朱浩 歐陽紅 王威 歐陽芳芳

摘要

通過對岳陽城區(qū)2007～2013年663個雨量樣本 556個酸雨pH以及對應(yīng)之風(fēng)向頻率下的酸雨率進(jìn)行分類統(tǒng)計、分析，發(fā)現(xiàn)后3年酸雨率明顯增高。針對此現(xiàn)象尋求原因，除工業(yè)布局、主導(dǎo)風(fēng)向外，通過對2010年運行的巨型燃煤機組產(chǎn)生的SO2、NO2濃度值進(jìn)行模式計算，得出機組運行后對SO2、NO2濃度值貢獻(xiàn)是下游最近3年酸雨率增高的重要原因之一。

關(guān)鍵詞 酸雨;風(fēng)向頻率;增高;原因

中圖分類號 S161.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12206-03

Analysis on Causes for Increasing of Acid Rain Occurrence Frequency in Yueyang City

ZHU Hao， OUYANG Hong， WANG Wei et al

（Yueyang Meteorology Bureau， Yueyang， Hunan 414000）

Abstract The classification statistics and analysis was conducted on 663 rainfall samples， 556 ?pH value of acid rain， and the acid rain frequency under corresponding wind direction in Yueyang City during 2007-2013. It was found that acid rain frequency is obviously increased in last 3 years. To seek reasons for this phenomenon， in addition to the industrial layout， the dominant wind direction， by calculating SO2， NO2 concentration produced from the giant coalfired units operated in 2010， it can be concluded that the unit operation producing SO2， NO2 is one of the important reasons for acid rain increasing in downstream in recent 3 years.

Key words Acid rain; The wind direction frequency; Increasing; Causes

地處洞庭湖東岸、出湖與長江交匯處的岳陽市，是一座有2500多年歷史的歷史文化名城，20世紀(jì)60年代以來，大型石化、造紙、火力發(fā)電等新興產(chǎn)業(yè)相繼入市。但由于歷史的原因，這些不可避免地要產(chǎn)生酸性物質(zhì)的企業(yè)，幾乎坐落于主城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向之上游，且這些企業(yè)在20世紀(jì)與21世紀(jì)之交又有長足的擴(kuò)展，雖然企業(yè)實施了先進(jìn)的脫硫、除塵等工藝措施，但由于燃煤、燃油量與日俱增和城市的規(guī)模擴(kuò)展，使處下游城區(qū)降雨酸度呈現(xiàn)明顯的高發(fā)態(tài)勢。在此，筆者通過對岳陽城區(qū)2007～2013年663個雨量樣本556個酸雨pH和對應(yīng)之風(fēng)向頻率下的酸雨率進(jìn)行分類統(tǒng)計、分析，發(fā)現(xiàn)后3年酸雨率明顯增高，并針對此現(xiàn)象的原因進(jìn)行了剖析。

1 ?資料與方法

1.1 資料選取

酸雨資料取自湖南岳陽國家基本氣象站，按國家氣象局批準(zhǔn)的《酸雨觀測業(yè)務(wù)規(guī)范》執(zhí)行得出的觀測結(jié)果;相應(yīng)氣象資料亦取自該站平行觀測數(shù)據(jù);有關(guān)大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，如SO2等取自岳陽市環(huán)境監(jiān)測站或岳陽市環(huán)保局網(wǎng)站;相關(guān)企業(yè)數(shù)據(jù)取自岳陽市年度國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展公報或發(fā)展規(guī)劃。

酸雨率（%）=酸雨出現(xiàn)日數(shù)/酸雨觀測總?cè)眨ù危?shù);pH<4.5為強酸雨，pH≥5.6為非酸雨[1-2]，處二者間為弱酸雨;2007～2013年1～12月所有日降雨共計663日（次）樣本。

1.2 研究方法

計算酸雨發(fā)生率、強酸弱酸雨以及各月強、弱、非酸雨出現(xiàn)時對應(yīng)之風(fēng)向（取最多風(fēng)向）頻率及其平均風(fēng)速，并擴(kuò)散模式計算裝機容量為2×600 MW超臨界裝機發(fā)電機組（年耗煤200余萬噸）發(fā)電對酸雨測點附近SO2、NO2濃度的貢獻(xiàn)量。

2 ?岳陽酸雨發(fā)生的時間分布特征

由岳陽城區(qū)各月酸雨率（強弱酸雨）分布（圖1）可見，岳陽酸雨發(fā)生率是很高的，且季節(jié)分布十分顯著，9月～次年4月長達(dá)8個月的酸雨發(fā)生率在80%以上，其中10月～次年3月酸雨發(fā)生率在90%以上，其原因是與冬半年空氣穩(wěn)定利于酸性物質(zhì)沉積和主導(dǎo)風(fēng)向偏NNE，使酸性物質(zhì)利于向城區(qū)飄移密切相關(guān)。

圖1 2007～2013年岳陽城區(qū)各月酸雨發(fā)生率分布

3 后三年酸雨發(fā)生率顯著增高

上述7年酸雨樣本中，發(fā)現(xiàn)自2010年為中介，后3年與前3年酸雨發(fā)生率存在明顯的增高現(xiàn)象，尤其弱酸雨更為顯著，從圖2可明顯看到，除8月外，全年各月弱酸雨后3年全部比前3年酸雨發(fā)生率增高，增加最大的是12月，后3年比前3年增加57%，其次是1、2月份，也就是冬季3個月酸雨發(fā)生率增加最顯著，這與大氣利于酸性物沉積不無關(guān)系。

強酸雨發(fā)生率后3年增加僅體現(xiàn)于5～8月，強酸雨5～8月后3年發(fā)生率增高分別為0.08、0.10、0.15、0.05，此時雖偏南風(fēng)增多，仍存在偏北風(fēng)，以及弱酸雨增率大于強雨等現(xiàn)象原因甚為復(fù)雜，待深入探討。

圖2 2011～2013與2007～2009年岳陽城區(qū)弱酸雨率差

4 后3年酸雨率增加原因剖析

4.1 工業(yè)布局與城區(qū)位置

從圖3可清晰看到，岳陽大型燃煤、發(fā)電、石化工業(yè)區(qū)均在主城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向位置上游，酸雨測點2亦處工業(yè)區(qū)和主導(dǎo)風(fēng)NNE向下游。因此，酸雨發(fā)生率及變化與工業(yè)布局、主導(dǎo)風(fēng)密切相關(guān)。而圖1揭示的全年酸雨率高以及酸雨率的冬半年高亦就是證明。

圖3 岳陽城市工業(yè)布局與地理區(qū)位一覽

4.2 NNE風(fēng)向下多酸雨

統(tǒng)計與酸雨降雨持時對應(yīng)的風(fēng)向（取最多風(fēng)向）頻率（各年各月再求累年頻率）（圖4）可清晰看到，無論強酸雨還是弱酸雨下的風(fēng)向均是NNE向最多，前者出現(xiàn)頻率高達(dá)53%，后者也亦達(dá)40%，其次是N向和NE向，（弱酸雨）強酸雨NE向不足1%，偏南向均在1%以內(nèi)。因此，可說明岳陽致雨酸之物質(zhì)主要來自NNE方向為主的工業(yè)區(qū)。

圖4 2007～2013年岳陽強酸雨（a）和弱酸雨（b）各風(fēng)向頻率分布

4.3 實測SO2、NO2、PM10濃度值佐證酸雨發(fā)生率的季節(jié)分布

從2007年市區(qū)三類污染物（SO2、NO2、PM10）監(jiān)測到的實際濃度的季節(jié)分布（表1）可看出，其SO2年日均值濃度為0.061 mg/m3，超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)，濃度份額達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的101.7%，特別主導(dǎo)風(fēng)向NNE外的第1、第4季度SO2日均值竟分別高達(dá)0.078和0.070 ?mg/m3;與此相應(yīng)時間在圖3中2處所測酸雨幾率大小亦與實測SO2、NO2、PM10濃度呈正相關(guān)，如第4季度高濃度SO2、NO2、PM10下的酸雨發(fā)生率亦為全年最高，接近100%，第2、第3季度污染物濃度降低了，酸雨率亦降低至70%以下;而pH最小值各季平均亦如此，高濃度污染物的第1、第4季度，pH均值亦達(dá)全年最小，第2、第3季度污染物濃度降低了，pH值亦相應(yīng)上升，酸雨強度相對低了。可見岳陽酸雨強度的變化與實測SO2、NO2、PM10污染物濃度變化如此相一致的吻合，與工業(yè)布局、與主導(dǎo)風(fēng)向的平行性是密不可分的。

表1 岳陽2007年四季污染物濃度與酸雨

時間SO2

mg/m3NO2

mg/m3PM10

mg/m32007年酸雨率

%pH最大值

平均

四季度0.0700.0330.162993.63

一季度0.0780.0320.137883.68

二季度0.0500.0200.118553.86

三季度0.0460.0210.095683.87

平均值0.0610.0260.128783.76

注：污染物濃度取自市環(huán)境監(jiān)測站。

4.4 模式計算SO2、NO2排放濃度看后三年酸雨率增高

以下用模式計算華能（圖3中3處為華能電廠）三期工程對酸雨測點SO2、NO2的可能增加燃能濃度[3]。在此以圖3之3處華能岳陽電廠2010年前已投產(chǎn)、二期工程、年耗煤220萬t之發(fā)電，三期工程又以裝機容量為2×600 MW超臨界機組，年耗煤200多萬噸的發(fā)電（2010年投產(chǎn)），按此規(guī)模以擴(kuò)散模式計算三期工程對下游關(guān)心點SO2、NO2之貢獻(xiàn)率，此處關(guān)心處是圖3之2處岳陽樓外南大門口點的酸雨監(jiān)測處的SO2、NO2之濃度增量。為此以模式

c=（Q2πUσyσz）exp-（Y22σy2）·F

計算華能岳陽電場210 m高排放煙囪，一是靜風(fēng)、小風(fēng)，且地面10 m高平均風(fēng)速V10≥1.5 m/s條件下，以此點源擴(kuò)散模式，得出地面任意一點1 h平均濃度。式中，

Q為單位時間排放量（mg/s）;

Y為該點與通過排氣筒的平均風(fēng)向軸線在水平面上的垂直距離（m）;

σy為垂直于平均風(fēng)向的水平橫向擴(kuò)散參數(shù)（m）;

σz為鉛直擴(kuò)散參數(shù)（m）;

U為排氣筒出口處的平均風(fēng)速（m/s）。

其中，

F=∑+kn=-k{exp[-（2nh-He）22σz2]+exp[-（2nh+He）22σz2]}。

排氣筒下風(fēng)向的最大地面濃度Cm（ mg/m3）及其距排氣筒的距離Xm可按下式計算：

Cm（Xm）=2Qe·π·U·He2·P1、

P1=2γ1·γ-a1/a22（1+a1a2）12（1+a1a2）·He（1-a1a2）·e12（1-a1a2）、

Xm=（Heγz）1/a2（1+a1a2）-（1/（2a2））。

煙氣抬升高度計算公式為

ΔH=n0Qn1hHn2U-1、

Qh=0.35PaQvΔTTs，

式中，

n0為煙氣熱狀況及地表狀況系數(shù);n1為煙氣熱釋放率指數(shù);

n2為排氣筒高度指數(shù);Qh為煙氣熱釋放率（kJ/s）;H為排氣筒距地面幾何高度（m），超過240 m時，取H=240 m;

Pa為大氣壓力（hP）;Qv為實際排煙率（m3/s）;ΔT為煙氣出口溫度與環(huán)境溫度差（K）;Ts為煙氣出口溫度（K）;U為排氣筒出口處平均風(fēng)速（m/s）。

上述公式所需相關(guān)污染物排放參數(shù)、排放源參數(shù)分別為煙囪高度210 m，內(nèi)徑7 m;煙氣出口參數(shù)煙氣量1 184.6 m3/s，煙氣溫度69.5 ℃;SO2排放量353.0 kg/h;NO2排放量1 514 kg/h。

一般氣象條件下的擴(kuò)散參數(shù)按照《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則（大氣環(huán)境）》中的附表B中表B3和表B4選取，并以此計算出各個距離的橫向擴(kuò)散參數(shù)σy和垂直擴(kuò)散參數(shù)σz，筆者以此計算華能電廠三期工程紙上二參數(shù)如表2所示。

按上述模式以華能岳陽電廠三期工程排放源和擴(kuò)散參數(shù)計算出關(guān)心點之SO2、NO2濃度值，并以2007年岳陽市大氣常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，岳陽城區(qū)SO2、NO2年日均濃度分別為0.061、0.026 ?mg/m3，在預(yù)測最大濃度貢獻(xiàn)時，以此作為區(qū)域濃度參考值。

表2 ?下風(fēng)向各距離擴(kuò)散參數(shù)

距離∥kmσyσz

2.000193114

4.000357216

5.000435264

6.000512312

7.000587360

8.000660407

10.000806500

12.000945.1591.0

表3 關(guān)心點濃度值

關(guān)心點位置距離∥kmSO2濃度∥mg/m3NO2濃度∥mg/m3

岳陽樓（酸雨測點）10.5000.007 710.033 0

開發(fā)區(qū)7.8000.008 920.038 2

環(huán)保局10.0000.008 000.034 3

最大地面濃度點7.5110.008 970.038 3

經(jīng)上述系列計算，得出各關(guān)心點預(yù)測濃度值。從表3可見，三期工程造成的地面最大濃度SO2為0.008 97 ?mg/m3，占二級投標(biāo)的份額為1.8%，岳陽按酸雨監(jiān)測點SO2濃度為0.007 71 ?mg/m3，占二級標(biāo)準(zhǔn)的份額低于1.8%;

三期工程造成地面NO2酸雨監(jiān)測點為0.033 0 ?mg/m3，達(dá)到二期標(biāo)準(zhǔn)的27.5%，也即工程影響疊加值最大為0.068 ?mg/m3，增加幅度高達(dá)94.3%。

從計算看，SO2、NO2三期工程運行后的2011～2013年中，造成主導(dǎo)風(fēng)下游酸雨率升高的SO2、NO2酸性物質(zhì)在增加，致該3年弱酸雨率明顯升高，應(yīng)是不可否認(rèn)的客觀事實。

5 ? 結(jié)論

統(tǒng)計分析岳陽城區(qū)2007～2013年663個雨量樣本556個酸雨pH和對應(yīng)之風(fēng)向頻率下的酸雨率發(fā)現(xiàn)，近3年酸雨率明顯增高，其原因除了不合理的工業(yè)布局、主導(dǎo)風(fēng)向外，通過對2010年運行的巨型燃煤機組產(chǎn)生的SO2、NO2濃度值進(jìn)行模式計算，得出機組運行后對SO2、NO2濃度值貢獻(xiàn)是下游最近3年酸雨率增高的重要原因。

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