影响烟囱污染物的气象条件模拟研究

1　引言
大气是人类赖以生存的最基本的环境要素之一[1]。众所周知,烟囱本身并不能减少排入大气的污染物数量,但它能使污染物从排放源的局部地区
向较大范围内扩散。利用大气的自洁能力能使地面污染物浓度控制在可以接受的范围内。一般而言,烟囱越高,烟气上升力越强,燃料燃烧也越充分,污染物可以向离地面较高的大气中扩散,由于高空风速大,稀释能力强,可使大气污染程度减轻。但烟囱的高度并非越高越好,当烟囱高度达到一定高度后如果再增加其高度,对地面大气污染程度的降低效率就会减小,而烟囱造价却随高度增加而急剧增大[2]。马雁军等[3]在不同排放高度的污染源对城市大气污染贡献分析中,分别计算了不同类别高度的污染源对沈阳各监测点的浓度影响,通过计算得知,35 m以下的污染源SO2的排放量占全市的总排放量较少,而造成的地面浓度的贡献率占全市总排放量也较少,造成的地面浓度占33·7%;55 m以上的污染源SO2的排放量占全市总排放量大部分,而造成的地面浓度却只约占20.5%。所以烟囱高度在很大程度上决定着污染物浓度的分布。为此,迫切需要弄清适宜的烟囱高度及其与环境因子的关系,为城市环境保护与生态城市建设提供依据,因为环境空气质量的好坏不仅与广大人民群众的生活息息相关,而且制约着经济和社会的发展[4]。
2　资料与方法
2·1　资料来源
　　采用2006年12月调兵山市煤矸石发电有限责任公司2×300 MW电厂新建工程大气预测资料,烟囱基本源数据见表1。从表1可知,烟囱直径为8 m,出口温度为113℃,SO2排放率为99·44 g/s,烟气流速为18·74 m/s;气象条件随研究进行而变化,风向取固定值,均为北风。
2·2　研究方法
2·2·1　模型简介
本研究采用美国环境保护局推荐使用的ISC3(Industrial Sources Complex Short Term Version)大气污染扩散模型。模型基于统计理论的正态烟流模式,使用的公式为目前广泛应用的稳态封闭型高斯扩散方程,主要用于计算包括点源、面源、体源、线源和开放源的各种工业源排放的SO2、TSP、PM10、NOx和CO等污染物在环境中的浓度。该模型可模拟各种烟气抬升和扩散过程,如静风条件、风廓线指数、城/乡扩散、沉积和沉降等;还可模拟烟囱顶端尾流、城市建筑对点源排放的尾流作用,并考虑城市线源、面源的初始扩散尺度。模型还可模拟各类污染源排出的污染物在各种气象条件和下垫面条件下的扩散稀释规律,其中包括污染物自源排放后的输送、湍流扩散、抬升和各种转化、迁移与清除过程以及这些条件下环境空气中的污染物浓度。
模型考虑了SO2在空气中转化为硫酸盐带来的浓度损失。这种损失在模型中以指数衰减的形式表示。在城市地区进行模拟时,SO2衰减指数的半衰
期取4 h。对于其他大气污染物,ISC3目前的版本尚未考虑其在空气中的化学转化。模拟时段包括年平均、日平均和逐时平均。模型适用于极坐标、直角坐标下的各种受体网络。模型采用逐时气象数据来确定气象条件对烟流抬升、传输和扩散的影响[5]。
2·2·2　模式有效性检验
源强数据。收集了2002年沈阳1 860个点源数据和35个面源数据和监测数据。由于ISC3模式规定运行不超过300个排放源(点源+面源+体源),
所以将高于60 m的点源定为点源;低于和等于60 m的点源归纳成100个面源,即点源和面源为289个。气象资料由沈阳观象台提供。SO2监测资料由沈阳环境监测中心站提供。
3　结果分析
采用ISC3短期模式分别模拟了不同烟囱高度(150、180、210m和240m),不同稳定度(A为强不稳定、B为不稳定、C为弱不稳定、D为中性、E为较稳
定、F为稳定)和不同风速(1、2、3 m/s和4 m/s)的最大浓度及最大落地距离,在稳定度不变时,随着风速的增大最大浓度逐渐变小,落地距离趋于平缓,如当稳定度为A且风速为1 m/s时,最大浓度为22·6μg/m3,最大落地距离为3 000m;风速为2 m/s时,最大浓度为21·5μg/m3,最大落地距离为1 500 m;在风速为3 m/s时,最大浓度为18·9μg/m3,最大落地距离为1 500 m;风速为4 m/s时,最大浓度为25·1μg/m3,最大落地距离为1 500 m。以上符合在稳定度不变时,随着风速的增大,最大浓度逐渐变小、落地距离逐渐变小的规律。地距离逐渐变小;但在风速大于某一固定值后,最大风速为4 m/s时,最大浓度有所增加,这可能是由模式误差而引起。当稳定度为B或C时,也大致符合逐渐变小的趋势,而当稳定度为D或E时,这种规律似乎更加吻合。当稳定度不变时,风速逐渐变大时的规律:风速不变,稳定度由稳定逐渐变为不稳定时,最大落地浓度逐渐变小,最大落地距离逐渐变大。
　稳定度为A、C、E时,最大浓度和最大落地距离
随风速增加而逐渐变小,最大落地浓度逐渐变小的
规律表现较好。其他稳定度表现较差而当风速不变
时,随着稳定度的逐渐增大,最大浓度逐渐变小,最
大落地距离逐渐变大。
　　在稳定度为A、C、D、E、F时,随着风速的增大最大浓度逐渐变小;落地距离逐渐变小;而当稳定度为B时,这种规律稍差一些。当风速不变时,随着稳定度的逐渐增大,最大浓度逐渐变小,最大落地距离逐渐变大。
　　在稳定度为A、C、E、F时,随着风速的增大最大浓度逐渐变小,落地距离逐渐变小,最大落地距离逐渐变大的规律表现较好。而在稳定度为B、D时,表现较差。当风速不变时,随着稳定度的逐渐变大,最大浓度逐渐变小,最大落地距离逐渐变大的规律表
　　通常稳定度不变,最大浓度随着风速的增加而逐渐变小,最大落地距离逐渐变小。而当风速不变时,随着稳定度的逐渐增大,最大浓度逐渐变小,最大落地距离逐渐变大。以上分析表明,在相同稳定度和相同风速条件下,随着烟囱高度的减小,最大浓度逐渐变大,在烟囱高度分别为240、210、180 m和150 m时,风速均为1 m/s、稳定度为A时,最大浓度分别为22·6,22·8,22·9μg/m3和23·1μg/m3,最大落地距离均为3 000 m。由此可知,最大浓度逐渐变大,最大落地距离基本不变。