基于复杂有害气体释放模型的雾霾气象条件下烟气排放影响分析*

张 磊 陈晓琴 高 旭 周立谦 蔡为民

(天津工业大学管理学院，天津 300387)

随着我国城镇化进程深入，京津冀地区已成为我国北方经济中心。然而，自2013年以来，以PM2.5为主要成分的雾霾频繁发生，严重影响京津冀地区大气环境质量，对人群健康和生产生活造成严重影响。据统计，2014年我国空气最差的10个城市中，京津冀就因雾霾污染占据8席。煤炭燃烧是PM2.5的主要贡献源之一。燃煤锅炉烟气排放不仅是雾霾产生的诱因，而且在雾霾天气中因烟气滞留将进一步加剧雾霾污染，增大周围居民健康风险。尤其在企业集聚的开发区，大量燃煤锅炉烟气排放对雾霾污染的加剧效应更为显著。为了解雾霾气象条件下燃煤锅炉烟气排放的影响程度和范围，本研究以天津某工业园区供热燃煤锅炉为例，借助复杂有害气体释放模型(CHARM)的仿真模拟手段[1]，以2013年1月雾霾污染天气为模拟气象条件[2-3]，开展城市中尺度复杂空间条件下的烟气排放扩散模拟研究[4]，划分烟气影响的空间级别范围，进行雾霾污染的特征分析，探索雾霾扩散规律，为企业环境污染责任认定、政府雾霾天气应急管理、雾霾补偿以及产业用地规划等提供建议。

1 模型介绍与研究区域

1.1 CHARM介绍

CHARM是集源模型和扩散模型于一体的综合性模型。CHARM采用三维欧拉网格模型[5]2968，能够在复杂空间条件下进行多源、多种气体的间断/连续扩散模拟和障碍物自动避让，实现对烟羽、热辐射和超压模拟等多种过程仿真模拟[6]。CHARM在微观、中观和宏观空间尺度对于重气体、中性气体和轻气体均有较好的模拟效果。通过该模型能得出随时间变化的三维复杂浓度场，结果可输出为二维图表、二维动画和三维图形。

图1 CHARM基于GRID单元的烟气扩散模拟原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the gas diffusion simulation based on GRID unit in CHARM

本研究基于CHARM的扩散模块，通过搭建场景网格—参数设置—扩散模拟实现复杂地形中雾霾气象条件下燃煤锅炉烟气排放模拟。CHARM在进行烟气模拟时，基于栅格(GRID)单元，联合运用Ooms模型[7-9]、流体动力学(CFD)模型[10]14,[11]和Eidsvik模型[10]13,[12]，实现在湍流场中的物质扩散分析，以进行烟气流动、重力沉降、热交换等一系列变化的仿真模拟[13]，如图1所示。

Ooms模型是湍流场中物质扩散的统计理论，适用于重气体的扩散，见式(1)至式(6)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

CFD模型通过三维非常态湍流流动过程来模拟重气体的扩散，见式(7)：

(7)

Eidsvik模型是将重气体当作圆柱形箱，在重力作用下，重气体下沉，半径增加，同时高度减小，其径向扩展速度见式(8)：

图2 研究区域内排放点及周边敏感点位置图Fig.2 Location map of the emission point and the surrounding sensitive points in study area

(8)

式中：uf为重气体的径向扩散速度，m/s；R为圆柱形箱半径，m；K为常数；ρm为重气体、空气混合物密度，kg/m3；H为圆柱形箱高度，m；ρr为重气体的参考密度，kg/m3。

1.2 研究区域

选取天津市某工业园区内供热企业为模拟排放点进行真实环境的三维仿真模拟，以确定雾霾发生时该排放点所排烟气对敏感区的影响范围和程度。该排放点位于工业园区东南角，其周边存在居民区、学校、商业区等多个敏感区(见图2)。

将研究区的建筑物信息转化为GRID数据，经实地踏勘修正，得到地形环境的三维空间网格。网格采用10 m×10 m×4 m结构，坐标系统采用通用横轴墨卡托投影(UTM)系统[5]2970。

1.3 参数选择

选取2013年1月雾霾污染发生时的气象条件，设定模拟环境温度为0 ℃，相对湿度为85%，平均风速为1.5 m/s，风向为天津冬季主导风向，即东南风[5]2970。

依据实地调研和排放源监测结果，确定模拟排放点排放高度为90 m，以烟尘、SO2、NOX混合烟气为扩散模拟的燃煤锅炉烟气，设定出口流量为274 123.97 m3/h，排放口温度为48.30 ℃，出口直径为3.82 m。

借助CHARM建立基于气象参数的三维风场，结合GRID三维空间网格数据，经反复迭代最终得到风场所受的地形动力学影响，以作为气体扩散路径的模拟依据。由于计算过程复杂，耗时较长，同时考虑到雾霾气象条件较为稳定，烟气流动较慢，故本研究将模拟时长设定为1 h。

燃煤锅炉烟气排放中PM10为主要成分[14]，但考虑到PM2.5的影响最大，本研究将烟气质量浓度划分为5.73×102～<5.73×103、5.73×103～<5.73×104、≥5.73×104μg/m33个等级。其中，烟气质量浓度≥5.73×104μg/m3的区域为烟气长时间累积、难以扩散区域，健康人群除出现强烈不适、运动耐受力下降外，长期接触会提前出现某些疾病，属于重度污染区；烟气质量浓度为5.73×103～<5.73×104μg/m3的区域为烟气持续影响、不易扩散区域，健康人群接触一定时间后，会出现运动耐受力下降，属于中度污染区；烟气质量浓度为5.73×102～<5.73×103μg/m3的区域为烟气短暂影响、易于扩散区域，易感人群的不适症状有轻度加剧，属于轻度污染区[15-16]。

2 结果分析

2.1 烟气扩散过程分析

结合所选参数，运用CHARM模拟雾霾气象条件下烟气连续排放1 h的三维复杂浓度场，结果如图3所示。受雾霾气象条件和主导风向影响，与工业区相邻的居民区是燃煤锅炉烟气影响的主要区域。经模拟，燃煤锅炉烟气沿主导风向缓慢扩散，并形成类椭球体形状。其最大下沉高度达地面上方8 m处，最远扩散距离达734 m，最大宽度为381 m，最大扩散面积为258 334 m2。

烟气扩散模拟结果和对周边的影响程度如表1所示。由表1可以看出，在垂直方向上，最大烟气质量浓度分布由下至上呈先增后减趋势。经模拟分析，当垂直高度≤20 m时，研究区域处于轻度污染状态，垂直高度上升至30 m则处于中度污染状态，垂直高度≥40 m即进入重度污染状态。可见，研究区域内居住在≤10层的居民受烟气污染影响较小，而居住在≥11层的居民则受烟气污染影响较大。由图4可以看出，最大烟气浓度出现了两个聚集区。第1个聚集区距排放点水平距离≤110 m、垂直高度≥80 m；第2个集聚区出现在距排放点水平距离340～400 m，垂直高度≤60 m的区域，并以垂直高度40～60 m的污染较为严重。可见，雾霾气象条件下锅炉烟气扩散呈现近距离高层建筑、远距离中低层建筑受影响严重的趋势。因此，距排放点水平距离≤110 m且楼层≥21层的居民以及距排放点水平距离340～400 m且楼层11～20层的居民受锅炉烟气污染最为严重。

图3 不同方位视角下的烟气质量浓度分布示意图Fig.3 The flue gas diffusion concentration distribution under different view angles

序号垂直高度/m最大烟气质量浓度1)/(μg·m-3)水平距离/m浓度等级受影响楼层2)/层1101.08×103291轻度污染1^32204.07×103420轻度污染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垂直高度的最大烟气质量浓度为非排放口的最大烟气质量浓度；2)实际研究区域内没有>30层的高楼。

注：圆圈旁的数值为最大烟气质量浓度，单位为μg/m3。图4 最大烟气质量浓度扩散过程的跟踪示意图Fig.4 Tracking sketch map of maximum flue gas concentration diffusion process

注：图中虚线范围内为居民区。图5 不同垂直高度的烟气扩散过程Fig.5 Flue gas diffusion process at different vertical heights

扩散时间为1 h时，燃煤锅炉烟气在不同垂直高度的扩散情况见图5。由图5可以看出，在垂直高度为20～30 m，燃煤锅炉烟气对研究区的污染程度以轻度污染为主，最大影响面积为49 697.78 m2。在40 m垂直高度时，污染面积扩大到82 421.02 m2，以中度污染为主，同时出现较明显的重度污染区。在50 m垂直高度时，污染面积增加到121 048.70 m2，其中重度污染面积达到126 34.20 m2。在垂直高度≥60 m时，重度污染面积已超过485 56.67 m2，并且随高度增加，重度污染面积快速增大。可见，对于研究区内的居民而言，居住高度越高，受污染程度越重。

不同垂直高度的最大烟气质量浓度随时间的变化情况如图6所示。由图6可以看出，烟气经15 min即可扩散到70 m高度，20 min时达到重度污染水平，并于35 min左右达到3.59×105μg/m3并保持恒定。相比之下，烟气至少需要35 min才能扩散到70 m高度以下区域，但在70 m高度以下区域，烟气浓度增加较快，垂直高度60 m处在50 min左右达到重度污染水平。可见，在雾霾气象条件下，21层以上居民在烟气扩散20 min后即暴露于重度污染中；烟气扩散50 min后，11～20层居民也暴露于重度污染中，并且随时间推移，污染逐渐加重。

图6 不同垂直高度的最大烟气质量浓度随时间的变化Fig.6 The variation of maximum flue gas concentration at different vertical heights varied with time

2.2 烟气扩散影响的空间等级分析

依据CHARM模拟得到不同时段、不同高度的浓度分布图。考虑到受影响区域主要为居民区，选取各居民楼为评价单元，以1 h为燃煤锅炉烟气扩散模拟时间，利用地理信息系统(GIS)空间分析技术，通过多图层叠加确定评价单元的属性数据，结合研究区内实际楼层高度(见图7)设定不同影响权重，最终通过聚类分析手段划定各评价单元的烟气浓度等级，将影响区域划分为重度影响区、中度影响区、低度影响区和潜在影响区，以确定雾霾气象条件下烟气扩散对周边的影响情况，结果如图8所示。

图7 研究区域建筑物层高示意图Fig.7 Sketch map of the building heights in study area

图8 雾霾气象条件下烟气扩散的影响等级分级Fig.8 The influence grade classification of gas diffusion under the haze

由图8可以看出，依据GIS聚类分析结果，研究区域内重度影响区主要分布在距排放源水平距离约300～400 m的11～20层居民楼和550～600 m的≥21层居民楼。中度影响区环绕重度影响区分布，距排放点最大水平距离达到700 m。轻度影响区环绕中度影响区进一步向外扩张，并且主要向东南方向。潜在影响区是指在模拟时段内尚未受到烟气污染的区域，但当雾霾持续时间较长，或排放源连续排放情况下，该区域仍会受到烟气污染的威胁。因此，在雾霾补偿和用地优化时应根据不同程度的影响区进行规划。

3 结论与建议

3.1 结 论

(1) CHARM能够针对连续排放源在三维风场和复杂地形条件下进行实时变化的模拟分析。燃煤锅炉烟气连续排放20 min，21层以上处于重度污染水平；连续排放50 min则11层以上均处于重度污染水平，并且随时间推移，污染程度逐渐加重。

(2) 在雾霾气象条件下，燃煤锅炉烟气连续排放1 h，即可在距地面上方8 m处形成长734 m、宽381 m、面积258 334 m2的污染区域。

3.2 建 议

(1) 在雾霾发生时，若能在30 min内启动应急预案，对排放源进行应急关停或限排，则可避免多数居民受污染影响。为优化产业用地布局，工业区主导风向400 m内禁止规划居民区，主导风向700 m内禁止规划21层以上住宅，限制规划11～20层住宅，以避免高层居民因长期暴露于高浓度污染中所带来的健康风险。

(2) 在制定污染区域雾霾补偿方案时，应依据烟气扩散的影响分级结果，针对重度影响区、中度影响区和低度影响区内居民进行差异化经济补偿。

(3) 本研究源于对研究区域实景地形的模拟，模拟条件选取的是典型雾霾天气的气象条件，方法具有可推广性。但是，由于CHARM计算过程复杂，导致模拟耗时较长，本研究仅对排放源连续排放1 h的扩散结果进行分析，模拟扩散范围和累积浓度均受到时间限制。同时，CHARM支持多点源排放模拟，在今后研究中需要进一步增加模拟时间和排放点，实现长时间尺度、多源排放的模拟，以确保模拟结果更为精确。

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