非稳态排放源大气环境防护区域设立方法研究

郭 鹏，刘永乐，林 鑫，舒 璐，仝纪龙

（兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

随着“十三五规划”的提出，环境问题越发被关注。利用空气质量模型，模拟污染物扩散情景，设置大气环境防护区域也成为每一个企业投产前的必要环节。因此，合理设置大气环境防护区域对土地资源利用，居民生活安全起到关键性作用[1-3]。

常规的大气环境防护区域计算采用恒定源强进行模拟，现实中往往有些生产装置其排污随时段呈现了显著的变化[4-5]。针对大气环境防护区域的设置，如何选择具有代表性的源强进行精确计算，已成为重中之重。为解决此问题，本文以SiC 生产线为例，经CALPUFF 模式反推污染物H2S 源强发现生产过程呈现的高、中、低水平周期性排污特点[6-8]。再采用均值聚类法按照源强大小分为3 级：高、中、低水平排放源强，各水平排放源强乘以时间权重得到平均源强，利用CALPUFF 模型[9-10]，计算4 种情景下的大气环境防护区域，对比分析选择具有代表性的源强。

1 排污特性分析

选取的某SiC 厂区，由16 条生产线构成无组织排放面源。经调查发现，SiC 生产过程中，因工序变化，污染物排放存在高、中、低水平周期性波动，当大量的生产进度恰好都集中到烧结工序时，厂区出现污染物排放最严重的时段；只有少量的生产进度进行烧结工序，对环境空气质量的影响也较小；一般情况下，厂区污染物排放处于中等水平，污染物源强与生产时段有密切关联。基于此情况，利用CALPUFF模型反推源强发现SiC 生产过程污染物排放呈现高、中、低水平周期性排污特点。

2 研究方法及模型参数设置

2.1 模式应用

对于城市尺度项目一般选用AERMOD 或CALPUFF 空气质量模型进行模拟预测。研究表明，在山区复杂地形与复杂风场条件下，CALPUFF 比AERMOD 更适合模拟研究[11]。对于沿海区域、复杂地形、涉及模拟二次污染物预测范围大于50 km 的情况，CALPUFF 相较AERMOD 模拟更精确[12-13]。因此，本次研究选用CALPUFF 模型进行研究。

文章中2 处使用CALPUFF 空气质量模型。

（1）源强核算：代入初始源强到CALPUFF 模型中，调节初始源强使模拟点浓度与实际监测浓度一致，达到反推源强的作用。

（2）模拟污染物超标范围：将核算出处于不同时段的源强代入CALPUFF 模型，模拟超标范围，计算大气环境防护区域。

2.2 参数与标准选取

（1）地形参数

研究表明： 同等参数下，30 m×30 m 分辨率地形数据比90 m×90 m 分辨率地形数据模拟结果更精确[13-15]。因此选取由中国科学院国际科学数据服务平台提供的30 m×30 m 分辨率的地形参数，三维立体图见图1。

图1 地形数据三维立体示意

（2）地面气象参数

地面气象参数采用靠近的天祝县气象站提供的2018年的地面气象资料进行分析。天祝县气象站位于甘肃省武威市天祝县，地理坐标为东经103.14°，北纬36.99°，海拔高度2 484.8 m，站台编号52881，距厂区以东约10 km，符合导则要求。地面气象数据包括风速、风向、低云量、总云量、干球温度。其中，风速、风向、干球温度进行每日24 次观测，总云量、低云量进行每日8 次观测，每日观测次数不足者在数据处理时，采用插值处理。

（3）探空气象参数

本次研究高空数据由WRF 利用NCEP 的FNL全球再分析资料模拟得出项目区域2018年探空气象数据，时间分辨率为6 h，空间分辨率为1°×1°[16-17]。WRF 模式采用LCC 坐标系，中心点为（E103.03，N37.03），标准经线E103.03，2 条平行纬线分别为N30°和N60°。WRF 模式模拟参数见表1。经显著性检验，此参数化方案下模拟的高空气象数据适用于本次评估研究。

表1 WRF 模式模拟参数

（4）用地类型及其他设置

用地类型选用USGS 亚洲类型，其他参数选择推荐参数。

（5）空气质量标准的选取

项目主要污染物有H2S，SO2，NOx，CO，NH3，颗粒物。经计算，发现本次研究污染物H2S 对周围环境污染最严重，超标范围最大。因此，本文只列出H2S相关数据。对于污染物H2S，小时标准质量浓度为0.01 mg/m3，来源于HJ 2.2—2018《环境影响评价技术导则-大气环境）》[18]。

2.3 源强核算

将模式所需要的相关参数输入CALPUFF 模型中，再将初始源强代入模式，对照去除本底值后的监测点位的环境空气质量现状监测数据浓度对比，动态调试源强，使对照点污染物的模拟浓度与去除本底值后的监测浓度保持一致，得到初步源强。将得到的每日源强取平均，代入模式进行模拟验证，使对照点在生产周期模拟浓度范围与去除本底值后的实际监测浓度总体相当。经反推源强发现SiC 生产过程中存在高、中、低水平周期性排污特点。因此，将比对的核算源强采用均值聚类法按照大小分为3 级。归类后的各级源强取平均值，得到高水平排放源强、中等水平排放源强、低水平排放源强。然后将各时段源强乘以时间权重，得到平均源强。根据其实际产能，将各时段源强以及平均源强类比到各条生产线，得到生产线源强具体源强核算流程图见图2。

图2 源强核算流程

2.4 研究方案

将4 种情景的源强（高、中、低水平排放源强与平均源强）、气象数据、地形数据等参数代入到CALPUFF 空气质量模型，模拟出各时段的污染物超标范围，计算相应时段的大气环境防护区域。根据计算结果，选择具有代表性的源强，达到精确计算大气环境防护区域的目的。

3 研究结果及对比分析

3.1 源强核算结果

聚类法核算出高、中、低水平排放源强与平均源强，见表2。根据其实际产能，类比到厂区内所有生产线，得出各时段生产线的源强，代入空气质量模型。

表2 SiC 生产过程中源强核算结果

3.2 短期贡献浓度超标范围

污染物H2S 短期贡献质量浓度应满足HJ 2.2—2018《环境影响评价技术导则-大气环境》的要求，限值为0.01 mg/m3。将各排污时段厂区内所有生产线源强代入CALPUFF 模式中，得到污染物超标范围。各排污时段污染物短期浓度超标面积见表3，超标范围见图3（a ～d 依次为低、中、高水平排放源强以及平均源强的超标范围）。

表3 各时段超标面积

图3 各时段超标范围(x,y 坐标为UTM 坐标系，km)

3.3 设立大气环境防护区域

根据HJ 2.2—2018 要求，对于厂界外短期贡献浓度超标范围需自厂界向外设置一定范围的大气环境防护距离，以确保大气环境防护距离外的污染物贡献浓度满足环境质量标准。根据CALPUFF 模式模拟出的污染物超标范围，计算出的各排污时段的大气环境防护距离见表4，大气环境防护区域见图4（a ～d 依次为低、中、高水平排放源强以及平均源强的大气环境防护区域）。

表4 各时段大气环境防护区域面积

图4 各时段大气环境防护区域(x,y 坐标为UTM 坐标系，km)

4 结论

本文以SiC 生产线为例，对特征污染物H2S 进行模拟。输入气象条件，地形数据等参数到CALPUFF模式中，代入初始源强，动态调试，使对照点污染物的模拟浓度与去除本底值后的监测浓度保持一致。通过CALPUFF 反推源强发现，SiC 生产过程呈现高、中、低水平周期性排污特点，其为非稳态排放源。利用均值聚类法按照源强大小分为3 级：高、中、低水平排放源强，将各时段源强乘以时间权重后，得到平均源强。再将4 种情景下源强代入CALPUFF 模型模拟超标范围，计算大气环境防护区域，得出以下结论。

（1）根据源强核算结果可以得出：SiC 生产线高、中、低水平排放源强是平均源强的3.15，1.31，0.71 倍。平均源强介于中、低水平排放源强之间，相比于高水平排放源强相差较大。这是由于SiC 生产周期中，处于中、高水平排污生产的时段明显多于低水平排污生产的时段。纵观整个SiC 生产周期，排放源强的变化波动明显。因此，平均源强不能代表大部分生产周期中的排污情况。

（2）根据各时段的超标范围区域分布可以得出：当厂区分别处于低、中、高水平排污时段，超标范围逐渐扩大。平均源强与中、低水平排污时段的超标范围区域分布相近。但当厂区处于高水平排污时段，超标范围区域分布发生显著的变化。因此，选用平均源强模拟并不能反映高水平排污时段超标范围区域分布情况。

（3）根据各时段计算出的大气环境防护区域结果可以得出： 高水平排放源强制定的大气环境防护区域面积分别是中、低、平均情景下计算结果的4.41，16.61，8.17 倍。当厂区处于高水平排污时段，其它情景下的大气环境防护区域外均会出现大面积的污染物超标情况，对周围居民安全生活造成严重的威胁，不符合相关要求。因此，综合对各时段源强结果，超标范围与大气环境防护区域的分析，出于对居民生活安全考虑，对于非稳态排放源，选择高水平排放源强模拟对精准计算大气环境防护区域更具有代表性。