向 怡 史學(xué)峰 吳玉生

(1.中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006；2.山西省生態(tài)環(huán)境保護(hù)服務(wù)中心，山西 太原 030006)

環(huán)境影響評價(簡稱環(huán)評)對于指導(dǎo)工業(yè)企業(yè)布局、保障地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。目前，國內(nèi)環(huán)評使用的主流大氣污染物擴(kuò)散模型為高斯煙羽模型AERMOD和拉格朗日模型CALPUFF，兩者均為美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)推薦的適用于近場(距排放源50 km以內(nèi))大氣污染物擴(kuò)散模擬的模型，也是我國《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2018)推薦的模型。USEPA指出，CALPUFF較AERMOD可能更適合近場復(fù)雜地形和復(fù)雜風(fēng)場下的模擬[1]，但我國的HJ 2.2—2018中僅推薦了近場滿足特殊風(fēng)場(包括長期靜、小風(fēng)和岸邊熏煙)時使用CALPUFF，而沒有更多對近場復(fù)雜地形和復(fù)雜風(fēng)場下兩種模型的適用性進(jìn)行探討和說明。

在國外，AERMOD 在17個環(huán)評研究中取得了良好的近場模擬效果[2]；CALPUFF也取得了一些較好的模擬結(jié)果[3-4]。在國內(nèi)，朱好等[5]利用湖南某丘陵河谷地區(qū)的大氣擴(kuò)散實測資料對CALPUFF默認(rèn)湍流參數(shù)進(jìn)行了修正，最終模擬濃度分布與示蹤觀測結(jié)果取得了較高的一致性。上述研究的共同點是都需要開展實地氣象觀測。

然而，環(huán)評工作中不要求開展實地氣象觀測，HJ 2.2—2018規(guī)定地面氣象數(shù)據(jù)可引用距離排放源最近或氣象特征基本一致的地面氣象站數(shù)據(jù)。由于我國幅員遼闊，相鄰地面氣象站距離往往可達(dá)數(shù)十千米，特別是對于山區(qū)盆地這類復(fù)雜地形，實際地形走向、相對高差等都十分復(fù)雜，由此導(dǎo)致氣象條件的復(fù)雜性[6]。實際工作中往往選用距離最近的地面氣象站數(shù)據(jù)，但事實上與排放源存在很大差異。在我國地勢的第二級階梯地形上分布有大量山區(qū)盆地。因此，研究和探討缺乏代表性地面氣象站數(shù)據(jù)時AERMOD和CALPUFF模型的合理性很有必要。

山區(qū)盆地的復(fù)雜地形一方面因障礙物機(jī)械強(qiáng)迫作用而改變邊界層氣流分布，另一方面由于下墊面熱力性質(zhì)的差異而誘生一些熱力環(huán)流，從而造成山區(qū)盆地氣象條件比平原地區(qū)復(fù)雜得多，會形成如渠道風(fēng)、氣流分離、阻塞與氣流靜滯以及坡谷風(fēng)等特殊氣流流動現(xiàn)象[7]。國內(nèi)雖然已有針對關(guān)中盆地[8]、蘭州盆地[9]、四川盆地[10]等山區(qū)盆地風(fēng)場特征的研究，但由于山區(qū)盆地的復(fù)雜多樣，對于其他盆地研究的借鑒意義有限。大同盆地是我國重要的能源基地，又是“十四五”期間承載山西省資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和能源改革試點的重要區(qū)域，針對該地復(fù)雜地形及由此造成的近地面復(fù)雜氣象條件仍缺乏相關(guān)研究。

本研究在分析大同盆地主要風(fēng)場特征和污染物可能輸送途徑的基礎(chǔ)上，利用可獲取的氣象資料對AERMOD、CALPUFF在環(huán)評工作中不開展實地氣象觀測時的模擬結(jié)果差異進(jìn)行分析，選出更合適的模型，給可能形成同類風(fēng)場的復(fù)雜山區(qū)盆地近場大氣污染物擴(kuò)散模型選取提供參考。

1 材料與方法

1.1 評價對象

大同盆地是山西省最大的山區(qū)盆地，呈東北—西南向的長條形，主要由采涼山、六棱山、恒山、洪濤山、云頂山等邊界圍成，該地工礦企業(yè)和人口分布多[11]。

本研究選擇大同盆地內(nèi)某電廠開展環(huán)評工作，電廠周邊地形特征見圖1。電廠西側(cè)為采涼山，山體海拔1 362～2 144 m，北側(cè)為云頂山，山體海拔1 416～2 200 m，南側(cè)和東側(cè)為海拔1 050～1 250 m的丘陵，在電廠北側(cè)15 km、西南側(cè)20 km處各分布有山脈構(gòu)造形成的豁口。整體而言，大同盆地受周邊山脈阻隔，沿地形走向形成了較為明顯的東北—西南方向氣流通道。

注：以電廠為坐標(biāo)原點，設(shè)東西向坐標(biāo)為x，南北向坐標(biāo)為y。

1.2 氣象資料來源

電廠周邊分布有陽高縣地面氣象站(A)、云州區(qū)地面氣象站(B)和大同市地面氣象站(C)，氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、相對濕度、云量)來源于這3個地面氣象站。根據(jù)HJ 2.2—2018，AERMOD選取距電廠最近的A地面氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬；CALPUFF結(jié)合3個地面氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。高空氣象站數(shù)據(jù)由國家環(huán)境保護(hù)影響評價數(shù)值模擬重點實驗室采用中尺度數(shù)值模式WRF模擬生成。

1.3 大氣污染物擴(kuò)散模型構(gòu)建

分別采用AERMOD、CALPUFF模擬電廠排放源對預(yù)測范圍內(nèi)網(wǎng)格點和敏感點的短期(日均濃度)和長期(年均濃度)貢獻(xiàn)，結(jié)合山區(qū)盆地風(fēng)場特征對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

1.3.1 模型主要參數(shù)

電廠海拔1 141 m，煙囪高度210 m，煙囪出口內(nèi)徑8.2 m，煙氣出口溫度50 ℃?？紤]到當(dāng)?shù)豍M10現(xiàn)狀超標(biāo)，因此本研究以PM10為代表污染物進(jìn)行數(shù)值模擬。

兩種模型均采用美國SRTM3地形高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為90 m×90 m。AERMOD地表植被參數(shù)在電廠東南側(cè)按“農(nóng)作地”，西北側(cè)按“草地”選?。籄ERMET模塊通用地表濕度選“中等濕度氣候”；地面時間周期按“季”劃分，生成不同季節(jié)的“正午反照率”、“波溫率”。CALPUFF中CALMET模塊的土地利用數(shù)據(jù)取自美國地質(zhì)勘探局(USGS)的GLCC數(shù)據(jù)庫中亞洲部分，分辨率為1 km，采樣點格數(shù)設(shè)為2。兩種模型均不考慮污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化和干濕沉降，其他參數(shù)采用模型默認(rèn)設(shè)置[12]。

1.3.2 預(yù)測范圍及網(wǎng)格點和敏感點設(shè)置

本研究以圖1所示的50 km×50 km正方形區(qū)域為預(yù)測范圍，按距原點7 km以內(nèi)200 m為間隔、7 km以外500 m為間隔設(shè)置網(wǎng)格點。同時，選取了電廠周邊7個居民集聚區(qū)作為環(huán)境空氣敏感點(1#～7#)，予以重點關(guān)注。表1給出了各敏感點的位置信息。

表1 敏感點位置信息

2 結(jié)果與討論

2.1 電廠周邊風(fēng)場特征分析

3個地面氣象站和1個高空氣象站的風(fēng)向頻率玫瑰圖見圖2。3個地面氣象站的主導(dǎo)風(fēng)向受地形影響明顯。A地面氣象站在電廠東北約15 km，處于采涼山與云頂山交界形成的豁口東側(cè)，受大同盆地外內(nèi)蒙古地區(qū)的常年西北風(fēng)影響，該站主導(dǎo)風(fēng)向為西偏西北風(fēng)；B地面氣象站在電廠南約25 km，西北側(cè)受采涼山、洪濤山阻隔，東南側(cè)受恒山阻隔，只有東北—西南形成通道，因此主導(dǎo)風(fēng)向為西偏西南風(fēng)；C地面氣象站位于電廠西南約32 km，地處大同盆地腹地平原，在西風(fēng)天氣系統(tǒng)和山脈地形走向共同影響下形成了偏北風(fēng)通道。高空氣象站受西風(fēng)影響明顯，東風(fēng)出現(xiàn)頻率極少，表明大同盆地常年受西風(fēng)天氣系統(tǒng)影響。

注：風(fēng)頻單位為%。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 短期貢獻(xiàn)對比分析

兩種模型模擬的網(wǎng)格點最大日均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)分布見圖3。表2給出了兩種模型對各敏感點的最大日均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)。

表2 兩種模型對各敏感點的最大日均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)1)

圖3 兩種模型的網(wǎng)格點最大日均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)分布

(1) 網(wǎng)格點最大日均濃度

從圖3可以看到，兩種模型的網(wǎng)格點短期模擬結(jié)果具有相似性。短期高濃度貢獻(xiàn)均出現(xiàn)在電廠西側(cè)約2 km處的采涼山上和北側(cè)約18 km處的云頂山上，存在較明顯的“撞山”效應(yīng)。這是因為兩種模型在處理煙羽山體碰撞時均以流線分裂的概念為理論基礎(chǔ)，即假設(shè)煙羽碰撞時存在一個臨界高度，煙羽同山體碰撞后被認(rèn)為分裂成2層，臨界高度以上的煙羽有足夠動能抬升越過山體，臨界高度以下的煙羽則圍繞山體形成繞流。在煙羽同山體碰撞過程中，造成短期高濃度“撞山”，反映了電廠排放煙羽與地形障礙物相遇時發(fā)生迎面碰撞，形成山體迎風(fēng)側(cè)局地地面污染物高濃度分布的客觀事實。其中，AERMOD、CALPUFF的網(wǎng)格點最大日均濃度最大值分別出現(xiàn)在(-2 200 m，1 800 m)、(-3 800 m，600 m)處，均在距電廠西側(cè)最近的采涼山區(qū)，而北側(cè)的云頂山則是次高濃度分布區(qū)。可見，當(dāng)排放源四周分布有高海拔地形時，煙羽與山體的碰撞往往將導(dǎo)致最近距離的短期高濃度分布。

(2) 敏感點最大日均濃度

從表2可以看出，位于電廠西側(cè)采涼山的2個海拔較高的4#、7#敏感點(海拔分別為1 278、1 546 m)的最大日均濃度貢獻(xiàn)表現(xiàn)為AERMOD大于CALPUFF，PM10-A/PM10-C分別為1.67、4.61；而其他5個海拔較低的敏感點(海拔為1 055～1 113 m)的最大日均濃度貢獻(xiàn)表現(xiàn)為AERMOD小于CALPUFF，PM10-A/PM10-C為0.22～0.79。伯鑫[13]在廣東省的沙角電廠模擬中也發(fā)現(xiàn)，近場低海拔區(qū)短期濃度貢獻(xiàn)AERMOD總體比CALPUFF小，而高海拔區(qū)AERMOD總體比CALPUFF大。

2.2.2 長期貢獻(xiàn)對比分析

兩種模型模擬的網(wǎng)格點最大年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)分布見圖4。表3給出了兩種模型對各敏感點的最大年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)。

表3 兩種模型對各敏感點的最大年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)1)

(1) 網(wǎng)格點最大年均濃度

由圖4可見，相較短期模擬結(jié)果，兩種模型的網(wǎng)格點長期模擬結(jié)果差異較大。AERMOD的長期高濃度貢獻(xiàn)集中在電廠西側(cè)附近的采涼山上，而CALPUFF的長期高濃度貢獻(xiàn)區(qū)域除電廠西側(cè)的采涼山和北側(cè)云頂山外還擴(kuò)展到了東北側(cè)的盆地內(nèi)平原區(qū)域。這表明雖然兩種模型模擬的短期最大濃度貢獻(xiàn)均在西側(cè)“撞山”，但由于各模型風(fēng)場生成原理不同，在長期氣象條件下模擬的長期濃度貢獻(xiàn)分布出現(xiàn)差異。

圖4 兩種模型的網(wǎng)格點最大年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)分布

(2) 敏感點最大年均濃度

由表3可見，相較短期模擬結(jié)果，各敏感點的PM10-A/PM10-C普遍增大。在長期氣象條件下，位于電廠西側(cè)采涼山的2個海拔較高的4#、7#敏感點PM10-A/PM10-C分別達(dá)到了6.00、11.25；而其他5個海拔較低的敏感點PM10-A/PM10-C也增加到了0.50～1.50。

需要予以特別關(guān)注的是，對于預(yù)測范圍內(nèi)人口最多、也是最重要的環(huán)境敏感點陽高縣城(1#)而言，短期和長期的PM10-A/PM10-C分別為0.22、0.50，說明AERMOD的模擬結(jié)果均低于CALPUFF，即對于盆地內(nèi)平原區(qū)域而言，CALPUFF的模擬結(jié)果更為保守。

2.3 風(fēng)場生成原理差異對模擬結(jié)果的影響分析

陳彥山等[14]和周汾濤等[15]分別在研究黃河上游地區(qū)和太原盆地地形對大氣流場影響時均發(fā)現(xiàn)，地形對近地面氣流具有引導(dǎo)作用。本研究電廠受盆地周邊山脈阻隔形成較明顯的東北—西南方向氣流通道。提取CALPUFF模擬的全年逐時風(fēng)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，CALPUFF模擬的電廠處西南(包括WSW、SW、SSW)風(fēng)向風(fēng)頻為40.5%，而東北(包括NNE、NE、ENE)風(fēng)向風(fēng)頻為14.9%；AERMOD模擬的電廠處相應(yīng)西南、東北風(fēng)向風(fēng)頻分別為19.1%、8.2%?？梢?，CALPUFF能更好地描述電廠受盆地東北—西南方向氣流通道形成的主導(dǎo)風(fēng)場影響。圖5給出了CALPUFF模擬的受盆地東北—西南方向氣流通道形成的主導(dǎo)風(fēng)場影響的典型風(fēng)矢量流場圖。

圖5 CALPUFF模擬的典型風(fēng)矢量流場圖

通過追溯AERMOD發(fā)生短期高濃度分布時的氣象條件發(fā)現(xiàn)，在夜間Monin-Obukhov長度較小的穩(wěn)定天氣且有將煙羽吹向山體的低速風(fēng)時出現(xiàn)“撞山”效應(yīng)。AERMOD作為穩(wěn)態(tài)模型，其中的AERMET模塊生成氣象場時僅依據(jù)單個地面氣象站數(shù)據(jù)。但由于大同盆地地形復(fù)雜，按HJ 2.2—2018選取距電廠最近的A地面氣象站數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確代表相距約15 km的電廠處氣象條件，因而過多地出現(xiàn)煙羽向西側(cè)采涼山“撞山”。而CALPUFF中的CALMET模塊采用了地形動力學(xué)理論并結(jié)合了多個地面氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，生成的氣象場能更好地反映大同盆地的復(fù)雜山區(qū)地形，因此CALPUFF模擬生成的風(fēng)場不會過多地出現(xiàn)向西“撞山”，而能更好地吻合東北—西南方向的氣流通道。因此，對于分布在盆地內(nèi)低海拔平原區(qū)的5個敏感點來說，CALPUFF的日均濃度貢獻(xiàn)普遍大于AERMOD。

進(jìn)一步對比兩種模型下的年均濃度貢獻(xiàn)分布，CALPUFF模擬的PM10年均濃度貢獻(xiàn)較好地吻合了東北—西南方向的氣流通道。電廠處的區(qū)域大氣流場是受西風(fēng)天氣系統(tǒng)、山脈地形走向以及盆地輻合氣旋環(huán)流影響而形成的以西南風(fēng)向為主導(dǎo)的中尺度流場，因此CALPUFF模擬的長期高濃度貢獻(xiàn)區(qū)不僅僅出現(xiàn)在西側(cè)山體，而是擴(kuò)展到了主導(dǎo)風(fēng)場下風(fēng)向的北部和東北部區(qū)域。AERMOD采用了距電廠最近的A地面氣象站數(shù)據(jù)，其主導(dǎo)風(fēng)向為西偏西北風(fēng)，顯然不能準(zhǔn)確地代表電廠受地形影響所受的主導(dǎo)風(fēng)場；而且AERMOD本身也無法結(jié)合區(qū)域地形進(jìn)行風(fēng)場再分析和校正，這就造成了煙羽過多地吹向了西側(cè)山體。

郭偉等[16]基于2014—2018年大同市區(qū)逐時風(fēng)向風(fēng)速和PM2.5濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，大同市區(qū)采暖期和非采暖期PM2.5日均高濃度均在偏南風(fēng)下出現(xiàn)。本研究中電廠與大同市區(qū)均位于大同盆地北部區(qū)域，氣象條件相似，對比本研究的兩種模型模擬結(jié)果，采用CALPUFF模擬時在偏南風(fēng)的下風(fēng)向即電廠北部和東北部出現(xiàn)污染物高濃度貢獻(xiàn)區(qū)域，更加合理。

3 結(jié) 語

(1) 大同盆地近地面風(fēng)場受西風(fēng)天氣系統(tǒng)和山脈地形走向以及盆地輻合氣旋環(huán)流的共同影響。A地面氣象站(代表陽高縣)受盆地西側(cè)豁口和盆地外內(nèi)蒙古地區(qū)常年西北風(fēng)影響，主導(dǎo)風(fēng)向為西偏西北風(fēng)；B地面氣象站(代表云州區(qū))主要受地形影響，主導(dǎo)風(fēng)向為西偏西南風(fēng)；C地面氣象站(代表大同盆地腹地平原)主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng)。

(2) 在不開展實地氣象觀測、僅按照HJ 2.2—2018引用周邊地面氣象站數(shù)據(jù)作為AERMOD和CALPUFF進(jìn)行模擬的條件，CALPUFF模擬的電廠處西南、東北風(fēng)向風(fēng)頻分別為40.5%、14.9%，AERMOD模擬的電廠處西南、東北風(fēng)向風(fēng)頻分別為19.1%、8.2%，表明CALPUFF能更好地描述電廠受盆地東北—西南方向氣流通道形成的主導(dǎo)風(fēng)場影響。模擬結(jié)果顯示，AERMOD存在低估重要敏感點環(huán)境影響的問題，在環(huán)評工作中應(yīng)予以關(guān)注。

(3) AERMOD與CALPUFF在模擬大同盆地復(fù)雜地形下的PM10短期濃度貢獻(xiàn)時差異不大，但在模擬長期濃度貢獻(xiàn)時差異明顯。相較CALPUFF，AERMOD本身無法結(jié)合區(qū)域地形進(jìn)行風(fēng)場再分析和校正。因此，當(dāng)山區(qū)盆地復(fù)雜地形下形成通道地形時，CALPUFF較AERMOD更能合理地模擬近場復(fù)雜地形及其風(fēng)場對污染物擴(kuò)散的影響。