李躍宇,施建華

(太原市環(huán)境科學研究設計院,山西太原030002)

太原市城區(qū)SO2擴散分布規(guī)律研究

李躍宇,施建華

(太原市環(huán)境科學研究設計院,山西太原030002)

采用CALPUFF空氣質量模型,對2006年太原市城區(qū)大氣污染源排放SO2的傳輸及轉化過程進行數(shù)值模擬.借助于地理信息系統(tǒng)軟件和其它工具軟件,結合實際監(jiān)測結果詳細分析了太原市城區(qū)范圍內的SO2濃度分布特點及其對各關心點的濃度貢獻.結果表明:太原市1、4兩月大氣污染物整體向東南方向擴散,7月由市中心向四周均勻擴散,10月向東北方向擴散;太原市7月份最不利于污染物擴散,其次為1月份;相比之下,4、10兩月污染物擴散能力強.從空間分布來說,太原市SO2污染總體呈現(xiàn)東部重于西部,北部重于南部的態(tài)勢;高值區(qū)主要分布在北部太鋼工業(yè)區(qū)、西部煤化工工業(yè)區(qū)和東部工商混合區(qū).太原市污染源排放對各關心點的SO2濃度貢獻值呈現(xiàn)1、7月高,4、10月低的趨勢,貢獻值較大的關心點由高到低依次為澗河、塢城、桃園、尖草坪.

空氣質量模型;SO2;濃度分布;太原;

太原作為一個能源重化工城市,工業(yè)分布集中且結構不合理,導致SO2等典型污染物排放量較大.近幾年,太原市加大了大氣污染防治力度,采取了嚴厲的污染控制措施,環(huán)境空氣質量整體有所改善,但SO2污染嚴重的現(xiàn)狀并沒有得到根本轉變.

在以往的研究中,統(tǒng)計分析了太原市主要污染物濃度變化趨勢[1];采用數(shù)值方法求解平流擴散方程,對太原市的一次示蹤物實驗進行了大氣擴散的數(shù)值模擬[2],王淑蘭等利用CALPUFF模擬系統(tǒng),通過數(shù)值模擬及對排放源現(xiàn)狀分析,揭示了珠江三角洲內城市之間污染物相互輸送的特點和規(guī)律[3],岳麗等利用CAL2 PU FF空氣質量模型,研究了貴州“西電東送”火電項目排放導致的NO2時空分布特征,及對各關心點NO2的濃度貢獻[4],但對于在充分考慮全市區(qū)域下墊面和氣象特征的基礎上,利用數(shù)值模擬技術計算區(qū)域內主體污染源排放污染物的擴散輸送規(guī)律研究尚有不足.本研究利用CALPUFF空氣質量模型,對2006年太原市城區(qū)大氣污染源排放SO2的傳輸及轉化過程進行數(shù)值模擬,并借助于地理信息系統(tǒng)軟件和其它工具軟件,結合實際監(jiān)測結果詳細分析了太原市城區(qū)范圍內SO2濃度分布特點及其對各關心點的濃度貢獻.

1 CALPUFF空氣質量模型

CALPUFF模型是美國EPA推薦使用的空氣質量模型,該模型可用于模擬非定常、非穩(wěn)態(tài)的氣象條件下幾十米到幾百公里范圍內污染物擴散、遷移以及轉化過程,屬多層、多物種的高斯型煙團擴散模型[3].模型系統(tǒng)由CALM ET氣象模塊、CALPU FF煙團擴散模塊和CALPOST后處理模塊等3部分組成,在近距離模型可以處理如建筑物下洗、浮力抬升、動力抬升、部分煙羽穿透和海陸交互影響等過程,在遠距離可以處理如干、濕沉降,化學轉化,垂直風修剪和水上輸送等污染物清除過程.模型內部包含了化學轉化、干濕沉降等污染物去除過程,充分考慮下墊面的影響,可以處理逐時變化的點源、面源、線源、體源等污染源[425].

2 模擬區(qū)域及相關參數(shù)

2.1 模擬區(qū)域及時段

研究模擬區(qū)域為112.25184°～112.77776°E,37.59453°～38.07178°N(大約45 km×54 km的范圍),劃分為45×54個網(wǎng)格,網(wǎng)格分辨率1 km×1 km,涵蓋了太原市城區(qū)范圍內的所有面積[6].

模擬時段為2006年各季代表月份(1月、4月、7月、10月).

2.2 氣象場資料

收集了2006年1月、4月、7月、10月太原市3個地面氣象站的每日逐時觀測資料,包括風速、風向、氣溫、云底高度、云量、氣壓和相對濕度;收集了2006年1月、4月、7月、10月山西省觀象臺的每日高空觀測資料,包括風速、風向、氣溫、氣壓和海拔高度.

2.3 大氣污染源

收集了2006年太原市城區(qū)范圍內538個大氣污染源(包括302個點源、236個面源),點源分布見圖1.由圖1可知,太原市大氣排放點源主要分布在城區(qū)內的平原區(qū)域,重點集中在425 km2的范圍內,從源的數(shù)量來說東部稍多于西部,從排放量來說,普通源與重點源(如太原一電廠、太原二電廠、煤氣化矸石電廠、東山電廠等)排放量差距較大.

表1 2006年太原市SO2排放情況Table 1 Taiyuan SO2em issions in 2006

2.4 地理資料

考慮局地地理特征對大氣污染物擴散的影響,收集了模擬范圍內的30 s分辨率DEM高程數(shù)據(jù)及土地利用類型資料作為模型的輸入項.

太原市城區(qū)西、北、東三面環(huán)山,南部為開闊的河谷盆地,汾河縱貫全市,整個地勢北高南低逐漸傾斜,局地海拔高度都在746 m以上,最高可達2 712 m,僅城區(qū)范圍內的海拔高度最高就能達到1 500 m左右,高程跨度達700 m左右,太原市地形見圖1.

2.5 建模及其驗證

把模型輸出的結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較,以驗證模型的性能并對相關參數(shù)進行調試,保證所建立模型的合理性和可靠性.對2006年1月太原市地面空氣中的SO2月均濃度模擬值與太原市上蘭、澗河、南寨、塢城、桃園、金勝、尖草坪、晉源8個環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測點的監(jiān)測值進行回歸分析,結果見圖2.

圖2 2006年1月太原市SO2濃度模擬值與監(jiān)測值相關分析Fig.2 Correlativity between modeling result and monitoring data of SO2concentration in January 2006,Taiyuan

圖1 2006年太原市地形及大氣排放點源分布Fig.1 Taiyuan terrain and the distribution of point sources in 2006,Taiyuan

從比較結果來看,模擬值一般小于監(jiān)測值,這一方面由于本地SO2濃度的一部分是由模擬區(qū)域外部污染源貢獻的,沒有納入本次模擬過程;另一方面是由于模擬值是1 km×1 km的網(wǎng)格平均值,而監(jiān)測站點主要都分布在代表性的功能區(qū)內,受污染源影響較大,因而所測得的濃度值會高于網(wǎng)格平均值.由圖2可知, SO2濃度的監(jiān)測值和模擬值的回歸系數(shù)為0.828 8,模擬結果與實際監(jiān)測值具有很好的相關性.此外,經(jīng)中國環(huán)境科學研究院等眾多單位的驗證及應用[3,6,7],證明該模型的研究結果是可靠的.

3 模擬結果與分析

模擬了區(qū)域內2006年各季代表月(1月、4月、7月、10月)大氣污染源排放的SO2擴散輸送過程,模型模擬充分考慮了局地下墊面和氣象特征,模擬結果反映了一年中區(qū)域SO2的濃度分布特點及變化規(guī)律.

3.1 各季代表月SO2濃度分布特征分析

由圖3可知,1月份太原市SO2濃度值總體較高,所有建成區(qū)范圍內均超國家二級標準,受局部污染物排放量較大影響,高值區(qū)出現(xiàn)在北部太鋼工業(yè)區(qū)、西部煤化工工業(yè)區(qū)和東部工商混合區(qū)附近.從濃度分布趨勢來看,污染物整體向東南方向擴散,這與當?shù)囟臼⑿形鞅憋L有很大關系.

圖5 2006年7月太原市SO2月均濃度分布Fig.5 Monthly average of SO2concentration distribution in July 2006,Taiyuan

圖6 2006年10月太原市SO2月均濃度分布Fig.6 Monthly average of SO2concentration distribution in October 2006,Taiyuan

圖4 2006年4月太原市SO2月均濃度分布Fig.4 Monthly average SO2concentration distribution in Ap ril 2006,Taiyuan

圖3 2006年1月太原市SO2月均濃度分布Fig.3 Monthly average of SO2concentration distribution in January 2006,Taiyuan

由圖4可知,4月份太原市SO2濃度值總體低于1月份,許多區(qū)域均減少了50%以上,這一方面是由于采暖期結束導致的污染物排放量整體降低;另一方面與當?shù)卮杭酒骄L速較大,有利于污染物遷移擴散有極大的關系.從分布規(guī)律來看,4月份太原市SO2濃度分布整體仍然呈現(xiàn)向東南方向擴散的趨勢.

由圖5可知,7月份太原市SO2濃度基本呈現(xiàn)由污染源向四周均勻擴散的趨勢,南北方向擴散稍強于東西方向,造成此種現(xiàn)象的主要原因是:一方面由于當?shù)叵募眷o風頻率較高,污染物擴散主要受大氣溫度層結的影響;另一方面由于太原市三面環(huán)山的特殊地形條件,在靜風條件下污染物只能延南北走向的谷地擴散.

由圖6可知,10月份太原市SO2濃度高值區(qū)仍然分布在北部太鋼工業(yè)區(qū)、西部煤化工工業(yè)區(qū)和東部工商混合區(qū)等3個區(qū)域,污染物呈現(xiàn)向東北方向擴散的趨勢,且擴散強度較大.

從1月、4月、7月、10月SO2濃度分布情況比較來看,7月份最不利于污染物水平擴散,其次為1月份,造成這種現(xiàn)象的主要原因是夏季當?shù)貧庀髼l件穩(wěn)定,靜風頻率較高,冬季不但靜風頻率較高且太陽輻射量減少,導致逆溫層厚度增大,頻率增高[9](太原市冬季逆溫層平均厚度為490 m,最高可達900 m,出現(xiàn)逆溫頻率為80%[10]);相比之下,4、10兩月污染物擴散能力較強,這主要是由于當?shù)卮呵飪杉敬髿馑竭\動強烈.

從空間分布來說,總體呈現(xiàn)東部污染重于西部,北部污染重于南部的態(tài)勢;高值區(qū)主要分布在北部太鋼工業(yè)區(qū)、西部煤化工工業(yè)區(qū)和東部工商混合區(qū),局部SO2濃度均超國家三級標準.

圖7 各關心點SO2濃度隨時間變化圖Fig.7 SO2concentration change w ith time in interest points

3.2 城區(qū)內大氣污染源排放對各關心點SO2濃度貢獻

由圖7可知,污染源排放對各關心點的SO2濃度貢獻值呈現(xiàn)1月、7月高,4月、10月低的趨勢,這說明當?shù)卮呵飪杉敬髿鈹U散能力強,環(huán)境空氣質量較好,冬夏兩季不利擴散氣象條件出現(xiàn)頻繁.從空間分布來說,貢獻值較大的關心點由高到低依次為澗河、塢城、桃園、尖草坪.

4 結論

太原市大氣排放點源主要分布在城區(qū)內的平原區(qū)域,重點集中在425 km2的范圍內,從源的數(shù)量來說東部稍多于西部.從排放量來說,普通源與重點源(如太原一電廠、太原二電廠、煤氣化矸石電廠、東山電廠等)排放量差距較大.

太原市1、4兩月污染物整體向東南方向擴散;7月由市中心向四周均勻擴散,但南北方向稍強于東西方向;10月向東北方向擴散.

太原市7月份最不利于污染物擴散,其次為1月份,造成這種現(xiàn)象的主要原因是夏季當?shù)貧庀髼l件穩(wěn)定,靜風頻率較高,冬季不但靜風頻率較高且太陽輻射量減少,導致逆溫層厚度增大,頻率增高;4、10兩月污染物擴散能力較強,這主要是由于當?shù)卮呵飪杉敬髿馑竭\動強烈.

從空間分布來說,太原市SO2污染總體呈現(xiàn)東部重于西部,北部重于南部的態(tài)勢;高值區(qū)主要分布在北部太鋼工業(yè)區(qū)、西部煤化工工業(yè)區(qū)和東部工商混合區(qū),局部SO2濃度均超國家三級標準.

太原市污染源排放對各關心點的SO2濃度貢獻值呈現(xiàn)1月、7月高,4月、10月低的趨勢,從空間分布來說,貢獻值較大的關心點由高到低依次為澗河、塢城、桃園、尖草坪.

[1] 韓愛梅.太原市大氣污染特征及變化趨勢分析[J].太原科技,2004(1):70273.

[2] 武永利.太原市大氣擴散數(shù)值模擬[J].山西氣象,2001(2):29231.

[3] 王淑蘭,張遠航,鐘流舉,等.珠江三角洲城市間空氣污染的相互影響[J].中國環(huán)境科學,2005,25(2):1332137.

[4] 伯鑫,丁峰,徐鶴,等.大氣擴散CALPU FF模型技術綜述[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術,2009(3):9213.

[5] Scire J S,Strimattis D G,Yamartino R J.A Userg Guide for the CALPUFFDispersion Model(Version 5)[M].Concord, MA:Earth Tech Inc,2000:1279.

[6] 俎鐵林.空氣質量模式在法規(guī)中的應用[M].北京:中國標準出版社,2005:2162220.

[7] 岳麗,段寧,劉厚鳳.貴州“西電東送”火電項目對區(qū)域NOx的影響[J].科技信息,2007(13):2512262.

[8] Hao Ji2ming,Li Ji,Ye Xue2mei.Estimating Health Damage Costfrom Secondary Sulfate Particles2a Case Study of Human Province[J].Journal of environmental sciences,2003,15(5):6112617.

[9] 蔣維楣,曹文俊,蔣瑞賓.空氣污染氣象學教程[M].北京:氣象出版社,1993:1072171,4362448.

[10] 韓愛梅.太原市大氣污染氣象條件分析[J].太原科技,2005(4):26228.

Characteristics of SO2Dispersion in Urban of Taiyuan,Shanxi

L I Yue2yu,SH IJian2hua
(Taiyuan Research Design Institute of Environmental Sciences,Taiyuan 030002,China)

CALPU FF air quality model was used to simulated the transmission and the transfo rmation of the SO2by sources in 2006 Taiyuan.A seriesof analysis about the SO2concentration spatial distribution char2 acteristics and the contribution to each concerned point w ere analyzed by using the GIS and other soft2 wares.The results showed that:The urban in January and Ap ril,Taiyuan the atmospheric pollutants sp read to southeast,in July from the center to the surrounding uniform p roliferation,the p roliferation of October in the northeasterly direction;Moreover,the least conducive to pollutant dispersion in July,followed by January;In contrast,the pollutant dispersion capability in Ap ril,October;from the spatial distribution,the SO2pollution in the eastern emphasison the western,northern emphasison the the southern;the high2val2 ue areas are mainly distributed in the no rth TISCO industrial zone,the w estern coal chemical industrial zone and the eastern industrial and commercial mixed zone.The SO2concentration of the interest points w as high in January and July than Ap ril and October,a larger contribution to the value of the interest points from high to low was Jianhe,Wucheng,Taoyuan,Jiancaoping.

air quality model;SO2;the concentration spatial distribution;Taiyuan

X511

A

025322395(2011)0120153205

2009211202;

2010207219

山西省基礎研究計劃項目(No.2006011066)

李躍宇(1957-),男,山西太原人,碩士,高級工程師,主要從事環(huán)境空氣質量數(shù)值模擬技術的研究工作.