排氣筒幾何高度與最大地面濃度的關(guān)系及其最佳高度選擇

張 偉，陳 勇，于 靜，蒲玖臣，敖 漉

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311；2. 重慶陸海環(huán)?？萍加邢挢熑喂?，重慶 400042)

高斯擴散模型也稱為高斯煙團或煙流模型，是模擬大氣中污染物物理擴散的數(shù)學(xué)模型[1]。根據(jù)該模型，排氣筒排放的大氣污染物，其最大地面濃度隨著排氣筒有效高度(He)的增加而降低。排氣筒有效高度為其幾何高度(H)與煙氣抬升高度(ΔH)之和。在大氣污染物排放條件和環(huán)境條件相同的情況下，煙氣抬升高度一定，那么，排氣筒幾何高度越高，大氣污染物地面濃度越低。

現(xiàn)有研究表明，升高排氣筒幾何高度，可降低電廠和鍋爐大氣污染物的最大地面濃度[2-6]，縮小大氣污染物超標區(qū)域的面積[7]，同時，還可有效減少公眾個人有效劑量峰值和公眾集體有效劑量水平[8]。

然而，當排氣筒幾何高度升高到一定值之后，再繼續(xù)升高排氣筒幾何高度，大氣污染物最大地面濃度下降并不明顯。隨著排氣筒幾何高度的增加，不同穩(wěn)定度條件下，大氣污染物最大地面濃度下降的趨勢越來越平緩[3-5]。排氣筒幾何高度由10m升高到80 m，最大個人有效劑量下降了91.6%，由80m升高到200m，最大個人有效劑量僅下降了42.6%[8]。當排氣筒幾何高度進一步升高時(170～270 m)，最大地面濃度下降并不明顯，如NO2最大地面濃度占標率降幅僅為0.25%～1.2%，排氣筒幾何高度每增加10m，其占標率降幅僅為0.05～0.25%[2]。

由于排氣筒的建設(shè)成本與排氣筒高度的平方成正比[4]，升高排氣筒幾何高度雖然可以降低其排出大氣污染物的最大地面濃度，但無限制升高則給企業(yè)帶來沉重的經(jīng)濟負擔?，F(xiàn)有研究對象多為電廠和集中式供熱鍋爐排氣筒，其幾何高度較高，研究的高度跨度較大。對于常規(guī)行業(yè)使用的工業(yè)爐窯，其排氣筒高度一般較低。因此，有必要綜合環(huán)境保護和建設(shè)成本兩方面的因素，研究確定這類企業(yè)排氣筒的最佳幾何高度范圍。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

以重慶市某玻璃制品制造企業(yè)為對象，該企業(yè)采用天然氣為熱源的爐窯進行玻璃制品生產(chǎn)。本文主要以其天然氣爐窯的排氣筒為對象，排氣筒幾何高度范圍15～60m，高度間隔為1m，研究其排放的NO2最大地面濃度變化情況，主要排放參數(shù)見表1?？紤]該企業(yè)可能的選址位置，當位于城市時，人口數(shù)取100萬人，當位于農(nóng)村時，周圍用地類型取落葉林地，主要環(huán)境參數(shù)見表2。

表1 排放參數(shù)

表2 環(huán)境參數(shù)

1.2 研究方法

首先采用《HJ2.2-2018環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》推薦的估算模型AERSCREEN，計算在不同排氣筒幾何高度時，NO2最大地面濃度1次值；再以15m高排氣筒為基準，計算不同排氣筒幾何高度時最大地面濃度下降的絕對值，研究最大地面濃度下降過程的變化趨勢。不同排氣筒幾何高度時NO2最大地面濃度下降值Δc及其變化率ε的計算方法見式(1)和(2)。

Δc=cn-c0

(1)

ε=Δc/(Hn-H0)

(2)

式中：cn—排氣筒幾何高度>15m時NO2最大地面濃度，μg/m3；c0—排氣筒幾何高度為15m時NO2最大地面濃度，μg/m3；Hn—排氣筒幾何高度，>15m；H0—最低排氣筒幾何高度，15m。

2 研究結(jié)果與討論

該企業(yè)位于城市或農(nóng)村時，不同排氣筒幾何高度條件下，NO2最大地面濃度下降值及其變化率見圖1和圖2。

由圖1和圖2可知，隨著排氣筒幾何高度增加，最大地面濃度下降值越大，說明升高排氣筒幾何高度有利于降低最大地面濃度，從而減輕對環(huán)境的不利影響。這與已有研究的結(jié)果一致，升高排氣筒幾何高度后，PM10、SO2、NO2等的最大地面濃度[2-4,7]和公眾個人有效劑量[8]均下降。

最大地面濃度下降值變化趨勢可大致分為三個階段，隨著高度增加，第一階段，在排氣筒幾何為15～20m時，最大地面濃度下降值變化迅速；第二階段，在排氣筒幾何高度為21～29m時，最大地面濃度下降值變化較快；第三階段，在排氣筒幾何高度為30～60m時，最大地面濃度下降值變化較慢。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，三個階段均符合線性規(guī)律，但不同階段的斜率不同(表3)。該結(jié)果說明，隨著排氣筒幾何高度增加，最大地面濃度下降得越來越慢；無論污染源位于城市還是農(nóng)村，第一階段最大地面濃度下降值變化均是最快的。但值得注意的是，當污染源位于城市時，三個階段的最大地面濃度下降值變化速度均小于當污染源位于農(nóng)村時，這說明城市與農(nóng)村周圍環(huán)境狀況不同，對于污染擴散過程的影響不同。

表3 不同條件最大地面濃度下降值的斜率

從最大地面濃度下降值變化率來分析，隨著排氣筒幾何高度的增加，最大地面濃度下降值變化率越來越小，即高度越高，升高單位高度降低的最大地面濃度越少。陳建平等人[3]的研究表明，排氣筒高度超過70m后，隨排氣筒高度的增高，排氣筒高度對SO2最大地面濃度的降低能力開始減弱；蘭濤等人[4]的研究結(jié)果表明，當鍋爐排氣筒幾何高度從45m升高至200m時，在不同穩(wěn)定度尤其是B、D穩(wěn)定度條件下，SO2和NO2的最大地面濃度降低得越來越慢；張培等人[5]的研究表明，當排氣筒高度在140m以上時，隨著排氣筒高度的增加，SO2年均最大地面濃度下降幅度逐漸降低；在較高的范圍(170～270m)進一步升高排氣筒幾何高度，最大地面濃度降低得很慢[2]，公眾最大個人有效劑量在較高排氣筒幾何高度范圍(80～200m)的降幅明顯趨緩[8]。這說明升高排氣筒幾何高度對減輕環(huán)境不利影響的經(jīng)濟性越來越低。

在本文研究的排放和環(huán)境條件下，最大地面濃度下降值變化率符合冪函數(shù)規(guī)律，城市污染源為y=240.76x-1.073，農(nóng)村污染源為y=1599.5x-1.37；排氣筒的幾何高度設(shè)置在29～31m范圍，既可以達到較低的最大地面濃度，排氣筒幾何高度也不需要進一步升高，避免增加排氣筒建設(shè)成本。

3 結(jié)論

(1)排氣筒幾何高度升高，最大地面濃度下降值越大，大氣污染物對環(huán)境的不利影響越小。

(2)最大地面濃度下降值變化趨勢可分為由快至慢三個階段，每個階段符合線性規(guī)律，城市污染源最大地面濃度下降值變化率低于農(nóng)村污染源。

(3)在本文研究條件下，最大地面濃度下降值變化率符合單調(diào)遞減的冪函數(shù)規(guī)律，城市污染源為y=240.76x-1.073，農(nóng)村污染源為y=1599.5x-1.37；排氣筒最佳幾何高度范圍在29～31m。