史學峰，郭棟鵬，王 冉，李云鵬，姚仁太

(1.中國輻射防護研究院，太原 030006；2.太原科技大學，太原 030024；3.古縣經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)管委會，山西 臨汾 041000)

大氣污染物不僅影響污染源周邊的局地環(huán)境，同時通過大氣水平輸送擴散到幾千米甚至幾十千米的地方，從而影響整個區(qū)域范圍。大氣污染物擴散是一個復雜的過程，通常隨時間和空間不斷變化。為了能夠快速估算大氣污染物對環(huán)境的影響，及時做好應急響應工作，現(xiàn)階段一般采用大氣擴散模型來估算污染物在大氣環(huán)境中的擴散過程。

大氣擴散模型是應用數(shù)學方法和氣象學理論來模擬大氣污染物的擴散和反應的物理化學過程，它可以確定污染物的空間分布并制定相應的空氣質量控制措施。常用的大氣擴散模型有PLUM、ADMS、AERMOD以及CALPUFF等。PLUM模型應用廣泛，適用于簡單地形下的大氣擴散。ADMS和AERMOD應用最新的大氣邊界層和大氣擴散理論，能夠模擬簡單和復雜地形下的污染物擴散。但是它們通常假設隨著時間和空間的變化，污染物穩(wěn)態(tài)傳播，而在復雜地形下，由于風場的不均勻，這種假設是不充分的[1]。CALPUFF是美國環(huán)保部門(USEPA)推薦使用的導則模型，并被多個國家作為法規(guī)模型。它基于地形動力學效應、坡面流、地形阻塞效應等，具有處理復雜三維風場的能力，能夠模擬復雜地形下污染物的擴散。

CALPUFF模型應用非常廣泛，許多研究人員使用該模型模擬SO2、NOx、CO等大氣污染物的擴散[2-5]，并分析污染物的空間分布以及污染源貢獻[6-7]，通過線性優(yōu)化模型估算城市大氣環(huán)境容量[8]，為制定減排措施提供科學依據(jù)。在模擬二次污染物時，CALPUFF可以模擬大氣中的物理化學反應，同時可以考慮污染物的干濕沉降。Melo等人[9]和Ranzato等人[10]運用CALPUFF模型分別模擬了城市生活垃圾處理廠和豬廠的臭味擴散，結果表明CALPUFF模型能夠合理地預測臭味滋擾。Pivato等人[11]運用CALPUFF模型對研究區(qū)域內的居民進行了農藥的吸入風險評估，結果表明CALPUFF模型能夠合理評估不同的殺蟲劑對人類的吸入風險。Ghannam等人[12]通過對比模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值，運用FAC2、FB等統(tǒng)計學參數(shù)驗證了CALPUFF模型模擬復雜地形下污染物長距離大氣擴散的可靠性。

CALPUFF模型不僅在模擬復雜地形下長距離大氣擴散方面具有一定的優(yōu)勢，也可以模擬短期復雜地形近地場下的污染物擴散。Rood[13]通過對比CALPUFF模擬值與冬季驗證追蹤研究數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)，CALPUFF模型可以準確的模擬近地場煙羽擴散范圍。Cui等人[14]驗證了CALPUFF模型在短期排放復雜近地場情況下的可靠性，結果表明，CALPUFF模型可以模擬短期排放復雜近地場情況，但是模擬結果偏低，尤其是峰值。朱好等人[15]研究了CALPUFF模型在復雜地形條件下近地場應用的適應性，結果顯示，采用修正過的相似性理論方案的CALPUFF模型能較好的模擬研究區(qū)域復雜地形的近地場峰值濃度。

本文以湖南桃花江內陸核電站廠址為研究對象，運用中尺度天氣預報模式WRF與CALPUFF空氣質量模型相結合，模擬了廠址現(xiàn)場示蹤試驗期間不同類型的天氣條件下復雜地形對污染物擴散的影響，并用現(xiàn)場示蹤試驗結果對CALPUFF模擬結果進行對比驗證。

1 研究方法

1.1 廠址概況

桃花江內陸核電站(28°33′00″～28°35′15″N，111°56′15″～111°59′45″E)位于湖南省益陽市桃花江縣，地處資水南側。廠址區(qū)地形南、東、西高，北低，四面環(huán)山，地形標高在64～174 m之間，地形相對復雜。其廠址總體上處于江漢平原、洞庭湖湖區(qū)和湖南中部丘陵的過渡地帶，為冷空氣往南推進的通道，氣溫升降劇烈。另一方面由于鄰近的湖區(qū)大面積水域存在，又使溫度的變化趨向緩慢，具有年內變幅大而晝夜變化小的特點，天氣情況較為復雜。

1.2 現(xiàn)場示蹤試驗

現(xiàn)場示蹤試驗采用SF6作為示蹤劑。根據(jù)廠址地形以及本區(qū)冬季多刮偏東北風的氣象特點，分別在示蹤劑釋放位置西南側沿山谷和東北側沿谷地展開多個采樣點，采集偏東北風時和偏西南風時的SF6樣品(示蹤劑釋放位置與采樣點位置如圖1所示)?，F(xiàn)場試驗時間為2008年12月20日—2009年1月3日，根據(jù)天氣和風向風速條件，選擇了其中幾天進行試驗，共完成現(xiàn)場試驗27次，示蹤劑釋放高度分別為30 m(23次)、70 m(2次)以及10 m(2次)，每次釋放過程取四個樣品，每次采樣10分鐘，兩次采樣間隔約5分鐘。共布點116個，在釋放點西南側偏東北風方向按等間距網(wǎng)格橫向進行布點，在釋放點東北側偏西南風按等間距網(wǎng)格縱向進行布點，網(wǎng)格線間距均為200 m。表1給出了SF6示蹤試驗各次的釋放參數(shù)。

表1 SF6示蹤試驗各次的釋放參數(shù)

★為氣象鐵塔，釋放點分別位于氣象鐵塔10 m、30 m、70 m高度處。

1.3 數(shù)值模擬

本文應用WRF/CALPUFF模型模擬桃花江內陸核電廠址現(xiàn)場示蹤試驗期間大氣污染物的擴散規(guī)律。中尺度氣象模型WRF是美國國家大氣研究中心(NCAR)、美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)、美國國家海洋及大氣管理局(NOAA)等共同發(fā)展的新一代中尺度數(shù)值模式，用于許多研究領域，包括大氣研究、天氣預報、氣候變化和水文學[16]。該模式可以模擬三維風場，輸出結果可為CALPUFF提供大氣流場。CALPUFF模型是一個多層、多源非穩(wěn)態(tài)高斯煙羽擴散模型，可以用來模擬隨時間和空間變化的氣象場下污染物的傳輸、擴散以及沉降。在計算煙羽抬升時，考慮煙羽浮力和動力、垂直風切變和大氣層結構影響[17]。

本文中WRF模型模擬一個大范圍的三維氣象場作為CALMET的初始猜想場，模擬時間為2008年12月18日—2009年1月4日，WRF模型的初始情況和邊界情況來自美國國家環(huán)境預測中心(NCEP)提供的6小時間隔的最終分析(FNL)，空間分辨率為1°。共設計了兩重嵌套域，水平分辨率分別為1 800 m和600 m，WRF模型網(wǎng)格設置見表2。垂直方向采用sigma坐標，共設置32層，最高層可達9 000 m。各層sigma坐標設置分別為：1.000，0.999，0.998，0.996，0.995，0.993，0.992，0.991，0.989，0.985，0.978，0.965，0.945，0.924，0.904，0.848，0.775，0.733，0.675，0.604，0.538，0.478，0.423，0.327，0.285，0.246，0.180，0.141，0.091，0.061，0.020，0.000。WRF模型參數(shù)設置見表3。輸出氣象場水平和垂直的插值到CALMET建立的“初始猜想場”(圖2 D01)。本文利用CALMET的微氣象模塊的診斷風場模式，通過斜坡流、地形修正等形成模擬區(qū)域的三維風場(包括小時風場和溫度場)。CALMET模擬中采用UTM(墨卡托)坐標投影，模擬區(qū)域包含所有的布點(圖2 D02)，模擬區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為50×50，水平網(wǎng)格間距為300 m。垂直方向設置10層，對應高度分別為10 m，20 m，30 m，40 m，80 m，160 m，320 m，640 m，1 200 m，2 000 m。氣象數(shù)據(jù)采用WRF模型模擬氣象場數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)(http://src.com/calpuff/data/terrain.html)和土地利用數(shù)據(jù)(http://src.com/calpuff/data/land_use.html)來源于美國地質勘探局，空間分辨率分別為90 m和30 m。CALPUFF利用CALMET產生的三維氣象場，采用高斯煙團擴散模式模擬污染物在大氣中的擴散。本文使用puff樣本函數(shù)方法和Pasquill-Gifford(PG)曲線，模擬了氣象站鐵塔30 m高度處釋放的SF6的擴散。由于試驗布點較多，本文中選取其中的52個布點作為代表，其中西南側31個，分別為A1、P1、P2、Q0、Q1、Q2、R0、R1、R2、R3、R4、T0、T2、T3、T4、T5、U2、U3、U4、U5、V2、V3、V4、V5、V6、W2、W3、W4、W5、W6、W7，東北側21個，分別為C5、D1、D3、D5、D9、D11、E3、E5、E7、E9、F7、G7、H4、J1、J3、L1、L2、M1、M2、Z1、Z3。本文通過模擬SF6的擴散濃度，并與現(xiàn)場示蹤試驗結果進行對比，從而驗證CALPUFF模型的可靠性。

表2 WRF模式網(wǎng)格設置

表3 WRF模式參數(shù)設置

圖2 模擬區(qū)域

2 結果分析與比較

采用擴散因子描述氣載污染物的擴散規(guī)律，擴散因子定義為釋放每單位氣載污染物在下風向某處的濃度，量綱為s·m-3。根據(jù)定義，示蹤試驗給出的擴散因子(C/Q)(i,j)(x,y,0)可由下式估算：

(1)

式中，(C/Q)(i,j)(x,y,0)表示第i次示蹤試驗中相應于第j次采樣某取樣位置(x,y,0)的擴散因子,s·m-3；C(i,j)(x,y,0)表示第i次示蹤試驗中第j次采樣某取樣點(x,y,0)的SF6測量濃度,mg·m-3；Qi表示第i次示蹤試驗中SF6的釋放速率即源強,mg·s-1。

2.1 地面軸線擴散因子比較

圖3為SF6擴散因子沿風向軸線的地面軸線的變化趨勢，其中a為東北方向采樣點模擬值與現(xiàn)場試驗測量值對比結果，b為西南方向采樣點模擬值與現(xiàn)場試驗測量值對比結果。由圖3可以看出：總體上CALPUFF模擬的擴散因子隨擴散距離的變化趨勢與現(xiàn)場試驗結果基本一致，SF6擴散因子隨距離的變化呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，且均在距離釋放點1.2 km時的采樣點擴散因子值最大。東北側的采樣布點，模擬擴散因子大于現(xiàn)場試驗擴散因子，這可能由鐵塔東北側地形較為復雜導致的，但總體上模擬結果與現(xiàn)場試驗結果變化趨勢相同。在距離釋放點1.2 km時的采樣點，擴散因子達到最大值，模擬最大擴散因子為7 s/m3，現(xiàn)場試驗最大擴散因子為1.54 s/m3。在距釋放點大于2.0 km時，模擬結果與現(xiàn)場試驗結果基本趨于一致。對于西南側的采樣布點，模擬結果與現(xiàn)場試驗結果變化規(guī)律總體相似，模擬擴散因子略低于現(xiàn)場試驗擴散因子。與東北側相同，西南側的采樣點在距釋放點1.2 km時擴散因子達到最大值，現(xiàn)場試驗最大擴散因子為4.74 s/m3，模擬最大擴散因子為3.59 s/m3。距釋放點1.6 km時擴散因子最低，2 km時擴散因子出現(xiàn)較高值可能是由于受地形的影響，SF6出現(xiàn)小范圍的聚集，從而使得擴散因子值偏高。

圖3 擴散因子變化趨勢

圖4分別為東北采樣布點和西南采樣布點的模擬平均擴散因子與現(xiàn)場試驗平均擴散因子的比較。由圖4可知，東北方向現(xiàn)場試驗平均擴散因子普遍較低，模擬平均擴散因子總體上高于現(xiàn)場試驗平均擴散因子，尤其是E3、E5、E7、G7、J1這幾個采樣點，模擬平均擴散因子遠高于現(xiàn)場試驗平均擴散因子，模擬的平均擴散因子約為現(xiàn)場試驗平均擴散因子的6倍左右。對于西南采樣布點，模擬擴散因子總體上略低于現(xiàn)場試驗擴散因子。在A1、P1、Q0、Q1、Q2這幾個距離釋放點較近的采樣點，CALPUFF模擬的平均擴散因子相對較低，其它的采樣點模擬的平均擴散因子略低于現(xiàn)場試驗的擴散因子。與東北采樣點模擬結果相比，西南采樣點模擬結果較好，可能是由于鐵塔東北側地形較復雜，CALPUFF模型在計算復雜地形時高估了污染物的濃度?？傮w上，東北側的模擬結果與西南側模擬結果差異較大，東北側的模擬結果高估了平均擴散因子的值，最大差異采樣點為J3，模擬的平均擴散因子值為1.7×10-6s/m3，現(xiàn)場試驗的平均擴散因子值為0.8×10-7s/m3，最大差異倍數(shù)值為21倍，而西南側的模擬結果低估了平均擴散因子的值，最大差異采樣點為V6，現(xiàn)場試驗的平均擴散因子值為1.8×10-6s/m3，模擬的平均擴散因子值為0.7×10-7s/m3，最大差異倍數(shù)值為26倍。

圖4 各采樣點擴散因子

2.2 煙羽擴散軌跡

受復雜地形影響，風速和風向是影響污染物擴散的重要因素，圖5分別給出了2008年12月份桃花江核電廠址氣象鐵塔觀測與數(shù)值模擬的風速與風向玫瑰圖。由圖5可以看出，12月份主導風向為偏西南風和偏東北風，風速較小，主要集中在1～2 m/s,且常出現(xiàn)靜風情況(通常把風速小于1 m/s的風速劃為靜風)。

圖5 風向玫瑰圖

在風速較小的情況下，風向非常不穩(wěn)定，污染物的輸送距離較短，擴散能力較弱。模擬風場與氣象鐵塔觀測風場存在一定的差異，風場的差異會直接影響煙羽擴散的軌跡。此外，由于地形影響，造成局地風速和風向發(fā)生改變，然而CALMET很難反映出山區(qū)和河流的地形造成的實際復雜流動，從而減少地形對擴散的影響。圖6比較了模擬和現(xiàn)場試驗結果的擴散中心軌跡。由圖6可知，CALPUFF模擬擴散中心軌跡方向與現(xiàn)場試驗結果基本一致。偏東北風時，模擬中心軌跡近似直線，而現(xiàn)場試驗軌跡具有一定的波動。偏西南風時，模擬中心軌跡與現(xiàn)場試驗中心軌跡的形狀基本一致。模擬中心軌跡與實際中心軌跡之間存在較小的偏差是由于復雜的地形，模型可能無法反映細微的氣象場，造成了風場的差異。由于采樣點分布的局限性，無法獲得SF6擴散的距離，因此圖7分別給出了模擬的偏東北風(a和b)和偏西南風(c和d)時SF6擴散因子的擴散軌跡，本文中采用小時擴散因子來描述SF6的擴散軌跡。由圖7可以看出，當風向為東北風時，SF6擴散因子最大值達1.0×10-5s/m3以上，隨著與釋放點之間距離的增加，SF6擴散因子呈現(xiàn)下降趨勢，擴散距離達7.5 km以上。當風向為西南風時，SF6擴散因子最大值達6.16×10-5s/m3。受到地形的影響，風向發(fā)生改變，污染物擴散軌跡隨之改變，在小范圍內產生渦流，阻礙了SF6的擴散，擴散距離達5.8 km以上。

圖6 模擬和現(xiàn)場試驗結果的擴散中心軌跡比較

圖7 數(shù)值模擬 SF6擴散軌跡

2.3 模型結果統(tǒng)計學分析

為了驗證模型的可靠性，許多研究者使用統(tǒng)計學參數(shù)來比較模型模擬結果與試驗結果的吻合性[18-19]。這里使用Chang等人[20]提出的模型評價統(tǒng)計學方法來評估CALPUFF對桃花江內陸核電站廠址現(xiàn)場示蹤試驗的模型表現(xiàn)。主要的統(tǒng)計學參數(shù)包括：FAC2、FAC5、分數(shù)偏差(FB)、歸一化標準均方差(NMSE)、幾何平均偏差(MG)。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

表4為CALPUFF模擬擴散因子與現(xiàn)場試驗擴散因子比較的統(tǒng)計學參數(shù)。由表4可知，NMSE值為2.806，表明CALPUFF模型模擬的擴散因子與現(xiàn)場試驗擴散因子總體偏差較小。FAC2與FAC5的值分別為30.1%、57.7%，說明模擬擴散因子與現(xiàn)場試驗擴散因子之間吻合較好。本文得出的FAC2、FAC5的值與Cui等人[14]模擬復雜地形近地場下放射性核素擴散得出的值接近。FB的值為0.076，大于0，表明CALPUFF模擬結果偏低。MG的值為1.286，接近于1，表明模擬結果與現(xiàn)場試驗結果較好吻合。本文中得出的FB、NMSE、MG值均在Chang等[20]給出的可接受范圍之內?？傮w分析表明，雖然模擬擴散因子與現(xiàn)場試驗擴散因子之間存在一定的偏差，但是均滿足統(tǒng)計學分析可接受范圍。對于復雜地形的近距離計算，結果還是比較滿意的。

表4 CALPUFF模擬與現(xiàn)場試驗擴散因子比較統(tǒng)計學參數(shù)

圖8為模擬結果與現(xiàn)場試驗結果統(tǒng)計學散點分析，可以看出散點近乎均勻的分布在模擬結果等于現(xiàn)場試驗結果線的兩側。FAC2和FAC5的值分別為30.1%和57.7%，表明模擬結果與現(xiàn)場試驗結果較好吻合。

圖8 模型統(tǒng)計分析散點圖

3 結論

大氣擴散模型是評估大氣污染物對環(huán)境影響的一個重要手段，它能夠快速確定污染物的擴散范圍，及時做好應急響應工作，從而減少污染物對公眾的損害。

本文運用WRF/CALPUFF模型模擬了湖南桃花江內陸核電站廠址野外示蹤試驗，采用擴散因子來描述氣載污染物的擴散規(guī)律。結果表明：SF6擴散因子受地形影響較大。無論是東北方向采樣點還是西南方向采樣點，均在距離釋放點1.2 km時，擴散因子值最大。運用野外示蹤試驗擴散因子與CALPUFF模擬擴散因子進行比較可得：東北采樣布點模擬擴散因子總體上高于現(xiàn)場試驗擴散因子，對于西南采樣布點，模擬擴散因子總體上低于現(xiàn)場試驗擴散因子。由于地形影響，造成局地風速和風向發(fā)生改變。當風向為東北風時，SF6擴散因子最大值達1.0×10-5s/m3以上，隨著與釋放點之間距離的增加，SF6擴散因子呈現(xiàn)下降趨勢。當風向為西南風時，SF6擴散因子最大值達6.16×10-5s/m3，受到地形的影響，風向發(fā)生改變，污染物擴散軌跡隨之改變，在小范圍內產生渦流，阻礙了SF6的擴散。

此外，通過計算統(tǒng)計學參數(shù)FAC2、FAC5、FB、NMSE、MG，表明CALPUFF模擬擴散因子與現(xiàn)場試驗擴散因子之間較好的吻合，說明CALPUFF模型模擬近地場復雜地形條件下的污染物擴散是可靠的。