基于AERMOD模式的重點行業排氣筒高度變化敏感性分析

陳陸霞,易愛華

(1．北京尚云環境有限公司，北京 100081; 2.生態環境部環境工程評估中心，北京 100012；3．國家環境保護環境影響評價數值模擬重點實驗室，北京 100012)

排氣筒(或煙囪)是企業向大氣排放污染物的主要排放口。高的煙囪設置可以增加煙氣抬升有效高度，從而有利于污染物的稀釋擴散[1]，但工程造價也會隨著高度的抬升顯著增加[2-3]。有研究表明，煙囪每升高一米，單位工程造價增加0.95萬元[4]。同時煙囪越高，對地質結構、煙囪結構的要求也越高。

建設項目環境影響評價的時間節點為項目開工建設之前，由于對工程情況及地質條件的認識不足，或項目自身規模變化的影響，往往存在著實際建設中降低煙囪高度的可能性。根據原環境保護部辦公廳在《關于印發制漿造紙等十四個行業建設項目重大變動清單的通知》(環辦環評〔2018〕6號)中明確提出，當排氣筒高度降低10%及以上時，屬于建設項目發生了重大變更。這就意味著當排氣筒高度降低10%及以上時，建設單位需要重新報批環境影響評價文件。

目前關于排氣筒高度變化的影響分析多集中于高度按一定數值增加的單個項目正向研究，例如陳建平、劉榮、張培等人[5-7]分析了硫酸項目、火電項目不同高度排氣筒產生的污染物對環境的影響，結果均表明污染物最大落地濃度隨排氣筒高度增加而遞減，但是遞減率并不相同。為充分論證排氣筒高度變化對環境空氣質量的影響，本文收集了13個重點行業共計18份環境影響評價報告，在相同的氣象、地形、地表和污染源參數下，分為低架源、中架源和高架源，按照高度降低5%、10%、20%、30%設置不同高度排氣筒，以網格點污染物最大小時濃度和最大小時濃度落地點距污染源距離為考察指標，分析說明兩項指標對排氣筒高度變化的敏感性，以期從環保角度對排氣筒高度的設置提供科學依據。

1 排放源劃分

污染源按照排放高度可分為低架源、中架源、高架源。根據《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法(GB/T 3840—1991)中5.1.4、5.1.8和5.1.9的定義，幾何高度低于30m的排氣筒排放或無組織排放源為低架源，幾何高度大于等于30m但小于100m的排氣筒為中架源，幾何高度大于等于100m的排放源為高架源。

結合污染物排放擴散影響，本次以排氣筒高度≥100m的排放源為高架源，30m≤排氣筒高度<100m的排氣筒為中架源，排氣筒高度<30m的排氣筒或無組織排放源為低架源，并以此為基礎開展相關研究工作。

2 研究方法

2.1 模擬模型

本次模擬研究采用《建設項目環境影響評價技術導則 大氣環境》(HJ 2.2—2018)推薦模型AERMOD[8-11]。該模型自2008年引入我國并逐漸成為局地尺度模擬研究推薦的法規模型。本次研究基于AERMOD，對已收集到的18份環評報告主要排放源網格點最大小時濃度和最大小時濃度落地點與污染源的距離進行統計分析。

2.2 參數選擇

為簡化參數設置，減小參數變化對預測結果的影響，地表類型確定為0°～360°草地覆蓋，地表特征參數根據《AERMET用戶手冊》(《AERMET USER GUIDE》)以年為周期自動選取，正午反照率為0.29，波文比為0.925，粗糙度為0.04025m。評價范圍為邊長≤15 km時，預測網格設置為500m間隔；邊長>15 km時，預測網格為1000m間隔。

2.3 案例選取

本研究以《關于印發制漿造紙等十四個行業建設項目重大變動清單的通知》(環辦環評〔2018〕6號)為基礎，從生態環境部網站選擇了制漿造紙、制藥、農藥、化肥、紡織印染、制革、農副食品加工、鋼鐵、煉焦化學、平板玻璃、水泥、銅鉛鋅冶煉、鋁冶煉等13個行業總計18份環評報告作為研究對象。按照排氣筒高度分，其中有低架源報告5份，中架源報告4份，高架源報告9份。案例選取基本情況見表1。

表1 案例基本情況一覽表

3 結果分析

3.1 排氣筒高度變化對污染物最大小時濃度的影響分析

以報告書中排氣筒高度為基準，按5%的下降比例，預測不同下降高度后，污染物最大小時濃度變化率。用污染物最大小時濃度變化率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，計算方法見公式(1)。

(1)

式中，Y:污染物最大小時濃度變化率，%；

Cio:原始高度排氣筒預測所得網格點污染物最大小時濃度，mg/m3；

Ci:排氣筒高度降低不同百分比后預測所得網格點污染物最大小時濃度，mg/m3。

低、中、高架源排氣筒高度降低不同百分比后污染物最大小時濃度變化率見圖1。

探討區塊鏈在應用中的戰略價值，必須要解決區塊鏈技術普遍應用的問題，究竟企業要采取什么戰略路徑，才能獲取區塊鏈紅利，不同行業區塊鏈的具體應用一定不同。

由圖1可見，對于低架源、中架源和高架源，總體上當排氣筒高度從原始降低至10%時，污染物最大小時濃度變化率基本呈線性增長；當排氣筒高度降低超過10%時，污染物最大小時濃度增長率明顯加快；排氣筒高度降低超過20%時，污染物最大小時濃度增長率繼續增加，且增幅更大。

有兩種情況值得特別關注，分別是排氣筒高度較低(如案例1為15 m)和排氣筒高度較高(如案例17和案例18為150m)，此時污染物最大小時濃度變化率在排氣筒高度降低小于20%時增長比較平穩，但當排氣筒高度降低超過20%時，最大小時濃度變化率出現突增，因此當排氣筒高度較低或較高時，降低比例超過20%應當引起重視。

3.2 排氣筒高度變化對污染物最大小時濃度出現距離的影響分析

以排氣筒高度5%的下降比例，預測不同下降高度后，污染物最大小時濃度落地點變化情況。以污染物最大小時濃度落地點距污染源距離的變化率來表征排氣筒高度變化對污染物最大小時濃度出現距離的影響。污染物最大小時濃度出現距離變化率見公式(2)。

(2)

式中，Q：污染物最大小時濃度落地點距污染源距離變化率，%；

Dio：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：排氣筒高度降低不同百分比后污染物最大小時濃度落地點距污染源距離，m。

排氣筒高度變化對污染物最大小時濃度落地點距污染源距離的影響如圖2所示。從圖中可以看出，對低架源(如案例1到案例4，高度15m～20m)，隨著排氣筒高度降低，污染物最大小時濃度落地點距污染源距離幾乎沒有變化。對中、高架源，排氣筒高度變化會引起最大小時濃度落地點距污染源距離的變化，但變化多出現在排氣筒高度降低20%以上時。

同時，從圖2可見，當排氣筒高度介于70m～110m時，如案例8～案例15，多數情況下排氣筒高度越低最大小時濃度落地點距污染源距離越遠；當排氣筒高度介于30m～70m，如案例6～案例7，或于110m時，如案例16～案例18，排氣筒高度越低，最大小時濃度落地點距污染源距離越近。

圖2 排氣筒高度變化對最大小時濃度落地點距污染源距離影響分析Fig.2 Analysis of the influence of height variation on the maximum hourly concentration drop places

3.3 排氣筒高度優化設置

分別將低架源、中架源和高架源，多個案例所得污染物最大小時濃度變化率和最大小時濃度落地點距污染源距離變化率進行平均，得到排氣筒高度降低百分比對應的平均變化率，如圖3至圖4所示。

圖3 排氣筒高度變化與污染物最大小時濃度響應關系Fig.3 Relationship between height variation and pollution maximum hourly concentration

圖4 排氣筒高度變化與污染物最大小時濃度落地點距污染源距離響應關系Fig.4 Relationship between height variation and maximum hourly concentration drop places

圖3為污染物最大小時濃度平均變化率對排氣筒高度變化敏感性分析。從圖中可以看出，隨著排氣筒高度的降低，污染物最大小時濃度不斷增加。對中架源，污染物最大小時濃度與排氣筒高度變化的正相關性最好，線性方程為y=1.1417x-0.016，相關系數達到0.9899，該線性方程可作為排氣筒高度優化設置的參考依據。

圖4為污染物最大小時濃度落地點距污染源距離平均變化率對排氣筒高度變化敏感性分析。根據上述分析對于低架源，污染物最大小時濃度出現距離基本與排氣筒高度的變化無關；而對于中、高架源，污染物最大小時濃度落地點距污染源距離與排氣筒高度變化的相關性并不是很好，相關系數最高只有0.8581。

3.4 不確定性分析

本次模擬預測及結果分析基于已收集到的18份報告，受報告數量、有效性和代表性的限制，同時受模擬過程中所采用的模擬模型、氣象數據、地表類型、地表特征參數、網格間距設置的單一性影響，本次預測模擬結果及對結果所做的各項分析具有一定的不確定性。

4 結論與建議

排氣筒高度的設置在考慮工程設計、行業規范相關要求的基礎上，為保證污染物達標排放，切不可隨意降低排氣筒高度。當低架源、中架源和高架源均為排氣筒高度降低超過10%時，污染物最大小時濃度增長率明顯加快；排氣筒高度降低超過20%時，污染物最大小時濃度增長率顯著增大。尤其是排氣筒高度較低和較高時，降低比例超過20%，應該引起重視。

基于本次研究設置的特定氣象、地形、地表、網格間距，結果顯示低架源時污染物最大小時濃度落地點與污染源距離基本與排氣筒高度變化無關；對中架源和高架源，排氣筒高度變化會引起最大小時濃度落地點與污染源距離的變化，但變化多出現在排氣筒高度降低20%以上時。

中架源的污染物最大小時濃度與排氣筒高度變化的相關性最好，線性方程為y=1.1417x-0.016，相關系數達到0.9899。在滿足污染物達標排放的前提下，可結合該線性方程對排氣筒高度進行適當調整和優化。同時，企業可將合理規劃后節約的資金用于其他污染防治設施的安裝、維護和保障運行等方面，統籌兼顧經濟效益和環境效益。