京津冀地区空气污染研究及可行性建议

胡颖，李东玲，杨鹏辉*

（1.安徽财经大学统计与应用数学学院，安徽蚌埠233030；2.安徽财经大学金融学院，安徽蚌埠233030）

京津冀地区空气污染研究及可行性建议

胡颖1，李东玲2，杨鹏辉1*

（1.安徽财经大学统计与应用数学学院，安徽蚌埠233030；2.安徽财经大学金融学院，安徽蚌埠233030）

针对京津冀地区环境污染问题，结合各种污染物对人体的有害程度，运用归一化方法，分析影响空气质量的主要污染源，并对传统高斯模型提出修正，建立单污染源空气污染扩散模型，分析工厂排放废气的污染物扩散规律，运用MATLAB编程计算结果，结合污染源参数，对未来空气污染治理提出了可行性建议.

京津冀地区；污染；单污染源空气污染扩散模型；MATLAB

《京津冀都市圈区域规划》是国家“十一五”规划中的一个重要的区域规划，区域发展规划按照“8+2”的模式制订：包括北京、天津两个直辖市和河北省的保定、廊坊、唐山、秦皇岛、沧州、张家口、承德、石家庄8地市.然而，近年来，京津冀地区空气污染问题却日益严峻，不断出现的雾霾现象警示着人们保护环境迫在眉睫.而空气质量的好坏反映了空气污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的.由于空气质量的好坏与人类的健康息息相关，因而有必要提高空气质量.其中，又以尽快提高京津冀地区空气质量为突出重点.因此，为实现京津冀地区APEC蓝天，深入研究空气污染问题是很有必要的.

1　数据来源与模型假设

从中国空气质量在线监测分析平台搜集数据，主要数据是北京市、天津市、河北地区从2013年12月到2015年11月的污染检测的6个基本观测指标的数据（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3），采用灰色预测法对数据中的缺失值进行补充，剔除明显异常值，保证数据整体上的连续性与准确性.污染物的演变规律比较复杂，现做出如下假设：1）空气质量总数仅与PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3有关，与其它因素无关；2）风向水平，风速风向恒定；3）污染物在平整、无障碍物的地面上扩散；4）扩散过程中浓度在轴上的变化分布是高斯分布；5）地标及地标物对污染物没有吸收；6）物质衰减系数相同.

2　京津冀地区主要污染源研究

2.1研究思路

本文研究的是京津冀地区主要污染源及其污染参数，以及影响空气质量的主要污染源的性质和种类.为了更全面、准确地找出主要污染源，我们收集各污染物对人体危害程度资料，赋以权重，得到各污染物参数，通过比较各污染物参数的大小找出主要污染源.

2.2数据处理

首先在在中国空气质量在线监测分析平台找到2013年12月到2015年11月各月季度北京、天津、河北地区PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3的浓度大小作为基础数据进行分析，查阅各污染源对人体的危害程度，通过归一化处理，得到各污染物的参数.由于河北省范围广，我们这里采取石家庄的数据进行替代处理.

2.3研究方法

探究PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3对人体身体健康的危害程度，以此为权重，分析京津冀地区的主要污染源.分别设2014年11月到2015年11月北京、天津、石家庄的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3为xi1、xi2、xi3、xi4、xi5、xi6.各指标对人体伤害的危害程度为αj=（j=1，2，3，4，5，6），第j个指标的贡献率为：Cj，其中xij为各指标归一化后的值，这里归一化方法是各数值与各数值的最大值的比值作为归一化的值.

通过查阅资料可知各种污染物对人体健康的有害程度.PM2.5是指空气中空气动力学当量直径为≤2.5μm的颗粒物，可进入支气管并达到支气管末端，干扰肺部气体交换；而PM10是直径为≤10μm的颗粒物，可进入人体呼吸道；SO2可能导致喘鸣和气短等[1]；NO2对肺部组织具有强烈的刺激性与腐蚀性；CO在空气中含量达到一定量时，长期暴露在CO环境中，可能严重损害心脏和中枢神经系统[2]；O3对会对人体的鼻、喉头粘膜造成刺激，导致呼吸道疾病恶化，引发哮喘病甚至造成肺水肿和肺气肿.由于各种污染物影响的疾病种类不同，通过查阅资料得知，在上海，PM10，SO2和NO2的浓度每上升10μg/m3，大中型医院的门诊数上升0.18%，0.63%和0.99%[3]；Li等在北京调查了不同微粒物PM10和PM2.5的同步研究的健康效应[4]，PM10每增加10μg/m3，非意外总死亡数增加0.15%，而PM2.5每增加10μg/m3，非意外总死亡增加0.65%，可以看出PM2.5比PM10的死亡影响大很多；当CO浓度值超过2.5%时，对人体就会造成一定损害[5]；周秀骥等人认为在一定范围内，O3含量与氮氧化物呈线性关系[6]，且近些年，国内期刊较少提及空气中CO与O3对人体健康程度的关系.据此，得到各指标对人体的危害程度为：

各种污染物贡献率为：

计算结果见表1和图1.

表1　京津冀地区污染物权重表Tab.1Beijing-Tianjin-Hebei region pollutants weight table

根据表1和图1，得出北京地区的主要污染源是PM2.5、PM10和NO2；天津和石家庄的主要污染源是PM2.5和PM10，进一步结合中国统计年鉴上的数据得出表2.

2.4结果的分析

氮氧化物的主要来源是机动车，PM2.5是首要污染物，其中燃煤、机动车和工业排放为其最主要来源，工业二氧化硫、工业氮氧化物、工业烟尘的主要来源是工业，从表中可以看出天津工业污染影响最大，二氧化硫也可以来源于煤炭燃烧.综上所述，北京市的主要污染源为机动车参数为PM2.5、NO2，天津市和河北省的主要污染源为工业、燃煤参数为PM2.5、PM10.

图1　京津冀地区各污染物贡献率Fig.1Contribution rate of pollutants in Beijing-Tianjin-Hebei region

表2　2014年京津冀地区工业废气排放情况Tab.2Industrial emissions in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2014

3　大气污染物扩散

3.1研究思路

京津冀地区的空气污染主要来源之一是工厂废气排放，其最根本的因素是污染源，例如烟囱向环境中排放污染物.可以通过建立单污染源空气污染扩散模型，描述其对周围空气污染的动态影响规律.以河北省的一个工厂烟囱排放的废气为例，来研究工厂废气排放问题.

3.2数据处理

根据我国的《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》GB/T 13201-91，得到烟气抬升计算公式.由资料数据得河北平均气温在－0.5℃至14.2℃之间，在这里取气温T=10℃；且河北省的平均大气压为1.05×105kPa.

当QH≤1700kW或ΔT<35K时：

运用P-G扩散曲线法来估算参数σy和σz.

首先根据太阳辐射情况（云量、云状和日照）和距地面10 m高处风速μ0将大气的扩散稀释能力划分为A-F六个稳定度级别.

其中，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；夜间定义为日落前一小时至日出后一小时；不论何种天气情况，夜间前后各一小时算作中性，即D级稳定度；强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于60°是条件；弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角为15°～35°.

根据P-G曲线图，即可确定σy和σz的值[7].

依据条件对扩散参数修正，根据城市远郊区平坦地区的条件，按幂函数表计算得到不同下风距离处扩散参数σy和σz的数值如表3.

表3　修正后的参数值Tab.3Modified parameter values

3.3研究方法

设C（x，y，z，t，H）表示污染物排放时间t，下风向x米，横向y米，距离地面z米处的浓度；Q为污染源强度，H为烟囱的有效高度，μ为平均风速，σy和σz表示污染物的水平、垂直扩散系数.

考虑到高架源，必须考虑地面对扩散的影响.假设地面类似于镜面，对污染物起全反射作用.那么污染物浓度就等于不存在地面时污染物浓度与地面反射所增加的污染物浓度之和[8].

现在来求解地面污染物浓度.

a）地面浓度模式：

b）地面轴线浓度模式：

c）地面最大浓度（即地面轴线最大浓度）

易知式（1）是距离x处出现浓度的最大值.

由于一般气体污染物粒径小于15μm，所以不考虑重力沉降作用.

考虑污染源排放时间，得修正后的公式.

当排放时间T大于1-2 h时，将其看做是点源连续排放扩散模式，即基本求解不变.

现有河北境内某一工厂废气排放烟囱高50 m，主要排放物为氮氧化物.早上9点至下午3点期间的排放浓度为406.92 mg/m3，排放速度为1200 m3/h；晚上10点-凌晨4点期间的排放浓度为1160 mg/m3，排放速度为5700 m3/h.

1）计算烟气抬升高度和有效源高.

计算烟气热释放率：

计算烟气抬升高度：

应该说明的是，烟气出口流速依经验设为13 m/ s，烟囱出口内径设为4 m，平均风速依河北的平均天气情况设为5 m/s.

则有效源高：

2）查资料得在白天大气稳定度为C，夜间大气稳定度为D.

地面轴线浓度用式（1）计算（距离为1000 m时）：

将扩散时间代入，得到在连续扩散6 h后即得中午12点的浓度分布如图2[9].

图2　中午12点空气污染浓度分布图Fig.2Air pollution concentration distribution map at 12 am

即中午12点的最大浓度为2.2865×10-4mg/m3，距离x为5000 m时达到最大浓度.

在下午3点到晚上10点前，烟囱停止排放.为估算白天所排放的氮氧化物的浓度，现假设白天排放的所有氮氧化物是在一瞬间排放完毕的，即利用最大浓度来计算到晚上9点时空气污染浓度分布.

在早上9点到下午3点即6小时共排放了813.6 mg的氮氧化物，假设这些氮氧化物在1 s内排放完毕，运用MATLAB得到图3.

则在晚上9点的空气污染浓度9×10-6mg/m3，在50 km处达到最大.

已知晚上10点时，空气污染浓度极低，假设白天的空气污染物残余为0.运用同样的方法，则夜晚的空气污染参数如表4.

运用MATLAB，得到图4.

则在早上8点时的空气污染浓度为，在5 km处达到最大.

易知早上8点的空气质量等级为良；中午12点的空气质量等级为优；晚上9点的空气质量等级为优.

3.4结果分析

综上所述，我们得知，一般污染排放工厂的污染浓度最高.受障碍物、风向、风速等因素的影响，污染物向四周扩散，浓度随之稀释，污染面积逐渐扩大；但当烟囱停止排放，受大气平均的影响，污染物扩散到一定程度，空气中所含污染物逐渐降低，即大气有一定的净化能力.但净化有限，我们可以根据这一规律，合理设定工厂应当排放时间与停止排放时间，在经济效益和生态效益之间达到平衡，最好是在不破坏环境的情况下，满足其最大经济效益.

图3　晚上9点空气污染浓度分布图Fig.3Air pollution concentration distribution map at 9pm

图4　早上8点空气污染浓度分布图Fig.4Air pollution concentration distribution map at 8pm

表4　夜晚空气污染扩散参数Tab.4Air pollution diffusion parameters at night

4　总结

根据我国中国环境监测总站的环境监测报告和空气质量等级标准，可以看出我国环境污染日益严峻.

京津冀地区以汽车工业、电子工业、机械工业、冶金钢铁工业为主，是我国主要的高新技术和重工业基地，具有重要战略意义.但是，近年来，京津冀地区却面临着一定的困境，尤其在生态环境方面.在国家提出“APEC”蓝天这一概念时，京津冀地区就面临着首当其充的责任.本文就针对京津冀地区现在面临的空气污染问题，分析得到影响空气质量的关键参数，进而提出可行性建议.

为提高空气质量，实现“APEC”蓝天，我们根据我们所建模型得出的结论提出以下建议，仅供参考.

a）针对工业污染排放问题，整个京津冀地区尤其是河北省，应当做到尽可能挖掘区域可再生能源，以减少燃料发电从而减少污染物排放；b）加快关停部分钢铁厂、焦化厂和水泥厂，对必须存在的工厂应勒令实施烟气脱硫、高效除尘技术，以减少空气中污染物的排放量；c）在必须排放时，应设定每日最大可允许连续排放时间，以发挥大气平均作用，使得空气中污染物达到动态平衡；d）汽车尾气排放也是汽车工业发达的京津冀地区所关注的重点，单双号限行可有效地减少空气污染浓度.

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[9]肖敬斌.大气污染物扩散稀释的计算机模拟研究[D].北京:北京化工大学,2004.

责任编辑：刘红

Research on Air Pollution in Beijing-Tianjin-Hebei Region and Feasible Suggestions

HU Ying1，LI Dongling2，YANG Penghui1*
（1.School of Statistics and Applied Mathematics，Anhui University of Finance and Economics，Bengbu 233030，China；2.School of Finance，Anhui University of Finance and Economics，Bengbu 233030，China）

In view of the Beijing-Tianjin-Hebei regional environment pollution,by considering of harmful degrees of vari⁃ous pollutants on human body and using normalization method,this article analyzes the main sources of air pollution.Then by putting forward correction to the traditional Gaussian model and setting up single pollution source air pollution diffusion model,it analyzes pollutant diffusion regularity of factory emissions.Finally,by using MATLAB programming calculation,it puts forward feasible suggestions for the future control of air pollution with pollution parameters.

Beijing-Tianjin-Hebei region；pollution；air pollution diffusion model of single pollution source；MATLAB

X 513

A

1674-4942（2016）01-0026-05

2015-11-21

国家自然科学基金（11301001）；国家级大学生创新项目（201510378020）