高斯扩散模型的数学建模.doc

§4-2高斯扩散模式 ū — 平均风速；???????????? Q—源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常： ?（ⅰ）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示； ?（ⅱ）连续点源以单位时间的释放量表示； ?（ⅲ）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示； ?（ⅳ）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。 ?δy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m； ?δz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m； 未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b； 式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。 二、高斯扩散模式 （一）连续点源的扩散 连续点源一般指排放大量污染物的烟囱、放散管、通风口等。排放口安置在地面的称为地面点源，处于高空位置的称为高架点源。 1. 大空间点源扩散 ??? 高斯扩散公式的建立有如下假设：①风的平均流场稳定，风速均匀，风向平直；②污染物的浓度在y、z轴方向符合正态分布；③污染物在输送扩散中质量守恒；④污染源的源强均匀、连续。 图5－9所示为点源的高斯扩散模式示意图。有效源位于坐标原点o处，平均风向与x轴平行，并与x轴正向同向。假设点源在没有任何障碍物的自由空间扩散，不考虑下垫面的存在。大气中的扩散是具有y与z两个坐标方向的二维正态分布，当两坐标方向的随机变量独立时，分布密度为每个坐标方向的一维正态分布密度函数的乘积。由正态分布的假设条件②，参照正态分布函数的基本形式式（5－15），取μ＝0，则在点源下风向任一点的浓度分布函数为： ????????? （5－16） 式中? C—空间点（x，y，z）的污染物的浓度，mg/m3； ????? A（x）—待定函数； ????? σy、σz—分别为水平、垂直方向的标准差，即y、x方向的扩散参数，m。 ??? 由守恒和连续假设条件③和④，在任一垂直于x轴的烟流截面上有： ??????????????????????? （5－17） 式中? q—源强，即单位时间内排放的污染物，μg/s； ????? u—平均风速，m/s。 ??? 将式（5－16）代入式（5－17）, 由风速稳定假设条件①，A与y、z无关，考虑到③和④，积分可得待定函数A（x）： ?????????????????? ???????????????????????（5－18） 将式（5－18）代入式（5－16），得大空间连续点源的高斯扩散模式 ? ??????????? （5－19） 式中，扩散系数σy、σz与大气稳定度和水平距离x有关，并随x的增大而增加。当y＝0，z＝0时，A（x）＝C（x，0,0），即A（x）为x轴上的浓度，也是垂直于x轴截面上污染物的最大浓度点Cmax。当x→∞，σy及σz→∞，则C→0，表明污染物以在大气中得以完全扩散。 ??? 2．高架点源扩散 ??? 在点源的实际扩散中，污染物可能受到地面障碍物的阻挡，因此应当考虑地面对扩散的影响。处理的方法是，或者假定污染物在扩散过程中的质量不变，到达地面时不发生沉降或化学反应而全部反射；或者污染物在没有反射而被全部吸收，实际情况应在这两者之间。 （1）高架点源扩散模式。点源在地面上的投影点o作为坐标原点，有效源位于z轴上某点， z＝H。高架有效源的高度由两部分组成，即H＝h＋Δh，其中h为排放口的有效高度，Δh是热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度，如图5－10所示。 ??? 当污染物到达地面后被全部反射时，可以按照全反射原理，用“像源法”来求解空间某点k的浓度。图5－10中k点的浓度显然比大空间点源扩散公式（5－19）计算值大，它是位于(0，0，H)的实源在k点扩散的浓度和反射回来的浓度的叠加。反射浓度可视为由一与实源对称的位于(0，0，－H)的像源（假想源）扩散到k点的浓度。由图可见，k点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为(z-H)，则实源在k点扩散的浓度为式（5－19）的坐标沿z轴向下平移距离H： ?????????? （5－20） k点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为(z＋H)，则像源在k点扩散的浓度为式（5－19）的坐标沿z轴向上平移距离H： ??????????? （5－21） 由此，实源Cs与像源Cx之和即为k点的实际污染物浓度： （5－22） ? 若污染物到达地面后被完全吸收，则Cx＝0，污染物浓度C（x，y，z，H）＝Cs，即式（5－20）。 ???? （2）地面全部反射时的地面浓度。实际中，高架点源扩散问题中最关心的是地面浓度的分布状况，尤其是地面最大浓度值和它离源头的距离。在式（5－22）中，令z＝0，可得高架点源的地面浓度公式： ????????