基于AERMOD模式的重点行业排气筒高度变化敏感性分析

陈陆霞,易爱华

(1．北京尚云环境有限公司，北京 100081; 2.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012；3．国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室，北京 100012)

排气筒(或烟囱)是企业向大气排放污染物的主要排放口。高的烟囱设置可以增加烟气抬升有效高度，从而有利于污染物的稀释扩散[1]，但工程造价也会随着高度的抬升显著增加[2-3]。有研究表明，烟囱每升高一米，单位工程造价增加0.95万元[4]。同时烟囱越高，对地质结构、烟囱结构的要求也越高。

建设项目环境影响评价的时间节点为项目开工建设之前，由于对工程情况及地质条件的认识不足，或项目自身规模变化的影响，往往存在着实际建设中降低烟囱高度的可能性。根据原环境保护部办公厅在《关于印发制浆造纸等十四个行业建设项目重大变动清单的通知》(环办环评〔2018〕6号)中明确提出，当排气筒高度降低10%及以上时，属于建设项目发生了重大变更。这就意味着当排气筒高度降低10%及以上时，建设单位需要重新报批环境影响评价文件。

目前关于排气筒高度变化的影响分析多集中于高度按一定数值增加的单个项目正向研究，例如陈建平、刘荣、张培等人[5-7]分析了硫酸项目、火电项目不同高度排气筒产生的污染物对环境的影响，结果均表明污染物最大落地浓度随排气筒高度增加而递减，但是递减率并不相同。为充分论证排气筒高度变化对环境空气质量的影响，本文收集了13个重点行业共计18份环境影响评价报告，在相同的气象、地形、地表和污染源参数下，分为低架源、中架源和高架源，按照高度降低5%、10%、20%、30%设置不同高度排气筒，以网格点污染物最大小时浓度和最大小时浓度落地点距污染源距离为考察指标，分析说明两项指标对排气筒高度变化的敏感性，以期从环保角度对排气筒高度的设置提供科学依据。

1 排放源划分

污染源按照排放高度可分为低架源、中架源、高架源。根据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法(GB/T 3840—1991)中5.1.4、5.1.8和5.1.9的定义，几何高度低于30m的排气筒排放或无组织排放源为低架源，几何高度大于等于30m但小于100m的排气筒为中架源，几何高度大于等于100m的排放源为高架源。

结合污染物排放扩散影响，本次以排气筒高度≥100m的排放源为高架源，30m≤排气筒高度<100m的排气筒为中架源，排气筒高度<30m的排气筒或无组织排放源为低架源，并以此为基础开展相关研究工作。

2 研究方法

2.1 模拟模型

本次模拟研究采用《建设项目环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ 2.2—2018)推荐模型AERMOD[8-11]。该模型自2008年引入我国并逐渐成为局地尺度模拟研究推荐的法规模型。本次研究基于AERMOD，对已收集到的18份环评报告主要排放源网格点最大小时浓度和最大小时浓度落地点与污染源的距离进行统计分析。

2.2 参数选择

为简化参数设置，减小参数变化对预测结果的影响，地表类型确定为0°～360°草地覆盖，地表特征参数根据《AERMET用户手册》(《AERMET USER GUIDE》)以年为周期自动选取，正午反照率为0.29，波文比为0.925，粗糙度为0.04025m。评价范围为边长≤15 km时，预测网格设置为500m间隔；边长>15 km时，预测网格为1000m间隔。

2.3 案例选取

本研究以《关于印发制浆造纸等十四个行业建设项目重大变动清单的通知》(环办环评〔2018〕6号)为基础，从生态环境部网站选择了制浆造纸、制药、农药、化肥、纺织印染、制革、农副食品加工、钢铁、炼焦化学、平板玻璃、水泥、铜铅锌冶炼、铝冶炼等13个行业总计18份环评报告作为研究对象。按照排气筒高度分，其中有低架源报告5份，中架源报告4份，高架源报告9份。案例选取基本情况见表1。

表1 案例基本情况一览表

3 结果分析

3.1 排气筒高度变化对污染物最大小时浓度的影响分析

以报告书中排气筒高度为基准，按5%的下降比例，预测不同下降高度后，污染物最大小时浓度变化率。用污染物最大小时浓度变化率来表征排气筒高度变化对下风向污染物最大小时浓度的影响，计算方法见公式(1)。

(1)

式中，Y:污染物最大小时浓度变化率，%；

Cio:原始高度排气筒预测所得网格点污染物最大小时浓度，mg/m3；

Ci:排气筒高度降低不同百分比后预测所得网格点污染物最大小时浓度，mg/m3。

低、中、高架源排气筒高度降低不同百分比后污染物最大小时浓度变化率见图1。

探讨区块链在应用中的战略价值，必须要解决区块链技术普遍应用的问题，究竟企业要采取什么战略路径，才能获取区块链红利，不同行业区块链的具体应用一定不同。

由图1可见，对于低架源、中架源和高架源，总体上当排气筒高度从原始降低至10%时，污染物最大小时浓度变化率基本呈线性增长；当排气筒高度降低超过10%时，污染物最大小时浓度增长率明显加快；排气筒高度降低超过20%时，污染物最大小时浓度增长率继续增加，且增幅更大。

有两种情况值得特别关注，分别是排气筒高度较低(如案例1为15 m)和排气筒高度较高(如案例17和案例18为150m)，此时污染物最大小时浓度变化率在排气筒高度降低小于20%时增长比较平稳，但当排气筒高度降低超过20%时，最大小时浓度变化率出现突增，因此当排气筒高度较低或较高时，降低比例超过20%应当引起重视。

3.2 排气筒高度变化对污染物最大小时浓度出现距离的影响分析

以排气筒高度5%的下降比例，预测不同下降高度后，污染物最大小时浓度落地点变化情况。以污染物最大小时浓度落地点距污染源距离的变化率来表征排气筒高度变化对污染物最大小时浓度出现距离的影响。污染物最大小时浓度出现距离变化率见公式(2)。

(2)

式中，Q：污染物最大小时浓度落地点距污染源距离变化率，%；

Dio：原始高度排气筒预测所得污染物最大小时浓度落地点距污染源距离，m；

Di：排气筒高度降低不同百分比后污染物最大小时浓度落地点距污染源距离，m。

排气筒高度变化对污染物最大小时浓度落地点距污染源距离的影响如图2所示。从图中可以看出，对低架源(如案例1到案例4，高度15m～20m)，随着排气筒高度降低，污染物最大小时浓度落地点距污染源距离几乎没有变化。对中、高架源，排气筒高度变化会引起最大小时浓度落地点距污染源距离的变化，但变化多出现在排气筒高度降低20%以上时。

同时，从图2可见，当排气筒高度介于70m～110m时，如案例8～案例15，多数情况下排气筒高度越低最大小时浓度落地点距污染源距离越远；当排气筒高度介于30m～70m，如案例6～案例7，或于110m时，如案例16～案例18，排气筒高度越低，最大小时浓度落地点距污染源距离越近。

图2 排气筒高度变化对最大小时浓度落地点距污染源距离影响分析Fig.2 Analysis of the influence of height variation on the maximum hourly concentration drop places

3.3 排气筒高度优化设置

分别将低架源、中架源和高架源，多个案例所得污染物最大小时浓度变化率和最大小时浓度落地点距污染源距离变化率进行平均，得到排气筒高度降低百分比对应的平均变化率，如图3至图4所示。

图3 排气筒高度变化与污染物最大小时浓度响应关系Fig.3 Relationship between height variation and pollution maximum hourly concentration

图4 排气筒高度变化与污染物最大小时浓度落地点距污染源距离响应关系Fig.4 Relationship between height variation and maximum hourly concentration drop places

图3为污染物最大小时浓度平均变化率对排气筒高度变化敏感性分析。从图中可以看出，随着排气筒高度的降低，污染物最大小时浓度不断增加。对中架源，污染物最大小时浓度与排气筒高度变化的正相关性最好，线性方程为y=1.1417x-0.016，相关系数达到0.9899，该线性方程可作为排气筒高度优化设置的参考依据。

图4为污染物最大小时浓度落地点距污染源距离平均变化率对排气筒高度变化敏感性分析。根据上述分析对于低架源，污染物最大小时浓度出现距离基本与排气筒高度的变化无关；而对于中、高架源，污染物最大小时浓度落地点距污染源距离与排气筒高度变化的相关性并不是很好，相关系数最高只有0.8581。

3.4 不确定性分析

本次模拟预测及结果分析基于已收集到的18份报告，受报告数量、有效性和代表性的限制，同时受模拟过程中所采用的模拟模型、气象数据、地表类型、地表特征参数、网格间距设置的单一性影响，本次预测模拟结果及对结果所做的各项分析具有一定的不确定性。

4 结论与建议

排气筒高度的设置在考虑工程设计、行业规范相关要求的基础上，为保证污染物达标排放，切不可随意降低排气筒高度。当低架源、中架源和高架源均为排气筒高度降低超过10%时，污染物最大小时浓度增长率明显加快；排气筒高度降低超过20%时，污染物最大小时浓度增长率显著增大。尤其是排气筒高度较低和较高时，降低比例超过20%，应该引起重视。

基于本次研究设置的特定气象、地形、地表、网格间距，结果显示低架源时污染物最大小时浓度落地点与污染源距离基本与排气筒高度变化无关；对中架源和高架源，排气筒高度变化会引起最大小时浓度落地点与污染源距离的变化，但变化多出现在排气筒高度降低20%以上时。

中架源的污染物最大小时浓度与排气筒高度变化的相关性最好，线性方程为y=1.1417x-0.016，相关系数达到0.9899。在满足污染物达标排放的前提下，可结合该线性方程对排气筒高度进行适当调整和优化。同时，企业可将合理规划后节约的资金用于其他污染防治设施的安装、维护和保障运行等方面，统筹兼顾经济效益和环境效益。