深圳大氣污染特征模擬及環(huán)境容量估算

朱珠，褚艷玲，吳鋒

(深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司 深圳 518057）

深圳大氣污染特征模擬及環(huán)境容量估算

朱珠，褚艷玲，吳鋒

(深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司 深圳 518057）

摘要本文根據(jù)深圳市8個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)2013年的逐日PM10和PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度聯(lián)合頻率等，利用污染物在大氣中輸送擴(kuò)散模式，由實(shí)測的濃度值反推出污染物的產(chǎn)生量或排放量的方法，重點(diǎn)分析龍華新區(qū)PM10和PM2.5的污染特征，并依據(jù)環(huán)境目標(biāo)值，估算該區(qū)域剩余環(huán)境容量。研究結(jié)果表明，龍華新區(qū)全年盛行東風(fēng)、南風(fēng)，其風(fēng)頻分別為16.7%、13.2%，風(fēng)速約為1.6m/s，PM10、PM2.5濃度均呈現(xiàn)出季節(jié)性變化，秋、冬季濃度值較高，尤其在10月到次年1月份，其排放強(qiáng)度主要受本地污染源的影響。除此以外，其西、北部的污染源對(duì)其污染物濃度有一定的影響。新區(qū)PM10和PM2.5的剩余環(huán)境容量均呈現(xiàn)負(fù)值，尤其以PM2.5最為突出，須大力加強(qiáng)減排控制，以達(dá)到環(huán)境目標(biāo)值

關(guān)鍵詞PM10；PM2.5；源解析；污染來源；剩余環(huán)境容量

責(zé)任作者：褚艷玲（1981—），女，深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，生態(tài)規(guī)劃部經(jīng)理，研究方向?yàn)榇髿馕廴痉乐巍h(huán)境監(jiān)測等。

引言

隨著工業(yè)發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，大氣污染問題正在引起人類的普遍關(guān)注和各級(jí)政府的高度重視。所謂大氣污染，是指大氣污染物或由其轉(zhuǎn)化的二次污染物濃度達(dá)到了有害于人類健康和破壞自然環(huán)境的危害現(xiàn)象[1]。大氣污染有自然過程（如火山爆發(fā)、森林火災(zāi)等）和人為因素（如工業(yè)廢氣、生活燃煤、汽車尾氣、核爆炸等），其主要過程由污染物排放、大氣傳播、人和物污染三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。20世紀(jì)80年代以來，由于工業(yè)的突飛猛進(jìn)、世界人口的城市化等，城市大氣環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)及污染防治已成為大氣污染研究和城市氣候研究領(lǐng)域的主要課題之一[2-5]。我國目前的環(huán)境大氣空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PM10質(zhì)量濃度的日均值為150μg/m3，年均值為70μg/m3；PM2.5質(zhì)量濃度的日均值為75μg/m3，年均值為35μg/m3。研究大氣污染的時(shí)空分布特征，對(duì)進(jìn)一步治理、預(yù)測和控制大氣污染都有很重要的意義。本文利用深圳市8個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)2013年的逐日PM10和PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)龍華新區(qū)大氣污染特征進(jìn)行模擬，并對(duì)其剩余環(huán)境容量進(jìn)行估算。

1　研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況及資料來源

本次研究區(qū)域范圍確定為30×30km2，步長為500m，如圖1所示。收集龍華新區(qū)內(nèi)觀瀾子站、龍華子站、光明新區(qū)的光明子站、寶安區(qū)的西鄉(xiāng)子站、南山區(qū)的華僑城子站、福田的荔園子站、羅湖區(qū)的洪湖子站以及龍崗區(qū)的橫崗子站，共8個(gè)站點(diǎn)2013年全年的逐日污染物濃度監(jiān)測資料和氣象資料。

圖1　研究區(qū)域概況

1.2 研究方法

本研究在總結(jié)國內(nèi)已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合深圳地區(qū)大氣污染情況，采用一定時(shí)段內(nèi)環(huán)境質(zhì)量平均濃度反推的方法，建立一套計(jì)算影響本地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的污染源計(jì)算模型。源解釋模型從污染物平均濃度公式開始：

式中， C平均為某一下風(fēng)方向污染物的平均濃度（mg/ m3）；fij為風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度聯(lián)合頻率，i為穩(wěn)定度等級(jí)，分6級(jí)，j為風(fēng)速等級(jí)，分7檔；Q為污染源排放強(qiáng)度（mg/s）；uj為風(fēng)速（m/s）；x為計(jì)算點(diǎn)距污染源的距離（km）；σzi為i 類穩(wěn)定度下的垂直擴(kuò)散參數(shù)（m）；hij為i類穩(wěn)定度，j級(jí)風(fēng)速下的煙云有效高度（m）。該方程式充分反映了風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度、煙云有效高度等對(duì)大氣擴(kuò)散和傳輸能力的影響，比較好地反映了污染物在大氣中傳輸、擴(kuò)散的物理本質(zhì)。根據(jù)2013年龍華新區(qū)及周邊區(qū)域的8個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)（龍華、觀瀾、荔園、洪湖、華僑城、光明、橫崗、西鄉(xiāng)）的實(shí)測資料，運(yùn)用反平方內(nèi)插方法，求出研究區(qū)域內(nèi)單位面積的環(huán)境平均質(zhì)量，然后根據(jù)公式便可反推不同位置上的污染源排放強(qiáng)度。相應(yīng)地，根據(jù)各類功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀之差，便可反推剩余的污染源排放強(qiáng)度，即大氣環(huán)境剩余容量。

為了方便，本計(jì)算暫且假定煙云服從正態(tài)分布。因?yàn)槟骋粏卧系奈廴疚餄舛仁芨鱾€(gè)方向、不同距離上的污染源的影響，其影響程度取決于風(fēng)向頻率和風(fēng)速大小。根據(jù)上述原理，可以把某一單元或某一點(diǎn)上的污染濃度寫成求和形式：

式（2）表示某一單元或某一點(diǎn)上的污染物濃度是來自m 個(gè)方向、n個(gè)距離上的污染源聯(lián)合影響疊加后的結(jié)果。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了節(jié)省每一次計(jì)算時(shí)間，可以把式（1）中的uj、σzi、fij、hij用多年的風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度按方位事先做好統(tǒng)計(jì)平均，則式（1）可以寫成如下表達(dá)式：

式中，Ck為k方向某一單元或某一點(diǎn)的污染濃度；fk為k方向的風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度聯(lián)合頻率；Qki為k方向i 距離上的污染源排放強(qiáng)度；uk為k方向風(fēng)速統(tǒng)計(jì)平均值；σzk為k方向垂直擴(kuò)散參數(shù)統(tǒng)計(jì)平均值，xi為k方向離污染源的不同距離；hk為k方向煙云有效高度的統(tǒng)計(jì)平均值，k為方位數(shù)，通常分為16個(gè)方位，n為距離的步長數(shù)。令：

式（5）求和符號(hào)表示在同一方向不同距離上的污染源對(duì)某一點(diǎn)污染濃度共同影響的疊加，它只代表一個(gè)方向不同距離上的污染源的貢獻(xiàn)，所有方向污染源的貢獻(xiàn)應(yīng)該再求和一次，即：

將式（5）代入式（6），可得：

從式（7）可以清楚地看到，某一單元上的污染物濃度是來自16個(gè)方向和不同距離上的污染源共同作用的結(jié)果。式（7）中的Qki還可進(jìn)一步表示為：

式（10）中的Fki是表示第k 個(gè)方向第i個(gè)距離上的污染源對(duì)計(jì)算點(diǎn)的污染濃度貢獻(xiàn)的百分比。Fki是距離函數(shù)，可用函數(shù)形式或事先計(jì)算好的數(shù)據(jù)放在計(jì)算程序之中。一般下風(fēng)距離取20 km或40 km即夠，若計(jì)算步長為1 km，則n=20，或40，n的大小隨步長大小而定。式（10）就是源解釋的基本公式，寫成求和的形式，即為：

式（11）是利用濃度反推的源解釋的完整公式。式中右邊的Bk充分反映了風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度、煙云有效高度等大氣擴(kuò)散和傳輸能力。因此，式（11）是比較好地反映了污染物在大氣中傳輸、擴(kuò)散的物理本質(zhì)，能夠做到定量表示，計(jì)算方法簡單。

當(dāng)式（11）中的C為δC=Ci-Ci0時(shí)，δC是功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)值Ci與現(xiàn)狀污染物濃度Ci0之差。運(yùn)用δC時(shí)，即可計(jì)算區(qū)域的剩余環(huán)境容量。

2　結(jié)果與討論

2.1氣象條件分析

目前我國一般用污染系數(shù)即風(fēng)向頻率與平均風(fēng)速的比值來定量反映風(fēng)向因素對(duì)大氣污染的影響。在污染物排放量一定時(shí)，污染程度和風(fēng)向頻率成正比，與風(fēng)速成反比，污染系數(shù)越大，其下風(fēng)方位的污染越嚴(yán)重[6]。據(jù)2013年龍華子站逐小時(shí)氣象觀測數(shù)據(jù)顯示（圖2），新區(qū)全年盛行東風(fēng)、南風(fēng)，其風(fēng)頻分別為16.7%、13.2%；其次是東南偏南風(fēng)，其風(fēng)頻為10.4%。全年風(fēng)速較為穩(wěn)定，風(fēng)速約為1.6m/s。其中東北偏北風(fēng)、東北風(fēng)的風(fēng)速較大，均為2.2m/s；其次是西北風(fēng)，其風(fēng)速為1.9m/s。全年平均氣溫為22.7℃，降水量為1836mm，降水量主要集中在4~8月份。

圖2　氣象條件統(tǒng)計(jì)

2.2污染特征分析

根據(jù)2013年逐日污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（圖3），PM10和PM2.5的時(shí)間變化趨勢較為一致，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律。濃度高值主要集中在10月至次年1月份，濃度低值主要集中在5~8月份。孫向明等[7]研究了深圳市近幾年空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)深圳市降水量的大小與污染物稀釋程度存在正相關(guān)關(guān)系，尤其對(duì)PM10的清除作用最好。而細(xì)顆粒物由于粒徑較小較難沉降，主要通過降雨或空氣對(duì)流去除。秋、冬季降水較少，空氣干燥，逆溫天氣出現(xiàn)頻繁，此時(shí)大氣較為穩(wěn)定，垂直擴(kuò)散能力差，使得顆粒物難以擴(kuò)散而出現(xiàn)積聚，導(dǎo)致PM2.5濃度升高。而夏季雨水相對(duì)較多，降水可以有效去除顆粒物，同時(shí)，夏季因氣溫高、濕度大、大氣邊界層厚，有利于污染物的擴(kuò)散，故PM2.5濃度相對(duì)較低。

圖3　PM10和PM2.5逐月統(tǒng)計(jì)情況

圖4　PM10源強(qiáng)四季分布

2.3污染來源分析

根據(jù)PM10源強(qiáng)的模擬結(jié)果顯示（圖4），PM10的四季排放強(qiáng)度有一定的差異，春、夏季PM10的源強(qiáng)高值主要集中在龍華新區(qū)以外的西部，而秋、冬季PM10的源強(qiáng)高值主要集中在新區(qū)以外的東部。由于春、夏季節(jié)較長，多達(dá)9個(gè)月，雨水較多，按時(shí)間平均，單位面積上排放量較小，而秋、冬季節(jié)時(shí)間較短，氣候干燥，單位面積上排放量較大。而新區(qū)PM10超標(biāo)情況亦集中出現(xiàn)在秋、冬季節(jié)，因此，應(yīng)重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注秋、冬季節(jié)污染來源。秋、冬季龍華新區(qū)內(nèi)PM10的源強(qiáng)高值主要集中在觀瀾及民治區(qū)域。有研究表明[8]：PM10主要來自施工項(xiàng)目和裸地，貢獻(xiàn)率為35.82%；其次是機(jī)動(dòng)車尾氣和道路揚(yáng)塵，貢獻(xiàn)率為23.37%。而根據(jù)龍華新區(qū)的主要污染源分布情況，觀瀾及民治的裸露土地及施工面積相對(duì)較多，因此其PM10排放強(qiáng)度相對(duì)較高。

新區(qū)PM2.5超標(biāo)情況亦集中體現(xiàn)在秋、冬季節(jié)，因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注秋、冬季節(jié)污染來源。根據(jù)PM2.5源強(qiáng)的模擬結(jié)果顯示（圖5），秋、冬季節(jié)來自北部（東莞市）、西部（寶安區(qū)、光明新區(qū)）的PM2.5排放強(qiáng)度較強(qiáng)。有研究表明，龍華新區(qū)PM2.5主要來自機(jī)動(dòng)車尾氣和道路揚(yáng)塵，貢獻(xiàn)率約為32.0%；其次是施工項(xiàng)目和裸地，貢獻(xiàn)率為18.2%。

2.4剩余環(huán)境容量分析

根據(jù)不同功能區(qū)環(huán)境目標(biāo)值（其中一類功能區(qū)PM10的年均濃度為40μg/m3，PM2.5的年均濃度為15μg/m3；二類功能區(qū)PM10的年均濃度為70μg/m3，PM2.5的年均濃度為35μg/m3），計(jì)算龍華新區(qū)PM10和PM2.5的剩余環(huán)境容量。根據(jù)剩余環(huán)境容量模擬結(jié)果顯示（圖6），龍華新區(qū)PM10、PM2.5的剩余環(huán)境容量均呈現(xiàn)負(fù)值，說明新區(qū)的PM10、PM2.5已沒有剩余環(huán)境容量，尤其以PM2.5最為突出，須大力加強(qiáng)減排控制。

圖5　PM2.5源強(qiáng)四季分布

圖6　PM10和PM2.5剩余環(huán)境容量分布

3　結(jié)論

在實(shí)際操作中，掌握詳細(xì)的污染源排放資料相當(dāng)困難，需要對(duì)點(diǎn)源、線源、面源開展詳細(xì)的調(diào)查及大量的計(jì)算。因此，利用污染物在大氣中輸送擴(kuò)散模式，由實(shí)測的濃度值反推出污染來源，根據(jù)功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)和現(xiàn)狀污染物濃度可以計(jì)算本地區(qū)的剩余環(huán)境容量，為環(huán)境管理與指導(dǎo)經(jīng)濟(jì)發(fā)展開啟了方便之門。

本研究利用深圳市8個(gè)空氣監(jiān)測站點(diǎn)2013年的逐日污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，分析了PM2.5和PM10的污染特征、污染來源以及剩余環(huán)境容量。研究結(jié)果表明，龍華新區(qū)PM10、PM2.5濃度均呈現(xiàn)季節(jié)性變化，超標(biāo)情況均在秋、冬季最為頻繁，而在春、夏季出現(xiàn)頻率較低。其排放強(qiáng)度主要受本地污染源的影響。除此以外，其西、北部的污染源對(duì)其污染物濃度有一定的影響。根據(jù)環(huán)境目標(biāo)值，新區(qū)PM10和PM2.5的剩余環(huán)境容量均呈現(xiàn)負(fù)值，尤其以PM2.5最為突出，說明須進(jìn)一步采取相應(yīng)措施來達(dá)到環(huán)境目標(biāo)值。

然而，在特定的地理環(huán)境條件和一定的大氣環(huán)流背景的影響下，某一地區(qū)的大氣污染可以通過中遠(yuǎn)距離輸送并影響其他地區(qū)，大氣污染是一個(gè)跨區(qū)域性的問題，需要進(jìn)一步對(duì)大氣污染的源和匯、輸送問題、化學(xué)轉(zhuǎn)換、大氣污染傳輸?shù)臄?shù)值模擬等進(jìn)行深入而詳細(xì)的研究[9-13]。

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Simulation of Air Pollution Characteristics and Estimates of Environmental Capacity in Shenzhen

Zhu Zhu, Chu Yanling, Wu Feng
(IER Environmental Protection Engineering Technique CO., Ltd, Shenzhen 518057)

Abstract:According to the daily PM10and PM2.5concentration and meteorological data of eight stations during 2013 in Shenzhen, using wind direction, wind speed, joint frequency stability data, we analyzed the characteristics of PM10and PM2.5pollution and estimated the residual environmental capacity about the Longhua region through the methods of concentration measured value introduce pollutant emission by use of transport of pollutants in the atmosphere diffusion mode. The results showed that the dominant wind is east and south, and the frequently were 16.7% and 13.2%, the wind speed was about 1.6m/s. The PM10and PM2.5concentrations presented seasonal differences and the higher density value mainly happened in fall and winter, especially during October and January next year, its emissions intensity was mainly influenced by local pollution sources. In addition, the pollution sources from west and north had certain impact on concentration. According to the target value of environment, the environmental capacity value of PM10and PM2.5were negative, especially the PM2.5, emissions control must be strengthened to achieve the environmental target.

Keywords:PM10; PM2.5；source analysis；pollution source；residual environmental capacity

中圖分類號(hào)：X513，X26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6252（2015）05-0083-06

作者簡介：朱珠（1988—），女，深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，大氣環(huán)境研究室主任，研究方向?yàn)榇髿馕廴痉乐?、環(huán)境監(jiān)測等。