol/y=2.25×1016 mol/y RH2O=(1.9×1016+3.5×1015) mol/y= 2.25×1016 mol/y 储库(reservoir):气体和微粒在大气中的留存(形式)。 停留时间(t) :某种组分在大气储库中存在的平均时间称为平 均停留时间或停留时间。 ti=Mi/Fi或Ri 源强Fi = 天然源排放速率+人为源排放速率= 源速率 汇强Ri = 干沉降速率+湿沉降速率+化学反应去除速率 +向平流层输入速率 = 汇速率 例:甲烷在对流层平均浓度c=1.55ppm,不随时间变 化,则FCH4=RCH4=1.5×1014 mol/y,求停留时间。 部分 ?V W ? ? 106 ? , ? 全部 ?V W ? 部分 x( ppb) ? ? 109 全部 x( ppm) ? x( pphm) ? 部分 ? 108 全部 部分 x( ppt) ? ? 1012 全部 作业: 全球对流层清洁大气中总硫的平均浓度 c=1ppb,Fs=Rs=200Tg/y (1Tg=1012g), 求停留时间。 根据停留时间: 准永久性气体(非循环性气体) 物种 ti(y) Ar ~107 Ne ~107 Kr ~107 Xe ~107 He ~107 Ne ~106 O2 103 可变化组分 物种 ti(y) CO2 5~15 CH4 2.5~8 H2 6~8 N2O 10 O3 ~2 强可变组分 物种 ti(days) H2O ~10 CO 73~185 NOx 8~10 SO2 2~4 H2S 0.5~2 HC ~2 SPM 10~30 (SPM:悬浮微粒物质 ,包括海盐、土壤、有机来源) ? 二、大气污染物 ? 1、概念 ? 大气污染:大气中存在的某种物质超过了正常的环境水平, 且对受体产生了可以测量出来的不良效应。受体包括人、 生物、材料、气候等。 ? 大气污染物:使大气产生污染的称为大气污染物。 ? 大气污染物一旦进入大气这个动态体系(源的输入),就参加 到与植物、海洋、土壤等不断进行的物质交换过程,参与大气 循环过程。经过一定时间后,又通过大气中的化学反应、生物 活动和物理沉降等过程从大气中除去(汇的输出)。如果输出 大气的速率小于输入大气的速率,就会在大气中相对地积累。 当浓度高到超过安全水平时,就会直接地或间接地对人、畜、 水体、植被和材料造成急、慢性伤害。这就是大气污染形成的 过程。 ? 2、大气污染对大气性质的影响: ? 降低能见度 由于气体分子和颗粒物对可 见光的吸收和散射的结果 ? 形成雾及降水 尽管城市温度较高而 pH 值较低,但雾的生成频率高于农村 ? 减少太阳辐射 ? 改变温度和风的分布 ? 3、分类 ? 按物理状态分 ? ( 1 )气态污染物(约占 90% ):常温下是气体或蒸汽( gases and vapors),就是以气态方式输入并停留在大气中的污染物, 包括SOx、NOx、COx、HC、CFCs等。 ? (2)大气颗粒物(气溶胶,占 10% ):大气气溶胶体系中分散 的各种粒子。 ? 按形成过程分 ? 一次污染物是指直接从污染源排放的污染物质,如 CO 、 SO2 、 NO等。 ? 二次污染物是指由一次污染物经化学反应或光化学反应形成的污 染物质,如光化学氧化剂Ox(光化学烟雾)、臭氧(O3)、硫酸盐颗 粒物等。 ? 按粒径分 ? (1)总悬浮颗粒物TSP:采用标准的大容量采样器 在铝膜上收集到的总颗粒物的质量。采用标准的大 容量采样器在铝膜上收集到的总颗粒物的质量。 ? (2)飘尘SPM:Dp≤10mm的颗粒物。 ? (3)可吸入粒子IP:可通过呼吸进入呼吸系统的 颗粒物,Dp≤10mm。 ? (4)降尘:采用降尘罐所能收集到的颗粒物。 ? 细粒子:fine particle, Dp<2.5?m ? 粗粒子:coarse particle, Dp>2.5?m ? 按化学类型分 ? (1)含硫化合物(SO2、H2S、(CH3)2S、H2SO4); ? (2)含氮化合物(NO、NO2、NH3、HNO2、N2O); ? (3)一氧化碳和二氧化碳; ? ( 4 )碳氢化合物和碳、氢、氧化合物(烃类、醛、酮等); ? (5)光化学氧化剂(O3、PAN、H2O2等); ? (6)含卤素化合物(HF、HCl和CFCs等); ? (7 )颗粒物( H2SO4 、SO42- 、 NO3- 、多环芳烃及重金属元 素等); ? (8)放射性物质。 三、影响大气污染物迁移的因素 1、风和大气湍流的影响 A、影响污染物在大气中扩散的三个因素: 风:气块规则运动时水平方向速度分量,使污染物向下风 向扩散; 湍流:使污染物向各个方向扩散; 浓度梯度:使污染物发生质量扩散。 三种作用中风和湍流起主导作用。 (一)大气水平运动 1. 受力 ① ② ③ ④ ⑤ 气压梯度力 直接动力 地转偏向力 惯性离心力 摩擦力:内摩擦力(动力、阻力) 外摩擦力(阻力) 重力 2. 全球大气水平运动 太阳辐射 大气水平运动 重 力 近地层地转偏向力 大气压(高、低压) 气压梯度力 环流 风带 18 (二)大气湍流运动 1. 2. 定义:大气的无规则运动 分类: ① ② 3. 4. ① ② ③ 热力湍流:垂直方向上温度分布不均引起 机械湍流:垂直方向上风速不均或地面粗糙引起 作用:强扩散能力 湍流扩散理论 梯度输送理论:分子扩散 湍流统计理论:流体运动 相似理论:与正态分布相似 1、风和大气湍流的影响 ? B、摩擦层: 具有乱流特征的气层,也称乱流混合层。 底部与地面接触,顶以上的气层为自由大气。 厚度1000到1500米之间,污染物主要在该层扩散。 摩擦层里存在两种乱流: ?动力乱流:也称为湍流,起因于有规律水平运动的 气流遇到起伏不平的地形扰动所产生的; ?热力乱流:又称对流,起因于地表面温度与地表面 附近温度不均一,近地面空气受热膨胀而上升,随之 上面的冷空气下降,从而形成对流。 在摩擦层内,有时以动力乱流为主,有时动力乱流与 热力乱流共存,且主次难分。这些都是大气污染物迁 移的主要原因。 两种形式的乱流常并存。 ? 气体污染物的扩散很大程度取决于对流与混合的程度,垂 直运动程度越大,用于稀释污染物的大气容积量也就越大。 dv/dt=(T-T)g/T dv/dt——气块加速度 T ——受热气块温度 T ——大气温度 g ——重力加速度 由于受热气块温度较高,密度较小,从而促使气块 上升。上升过程中气体温度下降并最终达到与外界气 体温度一致,当受热气块会上升至 T’=T 时。气块与 周围大气达到中性平衡,气块停止上升,这个高度定 义为对流混合层上限,或称最大混合层高度。 日变化 夜间最大混合层高度较低,夜间逆温较重情况下,最大混合层高度甚至可 以达到零;白天则升高,可能达到2000—3000m。 季节性变化 冬季平均最大混合层高度最小,夏初为最大。 当最大混合层高度小于1500m时,城市会普遍出现污染现象。 ? ? 2、天气形势和地理形势的影响 A、天气形势:指大范围气压分布的状况,局部地区的气象 件总是受到天气形势的影响。如下沉逆温,使污染物长时间 的积累在逆温层而不能扩散。 B、地理形势:不同地形地面之间的物理性质差异引起热状 况在水平方向上分布不均匀。这种热力差异在弱的天气系统 条件下就有可能产生局地环流:海陆风、城郊风和山谷风。 ? C D A、天气形势:下沉逆温 ? 由于空气下沉压缩增温形成的逆温称 为下沉逆温。 h’ h A B l C’ D’ A’ B’ 形成机制:当高压区内某一层空气发生下沉运动时,因气压逐渐增大,以及气 层向水平方向辐射,其厚度减少(h’h)。这样空气层顶部下沉的距离(l+h), 要比底部下沉的距离(l+h’)大,所以顶部空气的增温要比底部多,从而形成逆 温层。 B、地理形势: 1)海陆风 ? 海风:白天陆地上空的气温增加得比海面上空快,在海 陆之间形成指向大陆的气压梯度,较冷的空气从海洋流向 大陆而形成海风。 ? 陆风:夜间海水温度降低得较慢,海面的温度较陆地高, 在海陆之间形成指向海洋的气压梯度,于是陆地上空的空 气流向海洋,形成陆风。 海陆风对空气污染的影响 ? 循环作用:如果污染源处在局地环流之中,污染 物可能循环积累达到较高浓度。 ? 往返作用:在海陆风转换期间,原来随陆风输向 海洋的污染物又会被发展起来的海风带回陆地。 海陆风 热 气 冷 气 流 上 升 流 下 降 海 洋 陆 地 海风 冷 气 流 下 降 热 气 流 上 升 海 洋 陆 地 陆 风 海陆风 29 陆风 热 气 冷 气 流 上 升 流 下 降 海 洋 陆 地 海 风 海陆风 30 )城郊风 ? 城市热岛效应:工业和生活中产生的大量的热能排 放到大气中,造成市区的温度比郊区的温度高,这个现象 称为城市热岛效应。 城市热岛上暖而轻的空气上升,四周郊区的冷空气向 城市流动,形成城郊环流,造成污染物在城市上空聚积, 导致市区大气污染加重。 城郊风(热岛环流) 热 岛 效 应 冷空气 冷空气 郊区 城市 郊区 城郊风 )山谷风 ? 谷风:白天山坡上温度高,山谷温度低,谷底空气 流向山坡形成谷风。 ? 山风:夜间山坡上温度下降快,山坡上温度较山谷 温度低,山坡空气流向谷底形成山风。 山谷风转换时往往造成严重空气污染。 山谷风 对污染物输送有明显的影响。吹山 风时,排放的污染物向外流出,若 不久转为谷风,被污染的空气又被 带回谷内。 由山区辐射逆温因地形作用而增强, 夜间冷空气沿坡下滑,在谷底聚积, 逆温发展的速度比平原快,逆温层 更厚,强度更大。且地形阻挡,河 谷和洼地风速小,更有利于逆温形 成。因此山区全年逆温天数多,逆 温层厚,强度大,持续时间长。 34 山谷风:山风 35 山谷风:谷风 36 37 大气中污染物的迁移扩散 烟型 ? 从烟囱排出的烟流扩散的形状与大气的温 度层结有密切的关系。可以作为判定大气 稳定度的一种依据。 ① 翻卷型(波浪型) ② 锥型 ③ 扇型(长带型) ④ 上扬型(屋脊型) ⑤ 漫烟型 性状 大气状况 发生情况 地面污染情况 38 ? 波浪型:污染物扩散良好,发生在全层不稳定大 气中,即Г - Г d》0,多发生在晴朗的白天,地面 最大浓度落地点距烟囱较近,浓度较大。 ? ? 锥形:烟流呈圆锥形,发生在中性条件下。 扇型:烟流垂直方向扩散很小,像一条带子飘向 远方,从上面看,烟流呈扇形展开。发生在烟囱 出口处处于逆温层,污染情况随烟囱高度不同而 异。 烟流形状与大气稳定度的关系 Z 波浪型 Г>Гd T Z 锥 型 Г=Гd T Z 扇形(出 口在逆温 层) T 40 ? 上扬型:(屋脊型)烟流的下部是稳定的大气, 上部是不稳定的,一般在日落前后出现,地面由 于有效辐射的放热,低层形成逆温,而高空仍递 减层结。持续时间短,对近处地面污染较小。 ? 漫烟型:对于辐射逆温,日出后由于地面增温, 低层空气被加热,使逆温从地面向上消失,即不 稳定大气从地面向上逐渐消失,不稳定大气从地 面向上逐渐发展,当发展到烟流的下边缘或更高 一点时,烟流便发生了向下的强烈扩散,而上边 缘仍处于逆温层中,熏烟型便发生了,这时烟流 多发生在上午8-10点,持续时间很短。 第二节 大气污染物及影响其迁移的因素 烟流形状与大气稳定度的关系 上扬型 排出口上方: Г > Z Г d, 排出口下方: T Г <0 漫烟型 排出口上方: Г <0 , Z 排出口下方: Г >γd T 42 ? 混合比单位表示法(体积、质量) ? ppm(百万分之一)等 ? 这种浓度表示法主要用于气态污染物,对于大气中低浓 度物质是合适的。当表示浓度相对较高的物质时,比如 源排放的物质浓度时,可直接用百分数表示。 ? 例:大气中O3的本底浓度是0.03ppm; ? CO2的本底浓度是350ppm。 部分 ?V W ? ? 106 ? , ? 全部 ?V W ? 部分 x( ppb) ? ? 109 全部 x( ppm) ? x( pphm) ? 部分 ? 108 全部 部分 x( ppt) ? ? 1012 全部 ? 单位体积内物质的质量数表示法 ? 一般对气体常用 ? g/m3 ,颗粒物则用 ? g/m3 或个数 /cm3 。 污染物的质量 (g) 3 x(m g / m ) ? ? 10 空气的取样体积 (m 3 ) 污染物的质量 (g) 3 6 x( ?g / m ) ? ? 10 空气的取样体积 (m 3 ) 3 在大气压为101325Pa(标准气压)、温度为25℃(298K)时, 22.4 ppm ? mg / m ? M 3 ? 单位体积内物质的数量表示法 ? 用于比 ppt 还要低的浓度水平,例如自由基浓度等,表 示每立方厘米空气中有多少个分子、原子或自由基。可 以由ppm换算过来。 ? 在 大 气 压 为 101325Pa ( 标 准 气 压 ) 、 温 度 为 25℃ (298K)时,每立方厘米的分子数为 n 19 3 ? 2.46 ? 10 分子 / cm V 即1ppm 相当于2.46×1013分子/cm3。 举例:OH自由基在污染空气中的浓度是 0.1ppt = 2.46×106个/cm3

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