太原市城区SO2扩散分布规律研究

李跃宇,施建华

(太原市环境科学研究设计院,山西太原030002)

太原市城区SO2扩散分布规律研究

李跃宇,施建华

(太原市环境科学研究设计院,山西太原030002)

采用CALPUFF空气质量模型,对2006年太原市城区大气污染源排放SO2的传输及转化过程进行数值模拟.借助于地理信息系统软件和其它工具软件,结合实际监测结果详细分析了太原市城区范围内的SO2浓度分布特点及其对各关心点的浓度贡献.结果表明:太原市1、4两月大气污染物整体向东南方向扩散,7月由市中心向四周均匀扩散,10月向东北方向扩散;太原市7月份最不利于污染物扩散,其次为1月份;相比之下,4、10两月污染物扩散能力强.从空间分布来说,太原市SO2污染总体呈现东部重于西部,北部重于南部的态势;高值区主要分布在北部太钢工业区、西部煤化工工业区和东部工商混合区.太原市污染源排放对各关心点的SO2浓度贡献值呈现1、7月高,4、10月低的趋势,贡献值较大的关心点由高到低依次为涧河、坞城、桃园、尖草坪.

空气质量模型;SO2;浓度分布;太原;

太原作为一个能源重化工城市,工业分布集中且结构不合理,导致SO2等典型污染物排放量较大.近几年,太原市加大了大气污染防治力度,采取了严厉的污染控制措施,环境空气质量整体有所改善,但SO2污染严重的现状并没有得到根本转变.

在以往的研究中,统计分析了太原市主要污染物浓度变化趋势[1];采用数值方法求解平流扩散方程,对太原市的一次示踪物实验进行了大气扩散的数值模拟[2],王淑兰等利用CALPUFF模拟系统,通过数值模拟及对排放源现状分析,揭示了珠江三角洲内城市之间污染物相互输送的特点和规律[3],岳丽等利用CAL2 PU FF空气质量模型,研究了贵州“西电东送”火电项目排放导致的NO2时空分布特征,及对各关心点NO2的浓度贡献[4],但对于在充分考虑全市区域下垫面和气象特征的基础上,利用数值模拟技术计算区域内主体污染源排放污染物的扩散输送规律研究尚有不足.本研究利用CALPUFF空气质量模型,对2006年太原市城区大气污染源排放SO2的传输及转化过程进行数值模拟,并借助于地理信息系统软件和其它工具软件,结合实际监测结果详细分析了太原市城区范围内SO2浓度分布特点及其对各关心点的浓度贡献.

1 CALPUFF空气质量模型

CALPUFF模型是美国EPA推荐使用的空气质量模型,该模型可用于模拟非定常、非稳态的气象条件下几十米到几百公里范围内污染物扩散、迁移以及转化过程,属多层、多物种的高斯型烟团扩散模型[3].模型系统由CALM ET气象模块、CALPU FF烟团扩散模块和CALPOST后处理模块等3部分组成,在近距离模型可以处理如建筑物下洗、浮力抬升、动力抬升、部分烟羽穿透和海陆交互影响等过程,在远距离可以处理如干、湿沉降,化学转化,垂直风修剪和水上输送等污染物清除过程.模型内部包含了化学转化、干湿沉降等污染物去除过程,充分考虑下垫面的影响,可以处理逐时变化的点源、面源、线源、体源等污染源[425].

2 模拟区域及相关参数

2.1 模拟区域及时段

研究模拟区域为112.25184°～112.77776°E,37.59453°～38.07178°N(大约45 km×54 km的范围),划分为45×54个网格,网格分辨率1 km×1 km,涵盖了太原市城区范围内的所有面积[6].

模拟时段为2006年各季代表月份(1月、4月、7月、10月).

2.2 气象场资料

收集了2006年1月、4月、7月、10月太原市3个地面气象站的每日逐时观测资料,包括风速、风向、气温、云底高度、云量、气压和相对湿度;收集了2006年1月、4月、7月、10月山西省观象台的每日高空观测资料,包括风速、风向、气温、气压和海拔高度.

2.3 大气污染源

收集了2006年太原市城区范围内538个大气污染源(包括302个点源、236个面源),点源分布见图1.由图1可知,太原市大气排放点源主要分布在城区内的平原区域,重点集中在425 km2的范围内,从源的数量来说东部稍多于西部,从排放量来说,普通源与重点源(如太原一电厂、太原二电厂、煤气化矸石电厂、东山电厂等)排放量差距较大.

表1 2006年太原市SO2排放情况Table 1 Taiyuan SO2em issions in 2006

2.4 地理资料

考虑局地地理特征对大气污染物扩散的影响,收集了模拟范围内的30 s分辨率DEM高程数据及土地利用类型资料作为模型的输入项.

太原市城区西、北、东三面环山,南部为开阔的河谷盆地,汾河纵贯全市,整个地势北高南低逐渐倾斜,局地海拔高度都在746 m以上,最高可达2 712 m,仅城区范围内的海拔高度最高就能达到1 500 m左右,高程跨度达700 m左右,太原市地形见图1.

2.5 建模及其验证

把模型输出的结果与监测数据进行比较,以验证模型的性能并对相关参数进行调试,保证所建立模型的合理性和可靠性.对2006年1月太原市地面空气中的SO2月均浓度模拟值与太原市上兰、涧河、南寨、坞城、桃园、金胜、尖草坪、晋源8个环境空气质量自动监测点的监测值进行回归分析,结果见图2.

图2 2006年1月太原市SO2浓度模拟值与监测值相关分析Fig.2 Correlativity between modeling result and monitoring data of SO2concentration in January 2006,Taiyuan

图1 2006年太原市地形及大气排放点源分布Fig.1 Taiyuan terrain and the distribution of point sources in 2006,Taiyuan

从比较结果来看,模拟值一般小于监测值,这一方面由于本地SO2浓度的一部分是由模拟区域外部污染源贡献的,没有纳入本次模拟过程;另一方面是由于模拟值是1 km×1 km的网格平均值,而监测站点主要都分布在代表性的功能区内,受污染源影响较大,因而所测得的浓度值会高于网格平均值.由图2可知, SO2浓度的监测值和模拟值的回归系数为0.828 8,模拟结果与实际监测值具有很好的相关性.此外,经中国环境科学研究院等众多单位的验证及应用[3,6,7],证明该模型的研究结果是可靠的.

3 模拟结果与分析

模拟了区域内2006年各季代表月(1月、4月、7月、10月)大气污染源排放的SO2扩散输送过程,模型模拟充分考虑了局地下垫面和气象特征,模拟结果反映了一年中区域SO2的浓度分布特点及变化规律.

3.1 各季代表月SO2浓度分布特征分析

由图3可知,1月份太原市SO2浓度值总体较高,所有建成区范围内均超国家二级标准,受局部污染物排放量较大影响,高值区出现在北部太钢工业区、西部煤化工工业区和东部工商混合区附近.从浓度分布趋势来看,污染物整体向东南方向扩散,这与当地冬季盛行西北风有很大关系.

图5 2006年7月太原市SO2月均浓度分布Fig.5 Monthly average of SO2concentration distribution in July 2006,Taiyuan

图6 2006年10月太原市SO2月均浓度分布Fig.6 Monthly average of SO2concentration distribution in October 2006,Taiyuan

图4 2006年4月太原市SO2月均浓度分布Fig.4 Monthly average SO2concentration distribution in Ap ril 2006,Taiyuan

图3 2006年1月太原市SO2月均浓度分布Fig.3 Monthly average of SO2concentration distribution in January 2006,Taiyuan

由图4可知,4月份太原市SO2浓度值总体低于1月份,许多区域均减少了50%以上,这一方面是由于采暖期结束导致的污染物排放量整体降低;另一方面与当地春季平均风速较大,有利于污染物迁移扩散有极大的关系.从分布规律来看,4月份太原市SO2浓度分布整体仍然呈现向东南方向扩散的趋势.

由图5可知,7月份太原市SO2浓度基本呈现由污染源向四周均匀扩散的趋势,南北方向扩散稍强于东西方向,造成此种现象的主要原因是:一方面由于当地夏季静风频率较高,污染物扩散主要受大气温度层结的影响;另一方面由于太原市三面环山的特殊地形条件,在静风条件下污染物只能延南北走向的谷地扩散.

由图6可知,10月份太原市SO2浓度高值区仍然分布在北部太钢工业区、西部煤化工工业区和东部工商混合区等3个区域,污染物呈现向东北方向扩散的趋势,且扩散强度较大.

从1月、4月、7月、10月SO2浓度分布情况比较来看,7月份最不利于污染物水平扩散,其次为1月份,造成这种现象的主要原因是夏季当地气象条件稳定,静风频率较高,冬季不但静风频率较高且太阳辐射量减少,导致逆温层厚度增大,频率增高[9](太原市冬季逆温层平均厚度为490 m,最高可达900 m,出现逆温频率为80%[10]);相比之下,4、10两月污染物扩散能力较强,这主要是由于当地春秋两季大气水平运动强烈.

从空间分布来说,总体呈现东部污染重于西部,北部污染重于南部的态势;高值区主要分布在北部太钢工业区、西部煤化工工业区和东部工商混合区,局部SO2浓度均超国家三级标准.

图7 各关心点SO2浓度随时间变化图Fig.7 SO2concentration change w ith time in interest points

3.2 城区内大气污染源排放对各关心点SO2浓度贡献

由图7可知,污染源排放对各关心点的SO2浓度贡献值呈现1月、7月高,4月、10月低的趋势,这说明当地春秋两季大气扩散能力强,环境空气质量较好,冬夏两季不利扩散气象条件出现频繁.从空间分布来说,贡献值较大的关心点由高到低依次为涧河、坞城、桃园、尖草坪.

4 结论

太原市大气排放点源主要分布在城区内的平原区域,重点集中在425 km2的范围内,从源的数量来说东部稍多于西部.从排放量来说,普通源与重点源(如太原一电厂、太原二电厂、煤气化矸石电厂、东山电厂等)排放量差距较大.

太原市1、4两月污染物整体向东南方向扩散;7月由市中心向四周均匀扩散,但南北方向稍强于东西方向;10月向东北方向扩散.

太原市7月份最不利于污染物扩散,其次为1月份,造成这种现象的主要原因是夏季当地气象条件稳定,静风频率较高,冬季不但静风频率较高且太阳辐射量减少,导致逆温层厚度增大,频率增高;4、10两月污染物扩散能力较强,这主要是由于当地春秋两季大气水平运动强烈.

从空间分布来说,太原市SO2污染总体呈现东部重于西部,北部重于南部的态势;高值区主要分布在北部太钢工业区、西部煤化工工业区和东部工商混合区,局部SO2浓度均超国家三级标准.

太原市污染源排放对各关心点的SO2浓度贡献值呈现1月、7月高,4月、10月低的趋势,从空间分布来说,贡献值较大的关心点由高到低依次为涧河、坞城、桃园、尖草坪.

[1] 韩爱梅.太原市大气污染特征及变化趋势分析[J].太原科技,2004(1):70273.

[2] 武永利.太原市大气扩散数值模拟[J].山西气象,2001(2):29231.

[3] 王淑兰,张远航,钟流举,等.珠江三角洲城市间空气污染的相互影响[J].中国环境科学,2005,25(2):1332137.

[4] 伯鑫,丁峰,徐鹤,等.大气扩散CALPU FF模型技术综述[J].环境监测管理与技术,2009(3):9213.

[5] Scire J S,Strimattis D G,Yamartino R J.A Userg Guide for the CALPUFFDispersion Model(Version 5)[M].Concord, MA:Earth Tech Inc,2000:1279.

[6] 俎铁林.空气质量模式在法规中的应用[M].北京:中国标准出版社,2005:2162220.

[7] 岳丽,段宁,刘厚凤.贵州“西电东送”火电项目对区域NOx的影响[J].科技信息,2007(13):2512262.

[8] Hao Ji2ming,Li Ji,Ye Xue2mei.Estimating Health Damage Costfrom Secondary Sulfate Particles2a Case Study of Human Province[J].Journal of environmental sciences,2003,15(5):6112617.

[9] 蒋维楣,曹文俊,蒋瑞宾.空气污染气象学教程[M].北京:气象出版社,1993:1072171,4362448.

[10] 韩爱梅.太原市大气污染气象条件分析[J].太原科技,2005(4):26228.

Characteristics of SO2Dispersion in Urban of Taiyuan,Shanxi

L I Yue2yu,SH IJian2hua
(Taiyuan Research Design Institute of Environmental Sciences,Taiyuan 030002,China)

CALPU FF air quality model was used to simulated the transmission and the transfo rmation of the SO2by sources in 2006 Taiyuan.A seriesof analysis about the SO2concentration spatial distribution char2 acteristics and the contribution to each concerned point w ere analyzed by using the GIS and other soft2 wares.The results showed that:The urban in January and Ap ril,Taiyuan the atmospheric pollutants sp read to southeast,in July from the center to the surrounding uniform p roliferation,the p roliferation of October in the northeasterly direction;Moreover,the least conducive to pollutant dispersion in July,followed by January;In contrast,the pollutant dispersion capability in Ap ril,October;from the spatial distribution,the SO2pollution in the eastern emphasison the western,northern emphasison the the southern;the high2val2 ue areas are mainly distributed in the no rth TISCO industrial zone,the w estern coal chemical industrial zone and the eastern industrial and commercial mixed zone.The SO2concentration of the interest points w as high in January and July than Ap ril and October,a larger contribution to the value of the interest points from high to low was Jianhe,Wucheng,Taoyuan,Jiancaoping.

air quality model;SO2;the concentration spatial distribution;Taiyuan

X511

A

025322395(2011)0120153205

2009211202;

2010207219

山西省基础研究计划项目(No.2006011066)

李跃宇(1957-),男,山西太原人,硕士,高级工程师,主要从事环境空气质量数值模拟技术的研究工作.