盧燕宇 孫 維

(1.安徽省氣象局安徽省氣候中心，安徽 合肥 230031；2.安徽省氣象局安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點實驗室，安徽 合肥 230031；3.安徽省氣象局安徽省公共氣象服務(wù)中心，安徽 合肥 230031)

基于CALPUFF模型的NO2剩余大氣環(huán)境容量測算及污染源布局優(yōu)化*
——以合肥市為例

盧燕宇1, 2孫 維3

(1.安徽省氣象局安徽省氣候中心，安徽 合肥 230031；2.安徽省氣象局安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點實驗室，安徽 合肥 230031；3.安徽省氣象局安徽省公共氣象服務(wù)中心，安徽 合肥 230031)

為有效防控城市大氣環(huán)境污染，以CALPUFF模型為核心構(gòu)建了NO2剩余大氣環(huán)境容量定量測算方法。在分析了CALPUFF模型適用性的基礎(chǔ)上應(yīng)用于合肥市，并進行排放源布局優(yōu)化。結(jié)果表明，污染源對控制點的影響主要受距離和風(fēng)向的影響，距離越近，并且處于主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向的地區(qū)，受源排放的影響越大。由于合肥市主要盛行東風(fēng)，因此合肥市東部不宜設(shè)置污染源，在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃時應(yīng)避免；相對來說西南方向新增污染源對合肥市的總體影響較小。目前，調(diào)整后合肥市NO2剩余大氣環(huán)境容量約為3.58萬t/a，并且正在逐年減小。

NO2CALPUFF模型 剩余大氣環(huán)境容量 線性規(guī)劃

NO2是大氣環(huán)境中的主要污染物之一，會產(chǎn)生酸雨、光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題[1]。我國NO2排放量逐年升高，電廠及其他工業(yè)、交通等人為源對NO2排放量的貢獻率已超過90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，成為全球NOx污染最嚴(yán)重的國家之一[2-4]。由于城市具有人口眾多、下墊面復(fù)雜、污染物擴散能力弱等特點，導(dǎo)致城市成了NO2污染的重災(zāi)區(qū)。大氣中高濃度的NO2對人體有直接危害，可刺激人的眼、鼻、喉和肺[5-6]。因此，在當(dāng)前城鎮(zhèn)化進程不斷推進的背景下，為確保社會經(jīng)濟和諧發(fā)展與人民健康安全，對城市NO2的大氣環(huán)境容量進行測算并分析其污染來源非常必要。

數(shù)值模擬技術(shù)[7-8]在大氣環(huán)境容量測算中得到應(yīng)用，相比于《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》(GB/T 3840—91)中的A-P值法，可以更為細(xì)致的刻畫下墊面和氣象條件等對大氣污染的影響，同時可以反映污染物濃度對排放源位置、排放強度等條件變化的動態(tài)響應(yīng)[9]。目前，用于污染物濃度模擬的數(shù)值模擬模型種類很多，其中CALPUFF模型是美國環(huán)境保護署和中國環(huán)境保護部共同推薦使用的模型之一，具有模擬尺度廣、兼顧物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化、在非穩(wěn)態(tài)及復(fù)雜地形條件下具有強大模擬能力等優(yōu)勢[10]，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外城市的污染物濃度模擬中[11-12]。

合肥市位于江淮之間，是皖江城市帶核心城市，也是華東地區(qū)綜合交通樞紐和工業(yè)基地之一。合肥市近年來大氣污染呈加重趨勢，特別是由于大氣中NO2等NOx增加，酸雨頻率上升，強酸雨出現(xiàn)頻率顯著增加，酸雨類型由“硫酸型”向“硫酸硝酸混合型”轉(zhuǎn)變[13]。此外，NOx排放也是秋冬季霾天氣的主要原因[14]。鑒于此，本研究以合肥市為例，采用CALPUFF模型定量測算NO2剩余大氣環(huán)境容量，并開展污染源布局優(yōu)化，為城市有效控制NO2污染提供思路。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

合肥市各縣(市、區(qū))分布、空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站(以下簡稱監(jiān)測站)位置和合肥市國控的廢氣排放重點企業(yè)(即點源)位置以及虛擬點源的設(shè)置見圖1。NO2數(shù)據(jù)由各監(jiān)測站監(jiān)測，安徽省空氣質(zhì)量實時發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布。本研究根據(jù)2013年10—12月的NO2逐小時數(shù)據(jù)進行NO2剩余大氣環(huán)境容量測算。

本研究選取了合肥市國控的廢氣排放重點企業(yè)作為點源代表進行調(diào)查，所選企業(yè)排放的NOx占合肥市總質(zhì)量的85%以上。模型輸入所需的污染源強為NOx排放速率，15家國控的廢氣排放重點企業(yè)NOx排放速率等數(shù)據(jù)來自于這些企業(yè)自行監(jiān)測的數(shù)據(jù)、監(jiān)督性監(jiān)測信息公開平臺(http://www.hfepb.gov.cn/gk/ZXGK/index.aspx)及《2013年安徽省統(tǒng)計年鑒》等。最終得到2013年合肥市點源NOx排放量為6.990萬t。

采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2008)的排放系數(shù)法估算面源NOx排放量。線源按照路長納入對應(yīng)縣(市、區(qū))的面源，僅考慮市區(qū)主要交通干道的污染源NOx排放量。表1給出了合肥市各縣(市、區(qū))的面源NOx排放量，總計為0.962萬t。依據(jù)HJ 2.2—2008，NOx乘以0.9可以轉(zhuǎn)化為NO2。

地理信息數(shù)據(jù)包括地表粗糙度、土地利用類型、地形高程和植被代碼等，地形高程來源于航天飛機雷達地形測繪任務(wù)(SRTM)4.2版的90 m分辨率的數(shù)字地面高程數(shù)據(jù)[15]，土地利用類型采用美國地質(zhì)勘探局發(fā)布的全球1 km分辨率的土地利用類型資料[16]，地表粗糙度和植被代碼等來自于CALPUFF官方網(wǎng)站http://www.src.com。氣象資料包括常規(guī)探空氣象觀測資料和常規(guī)地面氣象觀測資料，其中常規(guī)探空氣象觀測資料來源于阜陽市和安慶市探空站，常規(guī)地面氣象觀測資料來源于合肥市氣象觀測站。

注：市區(qū)指市轄的廬陽區(qū)、蜀山區(qū)、飽和區(qū)和瑤海區(qū)。圖1 合肥市各縣(市、區(qū))以及監(jiān)測站、點源、虛擬點源分布Fig.1 Spatial distribution of districts,monitoring stations,point sources and virtual point sources in Hefei

項目市區(qū)長豐縣肥東縣肥西縣廬江縣巢湖市數(shù)值0.5910.0750.0760.0740.0740.072

圖2 合肥市各監(jiān)測站的大氣NO2質(zhì)量濃度Fig.2 Atmospheric NO2 mass concentration at different monitoring stations in Hefei

1.2 CALPUFF模型應(yīng)用

CALPUFF模型是用于非定常、非穩(wěn)態(tài)的氣象條件下的多層、多物種的三維拉格朗日煙團輸送模型，可模擬三維流場中隨時間和空間發(fā)生變化的污染物輸送、轉(zhuǎn)化及清除過程[17]。CALPUFF模擬系統(tǒng)包括診斷風(fēng)場系統(tǒng)(CALMET)、高斯煙團擴散系統(tǒng)(CALPUFF)和后處理系統(tǒng)(CALPOST)[18]。本研究以合肥市各監(jiān)測站作為區(qū)域環(huán)境質(zhì)量控制點，采用天氣研究與預(yù)報(WRF)中尺度氣象模式的氣象背景初猜場以及地理信息數(shù)據(jù)，運行CALMET得到三維氣象場；將氣象場與污染源數(shù)據(jù)進行疊加，在考慮干濕沉降、化學(xué)轉(zhuǎn)化等情況下，運行CALPUFF得到污染物濃度場，并網(wǎng)格化從而確定污染源與控制點之間的排放—響應(yīng)關(guān)系，計算得到各源對控制點的濃度傳輸系數(shù)矩陣。

1.3 線性規(guī)劃優(yōu)化模型

以污染源的排放量之和最大為目標(biāo)，所有污染源對每個控制點的濃度貢獻均小于控制目標(biāo)且各污染源排放量非負(fù)為約束條件，結(jié)合濃度傳輸系數(shù)矩陣建立線性規(guī)劃優(yōu)化模型[19]。本研究以《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)的二級標(biāo)準(zhǔn)(24 h平均質(zhì)量濃度80 μg/m3)作為控制點NO2濃度的控制目標(biāo)，優(yōu)化得到不同污染源的調(diào)整排放量，從而得到剩余大氣環(huán)境容量。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染現(xiàn)狀分析

由圖2可見，三里街子站的超標(biāo)天數(shù)比例最高達60.87%，其次明珠廣場站為43.48%，而廬陽區(qū)子站和長江中路站未出現(xiàn)超標(biāo)日；NO2濃度較高的兩個監(jiān)測站三里街子站和明珠廣場站附近有大型發(fā)電廠且這兩個站點位于下風(fēng)向，同時又臨近城市主干道和高速公路，汽車尾氣排放的影響也較顯著。

2.2 CALPUFF模型適用性分析

圖3(a)為10個監(jiān)測站在研究時段內(nèi)的觀測濃度平均值與模擬值的對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)達0.84，東部的站點模擬值偏高，而西部的偏低，但模擬誤差基本在20 μg/m3以內(nèi)。圖3(b)為所有監(jiān)測站的逐日觀測濃度平均值與模擬值的對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)為0.78?？傮w而言，CALPUFF模型適用于合肥市大氣NO2濃度傳輸系數(shù)矩陣的建立，主要誤差來源于污染源排放量數(shù)據(jù)是靜態(tài)數(shù)據(jù)以及模型本身的系統(tǒng)誤差[20]。

2.3 污染源對控制點的濃度貢獻率及傳輸系數(shù)

污染源對控制點的NO2濃度貢獻率和傳輸系數(shù)見圖4。對控制點濃度貢獻率最大的依次是市區(qū)、肥東縣和點源。肥東縣面源的濃度貢獻率雖然次于市區(qū)，但其濃度傳輸系數(shù)卻最高，意味著相近的濃度貢獻率對應(yīng)著更高的濃度傳輸系數(shù)，這是由于研究時段內(nèi)合肥市盛行東風(fēng)，控制點又都在市區(qū)，因此肥東縣對控制點的濃度傳輸系數(shù)高，但排放總量不及市區(qū)。點源對控制點的濃度貢獻率也較大，主要是點源的排放一般是源源不斷的，但由于其是高空排放，濃度傳輸系數(shù)總體較低。有研究表明，污染物的最大落地濃度與排放高度的平方成反比[21]。因此，點源高空排放可以大大地降低到達地面附近的污染物濃度，但必須指出，高空排放并不能減少排入環(huán)境中的污染物總量。

圖3 CALPUFF模型大氣NO2濃度模擬值與觀測值的對比Fig.3 Comparison between the simulated and observed atmospheric NO2 concentration by CALPUFF model

圖4 污染源對控制點的濃度貢獻率和傳輸系數(shù)Fig.4 Contribution rates and transfer coefficients to control stations by pollution sources

2.4 合肥市剩余大氣環(huán)境容量測算

目前，由于部分監(jiān)測站的濃度已經(jīng)超標(biāo)，因此需要對現(xiàn)有污染源的排放量進行調(diào)整。從表2可以看出，市區(qū)、肥西縣和肥東縣應(yīng)分別減排460.192 2、136.062 1、64.970 5 t/a，調(diào)整后合肥市NO2剩余大氣環(huán)境容量約為3.58萬t/a。本研究所測算的NO2剩余大氣環(huán)境容量低于A-P值法的計算結(jié)果4.03萬t/a[22]，按理說線性規(guī)劃得到的最優(yōu)解應(yīng)高于A-P值法的結(jié)果，原因可能是合肥市NO2剩余大氣環(huán)境容量相比文獻中的2007年又有所下降，表明當(dāng)前環(huán)境污染仍在加重。

表2 合肥市不同污染源的NO2調(diào)整排放量

2.5 虛擬排放源的設(shè)置及其濃度貢獻情況

為了進一步分析污染源位置對控制點的影響，進行虛擬源分析。參考合肥市工業(yè)園區(qū)設(shè)置，在不同方向上共設(shè)置5個虛擬點源，其位置分布見圖1。虛擬點源的排放高度統(tǒng)一設(shè)為100 m，NOx排放速率設(shè)為100 g/s，用CALPUFF模型開展模擬分析。由圖5可知，虛擬點源1對董鋪水庫站、三里街子站的影響較大；虛擬點源2主要對三里街子站的影響較大；虛擬點源4除對濱湖區(qū)子站影響較大外，對其余控制點的影響均較??；虛擬點源3和虛擬點源5對各站的影響較為平均，且濃度傳輸系數(shù)均不高。總的來看，污染源對控制點的影響主要受距離和風(fēng)向的影響，距離越近，并且處于主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向的地區(qū)，受源排放的影響越大。

圖5 虛擬點源對控制點的濃度傳輸系數(shù)Fig.5 Transfer coefficients to control stations by virtual pollution sources

2.6 新增虛擬源對剩余大氣環(huán)境容量的影響

在研究不同點源布局方案時不僅要分析各點源的總體環(huán)境影響，還要考慮各點源的“木桶效應(yīng)”[23]。圖6分別推算了單虛擬點源設(shè)置情況下研究區(qū)的剩余大氣環(huán)境容量。由圖6可知，單獨設(shè)置虛擬點源4時，NO2剩余大氣環(huán)境容量最大，而單獨設(shè)置虛擬點源2的NO2剩余大氣環(huán)境容量最小。從剩余大氣環(huán)境容量的角度來看，若要新增NOx排放源，那么布局位置可優(yōu)先考慮順序為：虛擬點源4>虛擬點源3>虛擬點源1>虛擬點源5>虛擬點源2?？偟膩砜矗戏适袞|部最不宜設(shè)置排放點源，在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃時應(yīng)避免；相對來說西南方向新增排放點源對全市的總體影響較小，這與合肥市的盛行風(fēng)向有關(guān)，也說明當(dāng)前合肥市的城市規(guī)劃布局基本合理。

圖6 虛擬源對剩余大氣環(huán)境容量的影響Fig.6 Effect of virtual pollution sources on remainder atmospheric environmental capacity

3 結(jié) 論

(1) CALPUFF模型可以適用于合肥市大氣NO2濃度傳輸系數(shù)矩陣的建立，并進行剩余大氣環(huán)境容量測算。

(2) 污染源對控制點的影響主要受距離和風(fēng)向的影響，距離越近，并且處于主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向的地區(qū)，受源排放的影響越大。由于合肥市主要盛行東風(fēng)，因此合肥市東部不宜設(shè)置排放點源，在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃時應(yīng)避免；相對來說西南方向新增排放點源對全市的總體影響較小。

(3) 目前，調(diào)整后合肥市NO2剩余大氣環(huán)境容量約為3.58萬t/a，并且正在逐年減小。

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EstimationofNO2remainderatmosphericenvironmentalcapacityandlayoutoptimizationofemissionsourcesbasedonCALPUFFmodel:acasestudyinHefei

LUYanyu1,2,SUNWei3.

(1.AnhuiClimateCenter,AnhuiMeteorologicalAdministration,HefeiAnhui230031;2.AnhuiKeyLaboratoryofAtmosphericScienceandSatelliteRemoteSensing,AnhuiMeteorologicalAdministration,HefeiAnhui230031;3.AnhuiPublicMeteorologicalServiceCenter,AnhuiMeteorologicalAdministration,HefeiAnhui230031)

In order to effectively prevent and control the urban air pollution,a method based on CALPUFF model was developed to quantitatively estimate NO2remainder atmospheric environmental capacity. A case study was applied in Hefei since the method was suitable. Then layout of emission sources was optimized. Results indicated that the effect of emission sources on the control stations was mainly influenced by distance and wind direction. The shorter of the distance at the down wind direction,the more seriously it was influenced. The dominant wind direction in Hefei was eastward,so it was unsuitable to set up emission sources in east when considering industrial plan. It was suggested that new emission sources should be set in southwest if necessary. Up to date,the NO2remainder atmospheric environmental capacity was about 35 800 t/a in Hefei and it was diminishing still.

NO2； CALPUFF model； remainder atmospheric environmental capacity； linear programming

盧燕宇，男，1981年生，博士，高級工程師，主要從事大氣環(huán)境容量測算研究。

*中國氣象局氣候變化專項(No.CCSF201507)；中國氣象局青年英才計劃項目；安徽省氣象科技發(fā)展基金資助項目(No.KM201304)；安徽省氣象局創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃項目。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.015

2016-11-11)