基于復(fù)雜有害氣體釋放模型的霧霾氣象條件下煙氣排放影響分析*

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(jìn)程深入，京津冀地區(qū)已成為我國北方經(jīng)濟(jì)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(yán)重影響京津冀地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量，對(duì)人群健康和生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國空氣最差的10個(gè)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(xiàn)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(jìn)一步加劇霧霾污染，增大周圍居民健康風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)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(kuò)散模擬研究[4]，劃分煙氣影響的空間級(jí)別范圍，進(jìn)行霧霾污染的特征分析，探索霧霾擴(kuò)散規(guī)律，為企業(yè)環(huán)境污染責(zé)任認(rèn)定、政府霧霾天氣應(yīng)急管理、霧霾補(bǔ)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(kuò)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(jìn)行多源、多種氣體的間斷/連續(xù)擴(kuò)散模擬和障礙物自動(dòng)避讓，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)畫和三維圖形。

圖1 CHARM基于GRID單元的煙氣擴(kuò)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(kuò)散模塊，通過搭建場景網(wǎng)格—參數(shù)設(shè)置—擴(kuò)散模擬實(shí)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(jìn)行煙氣模擬時(shí)，基于柵格(GRID)單元，聯(lián)合運(yùn)用Ooms模型[7-9]、流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型[10]14,[11]和Eidsvik模型[10]13,[12]，實(shí)現(xiàn)在湍流場中的物質(zhì)擴(kuò)散分析，以進(jìn)行煙氣流動(dòng)、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(kuò)散的統(tǒng)計(jì)理論，適用于重氣體的擴(kuò)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(dòng)過程來模擬重氣體的擴(kuò)散，見式(7)：

(7)

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

圖2 研究區(qū)域內(nèi)排放點(diǎn)及周邊敏感點(diǎn)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(kuò)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(diǎn)進(jìn)行真實(shí)環(huán)境的三維仿真模擬，以確定霧霾發(fā)生時(shí)該排放點(diǎn)所排煙氣對(duì)敏感區(qū)的影響范圍和程度。該排放點(diǎn)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(gè)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(shí)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(biāo)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(shí)的氣象條件，設(shè)定模擬環(huán)境溫度為0 ℃，相對(duì)濕度為85%，平均風(fēng)速為1.5 m/s，風(fēng)向?yàn)樘旖蚨局鲗?dǎo)風(fēng)向，即東南風(fēng)[5]2970。

依據(jù)實(shí)地調(diào)研和排放源監(jiān)測結(jié)果，確定模擬排放點(diǎn)排放高度為90 m，以煙塵、SO2、NOX混合煙氣為擴(kuò)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(fēng)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(fēng)場所受的地形動(dòng)力學(xué)影響，以作為氣體擴(kuò)散路徑的模擬依據(jù)。由于計(jì)算過程復(fù)雜，耗時(shí)較長，同時(shí)考慮到霧霾氣象條件較為穩(wěn)定，煙氣流動(dòng)較慢，故本研究將模擬時(shí)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(gè)等級(jí)。其中，煙氣質(zhì)量濃度≥5.73×104μg/m3的區(qū)域?yàn)闊煔忾L時(shí)間累積、難以擴(kuò)散區(qū)域，健康人群除出現(xiàn)強(qiáng)烈不適、運(yùn)動(dòng)耐受力下降外，長期接觸會(huì)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?yàn)闊煔獬掷m(xù)影響、不易擴(kuò)散區(qū)域，健康人群接觸一定時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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?yàn)闊煔舛虝河绊?、易于擴(kuò)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(kuò)散過程分析

結(jié)合所選參數(shù)，運(yùn)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(fēng)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(fēng)向緩慢擴(kuò)散，并形成類橢球體形狀。其最大下沉高度達(dá)地面上方8 m處，最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離達(dá)734 m，最大寬度為381 m，最大擴(kuò)散面積為258 334 m2。

煙氣擴(kuò)散模擬結(jié)果和對(duì)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(dāng)垂直高度≤20 m時(shí)，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(jìn)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(gè)聚集區(qū)。第1個(gè)聚集區(qū)距排放點(diǎn)水平距離≤110 m、垂直高度≥80 m；第2個(gè)集聚區(qū)出現(xiàn)在距排放點(diǎn)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(yán)重?？梢?，霧霾氣象條件下鍋爐煙氣擴(kuò)散呈現(xiàn)近距離高層建筑、遠(yuǎn)距離中低層建筑受影響嚴(yán)重的趨勢。因此，距排放點(diǎn)水平距離≤110 m且樓層≥21層的居民以及距排放點(diǎn)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(yán)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(hào)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(jí)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(shí)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(kuò)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(kuò)散過程Fig.5 Flue gas diffusion process at different vertical heights

擴(kuò)散時(shí)間為1 h時(shí)，燃煤鍋爐煙氣在不同垂直高度的擴(kuò)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(duì)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(shí)，污染面積擴(kuò)大到82 421.02 m2，以中度污染為主，同時(shí)出現(xiàn)較明顯的重度污染區(qū)。在50 m垂直高度時(shí)，污染面積增加到121 048.70 m2，其中重度污染面積達(dá)到126 34.20 m2。在垂直高度≥60 m時(shí)，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?？梢姡瑢?duì)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(shí)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(kuò)散到70 m高度，20 min時(shí)達(dá)到重度污染水平，并于35 min左右達(dá)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(kuò)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(dá)到重度污染水平?？梢姡陟F霾氣象條件下，21層以上居民在煙氣擴(kuò)散20 min后即暴露于重度污染中；煙氣擴(kuò)散50 min后，11～20層居民也暴露于重度污染中，并且隨時(shí)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(shí)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(kuò)散影響的空間等級(jí)分析

依據(jù)CHARM模擬得到不同時(shí)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(píng)價(jià)單元，以1 h為燃煤鍋爐煙氣擴(kuò)散模擬時(shí)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(píng)價(jià)單元的屬性數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)實(shí)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(píng)價(jià)單元的煙氣濃度等級(jí)，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(kuò)散對(duì)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(kuò)散的影響等級(jí)分級(jí)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(diǎn)最大水平距離達(dá)到700 m。輕度影響區(qū)環(huán)繞中度影響區(qū)進(jìn)一步向外擴(kuò)張，并且主要向東南方向。潛在影響區(qū)是指在模擬時(shí)段內(nèi)尚未受到煙氣污染的區(qū)域，但當(dāng)霧霾持續(xù)時(shí)間較長，或排放源連續(xù)排放情況下，該區(qū)域仍會(huì)受到煙氣污染的威脅。因此，在霧霾補(bǔ)償和用地優(yōu)化時(shí)應(yīng)根據(jù)不同程度的影響區(qū)進(jìn)行規(guī)劃。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1) CHARM能夠針對(duì)連續(xù)排放源在三維風(fēng)場和復(fù)雜地形條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)，若能在30 min內(nèi)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，對(duì)排放源進(jìn)行應(yīng)急關(guān)?；蛳夼?，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(fēng)向400 m內(nèi)禁止規(guī)劃居民區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)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(fēng)險(xiǎn)。

(2) 在制定污染區(qū)域霧霾補(bǔ)償方案時(shí)，應(yīng)依據(jù)煙氣擴(kuò)散的影響分級(jí)結(jié)果，針對(duì)重度影響區(qū)、中度影響區(qū)和低度影響區(qū)內(nèi)居民進(jìn)行差異化經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

(3) 本研究源于對(duì)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(jì)算過程復(fù)雜，導(dǎo)致模擬耗時(shí)較長，本研究僅對(duì)排放源連續(xù)排放1 h的擴(kuò)散結(jié)果進(jìn)行分析，模擬擴(kuò)散范圍和累積濃度均受到時(shí)間限制。同時(shí)，CHARM支持多點(diǎn)源排放模擬，在今后研究中需要進(jìn)一步增加模擬時(shí)間和排放點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)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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