基于高斯煙羽模型對工業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

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

工業氣體污染物；高斯煙羽模型；控制變量；氣體擴散規律引言

引言

改革開放以后我國工業迅猛發展，尤其是21世紀以來工業發展更是駛入了快車道，但是隨之而來的是嚴重的工業污染。工業廢氣是工業三廢中的重要一環，廢氣直接排放至空氣中，隨著其不斷擴散，會對生活在工業區附近居民的健康產生重要影響，國家現已予以重視，在2012年出臺了新的《環境空氣質量標準》，其中引入了更為嚴格的AQI空氣質量指數對環境進行監控。但是與此同時，全國各地區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化，以求探尋空氣污染物的擴散規律及影響范圍，以便采取更有針對性的治理措施，改善空氣質量。

一、工業氣體污染物的危害

1.影響人類健康

工業廢氣在離開排污口后，會在風的作用下不斷擴散，生活工業區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

在工業廢氣中煙（粉）塵是其主要的污染氣體之一，它是工業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、工業氣體污染物擴散的影響因素

1.排放的氣體種類

工業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，對于工業廢氣排放來說，多數為長期連續排放，只有發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，且工業污染多以煙囪點源形式排放，并屬于長期持續性排放氣體，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，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：當地的大氣穩定程度和檢測地與污染源的水平距離x。其中大氣穩定程度是通過帕斯奎爾（Pasquill）穩定度分類法用A、B、C、D、E、F表示大氣穩定程度，分別表示其程度為強不穩定、不穩定、弱不穩定、中型、較穩定和穩定六級。[4]在確定大氣穩定程度后對應國際原子能機構（IAEA）根據相關實驗數據推薦的高架源擴散系數公式的數據確定相應地擴散參數。

表一 擴散參數表

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，不同環境下的影響，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當地平均風速為2m/s，大氣穩定程度為C級，計算結果見下表；（2）農村地區一工廠煙囪高100m，主要污染物排放為一氧化碳，其排放強度為0.24g/s，當地平均風速為4m/s，大氣穩定程度為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） 10.12（輕度污染）5000 8.76（優） 4.51（優）

四、結果分析

首先觀察應用舉例中實際工業氣體污染物擴散范圍的計算結果，總體上氣體擴散呈現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據與現實中的擴散濃度基本相符，數據顯示污染源附近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，影響大氣環境。

五、對工業區空氣質量改善的建議

通過計算我們發現，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時空氣質量指數已經到了優級，也就是工業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，故建議將工廠統一安排在固定的工業區進行生產，該地區選址最好可以遠離城市居民生活區5km以上，并處于該地區常年風向的下風處，使得氣體污染物飄散至居民區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排污企業排放標準，嚴禁超規格排放。

[1]夏楓.空氣污染我們向你說不[J].沿海環境,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)公司項目環境影響評價與環保對策[D].南京理工大學碩士論文,2008,1-80.