山區(qū)復雜地形條件下的廢氣污染物擴散影響分析
——以南平市某生活垃圾焚燒廠為例

曹淳祺

（福建省金皇環(huán)?？萍加邢薰?，福建 福州 350003）

引言

隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，生活垃圾問題日益突顯。焚燒發(fā)電是生活垃圾處理的重要方式，可以提升、改善城市和鄉(xiāng)村的衛(wèi)生、環(huán)境狀況，解決“垃圾圍城”等突出環(huán)境問題[1]。對于生活垃圾焚燒廠的選址，除了應符合所在城市的總體規(guī)劃、土地利用規(guī)劃及環(huán)境衛(wèi)生專項規(guī)劃外，宜位于城市規(guī)劃建成區(qū)邊緣或以外，這也就造成生活垃圾焚燒發(fā)電廠的選址較為偏僻且必須遠離居民區(qū)。特別是在以山地丘陵地貌為主的福建，生活垃圾焚燒發(fā)電廠的選址大多數(shù)位于山區(qū)。山區(qū)的復雜地形、山脈的阻滯作用、靜穩(wěn)條件等因素均不利于大氣污染物的擴散，而生活垃圾焚燒發(fā)電廠主要的污染源來自大氣污染物的排放。因此，生活垃圾焚燒發(fā)電廠往往通過抬高煙囪高度等方式，減緩焚燒煙氣排放對周邊環(huán)境的影響。

本研究通過選取合適的大氣影響預測模型，以南平市某生活垃圾焚燒廠為例，對不同煙囪高度、不同煙氣量條件下的煙氣排放預測結果進行比較分析，為同類工程的前期設計提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究方法

1.1 模型選擇

AERMOD（AMS/EPA REGULATORY MODEL）模型的基礎是擴散統(tǒng)計理論，假設污染物的濃度分布在一定范圍內(nèi)符合正態(tài)分布，并采用高斯擴散公式構建成立的。根據(jù)《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》（HJ 2.2-2018），AERMOD 模型適用于多種排放源(包括點源、面源、線源、體源)的排放，也適用于連續(xù)源、間斷源，詳見表1[2]。

表1 AERMOD 模型適用情況一覽表

1.2 氣象資料選擇

本研究所使用的氣象參數(shù)為項目所在地南平市某氣象站2021 年全年逐時的常規(guī)氣象要素，包括風向、風速、總云量、底云量、氣溫等。根據(jù)氣象統(tǒng)計結果，全年年均氣溫19.04 ℃，日平均氣溫最大值=30.47 ℃，出現(xiàn)頻率最高的穩(wěn)定度級別=D（75.27%），此穩(wěn)定度下平均混合層高度=240 m，此穩(wěn)定度下的總體平均風速=1.31 m/s。由氣象數(shù)據(jù)可知，該地區(qū)混合層高度低，大氣靜穩(wěn)度高，綜合擴散能力低，利于污染物在近地層積累。

1.3 地形及地表利用參數(shù)

考慮山體的影響，地形數(shù)據(jù)srtm文件系統(tǒng)生成，數(shù)據(jù)由csi.cgiar.org提供。地形參數(shù)選取評價范圍10 km×10 km 的90 m 分辨率地形高程數(shù)據(jù)，預測網(wǎng)格間距按照100 m劃定。項目所在地地形高程見圖1。從圖中可以看出，在預測范圍內(nèi)地勢較平穩(wěn)，地面高程最小值為-3 m，最大值1 101 m，與本項目所在區(qū)域地形相符。

圖1 項目周邊地形高程示意

本研究根據(jù)《AERMET 用戶手冊》的要求，對項目周邊地表類型確定為針葉林覆蓋（0°～360°），地表特征參數(shù)以季度為周期進行選取，地表濕度按潮濕氣候進行選取。

1.4 污染源強數(shù)據(jù)

1.4.1 煙囪高度設置 根據(jù)《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485-2014）[3]，焚燒處理能力大于等于300t/日的生活垃圾焚燒廠煙囪最低允許高度為60 m。本研究對煙囪高度按照60 m、70 m、80 m、90 m、100 m、110 m、120 m進行設置，并以此為基礎開展后續(xù)預測。

1.4.2 煙氣量設置 該生活垃圾焚燒廠安裝有1 臺引風機，風量為120 000 Nm3/h，同時類比福建同等規(guī)模生活垃圾焚燒處理廠的實際運行排氣量，最低風量為74 667 Nm3/h。因此，本研究按照煙氣量80 000 Nm3/h、90 000 Nm3/h、100 000 Nm3/h、110 000 Nm3/h 進行設置，并以此為基礎開展后續(xù)預測。

1.4.3 源強數(shù)據(jù) 生活垃圾焚燒廠焚燒爐煙囪排放的因子主要包括SO2、NOx、顆粒物、HCl、CO、二噁英類及重金屬，其中，對大氣影響預測的最大占標率、預測范圍等影響較大的因子為HCl 和NOx。因此，本研究選取HCl 和NOx進行后續(xù)預測分析，詳見表2。

表2 主要廢氣污染源強一覽表

2 預測結果及分析

2.1 煙囪高度變化對預測結果的變化

2.1.1 煙囪高度的變化與污染物最大/小時濃度占標率Pi及大/小時濃度占標率變化率Y的變化關系 本研究用污染物最大/小時濃度變化率（Y）來表征排氣筒高度變化對下風向污染物最大/小時濃度的影響[4]，計算方法見公式（1）。

式中：Y 為污染物最大/小時濃度變化率，%；Ci0為原始高度排氣筒預測所得網(wǎng)格點污染物最大/小時濃度，mg/m3；Cic為排氣筒高度降低不同幅度后預測所得網(wǎng)格點污染物最大/小時濃度，mg/m3。

通過AERMOD模型預測顯示，總體上，隨著排氣筒高度的降低，HCl 污染物的最大/小時濃度占標率與變化率均呈正比例的線性增長。HCl 污染物的最大/小時濃度占標率與煙囪高度呈負相關，即煙囪高度越高，HCl的最大/小時濃度占標率越低。

值得注意的是NO2污染物，NOx污染物的最大/小時濃度占標率與煙囪高度基本呈負相關，只有在煙囪高度70 m 時出現(xiàn)大幅度上升的拐點，NO2污染物呈現(xiàn)大幅上升的趨勢，甚至比60 m排氣筒情況下NO2污染物的最大/小時濃度占標率更大。說明煙囪在此高度下，焚燒爐NOx污染物排放的影響最大，應避免項目煙囪高度設置在70 m（見圖2）。

圖2 不同煙囪高度下的污染物最大/小時濃度占標率變化率Y 的變化趨勢

2.1.2 煙囪高度變化對污染物最大/小時濃度離源距離Di及最大/小時濃度離源距離變化率Q 的影響 本研究通過計算污染物最大/小時濃度落地點距污染源距離變化率（Q），以直觀體現(xiàn)排氣筒高度變化對污染物最大/小時濃度出現(xiàn)距離的影響[5]，計算方法見公式（2）。

式中：Q為污染物最大/小時濃度落地點距污染源距離變化率，%；Di0為原始高度排氣筒預測所得污染物最大/小時濃度落地點距污染源距離，m；Di為排氣筒高度降低不同幅度后預測最大/小時濃度落地點距污染源距離，m。

AERMOD 模型模擬顯示，當煙囪高度從80 m 提高到110 m 時，NO2污染物的最大/小時濃度離源距離Di會顯著增加；當煙囪高度從60 m 提高到80 m 時，NO2污染物的Di數(shù)值幾乎不變。

當煙囪高度從90 m提高到110 m或從60 m 提高到80 m 時，HCl 污染物的最大/小時濃度離源距離Di會顯著增加；當煙囪高度在70 m～90 m 之間時，HCl 污染物的Di數(shù)值會呈現(xiàn)出先升后降的趨勢（見圖3、圖4）。

圖3 不同煙囪高度下的污染物最大/小時濃度離源距離Di 的變化趨勢

圖4 不同煙囪高度下的污染物最大/小時濃度離源距離變化率Q 的變化趨勢

2.2 煙氣排放量變化對預測結果的變化

2.2.1 煙氣排放量的變化與污染物最大/小時濃度占標率Pi及大/小時濃度占標率變化率Y 的變化關系 通過AERMOD 模型預測顯示，隨著煙氣排放量的降低，HCl 和NO2污染物的最大/小時濃度占標率與變化率基本呈線性增長，最大/小時濃度占標率與煙氣排放量呈負相關，即煙氣排放量越大，最大/小時濃度占標率越低（見圖5）。

圖5 不同煙氣排放量下的污染物最大/小時濃度占標率變化率Y的變化趨勢

2.2.2 煙氣排放量變化對污染物最大/小時濃度離源距離Di及最大/小時濃度離源距離變化率Q的影響 AERMOD模型模擬顯示，煙氣排放量的變化對最大/小時濃度離源距離Di的影響較小。當煙氣排放量從8 萬m3提到高12 萬m3時，NO2污染物的最大/小時濃度離源距離Di從475 m提高到493 m，變化率最大為3.65%；HCl 污染物的最大/小時濃度離源距離Di從461 m 提高到493 m，變化率最大為6.49%。（見圖6、圖7）。

圖6 不同煙氣排放量下的污染物最大/小時濃度離源距離Di的變化趨勢

圖7 不同煙氣排放量下的污染物最大/小時濃度離源距離變化率Q 的變化趨勢

3 結論與建議

綜上所述，煙囪高度的變化比煙氣排放量的變化，對焚燒爐煙氣污染物的最大/小時濃度和離源距離影響程度更大。總體而言，在山區(qū)的復雜地形和不利于擴散的氣象條件下，煙囪高度越高、煙氣排放量越大，污染物的最大/小時濃度及其占標率越低，離源距離越遠。但是，在本研究選取的案例中，也出現(xiàn)70 m 高度的排氣筒排放的污染物的最大落地濃度高于60 m 高度的排氣筒。因此，建議企業(yè)在設計階段和環(huán)評階段應充分考慮周邊地形及當?shù)貧庀髼l件，通過比選論證、模型預測等方式，合理設計煙囪高度及煙氣排氣量等參數(shù)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏。