WRF-CMAQ 模型在工业园区规划环评的应用

彭园花，郭 苛，张 慧，肖兴艳

（贵阳市生态环境科学研究院，贵州 贵阳 550002）

0 引言

大气环境影响评价的重要手段是采用大气预测模型，针对大气预测模型进行了各类模式的研究，《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ2.2-2008） 采用系数法模型为AERMOD 模型、ADMS模型；采用模型模拟法模型为CALPUFF 模型和网络模型。

针对规划项目若SO2和NO2总排放量＜2000 t/a 可采用AERMOD 模型、ADMS 模型、CALPUFF模型，若SO2和NO2的总排放量＞2000 t/a 应采用网络模型。

网络模型属于最为复杂模型，对模型参数数据要求、计算机硬件配置要求等均最高。

1 预测场景介绍

1.1 预测源强

预测园区大气污染物主要以燃烧废气和铝厂的工艺废气为主，燃烧废气主要来自以煤为燃料的加热炉、锅炉和火炬排放的烟气，预测源强包括拟建重大企业点源和面源。确定预测因子为SO2、NO2、PM10和PM2.5等，评价标准选择《环境空气质量标准》（GB3095-2012）。预测范围为以规划区域的中心坐标经度为（0，0） 为中心、边长为50 km 的正方形范围，覆盖了评价范围及各污染物短期浓度贡献值占标率＞10%的区域。

1.2 预测地形及预测模型

预测园区及周边的50×50 km2范围内海拔高差约1000 m，高山和深切河谷地形复杂，受四面山体阻隔，区域内静风频率较高、山谷地形影响混合层厚度低，污染物易于累积，从地形特征分析，区域内污染物扩散条件一般。

1.3 预测场景

主要进行新增污染源的正常排放预测。

2 预测模型及参数选择

预测园区涉及的污染源类型有点源、面源，根据统计，SO2和NO2的总排放量＞2000 t/a，需要考虑一次污染物和二次污染物的复杂化学反应及气象条件对污染物浓度的影响，根据《环境影响评价技术导则 大气环境》 （HJ2.2-2008） 选取网格化模式（CMAQ） 进行预测。大气环境影响的基本数据主要包括：气象数据、地形数据、污染源参数、预测情景以及模型参数等。

2.1 气象数据

WRF 模式广泛应用于中尺度海气耦合、暴雨模拟等领域。WRF 模式主要由模式预处理系统、核心模块和后处理模块等3 个部分组成。

WRF 模式结构如图1 所示。

图1 WRF 模式结构图Fig.1 WRF mode configuration

模拟过程采用中尺度气象模式WRF 数据，中尺度WRF 模拟由美国FNL 数据进行驱动，采用三层嵌套进行模拟，分辨率分别为4.5、1.5、0.5 km。WRF 中尺度气象模式处理生成三维格点气象场驱动CMAQ 模式使用。为防止边界效应本次大气模拟计算使用的气象数据采用三层嵌套结构，最内层的计算范围为50 km×50 km，分辨率为500 m。

2.2 地形数据

地理数据包括：计算区域的海拔高度、土地利用类型。地形和土地利用类型数据均采用MODIS15s 数据。

WRF 和CAMQ 模式参数见表1。

表1 WRF 和CAMQ 模式参数Table 1 WRF and CAMQ pattern parameters

续表

2.3 预测模型

采用的空气质量预报模式以美国环保署（EPA） 开发的CMAQ 模式为核心。CMAQ 模式是基于“一个大气”的理念设计建立而成。该模式考虑了大气中多物种和多相态的污染物及其相互作用，可以模拟化学输送平流、气相化学、烟羽处理、干沉降、湿沉降、气溶胶转化等过程，适用于城市尺度的空气质量模拟预报。CMAQ 模式所需的四维气象场由WRF 中尺度气象模式提供，即构成WRF-CMAQ 模式耦合系统。

WRF WRF-CMAQ 空气质量预报模式子系统业务运行流程如图2 所示。

图2 WRF WRF-CMAQ 空气质量预报模式子系统业务运行流程Fig.2 WRF WRF-CMAQ air quality forecast mode subsystem business operation

CMAQ 模式不仅可用于日常的空气质量预报，还可以用来评估不同污染物排放情景下的效果和对大气环境的影响。

CMAQ 模式包含3 种化学机制（CBM-IV、RADM2 和SAPRC99），可模拟预报多种大气污染物，种类可达80 多种。其中，CBM-IV 包括43 个化学反应物和95 个化学反应；RADM2 包括61 个化学反应物和158 个化学反应；SAPRC99 包括74个化学反应物和211 个化学反应。

CMAQ 模式主要由初始条件模块ICON、边界条件模块BCON、光解速率模块JPROC、排放数据预处理模块、气象数据预处理模MCIP、化学传输模块CCTM 构成。

其中，CCTM 模块是CMAQ 模式的核心部分，模块主要用于模拟污染物在大气中的传输和扩散、气相化学、液相化学、气溶胶化学、云物理化学等过程。

CMAQ 模式的排放源的处理主要通过SMOKE模块生成三维网格化文件。该模块可处理的对象包括面源、点源、机动车源和生物源。通过综合考虑人口、道路、下垫面等空间属性确定排放源的空间特征。其中，点源排放可以根据位置、气象因素给出三维分布。

数值模拟计算WRF 中尺度数值模拟、边界层风温场诊断分析、污染物扩散数值模拟以及预测结果分析、气象要素场分析等。

3 预测结果

3.1 正常排放最大浓度预测结果与评价

本项目正常排放时，保护目标和网格点的SO2小时浓度、日均浓度和年均浓度最大值均超过《空气环境质量标准》（GB3095-2012） 二级标准。保护目标和网格点的NO2小时浓度、日均浓度和年均浓度最大值均满足《空气环境质量标准》（GB3095-2012） 二级标准。保护目标和网格点的PM10日均浓度超过《空气环境质量标准》（GB3095-2012） 二级标准，年均浓度最大值满足《空气环境质量标准》（GB3095-2012） 二级标准。保护目标和网格点的PM2.5 日均浓度和年均浓度均超过满足《空气环境质量标准》（GB3095-2012） 二级标准。

预测结果如图3 所示。

图3 浓度贡献预测Fig.3 Concentration contribution prediction

4 结 论

针对以上大气环境预测情况，可采取以下减排措施。

（1） 有组织排放源。

①要求企业改进工艺（采用先进工艺，高效的脱硫脱硝除尘环保措施（双碱湿法脱硫工艺、电袋复合式除尘器降低企业SO2、颗粒物（PM10、PM2.5）等污染物排放量，可考虑参照火电厂排放标准实行超低排放），外购低硫石油焦预焙阳极作为原材料，降低SO2污染物产生；②以新代老（削减现有项目源强），或者产能置换（关掉部分经济价值低产排污大的企业，释放SO2总量指标）。

（2） 无组织排放源。

考虑到无组织排放具有瞬发性强、排放不规律、源多且分散等特点，因此建议本项目各企业对生产过程针对无组织排放污染物，用集气罩收集无组织废气，用高效的电袋复合式除尘器净化除尘，达标后排放。