楊立焜，王 璇，孫道成，許宏宇，關 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)劃設計研究院，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)生了突飛猛進的增長[1]，同時也因其粗放式的發(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，對我國“黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展”規(guī)劃中生態(tài)文明建設提出了嚴峻挑戰(zhàn)[4]。目前生態(tài)環(huán)境部門對大氣環(huán)境的主要監(jiān)測指標有PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3等，其中可吸入顆粒物粒徑細小，影響呼吸系統(tǒng)、肺等，對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，對環(huán)境和人的身體健康產(chǎn)生較大風險和危害[7,8]。

自2013年國務院印發(fā)大氣污染防治行動計劃以后[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，但從2015年起開始反彈，成為全國空氣污染最嚴重的區(qū)域之一，并于2018年被賦予重點督察，納入國家大氣防治重點區(qū)域[10]。城市化和工業(yè)化進展的加快對大氣環(huán)境造成的負面影響已逐步顯現(xiàn)出來，國內(nèi)外許多學者對大氣污染特征進行了多年的觀測和研究[11-17]。目前該區(qū)域缺少對高污染高排放產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移可行性分析，本文以山西省臨汾市為研究對象，總結(jié)臨汾市的地形和氣象特征，選擇2016—2017年進行大氣模擬研究，對大氣污染敏感性進行分析，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，地理坐標為北緯35°23′~36°57′，東經(jīng)110°22′~112°34′。地處半干旱、半濕潤季風氣候區(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，秋季陰雨連綿；夏季酷熱多暴雨，伏天旱雨交錯。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?shù)亻L期保持以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)[18]。

在河谷地形影響下，年均風速小，靜風頻率高，不利于大氣污染物的擴散，尤其是在冬季，往往會形成逆溫氣象條件；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)來源和評價標準

收集了臨汾市2016－2017年大氣環(huán)境資料，包括氣溫、濕度、風速風向、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)測分析平臺和國家氣象科學數(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)量標準》二級標準。

1.3 氣象場模擬

氣象預報模式WRF（The Weather Research and Forecasting Model），美國環(huán)境預測中心（NCEP）、美國國家大氣研究中心（NCAR）等科研機構(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，水平方向采用Arakawa C grid交錯。微物理覆蓋從適合理想狀態(tài)研究的簡單物理到適合于過程研究和氣象數(shù)值預報的復雜混合相物理，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，并可設置多層嵌套模擬和運用觀測數(shù)據(jù)進行地面和高空同化，以提高模擬的準確性和精度[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，設置三層嵌套，以大區(qū)域的模擬結(jié)果為基礎進行更精細的小區(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，兩條標準緯線為25°N和40°N，中央經(jīng)線為110°E，坐標原點（34°N，110°E）。氣象原始數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預報中心的FNL全球分析資料，時間間隔為6 h，分辨率為1°×1°?；谀M的氣象場，結(jié)合敏感實驗面源清單和WRF-Chem數(shù)值預報模塊，考慮容量空間、污染聚集和擴散風速影響，將氣象場與污染濃度結(jié)果進行輸出，最終提取近地面10 m、100 m和300 m的風速和污染物濃度。根據(jù)風速和污染物濃度結(jié)果進行歸一化與平均加權(quán)處理，并按照1%、2%、5%、10%、25%的比例進行敏感性等級劃分。

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，風場的日變化非常明顯。WRF模擬結(jié)果顯示，近地面風向與地形關系緊密，主導風向與河谷或山谷走向保持一致；通過對比分析500 m、300 m和10 m平均風場分析數(shù)據(jù)，全市域并無明顯的一致主導風，盆地多以西南、西北風為主。

基于臨汾市風場分布圖和污染源現(xiàn)狀，對區(qū)域四季和年污染擴散平均濃度分布進行模擬。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)。相同的污染源設置，不同季節(jié)的擴散結(jié)果也可以看出，夏秋污染擴散能力較好，而冬季污染擴散能力最差，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 污染物均擴散至汾河盆地，圖中深紅區(qū)域為最易污染堆積的區(qū)域，也是風速小、風場輻合區(qū)域。

圖3 臨汾市年平均風場分布圖

圖4 臨汾市四季污染擴散平均濃度分布圖

以氣象場與污染濃度輸出結(jié)果為基礎，結(jié)合近地面10 m、100 m和300 m風速和污染濃度，提取區(qū)域邊界層高度，進行歸一化處理和平均加權(quán)求和，計算獲得大氣污染敏感性評價結(jié)果，基于1%、2%、5%、10%、25%的比例關系等級劃分敏感性，劃分為極敏感、較敏感、一般敏感、較不敏感和不敏感五個等級。

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，對現(xiàn)狀工業(yè)園區(qū)分布進行分析。通過統(tǒng)計臨汾市18個園區(qū)，其中位于大氣污染極敏感紅色區(qū)域1個園區(qū)，位于大氣污染較敏感橙色經(jīng)濟開發(fā)區(qū)6個園區(qū)，位于大氣污染一般敏感黃色區(qū)域7個園區(qū)，位于大氣污染較不敏感和不敏感的區(qū)域4個園區(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)重度和嚴重污染天數(shù)比例超5%。

根據(jù)臨汾市環(huán)境質(zhì)量公報，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：施工及運輸揚塵、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重點排放源主要來自于煤化工、電廠和煉鋼，PM10重點排放源主要來自于燃煤煙氣和施工、運輸揚塵，因此區(qū)域重點控制污染源為：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)大氣擴散能力差，結(jié)合區(qū)域風向，污染物極容易導致人口密集區(qū)環(huán)境污染問題，對該園區(qū)應要求超低排放改造，不允許新建或擴建任何火電、水泥、焦化、化工、鋼材、建材、鑄造、有色等高排放行業(yè)項目，現(xiàn)有高排放行業(yè)逐步退出。

圖5 臨汾市污染擴散平均濃度分布圖

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，計算具體產(chǎn)能降低數(shù)量。區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量目標為II類標準，通過A值法計算區(qū)域內(nèi)SO2、PM10超大氣環(huán)境II類標準總量分別分別為：5.4萬t/a、18.8萬t/a。將SO2、PM10超大氣環(huán)境II類標準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類標準。

3.2 產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移選址

根據(jù)環(huán)境質(zhì)量公報，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，對產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移后的大氣環(huán)境進行模擬。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、西南向擴散，對古縣縣城影響較大；古縣新型產(chǎn)業(yè)園向西擴散為主浮山園區(qū)向西北擴散為主，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，無明顯的主導擴散方向，如搬遷至此，則需重點關注園區(qū)周邊用地，不宜設為居住用地。

選取SO2為模擬污染物，使用冬季、夏季兩個季節(jié)為模擬過程，結(jié)合WRF-Chem模型，對污染物擴散情況進行分析。分析工業(yè)園區(qū)大氣污染的擴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散，尤其南邊兩個園區(qū)對谷地影響較大，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)污染物主要擴散至東部地區(qū)，對河谷地擴散影響范圍較小。

圖9 大氣環(huán)境質(zhì)量級別及主要污染濃度對比圖

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)進行搬遷；

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

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

（3）臨汾市東部古縣、安澤縣、浮山縣現(xiàn)狀大氣環(huán)境擴散能力強，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，對河谷地平原區(qū)影響較小，可實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境改善。