放射性物质在大气中的行为.ppt

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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d表示，单位K/100m,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,又气压随高度变化规律：

又理想气体状态方程：

将代入，则得：

实际中Ti与环境温度T之差不超过10，Ti/T1。

干空气气体常数287.0J/（Kg.K）,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,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,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,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：

g重力：

ig,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。

烟流形状与大气稳定度的关系,波浪型（不稳）d,锥型（中性or弱稳）d,爬升型（下逆，上不稳）,漫烟型（上逆、下不稳）,扇型（逆温）0,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,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,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）100010051010,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；,17,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）10001005101010151020,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,地面摩擦力,与空气运动方向相反近地12km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105106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（GITaYler）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,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,将代入中，积分可得,将和代入，积分可得,将代入可得,（4.15）,平均风速，m/s；Q源强，Bq/s；y侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，m；z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,（4.18）,（4.17）,由此求得,（4.19,4.20）,地面最大浓度模式：

考虑地面轴线浓度模式,地面连续点源的弥散模式,地面源高斯模式令h=0,地面浓度模式，令z0,地面轴线浓度模式：

再取y=0,（4.23）,（4.22）,（4.21）,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,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t,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（y，z）的确定,PG曲线法帕斯奎尔在1961年推荐一种仅需要常规气象观测资料就能估算y，z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AB，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y和z；最后将y、z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PG曲线法,PG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1535，同时应考虑云量的影响,4.11a,4.11b,PG曲线的应用地面最大浓度估算,由h和,由yx曲线（图4.11a）查y,由式（4.19）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/T13201-91）。

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,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1ht100h,q=0.3,0.5ht1h,q=0.2,烟云抬升的原因有两个：

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）；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,2.烟气抬升高度的计算,烟羽下沉修正因子W0/us1.5时C=0，W0/us1.5,C=3（1.5W0/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=8.7104，F级S1.75103,

（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hs2.5倍建筑物高,100（1Et）时段为高位源,100100（1Et）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6m/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hs2.5倍建筑物高，应分情况考虑,按混合源考虑,100（1Et）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y=99.1z=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,幂函数风速扩线模式,某核电厂烟囱高150m，烟气抬升高度75m，核素的排放量200Bq/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y=30m，z=20m。

计算烟流中心线上污染物的浓度；中心线以左60m、以下20m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22.5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,2Hm-h,h,Hm-h,封闭型扩散模式,1、当xxm，烟羽未接触到逆温层,按4.17计算地面空气污染浓度或时间积分浓度,2、当x2xm，Z向浓度混合均匀,简化计算：

3、当xmx2xm,内插（假定变化为线性）,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上距1000m,5000m,8000m处的污染物浓度（假定该地区没有其他污染物）？

1、当xxm,2、当x2xm,烟气的抬升高度,第二步：

确定h,第一步：

确定大气稳定度查太阳倾角-计算太阳高度角-确定辐射等级-查出大气稳定度,第三步：

确定Xm计算z，按远郊区查表,反算Xm。

第四步：

按4.17计算1000m处浓度。

第五步：

按4.17计算Xm处放射性物质的浓度；按4.36计算2Xm处浓度。

然后内插，确定5000m处浓度。

解：

1）首先确定大气稳定度由表4.4确定太阳倾角=14，求太阳高度角：

由太阳角高度和云量角查表4-5得当时太阳辐射等级为+2，查表4-6稳定度等级为B类。

2）计算烟囱出口处的平均风速，查表4.12得m=0.15,由指数律公式得：

3）计算有效高度（B类稳定度采用4.30（18.2），4.31）则烟囱有效高度为：

4）计算xm:

由B类稳定度查图4.11得：

有效烟囱高度处的风速,5）求地面轴线浓度：

因为,查表4.11,因此该点浓度：

因为,查图4.11,内插得到处的浓度：

查图4.11，,熏烟型扩散模式,熏烟过程：

早晨太阳升起后，地面得到来自太阳的辐射逐渐加热，夜间产生的逆温层逐渐抬升，当逆温破坏到烟流下边缘以上时，使烟流发生向下的强烈混合，地面污染物浓度增大，产生熏烟过程。

熏烟过程一般多在早晨发生，持续时间不超过2小时。

逆温层消失到烟囱的有效高度处即：

hi=h可认为烟羽上半部停留在逆温层中,逆温层消失高度,熏烟条件下Y向扩散参数,逆温消失到烟羽上边缘hi=h+2z,烟羽全部向下扩散，可认为Z方向上浓度分布均匀，而y方向呈高斯分布,逆温消失到,以上时，熏烟过程不复存在,3.建筑物的尾流效应,三个区域,1、上风向的气流偏移区（displacementzone）,2、建筑物背风侧（或下风侧leewardside）、紧邻建筑物出现的空腔区（cavityzone）,3、建筑物下风侧稍远地带扰动强烈的尾流区（wakezone）,h2.5hB在偏移区，扩散不受影响,h2.5A1/2扩散在尾流区,0hhB，0x02.5A1/2为空腔区,空腔区内污染物的最大时间积分浓度,尾流效应的结果：

气流速度亏损，湍流活动加剧，地面污染物质浓度降低，必须考虑对地面浓度的修正,地面源,地面源长期释放时，对扩散系数进行修正,静风的影响,4.2.6复杂地形对大气弥散的影响1、不平坦地形（山、谷风的影响）,烟羽下沉，有效烟囱高度降低烟囱与山之间由于内循环污染物浓度增高谷地外尾流效应加快烟羽的弥散烟羽的弥散程度或状态发生改变,4.2.6复杂地形对大气弥散的影响,2、水陆交界地区水面与陆地下垫面粗造度不同使得水面上烟羽扩散程度降低水与空气减的温差使扩散程度加强烟羽回流和熏烟,某厂尾气烟囱有效高度70m，污染物的排放量为100Bq/s,夜间和上午地面风速为3m/s，夜间云量3/10，烟流全部发生熏烟现象时，确定下风向10km处污染物的地面浓度。

假设排放源持续排放时间为1h，该点的时间积分浓度是多少？

从排放开始到排放30min这一时间段的积分浓度又是多少,某一高架连续点源、沿轴线地面最大浓度模式中u4.0m/s，排烟有效源高h=150m，排烟量8.0104m3/h,排烟中污染物浓度为5400Bq/m3，该高架源导致的最大地面浓度是多少甲乙两临近厂均排放同种含污染物的废气，甲厂的排放点位于乙厂排放点上方偏东45度角1.2km处，甲厂排放烟囱有效高度100m，排放的污染物浓度为900Bq/s,乙厂排放烟囱有效高度80m，排放的污染物质的浓度为800Bq/s，如地面以上100m气层的盛行风向为北风，地面风速为1.0m/s,大气稳定度为B级，求乙厂下风向4km污染物质的浓度。

在东经102.5、北纬29.8的某平原地区，有一污染排放源，源高90m，烟囱出口内径0.5m，外径0.6m，污染物的排放量250kg/h，排放速率8m/s,在7月12日北京时间16h，当地的气象状况是：

气温28，云量6/3，地面风速2m/s，试计算下风向1Km处的地面轴线浓度是多少？

4.3放射性物质在大气中的沉积和再悬浮,沉积,重力沉积,干沉积,湿沉积,由颗粒物质自生的重力而引起的沉降,颗粒的不规则运动导致与地面的碰撞、静电引力、吸附、化学作用等引起的沉积,由降雨而导致的沉降,沉积率：

单位时间，单位面积上所沉积的物质的量，以W进行表示,4.3放射性物质在大气中的沉积和在悬浮,2、地面沉积物的再悬浮,再悬浮因子,A、B快、慢组分的转移份额，转移速率,4.3放射性物质在大气中的沉积和在悬浮,3、烟羽耗减的修正,干沉积,耗减因子，查表，计算,湿沉积,核衰变,本章小结,干绝热递减率气温直减率,利用二者的关系判断大气稳定度,烟流形状与大气稳定度的关系,波浪型（不稳）d,锥型（中性or弱稳）d,爬升型（下逆，上不稳）,漫烟型（上逆、下不稳）,扇型（逆温）0,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,高斯模式,年平均浓度,封闭型扩散模式熏烟型扩散模式建筑物的尾流效应扩散参数的求取烟囱的有效高度,