AERMOD模式應(yīng)用于集中供熱削減污染面源參數(shù)選取探討

向 怡 劉 輝 史學(xué)峰 任永飛

(中國(guó)輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006)

本文結(jié)合陽(yáng)高縣城2012－2013年采暖季SO2、NO2監(jiān)測(cè)結(jié)果以及縣城集中供熱實(shí)施情況，采用AERMOD模式進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證，以探討污染源強(qiáng)有關(guān)參數(shù)的選取方法。本次研究不對(duì)可吸入顆粒物PM10進(jìn)行探討，是因?yàn)榭諝庵蠵M10來(lái)源較廣，除受工業(yè)排放、建筑工地、道路交通等人為源影響外，受北方地區(qū)風(fēng)沙塵、土壤塵的影響也較大［1］，故在本次模擬驗(yàn)證中僅考慮對(duì)SO2、NO2進(jìn)行預(yù)測(cè)討論。

1 集中供熱基本情況

陽(yáng)高縣城人口約5萬(wàn)人，冬季采暖以燃煤為主，采暖季為當(dāng)年11月1日至次年3月31日。未實(shí)施集中供熱前，當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)居民采用土暖氣或分散小鍋爐采暖，燃燒效率低，且未安裝除塵脫硫設(shè)施，污染較為嚴(yán)重。為改善縣城環(huán)境空氣質(zhì)量，陽(yáng)高縣城于2010年6月開(kāi)始實(shí)施集中供熱，建設(shè)2×80t/h+2×65t/h熱水鍋爐，逐年取代分散的小鍋爐和居民土暖氣。2010年實(shí)現(xiàn)集中供熱30萬(wàn)m2，2011年50萬(wàn) m2，2012年100萬(wàn)m2，2013年基本覆蓋了縣城主要采暖區(qū)域，集中供熱面積達(dá)到160萬(wàn)m2。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)資料及統(tǒng)計(jì)

本次收集了陽(yáng)高縣城2012－2013年采暖季SO2、NO2逐日例行監(jiān)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，2012年采暖季(152天)SO2和 NO2濃度均值分別為0.040mg/m3和0.034mg/m3，2013年采暖季(151天)SO2和NO2濃度均值分別為0.014 mg/m3和0.022mg/m3。

從表1可以看出，2013年縣城在新增集中供熱面積60萬(wàn)m2后環(huán)境效益顯著，與2012年相比，2013年采暖季SO2和NO2濃度均值分別下降了0.026mg/m3和0.012mg/m3，降幅分別為64.78%和35.16%。

表1 陽(yáng)高縣城SO2和NO2濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

3 AERMOD基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參數(shù)

3.1 氣象數(shù)據(jù)

地面氣象數(shù)據(jù)采用陽(yáng)高縣氣象站2013年采暖季的逐時(shí)觀測(cè)資料，主要?dú)庀笠貫轱L(fēng)向、風(fēng)速、總云量、低云量、干球溫度、相對(duì)濕度、站點(diǎn)氣壓。云量數(shù)據(jù)每天觀測(cè)3次，線性插值到逐個(gè)時(shí)刻。

高空氣象探測(cè)資料由環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心環(huán)境質(zhì)量模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。采用中尺度數(shù)值模式WRF模擬生成，共分21層，模擬站網(wǎng)格點(diǎn)編號(hào)為131099，坐標(biāo)為113.639°E，40.1719°N。氣象要素包括每日兩次的氣壓、離地高度、干球溫度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)向、風(fēng)速，時(shí)間分別為08點(diǎn)和20點(diǎn)。

3.2 地形數(shù)據(jù)

采用csi.cgiar.org提供的srtm3″地形高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為90m×90m。

3.3 地表參數(shù)

地表參數(shù)根據(jù)陽(yáng)高當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，采用模型地表類型推薦值。在AERMET通用地表類型中按“城市”選取地表參數(shù);AERMET通用地表濕度選為“干燥氣候”;粗糙度按“小城鎮(zhèn)中心”選取。最終按四季生成當(dāng)?shù)卣绶凑章?、BOWEN率、粗糙度參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 預(yù)測(cè)范圍地表參數(shù)取值

3.4 其它參數(shù)

預(yù)測(cè)時(shí)在計(jì)算采暖季平均質(zhì)量濃度時(shí)，考慮了SO2化學(xué)轉(zhuǎn)化，SO2轉(zhuǎn)化取半衰期為4小時(shí)。

4 污染源源強(qiáng)及排放參數(shù)

4.1 污染物排放源強(qiáng)確定

陽(yáng)高縣城2013年采暖季新增集中供熱面積60萬(wàn)m2，參考郭斌等在哈爾濱市的調(diào)研結(jié)果［2］，集中供熱替代土小采暖爐灶單位采暖面積耗煤量以40kg/m2計(jì)，并結(jié)合當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)，估算2013年采暖季削減的污染物減排量見(jiàn)表3。

表3 陽(yáng)高縣城2013年采暖季較2012年所削減的污染物排放量

4.2 污染源模擬形式

由于集中供暖所替代區(qū)域的土小爐灶數(shù)量多、分布廣、排放總量大，屬于低矮源。在采用AERMOD模擬污染源時(shí)，參考趙恒等人［3］關(guān)于低矮源預(yù)測(cè)的討論結(jié)果，將多個(gè)低矮點(diǎn)源作為面源處理預(yù)測(cè)結(jié)果較單獨(dú)設(shè)置點(diǎn)源將更加符合實(shí)際情況。2013年采暖季替代削減的60萬(wàn)m2土小鍋爐分布在縣城各區(qū)，本文預(yù)測(cè)時(shí)采用了兩種面源方案:一種是按縣城零散分布的多個(gè)低矮污染源范圍將整個(gè)縣城區(qū)域作為面源進(jìn)行預(yù)測(cè)，面源范圍3.5km×3km，基本覆蓋了縣城城區(qū);另一種是嚴(yán)格按所替代的削減源面積，設(shè)一個(gè)60萬(wàn)m2的矩形面源(0.8km×0.75km)。本文將兩種方案對(duì)比預(yù)測(cè)。

4.3 污染源排放高度

根據(jù)縣城現(xiàn)狀低矮源實(shí)際情況，居民土小采暖爐灶排煙高度一般在6～15m左右。預(yù)測(cè)時(shí)面源排放高度分別按10m、15m、20m、25m、30m進(jìn)行計(jì)算，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.4 預(yù)測(cè)方案

最終確定的各預(yù)測(cè)方案污染源源強(qiáng)及參數(shù)匯總于表4。

表4 集中供熱替代面源排放源強(qiáng)及參數(shù)表

5 預(yù)測(cè)結(jié)果及探討

在2013年采暖季氣象條件下，結(jié)合前述參數(shù)選取結(jié)果，預(yù)測(cè)2013年替代削減源對(duì)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采暖季平均地面質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)，并同實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，若嚴(yán)格按削減面源的實(shí)際面積(方案2，面源尺寸0.8km×0.75km)和實(shí)際無(wú)組織排放高度(約10m)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果為實(shí)際監(jiān)測(cè)值的11.9～12.5倍;當(dāng)面源排放高度＞30m時(shí)，方案2的預(yù)測(cè)結(jié)果才逐漸趨于實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果。而按削減源分布區(qū)域取一個(gè)較大的面源預(yù)測(cè)方案時(shí)(方案1，面源尺寸3.5km×3km)，面源排放高度取值約20m時(shí)，預(yù)測(cè)值約為實(shí)際監(jiān)測(cè)值的80%～85%，預(yù)測(cè)結(jié)果同實(shí)際監(jiān)測(cè)濃度基本吻合，其濃度分布情況見(jiàn)圖1。

因此，在采用AERMOD模式計(jì)算集中供熱所削減的無(wú)組織源的環(huán)境效益時(shí)，可按實(shí)際替代源強(qiáng)的分布情況，將面源尺寸設(shè)置覆蓋整個(gè)源強(qiáng)區(qū)域，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加模擬面源的排放高度，將使預(yù)測(cè)結(jié)果更趨于實(shí)際。而預(yù)測(cè)中增加面源面積、增加排放源高，均會(huì)使削減面源的預(yù)測(cè)濃度更小，這對(duì)于計(jì)算集中供熱帶來(lái)的環(huán)境效益時(shí)，無(wú)疑也是更加保守的計(jì)算方案。

表5 2013年采暖季削減源SO2、NO2濃度預(yù)測(cè)結(jié)果表(mg/m3)

圖1 2013年采暖季污染物削減濃度(mg/m3)分布圖

6 結(jié)論及建議

(1)2013年陽(yáng)高縣城在新增集中供熱面積60萬(wàn)m2后替代削減了縣城部分采暖土、小爐灶，與2012年相比，2013年采暖季SO2和NO2濃度均值分別下降了0.026mg/m3和 0.012mg/m3，降幅分別為 64.78%和35.16%?？梢?jiàn)陽(yáng)高縣城實(shí)施集中供熱所帶來(lái)的環(huán)境效益十分顯著。

(2)集中供熱替代的城鎮(zhèn)土小采暖爐灶排放源數(shù)量多、分布廣、排放總量大，采用AERMOD模擬計(jì)算這類污染源時(shí)，可將擬替代的多個(gè)低矮點(diǎn)源作為面源處理。

(3)在AERMOD模式中按面源預(yù)測(cè)集中供熱替代土小采暖爐灶帶來(lái)的環(huán)境效益時(shí)，面源的尺寸大小應(yīng)設(shè)置為覆蓋整個(gè)源強(qiáng)區(qū)域的較大范圍;同時(shí)在設(shè)置面源的排放高度時(shí)，應(yīng)在面源實(shí)際排放高度上適當(dāng)加高，這樣將使預(yù)測(cè)結(jié)果更趨于實(shí)際。同時(shí)，增加削減源強(qiáng)的面源面積和無(wú)組織排煙高度亦將使預(yù)測(cè)濃度更低，這對(duì)于計(jì)算集中供熱帶來(lái)的環(huán)境效益無(wú)疑也是更加保守的。

［1］胡敏，唐倩，彭劍飛，等．我國(guó)大氣顆粒物來(lái)源及特征分析．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2011.5．

［2］郭斌，等．哈爾濱幾種主要供熱方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較．哈爾濱市委顧問(wèn)工業(yè)專家組報(bào)告，2007.11．

［3］趙恒，晏麗華．AERMOD模型中關(guān)于低矮點(diǎn)源預(yù)測(cè)方法的探討［會(huì)議論文］，2010．