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放射性物质在大气中的行为ppt

归档日期:06-22       文本归类:放射性烟云      文章编辑:爱尚语录

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  例:某工厂位于北纬40℃,东经120℃的某市。该厂烟囱排放某大气污染物的速率为760Bq/s,烟囱高度40m,内径0.5m,外径0.6m,废气出口速率10m/s,8月15日下午2时天空云量5/4,,地面风速2.8m/s,1000m以下存在明显逆层,求此时下风向距离地面轴线m处的污染物浓度(假定该地区没有其他污染物) ? 1、当xxm 2、当x≥2xm 由假设a可以写出下风向任一点(x,y,z)的污染物的平均浓度的分布函数 由概率论可以写出方差的表达式 由d可以写出源强的积分式 ① ③ ② 将①代入②中,积分可得 ④ 将①和④代入③,积分可得 ⑤ 将④⑤代入①可得 (4.15) ū — 平均风速,m/s;Q—源强, Bq/s; σy—侧向扩散参数,污染物在y方向分布的标准偏差,m; σz—竖向扩散参数,污染物在z方向分布的标准偏差,m; 无界空间连续点源的扩散公式 2、高位连续点源扩散模式 高位源既考虑到地面的影响,又考虑到高出地面一定高度的排放源。地面对污染物的影响很复杂,如果地面对污染物全部吸收,则4.15式仍适用于地面以上的大气,根据假设d可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用,按全反射原理,可用 “像源法”处理——把P点污染物浓度看成为两部分作用之和。即相当于位置在(0,0,h)的实源和位置在(0,0,-h)的像源,当不存在地面时在P点产生的浓度之和。 建立三个坐标系:1、以实源在地面的投影点为原点,P点坐标为(x,y,z); 2、以实源为原点;3、以像源为原点。 (1)实源贡献:P点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为(z-h)。不考虑地面的影响,实源在P点形成的污染物浓度为: 实际浓度 (4.16) (2)像源贡献:P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为 (z+h),像源在P点形成的污染物浓度为: 高位连续点源扩散模式 Z=0 地面浓度模式:取 代入上式,得 地面轴线) 由此求得 (实际中成立) 设 (4.19,4.20) 地面最大浓度模式: 考虑地面轴线浓度模式 y s z s 上式, x 增大,则 、 增大,第一项减小,第二 项增大,必然在某 x 处有最大值 地面连续点源的弥散模式 地面源高斯模式令h=0 相当于无界源的2 倍(镜像垂直于地面,源强加倍) 地面浓度模式,令z=0 地面轴线) 短期释放的时间积分浓度 源强一定,烟羽完全通过P点这一时间内、在P点所产生的浓度 一次释放的核素总量 当释放持续时间为tr时,烟羽长度近似等于 因此烟羽 完全通过P点所花的时间为tr 对于从释放开始到某一时刻t,烟羽在P点作用的时间为t-x/ u,此时P点处的时间积分浓度ψt (4.24) 4.24高斯模式中各项参数值的选定 Q源强计算或实测平均风速多年的风速资料、扩散参数 h 有效烟囱高度 1、大气扩散参数(σy,σz)的确定 P-G曲线年推荐一种仅需要常规气象观测资料就能估算σy,σz的方法,吉福德(Gifford)进一步将它制成应用更方便的图表。应用观测到的风速、云量、云状和日照等天气资料,将大气扩散稀释能力分为6个等级:A — 极不稳定,B —不稳定,C — 弱不稳定,D — 中性,E — 弱稳定,F —稳定。若稳定级别为A~B,则表示按A 、B级的数据内插。 扩散参数是表征湍流扩散剧烈程度的物理量,是影响污染物浓度的重要参数。 该法的要点:(已知距离的情况下) 首先根据帕斯奎尔划分大气稳定度的方法来确定大气稳定度级别;然后从图4.11查得对应的扩散参数σy和σz;最后将σy、σz代入前面介绍的一系列扩散模式中,就可估计出各种情况下的浓度值。 扩散参数的确定-P-G曲线法 P-G曲线的应用 根据常规资料确定稳定度级别 阴雨天昼夜稳定度为D,夜间定义为日落前一小时至日出后小时,无论何种天气情况夜晚前后1h稳定度为D 强日射对应于碧空下太阳高度角60°,弱太阳高度角15 °-35 °,同时应考虑云量的影响 4.11a 4.11b P-G曲线的应用 地面最大浓度估算 由h和 由σz~x曲线b)反查出xxmax 由σy~x曲线)计算最大浓度 扩散参数的确定-中国国家标准规定的方法 我国在修订P-T法基础上产生了国家标准法(GB/T 13201-91)。 太阳高度角辐射等级 地面风速 该方法的技术路线是:根据时间、地理位置、太阳倾角确定太阳高度角,利用天气条件确定辐射等级,然后利用辐射等级和风速确定大气稳定度,最后查扩散参数幂函数表,确定扩散参数。 式4.26,地理 纬度,倾角 稳定度 云量 σ 表4.4 表4.5 表4.6 扩散参数的确定-中国国家标准规定的方法 扩散参数的选取 扩散参数的表达式为(取样时间0.5h,按表查算) 平原地区和城市远郊区,D、E、F向不稳定方向提半级 工业区和城市中心区,C提至B级,D、E、F向不稳定方向提一级 丘陵山区的农村或城市,同工业区 取样时间大于0.5h, 不变, 取样时间 时间稀释指数1h≤t﹤100h,q=0.3, 0.5h≤t﹤1h,q=0.2 烟云抬升的原因有两个: ①是烟囱出口处的烟流具有一初始动量(使它们继续垂直上升);②是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。 这两种动力引起的烟气浮力运动称烟云抬升,烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度。 2.烟气抬升高度的计算 初始动量: 速度、内径 浮力:烟温度 烟气抬升主要影响因素 有效源高 hs——烟囱的几何高度 △h——烟气抬升高度 2.烟气抬升高度的计算 烟羽下沉修正因子W0/us≥1.5时C=0, W0/us<1.5,C=3×(1.5- W0/us )De (1)高烟囱的烟羽抬升高度 取较小值,适用于稳定度A-D 取较小值,适用于稳定度E,F 稳定度参数,E级S=8.7×10-4,F级S=1.75×10-3 (2)低烟囱的烟羽抬升高度 hs低于建筑物高度,按地面源考虑即h=0 建筑物高< hs ≤2.5倍建筑物高 100(1-Et)%时段为高位源 100%-100(1-Et)%时段为地面源 夹带系数 练习:碘-131以平均排放速率10Bq/s从高60m的烟囱排出,烟囱排出口内径0.5m,外径0.6m,排烟速度12m/s。对其有影响的最近建筑物高30m。大气稳定度C级,源高处风速6 m/s。试求排放点下风向1km处碘-131的轴线浓度(不考虑尾流效应) 建筑物高< hs ≤2.5倍建筑物高,应分情况考虑 按混合源考虑 100(1-Et)%时段为高位源 Et%时段为地面源 地面轴线浓度 地面源 高架源 稳定度C,x=1km处σy= 99.1σz=61.4 抬升高度 有效高度 60+3=63 加权平均浓度 3、有效源释放高度的平均风速 幂函数风速扩线Bq/s 。估算烟囱出口风速3m/s,大气稳定度C级时地面最大浓度是多少?发生在什么位置? (用P-G法) 第二步:确定出现地面最大浓度的下风向距离。 第一步:确定出现地面最大浓度的Z向扩散参数。 第三步:确定出现地面最大浓度的y向扩散参数。 第四步:计算地面最大浓度。 一工厂在源高H=30m处以100Bq/s的速度排放污染物质,风速为3m/s,在下风向距离1000m处,扩散系数分别取σy=30m ,σz=20 m。计算烟流中心线上污染物的浓度;中心线 m处 污染物的浓度。 3、长期平均浓度的估算 气象部门提供的风向资料是按16方位给出的,每个方位相当于一个22.5o的扇形。因此,可按每个扇形计算长期平均浓度。推导时作以下假定: (1)同一扇形内各角度的风向频率相同。扇形区内污染物的浓度只随距离x变化,同一距离的圆弧上浓度分布均匀 (2)当吹某一扇形风时,全部污染物都落在这个扇形里。 步骤: 风向资料 每一风向出现频率pi 每一风向每一级 风速出现频率pik 确定各类大气稳定度出现频率 pi,j,,k即风向风速、稳定度联合频率 利用式4.25计算浓度 4.25 特殊气象条件下的扩散模式 在整层大气都具有同一稳定度(即温度层结构均一,实际中难以实现)、平坦地形的条件下应用高斯模式计算污染物浓度。 如果整个大气层不均匀,污染物扩散所涉及的温度层结不止一个,或者地表粗糙度高,地势起伏大、存在建筑物的遮挡时就需要特殊处理。 一、封闭型扩散模式——有上部逆温层的扩散模式 所谓封闭型扩散就是指在上部存在逆温层的气象条件下,污染物受到上部逆温层限制,只能在地面和逆温层之间扩散的情况 在封闭型扩散中,假定: 污染物完全不向逆温层扩散; 上部逆温层对污染物起全反射作用,可用像源法处理; 污染源在地面和逆温层之间形成无穷多个像对,污染物浓度是实源和无穷多虚源的贡献之和。 Hm Hm-h 2 Hm -h h Hm-h 封闭型扩散模式 1、当xxm,烟羽未接触到逆温层 查P-G曲线计算地面空气污染浓度或时间积分浓度 2、当x≥2xm,Z向浓度混合均匀 简化计算: 3、当xmx2xm 内插(假定变化为线性) * 放射性物质在大气中的行为 4.1放射性物质在大气中的化学行为 4.2放射性物质在大气中的输运和弥散 4.3放射性物质在大气中的沉积和再悬浮 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 形成气溶胶 主要源于被大气中本身存在的固体微粒或雾所捕集 发生化学反应 氧化反应 碳酸盐化反应 光化学反应 同位素交换反应 1、什么是干绝热递减率 干气团绝热上升或下降单位高度(通常100m)的温度变化量称为干绝热递减率,用γd表示,单位K/100m空气块 膨胀(做功) 耗内 能 T 定性 空气块 压缩(外气对它做功) T 内能 (由压力变化引起) 4.2放射性物质在大气中的输运和弥散 定量(单位质量的环境空气) 由热力学第一定律①又气压随高度变化规律:……② 又理想气体状态方程: 将②③代入①,则得: 实际中Ti与环境温度T之差不超过10℃, Ti/T≈1。 干空气气体常数287.0J/(Kg.K)……③ 表示干空气在作干绝热上升(或下降)运动时,每升高(或下降)100m,温度降低(或升高)约1℃。 2、气温的垂直分布(温度层结) 气温直减率(大气) (递减层结) 逆温是大气温度随高度增加而升高的现象,逆温层结是强稳定的大气层结,不利于污染物的扩散。 g g g g d g 正常分布层结 = , 中性层结(绝热直减率) = 0 , 等温层结 0 , 逆温层结 g g g g d g 正常分布层结 = , 中性层结(绝热直减率) = 0 , 等温层结 0 , 逆温层结 d g 3、大气稳定度及其判据 定义:大气在垂直方向上稳定的程度;反映其是否容易发生 对流 ?定性描述:外力使气块上升或下降 气块去掉外力 气块减速,有返回趋势,稳定 气块加速上升或下降,不稳定 气块停在外力去掉处,中性 不稳定条件下有利于污染物扩散 大气稳定度及其判据 定量判断 假设 则有 单位体积的气块所受的力 浮力:ρg 重力: ρig 准静力条件:P=Pi 气块加速度与其位移方向相同,气块加速运动 气块加速度与其位移方向相反,气块减速运动 有关辐射逆温 在晴朗无云或少云、风力不大的夜晚,地面辐射冷却很快,贴近地面的大气温度下降最多,而高层大气冷却慢,造成温度自下而上的增加,称为辐射逆温。辐射逆温层的产生是有规律的,一般只在夜间形成,早晨随着太阳不断加热地表,地面温度上升,逆温自下而上逐渐消失,一般在上午完全消失。 下午 日落前1h 夜间 日出 上午10h 烟流形状与大气稳定度的关系 波浪型(不稳) γ〉γd 锥型(中性or弱稳) γ≈γd 爬升型(下逆,上不稳) 漫烟型(上逆、下不稳) 扇型(逆温)γ0 大气运动包括垂直运动与水平运动。 ?以垂直运动为主的空气运动,称为上曳气流或下曳气流。 ?空气在水平方向的流动称为风。气压的水平分布不均匀是风的起因。大气边界层的风场 大气边界层的风场 引起大气运动的作用力直接作用力 ? 重力 水平气压梯度力(垂直上与重力基本平衡) 间接作用力地转偏向力 惯性离心力(大气曲线运动:很小) 摩擦力 源于气压的分布不均,可分解为水平方向和垂直方向两个分量 水平气压梯度使空气产生水平运动,空气开始运动之后产生的力 (百帕) 1000 1005 1010 水平面上存在着气压梯度,就产生了促使大气由高压区流向低压区的力,叫水平气压梯度力。 1.水平气压 梯度力 b. 垂直于 等压线 c .由高压 指向低压 气压梯度力 a.导致大气水平运动的原动力 2.地转偏向力由于地球自转而产生的使运动着的大气偏离气压梯度方向的力称为地转偏向力 风速 地球自转角速度 当地的纬度 (百帕) 1000 1005 1010 水平气压 梯度力 地转偏向力 (北半球) a.伴随风的产生而产生 b.垂直于空气的运动方向(即风向),北半球向指向右, 南半球指向左; d.由低纬向 高纬增大; c. 只改变风向不改变风速; * 在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风 (北半球高空) (百帕) 1000 1005 1010 1015 1020 气压梯度力 地转偏向力 风向 气压梯度力 地转偏向力 风向 3. 摩擦力水平气压梯度力使空气运动产生加速度,但风速加大总是有限度的。因为处于运动状态不同的气层之间,空气和地面之间都会相互发生作用,对气流运动产生阻力。气层之间产生的阻力,称为内摩擦力;地面对气流运动产生的阻力,叫外摩擦力。摩擦力总是和运动的方向相反。摩擦力的存在限制了风速的加大。 地转偏向力 (百帕) 1000 1005 1010 (北半球) 风向 地面摩擦力 与空气运动方向相反近地1~2km内明显 水平气压 梯度力 水平气压梯度力 地转偏向力 (使风向垂直于等压线) (使北半球风向右偏, 南半球风向左偏) 地面摩擦力 大气作水平运动所受作用力 二力平衡,风向平行于等压线 三种力共同作用下,风向斜穿等压线 (与空气的运动方向相反) 空气产生水平 运动的原动力 4.2.2湍流扩散基本理论 一、湍流扩散的基本概念 扩散的要素 风:平流输送为主,风大则湍流大 湍流:扩散比分子扩散快105~106倍 1、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,风的这种特性和摆动称为大气湍流。(有点象分子的热运动) 或者说湍流是大气的无规则运动 。 风速的脉动(上、下) 风向的摆动(左、右) 2、湍流与扩散的关系把湍流想象成是由许多湍涡形成的,湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似。 3、起因与两种形式 热力:温度垂直分布不均,其强度主要取决于大气稳定度 机械:垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度,其强度主要取决于风速梯度和地面的粗糙度 湍流扩散理论简介 主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 1.梯度输送理论 类比于分子扩散,污染物的扩散速率与负浓度 梯度成正比 2.湍流统计理论 3.相似理论 2.湍流统计理论: 泰勒(G.I.TaYler)首先应用统计学方法研究湍流扩散问题,并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统计理论假定:流体中的微粒与连续流体一样,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。 图4-1表示从污染源释放出的粒子,在风沿着x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。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示,则y随时间而变化,但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子,则在x轴上粒子的浓度最高,浓度分布以x轴为对称轴,并符合正态分布。 图4-1由湍流引起的扩散 3.相似理论 湍流相似扩散理论,最早始于英国科学家里查森和泰勒。后来由于许多科学家的努力,特别是俄国科学家的贡献,使湍流扩散相似理论得到很大发展。 湍流扩散相似理论的基本观点是,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,利用量纲分析的理论,建立起某种统计物理量的普适函数,再找出普适函数的具体表达式,从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。大气湍流与污染物的扩散 图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,边缘不断与周围空气混合,体积缓慢地膨胀,烟团内部的浓度也不断地降低。 图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。 图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。 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。 4.2.3 高斯扩散模式 坐标系 右手坐标系(食指—x轴;中指—y轴;拇指—z轴),原点:为无界点源或地面源的排放点,或者高架源排放点在地面上的投影点;x为主风向;y为横风向;z为垂直向 一、 高斯模式的有关假定 4.2.3 高斯扩散模式 高斯模式的四点假设 a.污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 b.全部高度风速均匀稳定 c.源强是连续均匀稳定的 d.扩散中污染物是守恒的(不考虑转化) 一、 高斯模式的有关假定 4.2.3 高斯扩散模式

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