基于CALPUFF的“乌-昌-石”区域燃煤污染物扩散模拟

杨 静, 何 静, 祝 婕, 蔺尾燕

(新疆环境污染监控与风险预警重点实验室; 新疆清洁生产工程技术研究中心;新疆环境保护科学研究院, 乌鲁木齐 830011)

煤炭不仅是最重要的能源，而且也是化工原料及民用燃料的主要来源。长久以来，能源构成中煤炭的比重比较高，造成能源消费结构的不协调。并且在未来相当长的一段时间内，煤炭依然是主要的能源[1]。新疆的煤炭资源位居中国前列，预测其远景储量可达2.19万亿t，占中国煤炭资源的40%以上[2]。煤炭燃烧会产生各种污染物，如烟粉尘、氮氧化物、二氧化硫、重金属等[3-4]，这些大气污染物不仅严重污染环境，还会引起各种健康问题[5-7]。2012年起，乌鲁木齐市采取能源结构调整，推广清洁能源的使用等各项措施，逐步改善了乌鲁木齐市的空气质量情况[8-9]。“乌-昌-石”城市群是新疆大气联防联控的重点区域，因为其特殊的气候条件和地形情况，冬季采暖期间煤烟型大气污染情况依然不容乐观。对“乌-昌-石”区域的燃煤源进行污染物排放研究，分析其污染时空分布特征，是改善区域冬季大气环境的必要过程，也是首次以整个区域燃煤工业源为研究对象。

目前，常用的大气模拟扩散模型有CMAQ、CALPUFF、AERMOD等[10-13]，中外学者对比了上述模型的应用性，发现在相同条件下模型的结果有较大的差别[14]。Wang等[15]将CALPUFF模型和ISCST3高斯分散模型用于评估顺风气味浓度和源气味排放率，发现CALPUFF模型和ISCST3模型对于反向计算气味排放率与实际显著不同。舒璐等[16]对比了AERMOD模型和CALPUFF模型在复杂地形条件下的干沉降模拟差别，表明气态干沉降几乎不影响两种模型的模拟结果，而颗粒物干沉降对AERMOD影响远远大于对CALPUFF。因此，合适的模型才能保证模拟的结果合理，CALPUFF模型相对其他模型更适合模拟污染物的扩散和迁移[17]。现统计2016年“乌-昌-石”区域的燃煤工业企业污染物排放情况，用CALPUFF模型对SO2、NOx、PM2.5和PM10的时空分布进行模拟，分析影响“乌-昌-石”区域大气环境质量的各因素，为“乌-昌-石”区域大气污染防治提供基础。

图1 “乌-昌-石”区域消耗燃煤工业企业分布

1 数据及方法

1.1 研究区概况

“乌-昌-石”区域位于天山北坡经济带，是天山北坡经济带的重要组成部分，区域面积共6.9×104km2左右。区域主要包括：乌鲁木齐市七区一县(天山区、沙依巴克区、新市区、水磨沟区、头屯河区、达坂城区、米东区、乌鲁木齐县)，昌吉州的两市两县(昌吉市、阜康市、呼图壁县、玛纳斯县)，塔城地区沙湾县，新疆建设兵团农六师五家渠市，农八师石河子市。该区域是生产力高度集中的地区，是新疆现代工业、农业、交通信息、教育科技等最为发达的核心区域，集中了全疆大部分的重工业和轻工业，城镇、交通、能源等基础条件好，对全疆经济起着重要的带动、辐射和示范作用。

1.2 数据来源

研究对象为“乌-昌-石”区域内消耗燃煤的工业企业，数据以2016年新疆环境统计数据为基础，根据研究区域范围筛选出位于研究区域的工业企业，总共2 865家，其中，“乌-昌-石”区域内消耗燃煤的工业企业共757家，分布情况见图1。根据CALPUFF模型模拟计算的要求，将这757家燃煤工业企业作为点源，对每个点源的SO2、NOx、PM2.5、PM10排放清单进行计算、整理。

1.3 CALPUFF模型应用

CALPUFF模型是一个支持多层、多污染物、非稳态的烟团扩散模型，能够模拟随时空变化的气象条件下污染物的迁移转化及清除效应[18]。主要包含了CALMET(气象模型)、CALPUFF(输送和扩散模型)、CALPOST(后处理程序)及其他预处理程序四个部分[19-20]。

1.3.1 模拟计算范围及时间

考虑燃煤工业企业的分布范围和CALPUFF模型适合的计算范围，选择了以昌吉市(44.015 7°N，87.078 7°E)为中心点，东西长300 km，南北宽160 km的一个长方形区域作为模拟计算范围，模拟时间为2016年1月和6月。

1.3.2 网格设置

模式中的网格设置包括地理网格、气象网格、计算网格和采样网格。其中计算网格和采样网格一致，网格分辨率为5 km。考虑到高架源大气污染物远距离扩散过程中的烟团回流和迂回效应，地理网格和气象网格在计算网格的基础上东西南北方向各外扩2 km作为缓冲区，网格分辨率均为10 km，垂直方向共11层。

2 结果与讨论

2.1 风场情况

在排放源强固定不变的前提下，大气污染状况由大气本身的扩散稀释能力决定，主要包括水平方向传输和垂直方向上的传输。垂直方向上的传输过程主要受到逆温层的影响，范彦芳等[21]研究表明四种主要空气污染物(SO2、NO2、PM10、PM2.5)的浓度与逆温层均存在一定相关性，并且与逆温层厚度和强度呈正相关。秦泉[22]研究发现乌鲁木齐冬季逆温现象频繁，导致大气环境污染严重，同时，在水平方向上的地面风场对大气污染也有着重要影响。风是一个矢量，由风速和风向两个参数共同决定。风速决定着大气污染物的平流传输能力，风速越大时，单位时间内污染物被输送的距离越远，污染物与大气的混合越充分，污染物浓度越低；而风向决定着大气污染物的走向与范围。分别统计1月、6月的乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市、五家渠市和沙湾县五个城市距地面10 m的风场情况(表1)。

对比可知，五个城市1月的平均风速最小，并且1月的静风频率较高(最高可达30%)，可以看出1月份，“乌-昌-石”区域的大气环境相对于6月是稳定的状态，这种状态不利于大气污染物的扩散。从1月的主要风向来看，五个城市的风存在着相向风，从地理位置上分析，相向风大概会在乌鲁木齐市与五家渠市交界附近形成辐合带，加剧污染物聚集情况。6月的平均风速相对较大，并且静风频率也较小(6%左右)。仅从水平方向分析，1月的污染物最不易扩散稀释，而6月的扩散情况相对较好。

对比五个城市扩散情况，石河子市和沙湾县的平均风速相对较高，静风频率相对较低。而且从风向看，石河子市和沙湾县的主要来风风向为南风，污染物大多向北扩散，对其他三个城市影响较小。

2.2 大气污染物排放情况

由表2可知，2016年燃煤工业企业SO2排放量共97 949.82 t，乌鲁木齐市排放量最大，占比为43.51%，其中排放量比较大的是头屯河区和米东区，新市区和乌鲁木齐县最少；其次是昌吉州，占比33.18%；石河子市和五家渠市占比分别为12.58%和9.36%，沙湾县排放量最少，占比仅为1.37%。

表1 风速和风向情况

表2 2016年“乌-昌-石”区域各地区大气污染物排放

NOx排放量共10 208.84 t，乌鲁木齐市排放量最大，占比为37.39%，其中排放量比较大的是头屯河区和米东区，新市区和乌鲁木齐县最少；其次是昌吉州，占比为23.00%；石河子市和五家渠市占比分别为25.94%和12.12%，与SO2排放量一致。沙湾县在所有地区排放量最少，占比仅为1.55%。

图2 SO2浓度分布

PM2.5排放量共2 426.99 t，排放量较大的区域为昌吉州的2市2县和石河子市，占比分别为37.35%和36.61%，其次五家渠市，占比为18.20%；乌鲁木齐市和沙湾县较少，占比分别为7.55%和0.29%。

PM10排放量共4 481.73 t，排放量最大的区域为石河子市，占比共为42.92%，其次是昌吉州和五家渠市，占比分别为32.67%%和17.05%；乌鲁木齐市和沙湾县较少，占比分别为7.11%和0.25%。

由表2可知，SO2和NOx区域排放量大小依次为乌鲁木齐市>昌吉州>石河子市>五家渠市>沙湾县，而PM2.5和PM10区域排放量大小与SO2和NOx不同。主要原因是PM2.5和PM10的排放量在统计计算时不仅包括燃煤燃烧排放的，还有生产中工艺过程排放的，工艺排放的量要远远超过燃煤燃烧排放的量，由此也可见工业企业类型对颗粒物的排放量有着重要影响。

2.3 污染物时空分布

2.3.1 SO2

如图2所示，SO2浓度分布有着明显的季节性差异，1月SO2扩散面积较大，并且出现高浓度的区域范围也较大，6月扩散面积较小，出现高浓度的区域范围也较小。区域冬季受到大气边界层结构特征的影响，污染物难以在垂直方向向上扩散，而聚集在近地面，造成地面重污染[24]，并且风速也较低，导致污染物在横向方向扩散过程缓慢，加重了地面污染情况。高浓度值区主要集中在阜康市和米东区，这两个区域燃煤工业企业数量也是最多的，阜康市和米东区的SO2排放量占比也较高，分别约为14%和17%。此外，石河子市和玛纳斯县的SO2排放量也比较大，占比均超过10%，但是从CALPUFF模拟计算结果来看，石河子和玛纳斯县的浓度较低，主要是这两个地区扩散条件较好，与风场分析结论一致。

图3 NOx浓度分布

2.3.2 NOx

如图3所示，NOx浓度分布情况与SO2相似，大体呈现向北扩散的趋势。其中，浓度最高值也出现在1月，并且出现高浓度的区域范围也较大，6月扩散面积较小，出现高浓度的区域范围也较小。高浓度值区主要集中在阜康市和米东区，这两个区域NOx排放量占比较高，阜康市和米东区的NOx排放量占比分别约为9%和20%。而石河子市和五家渠市的NOx排放量占比分别约26%和12%，均要高于阜康市和米东区，从CALPUFF模拟计算结果来看，石河子市和五家渠市浓度值整体较低。综上所述，污染物排放量不是决定区域浓度的唯一因素，与气象条件和地形位置有着很大的关系。

2.3.3 PM2.5

如图4所示，1月高浓度值区域主要为新市区、沙依巴克区、天山区、乌鲁木齐县和阜康市，其中，浓度最高值在乌鲁木齐县北部区域。6月高浓度值区域主要为新市区、沙依巴克区和乌鲁木齐县，其中，浓度最高值在新市区。从PM2.5的排放量来看，新市区、沙依巴克区、天山区和乌鲁木齐县的占比都比较低，燃煤消耗量占比都低于5%，PM2.5的排放量占比都低于0.1%。反而是昌吉市、五家渠市和石河子市PM2.5的排放量占比较高，均高于10%，石河子更是达到36%。

图4 PM2.5浓度分布

2.3.4 PM10

如图5所示，PM10在区域浓度分布情况与PM2.5相似，1月浓度最大值出现在乌鲁木齐县，高浓度值区域主要在新市区、沙依巴克区、天山区、乌鲁木齐县和阜康市。6月高浓度值区域主要为新市区、沙依巴克区和乌鲁木齐县，其中，浓度最高值在新市区。从PM10的排放量来看，新市区、沙依巴克区、天山区和乌鲁木齐县的占比都比较低，均低于0.1%。反而是五家渠市和石河子市PM10的排放量占比较高，分别为17%和43%，但是五家渠和石河子市的PM10浓度整体较低。

图5 PM10浓度分布

3 结论

以“乌-昌-石”区域内消耗燃煤的工业企业点源为主要研究对象，用CALPUFF模型计算点源对区域的贡献浓度，通过不同污染物的时空分布特征，分析影响区域污染物浓度的主要因素，得到以下结论。

(1)区域SO2、NOx、PM2.5和PM10总排放量分别为97 949.82、10 208.84、2 426.99、4 481.73 t，其中SO2和NOx区域排放量大小顺序一致，依次为乌鲁木齐市>昌吉州>石河子市>五家渠市>沙湾县；PM2.5区域排放量依次为昌吉州>石河子市>五家渠市>乌鲁木齐市>沙湾县。PM10区域排放量大小依次为石河子市>昌吉州>五家渠市>乌鲁木齐市>沙湾县。

(2)四种污染物的浓度分布有着明显的季节性特征，即1月浓度分布范围最广，且浓度较高；而6月的浓度分布范围较小，且浓度偏低。石河子市和五家渠市污染物的浓度值整体较低，而阜康市和乌鲁木齐市的米东区等地区的污染物浓度普遍偏高。说明燃煤消耗量和污染物排放量不是决定区域实际浓度的唯一因素，主要还受到气象条件和地形的影响。石河子和五家渠所在地形开阔，大气条件较好，有利于污染物在水平方向上的扩散迁移，并且大部分污染物扩散到北部平原地区，而阜康市和米东区不仅排放较高，而且还受到周围风场的影响，导致污染物在此聚集。