楊立焜，王 璇，孫道成，許宏宇，關(guān) 凱，任金梁

（1. 自然資源部國土空間規(guī)劃研究中心，北京 100044；2.中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100044）

0 引言

自中國加入WTO以來，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化水平發(fā)生了突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)[1]，同時(shí)也因其粗放式的發(fā)展模式，產(chǎn)生了很多環(huán)境問題[2,3]。近幾年部分汾渭平原地區(qū)大氣重污染事件頻發(fā)，給中國空氣質(zhì)量帶來壓力，對(duì)我國“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”規(guī)劃中生態(tài)文明建設(shè)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[4]。目前生態(tài)環(huán)境部門對(duì)大氣環(huán)境的主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3等，其中可吸入顆粒物粒徑細(xì)小，影響呼吸系統(tǒng)、肺等，對(duì)人體健康威脅尤為顯著[5-6]。PM10已經(jīng)成為臨汾市大氣環(huán)境的首要污染物，SO2、NO2的大量排放使城市空氣污染加重，對(duì)環(huán)境和人的身體健康產(chǎn)生較大風(fēng)險(xiǎn)和危害[7,8]。

自2013年國務(wù)院印發(fā)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃以后[9]，國內(nèi)大部分城市空氣質(zhì)量逐年變好，汾河平原各城市也出現(xiàn)短暫的變好態(tài)勢(shì)，但從2015年起開始反彈，成為全國空氣污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一，并于2018年被賦予重點(diǎn)督察，納入國家大氣防治重點(diǎn)區(qū)域[10]。城市化和工業(yè)化進(jìn)展的加快對(duì)大氣環(huán)境造成的負(fù)面影響已逐步顯現(xiàn)出來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)大氣污染特征進(jìn)行了多年的觀測(cè)和研究[11-17]。目前該區(qū)域缺少對(duì)高污染高排放產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移可行性分析，本文以山西省臨汾市為研究對(duì)象，總結(jié)臨汾市的地形和氣象特征，選擇2016—2017年進(jìn)行大氣模擬研究，對(duì)大氣污染敏感性進(jìn)行分析，并提出焦煤產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能轉(zhuǎn)移選址的可行性地區(qū)，以期為臨汾市空氣污染治理和焦煤產(chǎn)業(yè)布局提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

臨汾市位于山西省西南部，地理坐標(biāo)為北緯35°23′~36°57′，東經(jīng)110°22′~112°34′。地處半干旱、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期。氣候主要特征：冬季寒冷干燥，降雪稀少；春季干旱多風(fēng)，秋季陰雨連綿；夏季酷熱多暴雨，伏天旱雨交錯(cuò)。臨汾市地形輪廓大體呈“凹”字型分布，四周環(huán)山，中間平川，坐落于汾河谷地。臨汾是中國三大優(yōu)質(zhì)主焦煤基地之一，當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期保持以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)[18]。

在河谷地形影響下，年均風(fēng)速小，靜風(fēng)頻率高，不利于大氣污染物的擴(kuò)散，尤其是在冬季，往往會(huì)形成逆溫氣象條件；臨汾市區(qū)空氣質(zhì)量改善的難度逐年增大，且具有較大的不確定性。

圖1 臨汾市地形圖

圖2 臨汾市AQI逐日變化圖

1.2 數(shù)據(jù)來源和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

收集了臨汾市2016－2017年大氣環(huán)境資料，包括氣溫、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、空氣質(zhì)量資料等，數(shù)據(jù)來源于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)和國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心；大氣環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行《GB 3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 氣象場(chǎng)模擬

氣象預(yù)報(bào)模式WRF（The Weather Research and Forecasting Model），美國環(huán)境預(yù)測(cè)中心（NCEP）、美國國家大氣研究中心（NCAR）等科研機(jī)構(gòu)于2000年研究發(fā)布，目前已經(jīng)更新到WRF4.0。WRF模式為完全可壓縮的歐拉非靜力模式，垂直方向采用地形追隨坐標(biāo)，水平方向采用Arakawa C grid交錯(cuò)。微物理覆蓋從適合理想狀態(tài)研究的簡(jiǎn)單物理到適合于過程研究和氣象數(shù)值預(yù)報(bào)的復(fù)雜混合相物理，積云參數(shù)化為基于中尺度模擬調(diào)整的質(zhì)量通量方案，表面物理從簡(jiǎn)單的熱力模式到全植被和土壤濕度的多層地表覆蓋模式，另外還有多種可供選擇的邊界層物理和大氣輻射物理方案，并可設(shè)置多層嵌套模擬和運(yùn)用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地面和高空同化，以提高模擬的準(zhǔn)確性和精度[19-22]。本研究采用WRF 3.7.1模擬2016和2017年1月、4月、7月、10月的氣象場(chǎng)，設(shè)置三層嵌套，以大區(qū)域的模擬結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行更精細(xì)的小區(qū)域的模擬，外層的模擬結(jié)果為內(nèi)層提供邊界條件，多層嵌套可以消除最外層以外的邊界條件不確定性的影響。投影類型為適用于中緯度地區(qū)的蘭伯特投影，兩條標(biāo)準(zhǔn)緯線為25°N和40°N，中央經(jīng)線為110°E，坐標(biāo)原點(diǎn)（34°N，110°E）。氣象原始數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的FNL全球分析資料，時(shí)間間隔為6 h，分辨率為1°×1°?；谀M的氣象場(chǎng)，結(jié)合敏感實(shí)驗(yàn)面源清單和WRF-Chem數(shù)值預(yù)報(bào)模塊，考慮容量空間、污染聚集和擴(kuò)散風(fēng)速影響，將氣象場(chǎng)與污染濃度結(jié)果進(jìn)行輸出，最終提取近地面10 m、100 m和300 m的風(fēng)速和污染物濃度。根據(jù)風(fēng)速和污染物濃度結(jié)果進(jìn)行歸一化與平均加權(quán)處理，并按照1%、2%、5%、10%、25%的比例進(jìn)行敏感性等級(jí)劃分。

2 結(jié)果與分析

臨汾市東西環(huán)山，北部山區(qū)溫度較低，且溫度梯度較大，風(fēng)場(chǎng)的日變化非常明顯。WRF模擬結(jié)果顯示，近地面風(fēng)向與地形關(guān)系緊密，主導(dǎo)風(fēng)向與河谷或山谷走向保持一致；通過對(duì)比分析500 m、300 m和10 m平均風(fēng)場(chǎng)分析數(shù)據(jù)，全市域并無明顯的一致主導(dǎo)風(fēng)，盆地多以西南、西北風(fēng)為主。

基于臨汾市風(fēng)場(chǎng)分布圖和污染源現(xiàn)狀，對(duì)區(qū)域四季和年污染擴(kuò)散平均濃度分布進(jìn)行模擬。從污染濃度的分布可以明顯的發(fā)現(xiàn)，汾河平原地區(qū)為市域污染聚集敏感區(qū)。相同的污染源設(shè)置，不同季節(jié)的擴(kuò)散結(jié)果也可以看出，夏秋污染擴(kuò)散能力較好，而冬季污染擴(kuò)散能力最差，平原地區(qū)積聚污染濃度最高。

綜合四季的模擬結(jié)果，分析年平均污染濃度分布圖，分布圖顯示 污染物均擴(kuò)散至汾河盆地，圖中深紅區(qū)域?yàn)樽钜孜廴径逊e的區(qū)域，也是風(fēng)速小、風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)域。

圖3 臨汾市年平均風(fēng)場(chǎng)分布圖

圖4 臨汾市四季污染擴(kuò)散平均濃度分布圖

以氣象場(chǎng)與污染濃度輸出結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合近地面10 m、100 m和300 m風(fēng)速和污染濃度，提取區(qū)域邊界層高度，進(jìn)行歸一化處理和平均加權(quán)求和，計(jì)算獲得大氣污染敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果，基于1%、2%、5%、10%、25%的比例關(guān)系等級(jí)劃分敏感性，劃分為極敏感、較敏感、一般敏感、較不敏感和不敏感五個(gè)等級(jí)。

3 討論

3.1 汾河平原大氣環(huán)境污染分析

根據(jù)臨汾市大氣環(huán)境污染敏感性區(qū)劃圖，結(jié)合工業(yè)園區(qū)分布，對(duì)現(xiàn)狀工業(yè)園區(qū)分布進(jìn)行分析。通過統(tǒng)計(jì)臨汾市18個(gè)園區(qū)，其中位于大氣污染極敏感紅色區(qū)域1個(gè)園區(qū)，位于大氣污染較敏感橙色經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)6個(gè)園區(qū)，位于大氣污染一般敏感黃色區(qū)域7個(gè)園區(qū)，位于大氣污染較不敏感和不敏感的區(qū)域4個(gè)園區(qū)。這些園區(qū)中位于汾河平原地區(qū)的主要在堯都區(qū)、洪洞縣、襄汾縣三個(gè)行政區(qū)范圍內(nèi)，結(jié)合區(qū)域現(xiàn)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)堯都區(qū)、洪洞縣優(yōu)良天數(shù)低于50%，襄汾縣優(yōu)良天數(shù)低于60%；中心城區(qū)重度和嚴(yán)重污染天數(shù)比例超5%。

根據(jù)臨汾市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)，區(qū)域大氣污染主要以SO2和PM10為主。其中SO2排放源主要有：硫酸廠尾氣、煤化工廢氣、有色金屬冶煉、燃煤廢氣；PM10排放源主要有：施工及運(yùn)輸揚(yáng)塵、燃煤煙氣污染源、交通源粉、冶煉塵、建材塵。根據(jù)汾河平原三區(qū)縣主要污染排放源分析，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，堯都區(qū)、洪洞縣、襄汾縣SO2重點(diǎn)排放源主要來自于煤化工、電廠和煉鋼，PM10重點(diǎn)排放源主要來自于燃煤煙氣和施工、運(yùn)輸揚(yáng)塵，因此區(qū)域重點(diǎn)控制污染源為：煤化工、電廠及鋼鐵產(chǎn)業(yè)。

為提升區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量，需控制堯都區(qū)、洪洞縣、襄汾縣煤化工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能，結(jié)合區(qū)域產(chǎn)業(yè)園區(qū)分布，其中位于大氣污染極敏感、較敏感區(qū)域的工業(yè)園區(qū)以焦煤產(chǎn)業(yè)、煤化工為主，該區(qū)域內(nèi)大氣擴(kuò)散能力差，結(jié)合區(qū)域風(fēng)向，污染物極容易導(dǎo)致人口密集區(qū)環(huán)境污染問題，對(duì)該園區(qū)應(yīng)要求超低排放改造，不允許新建或擴(kuò)建任何火電、水泥、焦化、化工、鋼材、建材、鑄造、有色等高排放行業(yè)項(xiàng)目，現(xiàn)有高排放行業(yè)逐步退出。

圖5 臨汾市污染擴(kuò)散平均濃度分布圖

圖6 臨汾市大氣環(huán)境污染敏感性區(qū)劃圖

結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，計(jì)算具體產(chǎn)能降低數(shù)量。區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)為II類標(biāo)準(zhǔn)，通過A值法計(jì)算區(qū)域內(nèi)SO2、PM10超大氣環(huán)境II類標(biāo)準(zhǔn)總量分別分別為：5.4萬t/a、18.8萬t/a。將SO2、PM10超大氣環(huán)境II類標(biāo)準(zhǔn)污染物總量折算為焦化產(chǎn)能后，分別為：1714萬t/a、648萬t/a。根據(jù)短板原理，確定SO2為控制性因子，汾河平原三區(qū)縣需降低焦化產(chǎn)能1714萬t/a才能滿足大氣環(huán)境II類標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移選址

根據(jù)環(huán)境質(zhì)量公報(bào)，浮山縣、安澤縣優(yōu)良天數(shù)高于60%，浮山縣、安澤縣、古縣重度污染和嚴(yán)重污染天數(shù)比例低于3%。浮山縣、安澤縣、古縣污染物濃度整體低于堯都區(qū)、洪洞縣、襄汾縣，浮山縣、安澤縣、古縣大氣環(huán)境容量較堯都區(qū)、洪洞縣、襄汾縣高。

基于產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，安澤縣、浮山縣、古縣現(xiàn)有焦化產(chǎn)能887萬t/a。結(jié)合安澤縣、浮山縣、古縣工業(yè)園區(qū)規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書，區(qū)域可增加焦化產(chǎn)能約2050萬t/a。安澤縣、浮山縣、古縣工業(yè)園區(qū)環(huán)境容量及焦化產(chǎn)能均可滿足堯都區(qū)、洪洞縣、襄汾縣焦化產(chǎn)能東遷的要求。

圖7 堯都區(qū)、洪洞縣、襄汾縣大氣環(huán)境質(zhì)量分析圖

圖8 臨汾市大氣環(huán)境污染敏感性區(qū)劃圖與工業(yè)園區(qū)

基于產(chǎn)能轉(zhuǎn)移和園區(qū)規(guī)劃，結(jié)合WRF模型，對(duì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移后的大氣環(huán)境進(jìn)行模擬。園區(qū)主要為古縣澗河園區(qū)、古縣新型產(chǎn)業(yè)園、浮山園區(qū)和安澤園區(qū)，古縣澗河園區(qū)污染主要東北向、西南向擴(kuò)散，對(duì)古縣縣城影響較大；古縣新型產(chǎn)業(yè)園向西擴(kuò)散為主浮山園區(qū)向西北擴(kuò)散為主，園區(qū)自凈能力最差；古縣、浮山的園區(qū)均向汾河谷地有輸送，污染主要影響洪洞東部、堯都區(qū)東北小范圍區(qū)域，其中古縣新型產(chǎn)業(yè)園和浮山園區(qū)較澗河工業(yè)園更容易向谷地輸送；安澤園區(qū)地處山谷，無明顯的主導(dǎo)擴(kuò)散方向，如搬遷至此，則需重點(diǎn)關(guān)注園區(qū)周邊用地，不宜設(shè)為居住用地。

選取SO2為模擬污染物，使用冬季、夏季兩個(gè)季節(jié)為模擬過程，結(jié)合WRF-Chem模型，對(duì)污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行分析。分析工業(yè)園區(qū)大氣污染的擴(kuò)散特征和主要影響區(qū)域，冬季情況下模擬結(jié)果顯示污染物往谷地和東部擴(kuò)散，尤其南邊兩個(gè)園區(qū)對(duì)谷地影響較大，但相比工業(yè)園區(qū)在汾河平原谷地區(qū)影響降低較多；夏季情況下模擬結(jié)果顯示工業(yè)園區(qū)污染物主要擴(kuò)散至東部地區(qū)，對(duì)河谷地?cái)U(kuò)散影響范圍較小。

圖9 大氣環(huán)境質(zhì)量級(jí)別及主要污染濃度對(duì)比圖

圖10 安澤縣、浮山縣、古縣現(xiàn)狀焦化產(chǎn)能與規(guī)劃產(chǎn)能圖

4 結(jié)論

（1）臨汾市處于四周環(huán)山的盆地之中，受地勢(shì)影響和山脈阻擋，大氣污染物在盆地內(nèi)停滯堆積，污染物擴(kuò)散能力不暢，特別是在重污染過程中，這種大氣污染物在局部地區(qū)的堆積嚴(yán)重；

（2）汾河谷地平原區(qū)域?qū)儆诖髿猸h(huán)境污染敏感性高或者較高區(qū)，并且臨汾市主要重污染企業(yè)集中于汾河谷地平原區(qū)域，亟需將區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)狀重污染企業(yè)進(jìn)行搬遷；

圖11 規(guī)劃產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移園區(qū)大氣擴(kuò)散能力分布圖

圖12 規(guī)劃產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移園區(qū)SO2擴(kuò)散能力分布圖

（3）臨汾市東部古縣、安澤縣、浮山縣現(xiàn)狀大氣環(huán)境擴(kuò)散能力強(qiáng)，將汾河谷地平原區(qū)域超容量重污染企業(yè)搬遷至東部三縣，通過模擬結(jié)果顯示在不超過東部三縣環(huán)境容量的前提下，對(duì)河谷地平原區(qū)影響較小，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境改善。