基于高斯煙羽模型對工業(yè)氣體污染物擴散的研究

陳晨 左天逸 陳世勛

安徽財經大學金融學院 安徽蚌埠 233030

基于高斯煙羽模型對工業(yè)氣體污染物擴散的研究

陳晨 左天逸 陳世勛

安徽財經大學金融學院 安徽蚌埠 233030

本文指出了工業(yè)氣體污染物對人類、植物及環(huán)境的危害，并分析了影響工業(yè)氣體污染物擴散的因素，據此引出適用于研究工業(yè)氣體污染物擴散的高斯煙羽模型。在選取模型的同時，針對研究的工業(yè)廢氣污染問題進行模型優(yōu)化設計，帶入不同環(huán)境下工業(yè)污染源的各項參數(shù)進行計算，驗證被選取模型的適用性，同時根據數(shù)據結合現(xiàn)實情況分析工業(yè)空氣污染物的擴散規(guī)律，從而針對性的提出空氣污染治理的建議，為節(jié)能減排、實現(xiàn)“APEC藍”建言獻策。

工業(yè)氣體污染物；高斯煙羽模型；控制變量；氣體擴散規(guī)律引言

引言

改革開放以后我國工業(yè)迅猛發(fā)展，尤其是21世紀以來工業(yè)發(fā)展更是駛入了快車道，但是隨之而來的是嚴重的工業(yè)污染。工業(yè)廢氣是工業(yè)三廢中的重要一環(huán)，廢氣直接排放至空氣中，隨著其不斷擴散，會對生活在工業(yè)區(qū)附近居民的健康產生重要影響，國家現(xiàn)已予以重視，在2012年出臺了新的《環(huán)境空氣質量標準》，其中引入了更為嚴格的AQI空氣質量指數(shù)對環(huán)境進行監(jiān)控。但是與此同時，全國各地區(qū)卻經常曝出空氣質量問題，如全國大范圍、長時間的霧霾天氣等，治理大氣污染依舊迫在眉睫。本文在高斯煙羽模型的基礎上進行合理優(yōu)化，以求探尋空氣污染物的擴散規(guī)律及影響范圍，以便采取更有針對性的治理措施，改善空氣質量。

一、工業(yè)氣體污染物的危害

1.影響人類健康

工業(yè)廢氣在離開排污口后，會在風的作用下不斷擴散，生活工業(yè)區(qū)在周圍的居民會因為長時間呼吸污染氣體濃度過高的空氣而引發(fā)各種疾病。煙（粉）塵中主要含有鉻、錳、汞、鉛等重金屬物質，吸入后不易被身體排出，在肺部聚集后易引發(fā)肺炎等肺部疾病，嚴重時還會引起肺癌；二氧化硫是具有刺激性的氣體，在達到一定濃度時，如果吸入人體，會灼燒呼吸道，導致呼吸道粘膜破裂，嚴重時有危及生命的風險。[1]

2.影響植物生長

在工業(yè)廢氣中煙（粉）塵是其主要的污染氣體之一，它是工業(yè)加工過程中燃燒不充分的細小顆粒，其中包含人們熟知的PM2.5和PM10，煙（粉）塵中其他較大的顆粒會在擴散過程中先沉降下來，因為其顆粒較大、質量較重、不易被風吹移，故當落在植物葉面時，在自然條件下難以清除，長期積累在植物葉面會導致植物無法進行光合作用，抑制植物生長。

二、工業(yè)氣體污染物擴散的影響因素

1.排放的氣體種類

工業(yè)氣體污染物的成分眾多，每一種成分的擴散方式都不一樣，例如煙（粉）塵主要為空氣中的顆粒懸浮物，體積質量較大，易向地勢低洼的地方擴散，而氮氧化物為純氣體，易與空氣混合移動。

2.污染排放源類型

工業(yè)氣體污染源自身的屬性對氣體污染物擴散起了很大的影響，對于工業(yè)污染源，大多采用煙囪排放為主要的排放方式，煙囪口距地面的高度、管內氣體排放速度、排放濃度等是影響氣體擴散的重要指標。同時，污染源為長期連續(xù)排放還是短時內瞬間排放，也對氣體擴散有著重要的影響，對于工業(yè)廢氣排放來說，多數(shù)為長期連續(xù)排放，只有發(fā)生爆炸等事故時才會涉及到短時內瞬間排放。

3.天氣因素

天氣也是影響污染物擴散的重要因素，大部分氣體污染物都是隨著風向呈扇形擴散。簡單來說，風速過小污染物無法迅速擴散；風速過大污染物易被吹散。

三、氣體擴散范圍的估算

1．模型的選擇

高斯煙羽模型是一種廣泛適用于研究持續(xù)排放點源條件下中性氣體擴散的模型。[2]我們研究的氣體污染物多為中性氣體，且工業(yè)污染多以煙囪點源形式排放，并屬于長期持續(xù)性排放氣體，非常接近于高斯煙雨模型研究的對象。

故我們選用了可以最大程度考慮工業(yè)氣體污染物擴散因素的高斯煙羽模型作為研究模型。

2．計算模型

首先我們將工廠氣體污染排放源當做一個點源，并將其置入坐標系中，并設污染排放開始的時間為t=0，時刻t在空間中任意一點(x,y,z)的污染物濃度記作C(x,y,z,t)。

此時帶入高斯煙羽模型：

σy、σz分別表示y、z軸上的擴散系數(shù)，μ表示平均風速。

依據上上式進一步令z，y=0，則可以得到沿著X軸線上的濃度：

σy、σz與兩個因素有關：當?shù)氐拇髿夥€(wěn)定程度和檢測地與污染源的水平距離x。其中大氣穩(wěn)定程度是通過帕斯奎爾（Pasquill）穩(wěn)定度分類法用A、B、C、D、E、F表示大氣穩(wěn)定程度，分別表示其程度為強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中型、較穩(wěn)定和穩(wěn)定六級。[4]在確定大氣穩(wěn)定程度后對應國際原子能機構（IAEA）根據相關實驗數(shù)據推薦的高架源擴散系數(shù)公式的數(shù)據確定相應地擴散參數(shù)。

表一 擴散參數(shù)表

3.應用舉例

根據實際工廠氣體污染物排放情況，結合不同地區(qū)，不同環(huán)境下的影響，以上模型進行氣體污染物濃度估算。（1）城市地區(qū)一工廠煙囪高50m，主要污染物排放為氮氧化物，其排放強度為0.56kg/s當?shù)仄骄L速為2m/s，大氣穩(wěn)定程度為C級，計算結果見下表；（2）農村地區(qū)一工廠煙囪高100m，主要污染物排放為一氧化碳，其排放強度為0.24g/s，當?shù)仄骄L速為4m/s，大氣穩(wěn)定程度為D級，計算結果見下表。

表二 擴散濃度表

800 221.55（輕度污染） 45.14（中度污染）1000 152.24（良） 40.20（中度污染）3000 21.93（優(yōu)） 10.12（輕度污染）5000 8.76（優(yōu)） 4.51（優(yōu)）

四、結果分析

首先觀察應用舉例中實際工業(yè)氣體污染物擴散范圍的計算結果，總體上氣體擴散呈現(xiàn)出隨著距離的變化濃度先增加再逐漸減少的趨勢。運用高斯煙羽模型計算出的數(shù)據與現(xiàn)實中的擴散濃度基本相符，數(shù)據顯示污染源附近100米至3000米的空氣質量最差。在低高度、低風速時污染物濃度的峰值出現(xiàn)的較早且更為集中，主要聚集在200米到400米的較小范圍內，顯示出在這種環(huán)境下污染物更難擴散開，從而在污染源較近的地方沉降下來；而在較高的排放高度和風速下濃度峰值則出現(xiàn)較晚，主要分散范圍也更廣達到了400米到3000米，反映出在較高高度、風速情況下污染物更易擴散。

但是由于兩種氣體的排放環(huán)境、影響因素不同，導致其濃度變化也有一定的差別。綜合上述數(shù)據以及公式，可以得出當排污口的高度越高、風速越大、大氣穩(wěn)定度等級越低，越有利于空氣污染物的消散，地面污染物濃度就會越小；相反，如果排污口的高度越低、風速越小、大氣穩(wěn)定度等級越高，氣體污染物越難以迅速擴散，易堆積在排污口附近，造成排污口附近空氣質量嚴重污染，影響大氣環(huán)境。

五、對工業(yè)區(qū)空氣質量改善的建議

通過計算我們發(fā)現(xiàn)，在正常的天氣情況下工廠氣體污染物主要集中于100m至3000m，當距離達到5000m時空氣質量指數(shù)已經到了優(yōu)級，也就是工業(yè)廢氣的影響已經基本消除。并且氣體的主要是在風的作用下擴散，在污染源的下風處氣體擴散的范圍最廣、濃度最大。結合這兩點，故建議將工廠統(tǒng)一安排在固定的工業(yè)區(qū)進行生產，該地區(qū)選址最好可以遠離城市居民生活區(qū)5km以上，并處于該地區(qū)常年風向的下風處，使得氣體污染物飄散至居民區(qū)時污染物濃度已經達到安全值，這樣可以最大化的避免工業(yè)氣體污染物對城市居民造成影響。同時希望國家進一步制定更為嚴格工業(yè)排污企業(yè)排放標準，嚴禁超規(guī)格排放。

[1]夏楓.空氣污染我們向你說不[J].沿海環(huán)境,1999,(5):8-9.

[2]邱奎,龐曉虹,劉定東.高含硫天然氣井噴的擴散范圍估計與防范對策[J].石油天然氣學報,2008,30(2),114-118.

[3]楊桂花.城市空氣污染的綜合評價及建模[D].哈爾濱理工大學碩士論文,2010,1-57.

[4]相勁平.Steel(蘇州)公司項目環(huán)境影響評價與環(huán)保對策[D].南京理工大學碩士論文,2008,1-80.