第04章大气环境保护解析Word下载.docx

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由于该层中没有臭氧这一类可直接吸收太阳辐射能量的组分，因此其温度垂直分布的特点是气温随高度的增加而迅速降低，其顶部气温可低于190K。

中间层底部的气流通过热传导接受了平流层传递的热量，因而温度最高。

这种温度分布下高上低的特点，使得中间层气流再次出现强烈的垂直对流运动。

（4）暖层

暖层位于85～800km的高度之间。

这一层气流密度很小，气体在宇宙射线作用下处于电离状态，又称为电离层。

由于电离后的氧能强烈地吸收太阳的短波辐射，使气流迅速升温，因此在这一层中气温的分布是随高度的增加而增加，其顶部可达750～1500K。

另外，电离层能反射无线电波，对远距离通讯极为重要。

（5）散逸层

暖层层顶以上的大气，统称为散逸层，也称为外层大气。

该层大气极为稀薄，气温高，分子运动速度快。

某些高速运动的粒子能克服地球引力的作用而逃逸到太空中去，所以称其为散逸层。

4.1.2大气组成

大气是一种混合物，成分复杂，由多种气体和水蒸气组成。

按照组成的稳定性，分恒定组分、可变组分和不定组分，具体见表4-1。

恒定成分是指氮气、氧气，以及氖、氦等稀有气体，这些成分几乎不变，得益于自然界自身补偿效应；

可变成分是指二氧化碳和水蒸气，含量随时间、地点、气象条件等不同而变化；

如CO2，来源于燃料燃烧、有机体腐解以及动植物呼吸等，从总量上来讲，夏天＞冬天，陆地＞海洋，城市＞乡村，大工业城市CO2含量高达0.05～0.07%。

不定成分则完全因地区而异，包括自然灾害和人为原因造成的各种大气污染物及有毒气体，后者是人类保护大气和防治大气污染的主要对象。

表4-1大气组成

空气

成分

恒定组分

可变组分

不定组分

氮气

氧气

稀有气体

二氧化碳

水蒸气

尘和其它气态物质

含量

78%

21%

0.9%

0.03%

～

洁净大气由恒定组分和可变组分构成，对人类的生存极为重要。

据统计，一个成年人每天吸入的空气量为15.48～20.64千克，是食物量的10倍、饮水量的5倍！

人可以十几天不吃食物，但如果没有空气，人就会立刻死去。

因此，保护地球上的大气，就是保护人类生存的物质基础。

4.2大气污染物及来源

4.2.1大气污染

在大气中，大气污染物的存在并最终构成大气污染，是有一定条件的。

按照国际标准化组织（1SO）作出的定义，大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。

这个定义指出了造成大气污染的原因是人类活动和自然过程。

人类活动包括人类的生活活动和生产活动两个方面，是造成大气污染的主要原因；

自然过程则包括了火山活动、森林火灾、土壤和岩石的风化以及大气圈的空气运动等内容。

这些活动导致大量的硫氧化物、氮氧化物、碳氢化合物等不定成分进人大气层，或使一些组分的含量大大超过大气层该组分含量，如二氧化碳。

“定义”还阐述了形成大气污染的必要条件，即污染物在大气层要达到足够的浓度，并在此浓度下对受体作用足够的时间。

由此对受体及环境产生了危害，造成了后果，称之为大气污染。

一般说来，由于自然环境的自净作用，进入大气层的污染物，经过—定时间后，其浓度会幅度下降，从而使大气得以净化，污染自动消除。

当然，大气层的这种自净能力与当地气象条件、污染物排放量及城市布局等诸因素有关。

根据污染影响的范围，大气污染可分为四类：

（1）局部性污染。

指单个企业排气所造成的直接影响。

（2）城市性污染。

指工矿区或其附近地区，或整个城市的大气污染。

（3）区域性污染。

指更广泛地区，更广大地域的大气污染，如珠江三角洲、长江三角洲、华东地区等。

主要是由区域内的大城市及大工业带引起的，最主要的污染是酸雨。

（4）全球性污染。

指跨国界乃至涉及整个地球大气层的污染，如温室效应、臭氧层破坏等。

4.2.2大气污染物

大气污染物即引起大气污染的物质，可分为天然污染物和人为污染物两大类，引起公害的往往是人为污染物，它们主要来源于燃料燃烧和大规模的工矿企业。

依照污染物存在的形态，大气污染物分为颗粒污染物与气态污染物。

（1）颗粒污染物

大气中危害最大、最严重的污染物，包括固体颗粒和液滴。

固体颗粒污染物按颗粒粒径可分为：

降尘（粒径大于10μm，如尘粒、粉尘）和飘尘（粒径小于10μm，如粉尘、烟尘）。

液滴由蒸汽凝结、液体喷雾、雾化以及化学反应形成，粒径小于100μm，如水雾、酸碱雾、油雾。

总悬浮颗粒（TSP）系指大气中粒径0.1~100µ

m的所有颗粒物。

通常把粒径在10µ

m以下的颗粒物称为PM10，又称为可吸入颗粒物或飘尘。

气溶胶系指固体粒子、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体。

（2）气态污染物

以气体形态进入大气的污染物称为气态污染物。

气态污染物种类极多，按其化学组成可分为五类。

①　含硫化合物。

主要指SO2、SO3和H2S等，其中以SO2的数量最大，是影响我国大气质量的最主要气态污染物。

含硫化合物在大气中被氧化再与水结合，就会产生硫酸，形成酸雨。

②　含氮化合物。

含氮化合物种类很多，其中最主要的是NO、NO2、NH3等。

大气中NOX的含量取决于自然界中氮的循环过程，人类活动排放的NO仅占氮氧化物总量的10%。

含氮化合物能参与光化学反应，形成有刺激性的强氧化性的光化学烟雾。

③　碳氧化合物。

污染大气的碳氧化合物主要是CO和CO2。

CO来源于含碳燃料的不完全燃烧。

近年来许多城市交通干线两侧CO超标严重，如北京市三环路内30条街道路中心和人行道大气中的CO均100%超标，上海市15个交通路口CO浓度比对照点高6倍，均超过国家三级标准；

长沙市干道中心点CO超标4倍，年超标率为40%；

天津市区主要交通干线CO超标几倍至十几倍。

CO和CO2都是温室气体，能产生温室效应。

④　碳氢化合物。

此处主要是指有机废气。

随着石油化工行业的迅猛发展，有机废气中的许多组分已构成了对大气的污染，如烃、醇、酮、酯、胺等。

碳氢化合物与氮氧化物一起参与了光化学反应。

⑤　卤素化合物。

对大气构成污染的卤素化合物，主要是含氯化合物及含氟化合物，如HCl、HF、SiF4等。

卤素化合物对大气的危害主要产生在平流层，其光解产生的卤原子可以成千上百次的破坏平流层中的臭氧分子，使臭氧层变稀薄，紫外线就可以穿透平流层，危害地球上的生物。

另外，依照与污染源的关系，大气污染物又可分为一次污染物与二次污染物。

若大气污染物是从污染源直接排出的原始物质，进人大气后其性质没有发生变化，则称其为一次污染物；

若由污染源排出的一次污染物与大气中原有成分，或几种一次污染物之间，发生了一系列的化学变化或光化学反应，形成了与原污染物性质不同的新污染物，则称为二次污染物。

汽车、工厂等以石油为能源，排入大气的氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物，在太阳光的作用下发生光化学反应，产生了甲醛和臭氧等二次污染物，则一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾称为光化学烟雾，也称洛杉矶型烟雾。

以煤为原料，排入大气中的烟尘、SO2与水蒸气混合并发生化学反应所生成的烟雾，称为硫酸烟雾，也称伦敦型烟雾。

4.2.3大气污染物的来源

造成大气污染的污染物，从产生源来看，主要来自以下几个方面。

（1）能源使用

随着我国经济的快速增长以及人民生活水平的提高，能源需求量不断上升。

以煤炭、生物质（农业和林业的产物、从农业、林业和食品生产加工业中产生的植物性废料、未处理过的木材废料和软木废料等，是一种可再生的非化石燃料）和石油产品为主的能源消耗是大气污染物的主要来源。

大气污染物组分与能源消费结构有着密切关系，发达国家能源以石油为主，大气污染物主要是一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和有机化合物；

我国能源以煤为主，主要大气污染物是颗粒物和二氧化硫。

自1980年以来，中国原煤消耗量已增加了两倍以上。

大气中细颗粒物（直径小于10微米）和超细颗粒物（直径小于2.5微米）对人体健康最为有害，它们主要来自工业锅炉和家庭煤炉所排放的烟尘。

大气中的二氧化硫和氮氧化物也大多来自这些排放源。

工业锅炉燃煤占我国煤炭消耗量的33%，由于其燃烧效率低，加之低烟囱排放，它们在近地面大气污染中所占份额（30%）超过其在燃煤使用量中所占份额（15%）。

（2）工农业生产过程

化工厂、石油炼制厂、钢铁厂、焦化厂和水泥厂等各种类型的工业企业，在原材料的运输、粉碎和加工的过程中，都会有大量的污染物排人大气中，由于工艺、流程、原材料及操作管理条件和水平的不同，所排放污染物的种类、数量、组成和性质等差异很大。

这些污染物主要有粉尘、碳氢化合物、含硫化合物、含氮化合物以及卤素化合物等多种污染物。

农业生产过程对大气的污染主要来自农药和化肥的使用。

有些有机氯农药如DDT，施用后随地表径流进入水体并悬浮于水面，再同水分子一起蒸发进人大气。

氮肥在施用后，水解成NH3，可直接从土壤表面挥发进入大气；

而以有机氮进入土壤内的氮肥，在土壤微生物作用下可转化为氮氧化物进人大气，从而增加了大气中氮氧化物的含量。

此外，稻田以及动物的反刍释放了大量的甲烷，也会对大气造成污染。

（3）交通运输

交通运输带来的车辆行驶扬尘，以及飞机、船舶、汽车等交通工具排放的尾气，已成为城市大气污染的一个重要来源。

在一些发达国家，汽车排放的尾气是大气污染的最主要污染源。

我国的北京、上海等大城市的大气组成也已接近发达国家，其机动车排放的污染物已占大气污染负荷的60%以上；

其中，尾气排放的一氧化碳对大气污染的分担率达到80%，氮氧化物达到40%，这表明我国大城市的大气污染正由第一代煤烟型污染向第二代汽车型污染转变。

大气污染物的上述几个来源，具体到不同的国家，由于燃料结构、生产水平、生产规模以及生产管理方法等不同，污染物的主要来源也不相同。

根据对烟尘、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳四种主要污染物的统计表明，我国大气污染物主要来源于燃料燃烧，其次是工农业生产与交通运输，它们所占的比例分别为70%、20%和10%。

我国的燃料构成是以燃煤为主，煤炭消耗约占能源消费的75%，因此煤的燃烧成为我国大气污染物的主要来源，同时也形成了我国煤烟型大气污染的特点。

虽然随着能源结构的逐渐改变以及交通运输等事业的发展，这种状况在城市已有所改变，但我国的资源特点和经济发展水平决定了以煤为主的能源结构将长期保持。

因此，控制煤烟型的大气污染，仍将是我国今后很长一段时间整体大气污染防治的主要任务。

4.3大气污染的危害

世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告指出“空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实”、“如果人类生活在污染十分严重的空气里，那将在几分钟内全部死亡。

工业文明和城市发展，在为人类创造巨大财富的同时，也把数十亿吨计的废气和有毒物质排入大气之中，人类赖以生存的大气圈成了空中垃圾库和毒气库。

”当大气中的有害气体和污染物达到一定浓度时，就会给人类和环境带来巨大灾难。

4.3.1对人体健康的伤害

大气污染物主要通过三条途径危害人体健康：

一是表面接触，二是食用含有大气污染物的食物和水中毒，三是吸入污染的空气后患疾病。

从表4-2可以看到，各种大气污染物是通过多种途径进入人体的，对人体健康的影响又是多方面的，而且，其危害也是极为严重的。

表4-2几种大气污染物对人体的危害

名称

对人体的影响

二氧化硫

视程减少，流泪，眼睛有炎症。

闻到有异味，胸闷，呼吸道有炎症，呼吸困难，肺水肿，迅速窒息死亡

硫化氢

恶臭难闻，恶心、呕吐，影响人体呼吸、血液循环、内分泌、消化和神经系统，昏迷，中毒死亡

氮氧化物

闻到有异味，支气管炎、气管炎，肺水肿、肺气肿，呼吸困难，直至死亡

粉尘

伤害眼睛，视程减少，慢性气管炎、幼儿气喘病和尘肺，死亡率增加，能见度降低，交通事故增多

光化学烟雾

眼睛红痛，视力减弱，头疼、胸痛、全身疼痛，麻痹，肺水肿，严重的在1小时内死亡

碳氢化合物

皮肤和肝脏损害，致癌死亡

一氧化碳

头晕、头疼，贫血、心肌损伤，中枢神经麻痹、呼吸困难，严重的在1小时内死亡

氟和氟化氢

强烈刺激眼睛、鼻腔和呼吸道，引起气管炎，肺水肿、氟骨症和斑釉齿

氯气和氯化氢

刺激眼睛、上呼吸道，严重时引起中毒性肺水肿

铅

神经衰弱，腹部不适，便泌、贫血，记忆力低下

生物性物质

花粉、一些霉菌孢子、病原微生物，由空气传播

4.3.2对动植物的危害

大气污染物通过三条途径危害动植物的生存和发育：

一是使动植物中毒或枯竭死亡，二是减缓动植物的正常生长和发育，三是降低动植物对病虫害的抗御能力。

植物容易受大气污染危害。

首先是因为它们有庞大的叶面积同空气接触并进行活跃的气体交换。

其次，植物不像高等动物那样具有循环系统，可以缓冲外界的影响，为细胞和组织提供比较稳定的内环境。

此外，植物一般是固定不动的，不像动物可以避开污染。

植物在生长期中长期接触大气的污染，损伤了叶面，减弱了光合作用；

伤害了内部结构，逐渐枯萎，直至死亡。

植物受大气污染物的伤害一般分为两类：

受高浓度大气污染物的袭击，短期内即在叶片上出现坏死斑，称为急性伤害；

长期与低浓度污染物接触，因生长受阻，发育不良，出现失绿、早衰等现象，称为慢性伤害。

各种有害气体中，二氧化硫、氟化物、氧化剂和乙烯等对植物的危害最大。

氮氧化物也会伤害植物，但毒性较小。

氯、氨和氯化氢等虽会对植物产生毒害，但一般是由于事故性泄漏引起的，为害范围不大。

大气污染物对动物的损害，主要是呼吸道感染和食用了被大气污染的食物。

其中以砷、氟、铅、钼等的危害最大。

大气污染使动物体质变弱，以至死亡。

大气污染还通过酸雨形式杀死土壤微生物，使土壤酸化，降低土壤肥力，危害了农作物和森林。

4.3.3对物体材料的损害

大气污染是城市地区经济损失的一大原因。

这种损害有不同的形式，如腐蚀金属、侵蚀建筑材料、使橡胶制品脆裂、损坏艺术品、使有色材料褪色等。

此外，颗粒物沉积在高压输电线绝缘器件上，在高湿度时可成为导体而造成短路事故。

大气污染物还能在电子器件接触器上生成绝缘膜层。

大气污染物对材料的损害机制有：

磨损，直接的化学冲击（如酸雾对材料的腐蚀），间接的化学冲击（如皮革吸收的二氧化硫转化为硫酸对皮革的腐蚀），电化学侵蚀。

影响的因素则有湿度、温度、阳光、风、物体位置等。

4.3.4对大气环境的影响

大气中的污染物能改变大气性质和气候型式。

气溶胶粒子，如总悬浮颗粒物（TSP）、含硫化合物、氮氧化物、光化学烟雾等，会使大气能见度降低；

作为凝结核使云量和降水增加，使雾的出现频率增加和持续时间延长。

大气污染对气候产生的影响，如二氧化碳等温室气体引起的温室效应、酸性氧化物排放产生的酸雨以及氟利昂等消耗臭氧物质使用导致的臭氧层破坏，其危害已遍及全球，成为全球性影响。

全球气候变暖引起的气候变化，可能会使极端气候的出现频率和强度不断增加。

在一些地区，龙卷风、强雷暴以及狂风和冰雹也会增多，世界许多地区将遭受更频繁、更持久或更严重的干旱。

同时，由于暖冬的气温比常年偏高，这就使各种病菌、病毒活跃，病虫害滋生蔓延，很多有害动物，比如蚊子、跳蚤、老鼠等减少了被冻死的几率，此类传染病载体的数量大增，对人类健康构成了严重威胁。

据估计，全球变暖会使疟疾和登革热的传播范围增加，威胁40%～50%的世界人口。

随着全球变暖，地球上的冰雪正加速消融，它们的消失将给气候和人类带来更多威胁。

欧洲阿尔卑斯山的冰川面积比19世纪中叶缩小了1/3，可能将在2050年前消失殆尽;

非洲最高山乞力马扎罗山的冰川消融速度更为惊人，1912年至今，其山顶冰冠缩小了80%。

冰川消融使上述地区的永冻土层丧失了“黏合剂”功能，促使山崩和泥石流频发。

由于气候变暖，北极的永冻冰正在以前所未有的速度松动融化，北极冰层在过去的50年中已变薄40%。

“世界第三极”青藏高原的冰川消减速度近年来呈加速趋势，预计到2050年冰川面积将比现有面积减少28%，到2090年将减少到现有面积的50%。

4.4大气污染物的扩散

一个地区的大气污染程度除了与污染源排放污染物的数量、组成、排放方式及排放源的密集程度等因素（源参数）有关外，还与污染物的扩散有关。

大气污染物自污染源排出后，在到达受体之前，在大气中要经过输送、扩散稀释等过程，其中包括一些物理或化学变化等。

影响这污染物扩散的因子主要是气象条件和近地面状况。

4.4.1气象条件

影响污染物扩散的气象条件主要有风向、风速、大气湍流、温度垂直分布和大气稳定度等。

（1）风与湍流

大气运动包括了有规则的平直的水平运动（称为风）和不规则的、紊乱的湍流运动，实际的大气运动就是这两种运动的叠加。

描述风的两个要素为风向和风速。

风对污染物的扩散有两个作用：

一是整体的输送和污染物的冲淡稀释。

风向决定了污染物迁移运动的方向，风速则影响污染物的稀释程度。

风速越大，一定空间内单位时间与污染物混合的清洁空气量越大，冲淡稀释的作用就越好。

大气中不同于主流方向（风）的无规则运动，称作湍流。

湍流运动造成大气中各组分间的强烈混合。

当污染物由污染源排人大气中时，高浓度部分污染物由于湍流混合，不断被清洁空气渗入，同时又无规则地分散到其他方向去，使污染物不断地被稀释、冲淡。

大气湍流与大气的垂直稳定度有关，又与近地面状况有关。

风和湍流是决定污染物在大气中扩散状况的最直接的因子，也是最本质的因子，是污染物扩散快慢的决定性因素。

风速愈大，湍流愈强，污染物扩散稀释的速率就愈快。

因此凡是有利于增大风速、增强湍流的气象条件，都有利于污染物的稀释扩散，否则，将会使污染加重。

（2）大气稳定度和逆温

大气稳定度是空气团在铅直方向的稳定程度。

气象学家把近地层大气划分为稳定、中性和不稳定三种状态。

当气层中的气团受到对流冲击力的作用，产生了向上或向下的运动，若空气团受力移动后移动速度渐减又有返回原来位置的趋势，此时的气层是稳定的；

若空气团受力移动后速度渐加又有远离原来位置的趋势，则气层是不稳定的；

若空气团受力后以保持一定的速度移动，则气层处于中性稳定状态。

当大气处于稳定状态时，湍流受到限制，大气不易产生对流，因而大气对污染物的扩散能力很弱，易引起污染。

当大气处于不稳定状态时，空气对流受阻小，湍流可以充分发展，对大气中的污染物扩散稀释能力就很强。

通过大气稳定度对烟流扩散的影响，可以直观地看出大气稳定度与污染物扩散的关系（表4-3）。

大气的气温在垂直方向上随高度的分布，称为大气的温度层结。

大气的湍流状况在很大程度上取决于近地层大气的垂直温度分布，因而大气的温度层结直接影响着大气的稳定程度。

日常生活中，常用温度层结作为大气湍流状况的指标，以此判断污染物的扩散情况。

在正常的气象条件下（即标准大气状况下），近地层的气流温度总要比其上层气流温度高，因此产生了对流。

但近地层实际大气的情况非常复杂，各种气象条件都会影响到气温的垂直分布，当气温随高度的增加而增加，其温度垂直分布与标准大气的相反时，这种现象称为温度逆增（简称逆温）。

出现逆温的气层叫逆温层。

逆温层的出现将阻止气团的上升运动，使逆温层以下的污染物不能穿过逆温层，只能在其下方扩散，因此可能造成高浓度大气污染。

表4-3不同扩散形状烟流的特点及发生情况

烟型

特点

大气状况

发生条件

与风湍

流关系

地面污染状况

波浪型

烟云上下摆动幅度大，扩散速度快

大气处于不稳定状态，

多发生在晴朗的白天

对流强烈，微风

污染物扩散快，地面最大浓度落地点距排放口近且浓度大

锥型

烟云较波浪型规则，外形似一个椭圆锥，扩散较弱

大气状况处于中性或弱稳定状态

多发生在多云的白天或冬季的夜晚。

对流较弱，高空风较大

污染物扩散教慢，地面落地浓度低于波浪型，但污染距离长

扇型

垂直方向上烟流扩散很小，沿水平方向缓慢扩散，烟流从烟源处呈扇形展开。

出现逆温天气，大气处于稳定状态

出现于晴朗天气的夜间或清晨

微风，几乎无湍流

对地面污染较轻，但传送较远。

但若遇山峰、高层建筑物的阻挡，则可出现下沉现象，造成严重污染。

屋脊型

烟云扩散呈明显屋脊轮廓，下部边缘清晰，上部呈湍流扩散。

排烟口上方大气处于不稳定状态，下方则稳定

一般出现在日落前后，持续时间较短。

排烟口上方有风，有湍流；

下方几乎无风、无湍流

这种烟型对地面不会造成很大的污染。

漫烟型

与屋脊型相反，上部边缘清晰，下侧出现湍流扩散

排烟出口上方大气处于稳定状态；

排烟口下方处于不稳定状态，

日出后由于地面低层空气被日照加热使逆温从下而上逐渐破坏，而上方仍存在逆温。

烟云下部存在有明显湍流，上部湍流若，风在烟云间流动

对排出口下风向的附近地面会造成强烈的污染，很多烟雾事件就是在这种情况下形成的。

4.4.2近地面状况

近地面状况是指大气底层接触面的性质、地形及建筑物的构成情况。

城市、山区和水陆交界处，由于近地面热力和动力效应不同，所表现的局部气象特征会影响到气流的运动，同时也直接影响当地的气象条件，进而对大气污染物的扩散造成影响。

除此之外，近地面本身的机械作用也会影响到气流的运动，如近地面粗糙，湍流就可能较强，近地面光滑平坦，湍流就可能较弱。

因此，近地面通过本身的机械作用和对该地局部气象条件的影响，最终影响着污染物的扩散。

（1）城市面的影响

城市面以两种基本方式改变着当地的气象特征。

①　城市的热力效应。

城市气温高于周边地区，于是城市地区热空气上升，并在高空向四周辐散，而四周郊区较冷的空气流来补充，形成了独特的热力环流——城市热岛环流，这种现象称之为城市热岛效应。

在夜间、晴朗平稳的天气下，表现得最为明显。

由于热岛环流的存在，城市郊区