基于高斯烟羽模型对工业气体污染物扩散的研究

陈晨 左天逸 陈世勋

安徽财经大学金融学院 安徽蚌埠 233030

基于高斯烟羽模型对工业气体污染物扩散的研究

陈晨 左天逸 陈世勋

安徽财经大学金融学院 安徽蚌埠 233030

本文指出了工业气体污染物对人类、植物及环境的危害，并分析了影响工业气体污染物扩散的因素，据此引出适用于研究工业气体污染物扩散的高斯烟羽模型。在选取模型的同时，针对研究的工业废气污染问题进行模型优化设计，带入不同环境下工业污染源的各项参数进行计算，验证被选取模型的适用性，同时根据数据结合现实情况分析工业空气污染物的扩散规律，从而针对性的提出空气污染治理的建议，为节能减排、实现“APEC蓝”建言献策。

工业气体污染物；高斯烟羽模型；控制变量；气体扩散规律引言

引言

改革开放以后我国工业迅猛发展，尤其是21世纪以来工业发展更是驶入了快车道，但是随之而来的是严重的工业污染。工业废气是工业三废中的重要一环，废气直接排放至空气中，随着其不断扩散，会对生活在工业区附近居民的健康产生重要影响，国家现已予以重视，在2012年出台了新的《环境空气质量标准》，其中引入了更为严格的AQI空气质量指数对环境进行监控。但是与此同时，全国各地区却经常曝出空气质量问题，如全国大范围、长时间的雾霾天气等，治理大气污染依旧迫在眉睫。本文在高斯烟羽模型的基础上进行合理优化，以求探寻空气污染物的扩散规律及影响范围，以便采取更有针对性的治理措施，改善空气质量。

一、工业气体污染物的危害

1.影响人类健康

工业废气在离开排污口后，会在风的作用下不断扩散，生活工业区在周围的居民会因为长时间呼吸污染气体浓度过高的空气而引发各种疾病。烟（粉）尘中主要含有铬、锰、汞、铅等重金属物质，吸入后不易被身体排出，在肺部聚集后易引发肺炎等肺部疾病，严重时还会引起肺癌；二氧化硫是具有刺激性的气体，在达到一定浓度时，如果吸入人体，会灼烧呼吸道，导致呼吸道粘膜破裂，严重时有危及生命的风险。[1]

2.影响植物生长

在工业废气中烟（粉）尘是其主要的污染气体之一，它是工业加工过程中燃烧不充分的细小颗粒，其中包含人们熟知的PM2.5和PM10，烟（粉）尘中其他较大的颗粒会在扩散过程中先沉降下来，因为其颗粒较大、质量较重、不易被风吹移，故当落在植物叶面时，在自然条件下难以清除，长期积累在植物叶面会导致植物无法进行光合作用，抑制植物生长。

二、工业气体污染物扩散的影响因素

1.排放的气体种类

工业气体污染物的成分众多，每一种成分的扩散方式都不一样，例如烟（粉）尘主要为空气中的颗粒悬浮物，体积质量较大，易向地势低洼的地方扩散，而氮氧化物为纯气体，易与空气混合移动。

2.污染排放源类型

工业气体污染源自身的属性对气体污染物扩散起了很大的影响，对于工业污染源，大多采用烟囱排放为主要的排放方式，烟囱口距地面的高度、管内气体排放速度、排放浓度等是影响气体扩散的重要指标。同时，污染源为长期连续排放还是短时内瞬间排放，也对气体扩散有着重要的影响，对于工业废气排放来说，多数为长期连续排放，只有发生爆炸等事故时才会涉及到短时内瞬间排放。

3.天气因素

天气也是影响污染物扩散的重要因素，大部分气体污染物都是随着风向呈扇形扩散。简单来说，风速过小污染物无法迅速扩散；风速过大污染物易被吹散。

三、气体扩散范围的估算

1．模型的选择

高斯烟羽模型是一种广泛适用于研究持续排放点源条件下中性气体扩散的模型。[2]我们研究的气体污染物多为中性气体，且工业污染多以烟囱点源形式排放，并属于长期持续性排放气体，非常接近于高斯烟雨模型研究的对象。

故我们选用了可以最大程度考虑工业气体污染物扩散因素的高斯烟羽模型作为研究模型。

2．计算模型

首先我们将工厂气体污染排放源当做一个点源，并将其置入坐标系中，并设污染排放开始的时间为t=0，时刻t在空间中任意一点(x,y,z)的污染物浓度记作C(x,y,z,t)。

此时带入高斯烟羽模型：

σy、σz分别表示y、z轴上的扩散系数，µ表示平均风速。

依据上上式进一步令z，y=0，则可以得到沿着X轴线上的浓度：

σy、σz与两个因素有关：当地的大气稳定程度和检测地与污染源的水平距离x。其中大气稳定程度是通过帕斯奎尔（Pasquill）稳定度分类法用A、B、C、D、E、F表示大气稳定程度，分别表示其程度为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中型、较稳定和稳定六级。[4]在确定大气稳定程度后对应国际原子能机构（IAEA）根据相关实验数据推荐的高架源扩散系数公式的数据确定相应地扩散参数。

表一 扩散参数表

3.应用举例

根据实际工厂气体污染物排放情况，结合不同地区，不同环境下的影响，以上模型进行气体污染物浓度估算。（1）城市地区一工厂烟囱高50m，主要污染物排放为氮氧化物，其排放强度为0.56kg/s当地平均风速为2m/s，大气稳定程度为C级，计算结果见下表；（2）农村地区一工厂烟囱高100m，主要污染物排放为一氧化碳，其排放强度为0.24g/s，当地平均风速为4m/s，大气稳定程度为D级，计算结果见下表。

表二 扩散浓度表

800 221.55（轻度污染） 45.14（中度污染）1000 152.24（良） 40.20（中度污染）3000 21.93（优） 10.12（轻度污染）5000 8.76（优） 4.51（优）

四、结果分析

首先观察应用举例中实际工业气体污染物扩散范围的计算结果，总体上气体扩散呈现出随着距离的变化浓度先增加再逐渐减少的趋势。运用高斯烟羽模型计算出的数据与现实中的扩散浓度基本相符，数据显示污染源附近100米至3000米的空气质量最差。在低高度、低风速时污染物浓度的峰值出现的较早且更为集中，主要聚集在200米到400米的较小范围内，显示出在这种环境下污染物更难扩散开，从而在污染源较近的地方沉降下来；而在较高的排放高度和风速下浓度峰值则出现较晚，主要分散范围也更广达到了400米到3000米，反映出在较高高度、风速情况下污染物更易扩散。

但是由于两种气体的排放环境、影响因素不同，导致其浓度变化也有一定的差别。综合上述数据以及公式，可以得出当排污口的高度越高、风速越大、大气稳定度等级越低，越有利于空气污染物的消散，地面污染物浓度就会越小；相反，如果排污口的高度越低、风速越小、大气稳定度等级越高，气体污染物越难以迅速扩散，易堆积在排污口附近，造成排污口附近空气质量严重污染，影响大气环境。

五、对工业区空气质量改善的建议

通过计算我们发现，在正常的天气情况下工厂气体污染物主要集中于100m至3000m，当距离达到5000m时空气质量指数已经到了优级，也就是工业废气的影响已经基本消除。并且气体的主要是在风的作用下扩散，在污染源的下风处气体扩散的范围最广、浓度最大。结合这两点，故建议将工厂统一安排在固定的工业区进行生产，该地区选址最好可以远离城市居民生活区5km以上，并处于该地区常年风向的下风处，使得气体污染物飘散至居民区时污染物浓度已经达到安全值，这样可以最大化的避免工业气体污染物对城市居民造成影响。同时希望国家进一步制定更为严格工业排污企业排放标准，严禁超规格排放。

[1]夏枫.空气污染我们向你说不[J].沿海环境,1999,(5):8-9.

[2]邱奎,庞晓虹,刘定东.高含硫天然气井喷的扩散范围估计与防范对策[J].石油天然气学报,2008,30(2),114-118.

[3]杨桂花.城市空气污染的综合评价及建模[D].哈尔滨理工大学硕士论文,2010,1-57.

[4]相劲平.Steel(苏州)公司项目环境影响评价与环保对策[D].南京理工大学硕士论文,2008,1-80.