岳阳城区酸雨发生率近三年增高原因剖析

朱浩 欧阳红 王威 欧阳芳芳

摘要

通过对岳阳城区2007～2013年663个雨量样本 556个酸雨pH以及对应之风向频率下的酸雨率进行分类统计、分析，发现后3年酸雨率明显增高。针对此现象寻求原因，除工业布局、主导风向外，通过对2010年运行的巨型燃煤机组产生的SO2、NO2浓度值进行模式计算，得出机组运行后对SO2、NO2浓度值贡献是下游最近3年酸雨率增高的重要原因之一。

关键词 酸雨;风向频率;增高;原因

中图分类号 S161.6  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2014）34-12206-03

Analysis on Causes for Increasing of Acid Rain Occurrence Frequency in Yueyang City

ZHU Hao， OUYANG Hong， WANG Wei et al

（Yueyang Meteorology Bureau， Yueyang， Hunan 414000）

Abstract The classification statistics and analysis was conducted on 663 rainfall samples， 556  pH value of acid rain， and the acid rain frequency under corresponding wind direction in Yueyang City during 2007-2013. It was found that acid rain frequency is obviously increased in last 3 years. To seek reasons for this phenomenon， in addition to the industrial layout， the dominant wind direction， by calculating SO2， NO2 concentration produced from the giant coalfired units operated in 2010， it can be concluded that the unit operation producing SO2， NO2 is one of the important reasons for acid rain increasing in downstream in recent 3 years.

Key words Acid rain; The wind direction frequency; Increasing; Causes

地处洞庭湖东岸、出湖与长江交汇处的岳阳市，是一座有2500多年历史的历史文化名城，20世纪60年代以来，大型石化、造纸、火力发电等新兴产业相继入市。但由于历史的原因，这些不可避免地要产生酸性物质的企业，几乎坐落于主城区主导风向之上游，且这些企业在20世纪与21世纪之交又有长足的扩展，虽然企业实施了先进的脱硫、除尘等工艺措施，但由于燃煤、燃油量与日俱增和城市的规模扩展，使处下游城区降雨酸度呈现明显的高发态势。在此，笔者通过对岳阳城区2007～2013年663个雨量样本556个酸雨pH和对应之风向频率下的酸雨率进行分类统计、分析，发现后3年酸雨率明显增高，并针对此现象的原因进行了剖析。

1  资料与方法

1.1 资料选取

酸雨资料取自湖南岳阳国家基本气象站，按国家气象局批准的《酸雨观测业务规范》执行得出的观测结果;相应气象资料亦取自该站平行观测数据;有关大气环境监测数据，如SO2等取自岳阳市环境监测站或岳阳市环保局网站;相关企业数据取自岳阳市年度国民经济发展公报或发展规划。

酸雨率（%）=酸雨出现日数/酸雨观测总日（次）数;pH<4.5为强酸雨，pH≥5.6为非酸雨[1-2]，处二者间为弱酸雨;2007～2013年1～12月所有日降雨共计663日（次）樣本。

1.2 研究方法

计算酸雨发生率、强酸弱酸雨以及各月强、弱、非酸雨出现时对应之风向（取最多风向）频率及其平均风速，并扩散模式计算装机容量为2×600 MW超临界装机发电机组（年耗煤200余万吨）发电对酸雨测点附近SO2、NO2浓度的贡献量。

2  岳阳酸雨发生的时间分布特征

由岳阳城区各月酸雨率（强弱酸雨）分布（图1）可见，岳阳酸雨发生率是很高的，且季节分布十分显著，9月～次年4月长达8个月的酸雨发生率在80%以上，其中10月～次年3月酸雨发生率在90%以上，其原因是与冬半年空气稳定利于酸性物质沉积和主导风向偏NNE，使酸性物质利于向城区飘移密切相关。

图1 2007～2013年岳阳城区各月酸雨发生率分布

3 后三年酸雨发生率显著增高

上述7年酸雨样本中，发现自2010年为中介，后3年与前3年酸雨发生率存在明显的增高现象，尤其弱酸雨更为显著，从图2可明显看到，除8月外，全年各月弱酸雨后3年全部比前3年酸雨发生率增高，增加最大的是12月，后3年比前3年增加57%，其次是1、2月份，也就是冬季3个月酸雨发生率增加最显著，这与大气利于酸性物沉积不无关系。

强酸雨发生率后3年增加仅体现于5～8月，强酸雨5～8月后3年发生率增高分别为0.08、0.10、0.15、0.05，此时虽偏南风增多，仍存在偏北风，以及弱酸雨增率大于强雨等现象原因甚为复杂，待深入探讨。

图2 2011～2013与2007～2009年岳阳城区弱酸雨率差

4 后3年酸雨率增加原因剖析

4.1 工业布局与城区位置

从图3可清晰看到，岳阳大型燃煤、发电、石化工业区均在主城区主导风向位置上游，酸雨测点2亦处工业区和主导风NNE向下游。因此，酸雨发生率及变化与工业布局、主导风密切相关。而图1揭示的全年酸雨率高以及酸雨率的冬半年高亦就是证明。

图3 岳阳城市工业布局与地理区位一览

4.2 NNE风向下多酸雨

统计与酸雨降雨持时对应的风向（取最多风向）频率（各年各月再求累年频率）（图4）可清晰看到，无论强酸雨还是弱酸雨下的风向均是NNE向最多，前者出现频率高达53%，后者也亦达40%，其次是N向和NE向，（弱酸雨）强酸雨NE向不足1%，偏南向均在1%以内。因此，可说明岳阳致雨酸之物质主要来自NNE方向为主的工业区。

图4 2007～2013年岳阳强酸雨（a）和弱酸雨（b）各风向频率分布

4.3 实测SO2、NO2、PM10浓度值佐证酸雨发生率的季节分布

从2007年市区三类污染物（SO2、NO2、PM10）监测到的实际浓度的季节分布（表1）可看出，其SO2年日均值浓度为0.061 mg/m3，超过国家二级标准，浓度份额达到标准的101.7%，特别主导风向NNE外的第1、第4季度SO2日均值竟分别高达0.078和0.070  mg/m3;与此相应时间在图3中2处所测酸雨几率大小亦与实测SO2、NO2、PM10浓度呈正相关，如第4季度高浓度SO2、NO2、PM10下的酸雨发生率亦为全年最高，接近100%，第2、第3季度污染物浓度降低了，酸雨率亦降低至70%以下;而pH最小值各季平均亦如此，高浓度污染物的第1、第4季度，pH均值亦达全年最小，第2、第3季度污染物浓度降低了，pH值亦相应上升，酸雨强度相对低了。可见岳阳酸雨强度的变化与实测SO2、NO2、PM10污染物浓度变化如此相一致的吻合，与工业布局、与主导风向的平行性是密不可分的。

表1 岳阳2007年四季污染物浓度与酸雨

时间SO2

mg/m3NO2

mg/m3PM10

mg/m32007年酸雨率

%pH最大值

平均

四季度0.0700.0330.162993.63

一季度0.0780.0320.137883.68

二季度0.0500.0200.118553.86

三季度0.0460.0210.095683.87

平均值0.0610.0260.128783.76

注：污染物浓度取自市环境监测站。

4.4 模式计算SO2、NO2排放濃度看后三年酸雨率增高

以下用模式计算华能（图3中3处为华能电厂）三期工程对酸雨测点SO2、NO2的可能增加燃能浓度[3]。在此以图3之3处华能岳阳电厂2010年前已投产、二期工程、年耗煤220万t之发电，三期工程又以装机容量为2×600 MW超临界机组，年耗煤200多万吨的发电（2010年投产），按此规模以扩散模式计算三期工程对下游关心点SO2、NO2之贡献率，此处关心处是图3之2处岳阳楼外南大门口点的酸雨监测处的SO2、NO2之浓度增量。为此以模式

c=（Q2πUσyσz）exp-（Y22σy2）·F

计算华能岳阳电场210 m高排放烟囱，一是静风、小风，且地面10 m高平均风速V10≥1.5 m/s条件下，以此点源扩散模式，得出地面任意一点1 h平均浓度。式中，

Q为单位时间排放量（mg/s）;

Y为该点与通过排气筒的平均风向轴线在水平面上的垂直距离（m）;

σy为垂直于平均风向的水平横向扩散参数（m）;

σz为铅直扩散参数（m）;

U为排气筒出口处的平均风速（m/s）。

其中，

F=∑+kn=-k{exp[-（2nh-He）22σz2]+exp[-（2nh+He）22σz2]}。

排气筒下风向的最大地面浓度Cm（ mg/m3）及其距排气筒的距离Xm可按下式计算：

Cm（Xm）=2Qe·π·U·He2·P1、

P1=2γ1·γ-a1/a22（1+a1a2）12（1+a1a2）·He（1-a1a2）·e12（1-a1a2）、

Xm=（Heγz）1/a2（1+a1a2）-（1/（2a2））。

烟气抬升高度计算公式为

ΔH=n0Qn1hHn2U-1、

Qh=0.35PaQvΔTTs，

式中，

n0为烟气热状况及地表状况系数;n1为烟气热释放率指数;

n2为排气筒高度指数;Qh为烟气热释放率（kJ/s）;H为排气筒距地面几何高度（m），超过240 m时，取H=240 m;

Pa为大气压力（hP）;Qv为实际排烟率（m3/s）;ΔT为烟气出口温度与环境温度差（K）;Ts为烟气出口温度（K）;U为排气筒出口处平均风速（m/s）。

上述公式所需相关污染物排放参数、排放源参数分别为烟囱高度210 m，内径7 m;烟气出口参数烟气量1 184.6 m3/s，烟气温度69.5 ℃;SO2排放量353.0 kg/h;NO2排放量1 514 kg/h。

一般气象条件下的扩散参数按照《环境影响评价技术导则（大气环境）》中的附表B中表B3和表B4选取，并以此计算出各个距离的横向扩散参数σy和垂直扩散参数σz，笔者以此计算华能电厂三期工程纸上二参数如表2所示。

按上述模式以华能岳阳电厂三期工程排放源和扩散参数计算出关心点之SO2、NO2浓度值，并以2007年岳阳市大气常规监测数据统计，岳阳城区SO2、NO2年日均浓度分别为0.061、0.026  mg/m3，在预测最大浓度贡献时，以此作为区域浓度参考值。

表2  下风向各距离扩散参数

距离∥kmσyσz

2.000193114

4.000357216

5.000435264

6.000512312

7.000587360

8.000660407

10.000806500

12.000945.1591.0

表3 关心点浓度值

关心点位置距离∥kmSO2浓度∥mg/m3NO2浓度∥mg/m3

岳阳楼（酸雨测点）10.5000.007 710.033 0

开发区7.8000.008 920.038 2

環保局10.0000.008 000.034 3

最大地面浓度点7.5110.008 970.038 3

经上述系列计算，得出各关心点预测浓度值。从表3可见，三期工程造成的地面最大浓度SO2为0.008 97  mg/m3，占二级投标的份额为1.8%，岳阳按酸雨监测点SO2浓度为0.007 71  mg/m3，占二级标准的份额低于1.8%;

三期工程造成地面NO2酸雨监测点为0.033 0  mg/m3，达到二期标准的27.5%，也即工程影响叠加值最大为0.068  mg/m3，增加幅度高达94.3%。

从计算看，SO2、NO2三期工程运行后的2011～2013年中，造成主导风下游酸雨率升高的SO2、NO2酸性物质在增加，致该3年弱酸雨率明显升高，应是不可否认的客观事实。

5   结论

统计分析岳阳城区2007～2013年663个雨量样本556个酸雨pH和对应之风向频率下的酸雨率发现，近3年酸雨率明显增高，其原因除了不合理的工业布局、主导风向外，通过对2010年运行的巨型燃煤机组产生的SO2、NO2浓度值进行模式计算，得出机组运行后对SO2、NO2浓度值贡献是下游最近3年酸雨率增高的重要原因。

参考文献

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[2] 李雪贞，刘厚凤，张桂芹.气候系统变化与人类活动[M].北京：气象出版社，2003：104-105.

[3] 王志勤.华能岳阳电厂三期工程对城区环境空气质量影响分析[C]//湖南科技论坛专题活动系列.岳阳科学技术协会，2008：88-93.