陳晨 左天逸 陳世勛

安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院 安徽蚌埠 233030

基于高斯煙羽模型對(duì)工業(yè)氣體污染物擴(kuò)散的研究

陳晨 左天逸 陳世勛

安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院 安徽蚌埠 233030

本文指出了工業(yè)氣體污染物對(duì)人類(lèi)、植物及環(huán)境的危害，并分析了影響工業(yè)氣體污染物擴(kuò)散的因素，據(jù)此引出適用于研究工業(yè)氣體污染物擴(kuò)散的高斯煙羽模型。在選取模型的同時(shí)，針對(duì)研究的工業(yè)廢氣污染問(wèn)題進(jìn)行模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，帶入不同環(huán)境下工業(yè)污染源的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證被選取模型的適用性，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況分析工業(yè)空氣污染物的擴(kuò)散規(guī)律，從而針對(duì)性的提出空氣污染治理的建議，為節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)“APEC藍(lán)”建言獻(xiàn)策。

工業(yè)氣體污染物；高斯煙羽模型；控制變量；氣體擴(kuò)散規(guī)律引言

引言

改革開(kāi)放以后我國(guó)工業(yè)迅猛發(fā)展，尤其是21世紀(jì)以來(lái)工業(yè)發(fā)展更是駛?cè)肓丝燔?chē)道，但是隨之而來(lái)的是嚴(yán)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(kuò)散，會(huì)對(duì)生活在工業(yè)區(qū)附近居民的健康產(chǎn)生重要影響，國(guó)家現(xiàn)已予以重視，在2012年出臺(tái)了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，其中引入了更為嚴(yán)格的AQI空氣質(zhì)量指數(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。但是與此同時(shí)，全國(guó)各地區(qū)卻經(jīng)常曝出空氣質(zhì)量問(wèn)題，如全國(guó)大范圍、長(zhǎng)時(shí)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(chǔ)上進(jìn)行合理優(yōu)化，以求探尋空氣污染物的擴(kuò)散規(guī)律及影響范圍，以便采取更有針對(duì)性的治理措施，改善空氣質(zhì)量。

一、工業(yè)氣體污染物的危害

1.影響人類(lèi)健康

工業(yè)廢氣在離開(kāi)排污口后，會(huì)在風(fēng)的作用下不斷擴(kuò)散，生活工業(yè)區(qū)在周?chē)木用駮?huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間呼吸污染氣體濃度過(guò)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(zhì)，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(yán)重時(shí)還會(huì)引起肺癌；二氧化硫是具有刺激性的氣體，在達(dá)到一定濃度時(shí)，如果吸入人體，會(huì)灼燒呼吸道，導(dǎo)致呼吸道粘膜破裂，嚴(yán)重時(shí)有危及生命的風(fēng)險(xiǎn)。[1]

2.影響植物生長(zhǎng)

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(guò)程中燃燒不充分的細(xì)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(huì)在擴(kuò)散過(guò)程中先沉降下來(lái)，因?yàn)槠漕w粒較大、質(zhì)量較重、不易被風(fēng)吹移，故當(dāng)落在植物葉面時(shí)，在自然條件下難以清除，長(zhǎng)期積累在植物葉面會(huì)導(dǎo)致植物無(wú)法進(jìn)行光合作用，抑制植物生長(zhǎng)。

二、工業(yè)氣體污染物擴(kuò)散的影響因素

1.排放的氣體種類(lèi)

工業(yè)氣體污染物的成分眾多，每一種成分的擴(kuò)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(zhì)量較大，易向地勢(shì)低洼的地方擴(kuò)散，而氮氧化物為純氣體，易與空氣混合移動(dòng)。

2.污染排放源類(lèi)型

工業(yè)氣體污染源自身的屬性對(duì)氣體污染物擴(kuò)散起了很大的影響，對(duì)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(nèi)氣體排放速度、排放濃度等是影響氣體擴(kuò)散的重要指標(biāo)。同時(shí)，污染源為長(zhǎng)期連續(xù)排放還是短時(shí)內(nèi)瞬間排放，也對(duì)氣體擴(kuò)散有著重要的影響，對(duì)于工業(yè)廢氣排放來(lái)說(shuō)，多數(shù)為長(zhǎng)期連續(xù)排放，只有發(fā)生爆炸等事故時(shí)才會(huì)涉及到短時(shí)內(nèi)瞬間排放。

3.天氣因素

天氣也是影響污染物擴(kuò)散的重要因素，大部分氣體污染物都是隨著風(fēng)向呈扇形擴(kuò)散。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，風(fēng)速過(guò)小污染物無(wú)法迅速擴(kuò)散；風(fēng)速過(guò)大污染物易被吹散。

三、氣體擴(kuò)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(diǎn)源條件下中性氣體擴(kuò)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(diǎn)源形式排放，并屬于長(zhǎng)期持續(xù)性排放氣體，非常接近于高斯煙雨模型研究的對(duì)象。

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

2．計(jì)算模型

首先我們將工廠氣體污染排放源當(dāng)做一個(gè)點(diǎn)源，并將其置入坐標(biāo)系中，并設(shè)污染排放開(kāi)始的時(shí)間為t=0，時(shí)刻t在空間中任意一點(diǎn)(x,y,z)的污染物濃度記作C(x,y,z,t)。

此時(shí)帶入高斯煙羽模型：

σy、σz分別表示y、z軸上的擴(kuò)散系數(shù)，μ表示平均風(fēng)速。

依據(jù)上上式進(jìn)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(gè)因素有關(guān)：當(dāng)?shù)氐拇髿夥€(wěn)定程度和檢測(cè)地與污染源的水平距離x。其中大氣穩(wěn)定程度是通過(guò)帕斯奎爾（Pasquill）穩(wěn)定度分類(lèi)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(qiáng)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(jí)。[4]在確定大氣穩(wěn)定程度后對(duì)應(yīng)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推薦的高架源擴(kuò)散系數(shù)公式的數(shù)據(jù)確定相應(yīng)地?cái)U(kuò)散參數(shù)。

表一 擴(kuò)散參數(shù)表

3.應(yīng)用舉例

根據(jù)實(shí)際工廠氣體污染物排放情況，結(jié)合不同地區(qū)，不同環(huán)境下的影響，以上模型進(jìn)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(qiáng)度為0.56kg/s當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速為2m/s，大氣穩(wěn)定程度為C級(jí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表；（2）農(nóng)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(qiáng)度為0.24g/s，當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速為4m/s，大氣穩(wěn)定程度為D級(jí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。

表二 擴(kuò)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(jié)果分析

首先觀察應(yīng)用舉例中實(shí)際工業(yè)氣體污染物擴(kuò)散范圍的計(jì)算結(jié)果，總體上氣體擴(kuò)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(shì)。運(yùn)用高斯煙羽模型計(jì)算出的數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)中的擴(kuò)散濃度基本相符，數(shù)據(jù)顯示污染源附近100米至3000米的空氣質(zhì)量最差。在低高度、低風(fēng)速時(shí)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(nèi)，顯示出在這種環(huán)境下污染物更難擴(kuò)散開(kāi)，從而在污染源較近的地方沉降下來(lái)；而在較高的排放高度和風(fēng)速下濃度峰值則出現(xiàn)較晚，主要分散范圍也更廣達(dá)到了400米到3000米，反映出在較高高度、風(fēng)速情況下污染物更易擴(kuò)散。

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

五、對(duì)工業(yè)區(qū)空氣質(zhì)量改善的建議

通過(guò)計(jì)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(dāng)距離達(dá)到5000m時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)已經(jīng)到了優(yōu)級(jí)，也就是工業(yè)廢氣的影響已經(jīng)基本消除。并且氣體的主要是在風(fēng)的作用下擴(kuò)散，在污染源的下風(fēng)處氣體擴(kuò)散的范圍最廣、濃度最大。結(jié)合這兩點(diǎn)，故建議將工廠統(tǒng)一安排在固定的工業(yè)區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)，該地區(qū)選址最好可以遠(yuǎn)離城市居民生活區(qū)5km以上，并處于該地區(qū)常年風(fēng)向的下風(fēng)處，使得氣體污染物飄散至居民區(qū)時(shí)污染物濃度已經(jīng)達(dá)到安全值，這樣可以最大化的避免工業(yè)氣體污染物對(duì)城市居民造成影響。同時(shí)希望國(guó)家進(jìn)一步制定更為嚴(yán)格工業(yè)排污企業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)禁超規(guī)格排放。

[1]夏楓.空氣污染我們向你說(shuō)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(kuò)散范圍估計(jì)與防范對(duì)策[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2008,30(2),114-118.

[3]楊桂花.城市空氣污染的綜合評(píng)價(jià)及建模[D].哈爾濱理工大學(xué)碩士論文,2010,1-57.

[4]相勁平.Steel(蘇州)公司項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)與環(huán)保對(duì)策[D].南京理工大學(xué)碩士論文,2008,1-80.