張 磊 陳曉琴 高 旭 周立謙 蔡為民

(天津工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，天津 300387)

隨著我國城鎮(zhèn)化進程深入，京津冀地區(qū)已成為我國北方經(jīng)濟中心。然而，自2013年以來，以PM2.5為主要成分的霧霾頻繁發(fā)生，嚴重影響京津冀地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量，對人群健康和生產(chǎn)生活造成嚴重影響。據(jù)統(tǒng)計，2014年我國空氣最差的10個城市中，京津冀就因霧霾污染占據(jù)8席。煤炭燃燒是PM2.5的主要貢獻源之一。燃煤鍋爐煙氣排放不僅是霧霾產(chǎn)生的誘因，而且在霧霾天氣中因煙氣滯留將進一步加劇霧霾污染，增大周圍居民健康風險。尤其在企業(yè)集聚的開發(fā)區(qū)，大量燃煤鍋爐煙氣排放對霧霾污染的加劇效應(yīng)更為顯著。為了解霧霾氣象條件下燃煤鍋爐煙氣排放的影響程度和范圍，本研究以天津某工業(yè)園區(qū)供熱燃煤鍋爐為例，借助復(fù)雜有害氣體釋放模型(CHARM)的仿真模擬手段[1]，以2013年1月霧霾污染天氣為模擬氣象條件[2-3]，開展城市中尺度復(fù)雜空間條件下的煙氣排放擴散模擬研究[4]，劃分煙氣影響的空間級別范圍，進行霧霾污染的特征分析，探索霧霾擴散規(guī)律，為企業(yè)環(huán)境污染責任認定、政府霧霾天氣應(yīng)急管理、霧霾補償以及產(chǎn)業(yè)用地規(guī)劃等提供建議。

1 模型介紹與研究區(qū)域

1.1 CHARM介紹

CHARM是集源模型和擴散模型于一體的綜合性模型。CHARM采用三維歐拉網(wǎng)格模型[5]2968，能夠在復(fù)雜空間條件下進行多源、多種氣體的間斷/連續(xù)擴散模擬和障礙物自動避讓，實現(xiàn)對煙羽、熱輻射和超壓模擬等多種過程仿真模擬[6]。CHARM在微觀、中觀和宏觀空間尺度對于重氣體、中性氣體和輕氣體均有較好的模擬效果。通過該模型能得出隨時間變化的三維復(fù)雜濃度場，結(jié)果可輸出為二維圖表、二維動畫和三維圖形。

圖1 CHARM基于GRID單元的煙氣擴散模擬原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gas diffusion simulation based on GRID unit in CHARM

本研究基于CHARM的擴散模塊，通過搭建場景網(wǎng)格—參數(shù)設(shè)置—擴散模擬實現(xiàn)復(fù)雜地形中霧霾氣象條件下燃煤鍋爐煙氣排放模擬。CHARM在進行煙氣模擬時，基于柵格(GRID)單元，聯(lián)合運用Ooms模型[7-9]、流體動力學(xué)(CFD)模型[10]14,[11]和Eidsvik模型[10]13,[12]，實現(xiàn)在湍流場中的物質(zhì)擴散分析，以進行煙氣流動、重力沉降、熱交換等一系列變化的仿真模擬[13]，如圖1所示。

Ooms模型是湍流場中物質(zhì)擴散的統(tǒng)計理論，適用于重氣體的擴散，見式(1)至式(6)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

CFD模型通過三維非常態(tài)湍流流動過程來模擬重氣體的擴散，見式(7)：

(7)

Eidsvik模型是將重氣體當作圓柱形箱，在重力作用下，重氣體下沉，半徑增加，同時高度減小，其徑向擴展速度見式(8)：

圖2 研究區(qū)域內(nèi)排放點及周邊敏感點位置圖Fig.2 Location map of the emission point and the surrounding sensitive points in study area

(8)

式中：uf為重氣體的徑向擴散速度，m/s；R為圓柱形箱半徑，m；K為常數(shù)；ρm為重氣體、空氣混合物密度，kg/m3；H為圓柱形箱高度，m；ρr為重氣體的參考密度，kg/m3。

1.2 研究區(qū)域

選取天津市某工業(yè)園區(qū)內(nèi)供熱企業(yè)為模擬排放點進行真實環(huán)境的三維仿真模擬，以確定霧霾發(fā)生時該排放點所排煙氣對敏感區(qū)的影響范圍和程度。該排放點位于工業(yè)園區(qū)東南角，其周邊存在居民區(qū)、學(xué)校、商業(yè)區(qū)等多個敏感區(qū)(見圖2)。

將研究區(qū)的建筑物信息轉(zhuǎn)化為GRID數(shù)據(jù)，經(jīng)實地踏勘修正，得到地形環(huán)境的三維空間網(wǎng)格。網(wǎng)格采用10 m×10 m×4 m結(jié)構(gòu)，坐標系統(tǒng)采用通用橫軸墨卡托投影(UTM)系統(tǒng)[5]2970。

1.3 參數(shù)選擇

選取2013年1月霧霾污染發(fā)生時的氣象條件，設(shè)定模擬環(huán)境溫度為0 ℃，相對濕度為85%，平均風速為1.5 m/s，風向為天津冬季主導(dǎo)風向，即東南風[5]2970。

依據(jù)實地調(diào)研和排放源監(jiān)測結(jié)果，確定模擬排放點排放高度為90 m，以煙塵、SO2、NOX混合煙氣為擴散模擬的燃煤鍋爐煙氣，設(shè)定出口流量為274 123.97 m3/h，排放口溫度為48.30 ℃，出口直徑為3.82 m。

借助CHARM建立基于氣象參數(shù)的三維風場，結(jié)合GRID三維空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)，經(jīng)反復(fù)迭代最終得到風場所受的地形動力學(xué)影響，以作為氣體擴散路徑的模擬依據(jù)。由于計算過程復(fù)雜，耗時較長，同時考慮到霧霾氣象條件較為穩(wěn)定，煙氣流動較慢，故本研究將模擬時長設(shè)定為1 h。

燃煤鍋爐煙氣排放中PM10為主要成分[14]，但考慮到PM2.5的影響最大，本研究將煙氣質(zhì)量濃度劃分為5.73×102～<5.73×103、5.73×103～<5.73×104、≥5.73×104μg/m33個等級。其中，煙氣質(zhì)量濃度≥5.73×104μg/m3的區(qū)域為煙氣長時間累積、難以擴散區(qū)域，健康人群除出現(xiàn)強烈不適、運動耐受力下降外，長期接觸會提前出現(xiàn)某些疾病，屬于重度污染區(qū)；煙氣質(zhì)量濃度為5.73×103～<5.73×104μg/m3的區(qū)域為煙氣持續(xù)影響、不易擴散區(qū)域，健康人群接觸一定時間后，會出現(xiàn)運動耐受力下降，屬于中度污染區(qū)；煙氣質(zhì)量濃度為5.73×102～<5.73×103μg/m3的區(qū)域為煙氣短暫影響、易于擴散區(qū)域，易感人群的不適癥狀有輕度加劇，屬于輕度污染區(qū)[15-16]。

2 結(jié)果分析

2.1 煙氣擴散過程分析

結(jié)合所選參數(shù)，運用CHARM模擬霧霾氣象條件下煙氣連續(xù)排放1 h的三維復(fù)雜濃度場，結(jié)果如圖3所示。受霧霾氣象條件和主導(dǎo)風向影響，與工業(yè)區(qū)相鄰的居民區(qū)是燃煤鍋爐煙氣影響的主要區(qū)域。經(jīng)模擬，燃煤鍋爐煙氣沿主導(dǎo)風向緩慢擴散，并形成類橢球體形狀。其最大下沉高度達地面上方8 m處，最遠擴散距離達734 m，最大寬度為381 m，最大擴散面積為258 334 m2。

煙氣擴散模擬結(jié)果和對周邊的影響程度如表1所示。由表1可以看出，在垂直方向上，最大煙氣質(zhì)量濃度分布由下至上呈先增后減趨勢。經(jīng)模擬分析，當垂直高度≤20 m時，研究區(qū)域處于輕度污染狀態(tài)，垂直高度上升至30 m則處于中度污染狀態(tài)，垂直高度≥40 m即進入重度污染狀態(tài)?？梢?，研究區(qū)域內(nèi)居住在≤10層的居民受煙氣污染影響較小，而居住在≥11層的居民則受煙氣污染影響較大。由圖4可以看出，最大煙氣濃度出現(xiàn)了兩個聚集區(qū)。第1個聚集區(qū)距排放點水平距離≤110 m、垂直高度≥80 m；第2個集聚區(qū)出現(xiàn)在距排放點水平距離340～400 m，垂直高度≤60 m的區(qū)域，并以垂直高度40～60 m的污染較為嚴重?？梢姡F霾氣象條件下鍋爐煙氣擴散呈現(xiàn)近距離高層建筑、遠距離中低層建筑受影響嚴重的趨勢。因此，距排放點水平距離≤110 m且樓層≥21層的居民以及距排放點水平距離340～400 m且樓層11～20層的居民受鍋爐煙氣污染最為嚴重。

圖3 不同方位視角下的煙氣質(zhì)量濃度分布示意圖Fig.3 The flue gas diffusion concentration distribution under different view angles

序號垂直高度/m最大煙氣質(zhì)量濃度1)/(μg·m-3)水平距離/m濃度等級受影響樓層2)/層1101.08×103291輕度污染1^32204.07×103420輕度污染4^73302.16×104355中度污染8^104407.10×104348重度污染11^135602.05×105384重度污染14^206807.47×105108重度污染21^2771002.16×10637重度污染28^3081201.27×10651重度污染>3091402.59×105272重度污染>30

注：1)100 m垂直高度的最大煙氣質(zhì)量濃度為非排放口的最大煙氣質(zhì)量濃度；2)實際研究區(qū)域內(nèi)沒有>30層的高樓。

注：圓圈旁的數(shù)值為最大煙氣質(zhì)量濃度，單位為μg/m3。圖4 最大煙氣質(zhì)量濃度擴散過程的跟蹤示意圖Fig.4 Tracking sketch map of maximum flue gas concentration diffusion process

注：圖中虛線范圍內(nèi)為居民區(qū)。圖5 不同垂直高度的煙氣擴散過程Fig.5 Flue gas diffusion process at different vertical heights

擴散時間為1 h時，燃煤鍋爐煙氣在不同垂直高度的擴散情況見圖5。由圖5可以看出，在垂直高度為20～30 m，燃煤鍋爐煙氣對研究區(qū)的污染程度以輕度污染為主，最大影響面積為49 697.78 m2。在40 m垂直高度時，污染面積擴大到82 421.02 m2，以中度污染為主，同時出現(xiàn)較明顯的重度污染區(qū)。在50 m垂直高度時，污染面積增加到121 048.70 m2，其中重度污染面積達到126 34.20 m2。在垂直高度≥60 m時，重度污染面積已超過485 56.67 m2，并且隨高度增加，重度污染面積快速增大?？梢?，對于研究區(qū)內(nèi)的居民而言，居住高度越高，受污染程度越重。

不同垂直高度的最大煙氣質(zhì)量濃度隨時間的變化情況如圖6所示。由圖6可以看出，煙氣經(jīng)15 min即可擴散到70 m高度，20 min時達到重度污染水平，并于35 min左右達到3.59×105μg/m3并保持恒定。相比之下，煙氣至少需要35 min才能擴散到70 m高度以下區(qū)域，但在70 m高度以下區(qū)域，煙氣濃度增加較快，垂直高度60 m處在50 min左右達到重度污染水平?？梢?，在霧霾氣象條件下，21層以上居民在煙氣擴散20 min后即暴露于重度污染中；煙氣擴散50 min后，11～20層居民也暴露于重度污染中，并且隨時間推移，污染逐漸加重。

圖6 不同垂直高度的最大煙氣質(zhì)量濃度隨時間的變化Fig.6 The variation of maximum flue gas concentration at different vertical heights varied with time

2.2 煙氣擴散影響的空間等級分析

依據(jù)CHARM模擬得到不同時段、不同高度的濃度分布圖?？紤]到受影響區(qū)域主要為居民區(qū)，選取各居民樓為評價單元，以1 h為燃煤鍋爐煙氣擴散模擬時間，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析技術(shù)，通過多圖層疊加確定評價單元的屬性數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)實際樓層高度(見圖7)設(shè)定不同影響權(quán)重，最終通過聚類分析手段劃定各評價單元的煙氣濃度等級，將影響區(qū)域劃分為重度影響區(qū)、中度影響區(qū)、低度影響區(qū)和潛在影響區(qū)，以確定霧霾氣象條件下煙氣擴散對周邊的影響情況，結(jié)果如圖8所示。

圖7 研究區(qū)域建筑物層高示意圖Fig.7 Sketch map of the building heights in study area

圖8 霧霾氣象條件下煙氣擴散的影響等級分級Fig.8 The influence grade classification of gas diffusion under the haze

由圖8可以看出，依據(jù)GIS聚類分析結(jié)果，研究區(qū)域內(nèi)重度影響區(qū)主要分布在距排放源水平距離約300～400 m的11～20層居民樓和550～600 m的≥21層居民樓。中度影響區(qū)環(huán)繞重度影響區(qū)分布，距排放點最大水平距離達到700 m。輕度影響區(qū)環(huán)繞中度影響區(qū)進一步向外擴張，并且主要向東南方向。潛在影響區(qū)是指在模擬時段內(nèi)尚未受到煙氣污染的區(qū)域，但當霧霾持續(xù)時間較長，或排放源連續(xù)排放情況下，該區(qū)域仍會受到煙氣污染的威脅。因此，在霧霾補償和用地優(yōu)化時應(yīng)根據(jù)不同程度的影響區(qū)進行規(guī)劃。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1) CHARM能夠針對連續(xù)排放源在三維風場和復(fù)雜地形條件下進行實時變化的模擬分析。燃煤鍋爐煙氣連續(xù)排放20 min，21層以上處于重度污染水平；連續(xù)排放50 min則11層以上均處于重度污染水平，并且隨時間推移，污染程度逐漸加重。

(2) 在霧霾氣象條件下，燃煤鍋爐煙氣連續(xù)排放1 h，即可在距地面上方8 m處形成長734 m、寬381 m、面積258 334 m2的污染區(qū)域。

3.2 建 議

(1) 在霧霾發(fā)生時，若能在30 min內(nèi)啟動應(yīng)急預(yù)案，對排放源進行應(yīng)急關(guān)停或限排，則可避免多數(shù)居民受污染影響。為優(yōu)化產(chǎn)業(yè)用地布局，工業(yè)區(qū)主導(dǎo)風向400 m內(nèi)禁止規(guī)劃居民區(qū)，主導(dǎo)風向700 m內(nèi)禁止規(guī)劃21層以上住宅，限制規(guī)劃11～20層住宅，以避免高層居民因長期暴露于高濃度污染中所帶來的健康風險。

(2) 在制定污染區(qū)域霧霾補償方案時，應(yīng)依據(jù)煙氣擴散的影響分級結(jié)果，針對重度影響區(qū)、中度影響區(qū)和低度影響區(qū)內(nèi)居民進行差異化經(jīng)濟補償。

(3) 本研究源于對研究區(qū)域?qū)嵕暗匦蔚哪M，模擬條件選取的是典型霧霾天氣的氣象條件，方法具有可推廣性。但是，由于CHARM計算過程復(fù)雜，導(dǎo)致模擬耗時較長，本研究僅對排放源連續(xù)排放1 h的擴散結(jié)果進行分析，模擬擴散范圍和累積濃度均受到時間限制。同時，CHARM支持多點源排放模擬，在今后研究中需要進一步增加模擬時間和排放點，實現(xiàn)長時間尺度、多源排放的模擬，以確保模擬結(jié)果更為精確。

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