大同盆地復(fù)雜地形下近場大氣污染物擴(kuò)散模型選取研究

向 怡 史學(xué)峰 吳玉生

(1.中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006；2.山西省生態(tài)環(huán)境保護(hù)服務(wù)中心，山西 太原 030006)

環(huán)境影響評價(jià)(簡稱環(huán)評)對于指導(dǎo)工業(yè)企業(yè)布局、保障地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。目前，國內(nèi)環(huán)評使用的主流大氣污染物擴(kuò)散模型為高斯煙羽模型AERMOD和拉格朗日模型CALPUFF，兩者均為美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)推薦的適用于近場(距排放源50 km以內(nèi))大氣污染物擴(kuò)散模擬的模型，也是我國《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2018)推薦的模型。USEPA指出，CALPUFF較AERMOD可能更適合近場復(fù)雜地形和復(fù)雜風(fēng)場下的模擬[1]，但我國的HJ 2.2—2018中僅推薦了近場滿足特殊風(fēng)場(包括長期靜、小風(fēng)和岸邊熏煙)時(shí)使用CALPUFF，而沒有更多對近場復(fù)雜地形和復(fù)雜風(fēng)場下兩種模型的適用性進(jìn)行探討和說明。

在國外，AERMOD 在17個(gè)環(huán)評研究中取得了良好的近場模擬效果[2]；CALPUFF也取得了一些較好的模擬結(jié)果[3-4]。在國內(nèi)，朱好等[5]利用湖南某丘陵河谷地區(qū)的大氣擴(kuò)散實(shí)測資料對CALPUFF默認(rèn)湍流參數(shù)進(jìn)行了修正，最終模擬濃度分布與示蹤觀測結(jié)果取得了較高的一致性。上述研究的共同點(diǎn)是都需要開展實(shí)地氣象觀測。

然而，環(huán)評工作中不要求開展實(shí)地氣象觀測，HJ 2.2—2018規(guī)定地面氣象數(shù)據(jù)可引用距離排放源最近或氣象特征基本一致的地面氣象站數(shù)據(jù)。由于我國幅員遼闊，相鄰地面氣象站距離往往可達(dá)數(shù)十千米，特別是對于山區(qū)盆地這類復(fù)雜地形，實(shí)際地形走向、相對高差等都十分復(fù)雜，由此導(dǎo)致氣象條件的復(fù)雜性[6]。實(shí)際工作中往往選用距離最近的地面氣象站數(shù)據(jù)，但事實(shí)上與排放源存在很大差異。在我國地勢的第二級階梯地形上分布有大量山區(qū)盆地。因此，研究和探討缺乏代表性地面氣象站數(shù)據(jù)時(shí)AERMOD和CALPUFF模型的合理性很有必要。

山區(qū)盆地的復(fù)雜地形一方面因障礙物機(jī)械強(qiáng)迫作用而改變邊界層氣流分布，另一方面由于下墊面熱力性質(zhì)的差異而誘生一些熱力環(huán)流，從而造成山區(qū)盆地氣象條件比平原地區(qū)復(fù)雜得多，會(huì)形成如渠道風(fēng)、氣流分離、阻塞與氣流靜滯以及坡谷風(fēng)等特殊氣流流動(dòng)現(xiàn)象[7]。國內(nèi)雖然已有針對關(guān)中盆地[8]、蘭州盆地[9]、四川盆地[10]等山區(qū)盆地風(fēng)場特征的研究，但由于山區(qū)盆地的復(fù)雜多樣，對于其他盆地研究的借鑒意義有限。大同盆地是我國重要的能源基地，又是“十四五”期間承載山西省資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和能源改革試點(diǎn)的重要區(qū)域，針對該地復(fù)雜地形及由此造成的近地面復(fù)雜氣象條件仍缺乏相關(guān)研究。

本研究在分析大同盆地主要風(fēng)場特征和污染物可能輸送途徑的基礎(chǔ)上，利用可獲取的氣象資料對AERMOD、CALPUFF在環(huán)評工作中不開展實(shí)地氣象觀測時(shí)的模擬結(jié)果差異進(jìn)行分析，選出更合適的模型，給可能形成同類風(fēng)場的復(fù)雜山區(qū)盆地近場大氣污染物擴(kuò)散模型選取提供參考。

1 材料與方法

1.1 評價(jià)對象

大同盆地是山西省最大的山區(qū)盆地，呈東北—西南向的長條形，主要由采涼山、六棱山、恒山、洪濤山、云頂山等邊界圍成，該地工礦企業(yè)和人口分布多[11]。

本研究選擇大同盆地內(nèi)某電廠開展環(huán)評工作，電廠周邊地形特征見圖1。電廠西側(cè)為采涼山，山體海拔1 362～2 144 m，北側(cè)為云頂山，山體海拔1 416～2 200 m，南側(cè)和東側(cè)為海拔1 050～1 250 m的丘陵，在電廠北側(cè)15 km、西南側(cè)20 km處各分布有山脈構(gòu)造形成的豁口。整體而言，大同盆地受周邊山脈阻隔，沿地形走向形成了較為明顯的東北—西南方向氣流通道。

注：以電廠為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)東西向坐標(biāo)為x，南北向坐標(biāo)為y。

1.2 氣象資料來源

電廠周邊分布有陽高縣地面氣象站(A)、云州區(qū)地面氣象站(B)和大同市地面氣象站(C)，氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、相對濕度、云量)來源于這3個(gè)地面氣象站。根據(jù)HJ 2.2—2018，AERMOD選取距電廠最近的A地面氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬；CALPUFF結(jié)合3個(gè)地面氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。高空氣象站數(shù)據(jù)由國家環(huán)境保護(hù)影響評價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用中尺度數(shù)值模式WRF模擬生成。

1.3 大氣污染物擴(kuò)散模型構(gòu)建

分別采用AERMOD、CALPUFF模擬電廠排放源對預(yù)測范圍內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)和敏感點(diǎn)的短期(日均濃度)和長期(年均濃度)貢獻(xiàn)，結(jié)合山區(qū)盆地風(fēng)場特征對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

1.3.1 模型主要參數(shù)

電廠海拔1 141 m，煙囪高度210 m，煙囪出口內(nèi)徑8.2 m，煙氣出口溫度50 ℃。考慮到當(dāng)?shù)豍M10現(xiàn)狀超標(biāo)，因此本研究以PM10為代表污染物進(jìn)行數(shù)值模擬。

兩種模型均采用美國SRTM3地形高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為90 m×90 m。AERMOD地表植被參數(shù)在電廠東南側(cè)按“農(nóng)作地”，西北側(cè)按“草地”選?。籄ERMET模塊通用地表濕度選“中等濕度氣候”；地面時(shí)間周期按“季”劃分，生成不同季節(jié)的“正午反照率”、“波溫率”。CALPUFF中CALMET模塊的土地利用數(shù)據(jù)取自美國地質(zhì)勘探局(USGS)的GLCC數(shù)據(jù)庫中亞洲部分，分辨率為1 km，采樣點(diǎn)格數(shù)設(shè)為2。兩種模型均不考慮污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化和干濕沉降，其他參數(shù)采用模型默認(rèn)設(shè)置[12]。

1.3.2 預(yù)測范圍及網(wǎng)格點(diǎn)和敏感點(diǎn)設(shè)置

本研究以圖1所示的50 km×50 km正方形區(qū)域?yàn)轭A(yù)測范圍，按距原點(diǎn)7 km以內(nèi)200 m為間隔、7 km以外500 m為間隔設(shè)置網(wǎng)格點(diǎn)。同時(shí)，選取了電廠周邊7個(gè)居民集聚區(qū)作為環(huán)境空氣敏感點(diǎn)(1#～7#)，予以重點(diǎn)關(guān)注。表1給出了各敏感點(diǎn)的位置信息。

表1 敏感點(diǎn)位置信息

2 結(jié)果與討論

2.1 電廠周邊風(fēng)場特征分析

3個(gè)地面氣象站和1個(gè)高空氣象站的風(fēng)向頻率玫瑰圖見圖2。3個(gè)地面氣象站的主導(dǎo)風(fēng)向受地形影響明顯。A地面氣象站在電廠東北約15 km，處于采涼山與云頂山交界形成的豁口東側(cè)，受大同盆地外內(nèi)蒙古地區(qū)的常年西北風(fēng)影響，該站主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髌鞅憋L(fēng)；B地面氣象站在電廠南約25 km，西北側(cè)受采涼山、洪濤山阻隔，東南側(cè)受恒山阻隔，只有東北—西南形成通道，因此主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髌髂巷L(fēng)；C地面氣象站位于電廠西南約32 km，地處大同盆地腹地平原，在西風(fēng)天氣系統(tǒng)和山脈地形走向共同影響下形成了偏北風(fēng)通道。高空氣象站受西風(fēng)影響明顯，東風(fēng)出現(xiàn)頻率極少，表明大同盆地常年受西風(fēng)天氣系統(tǒng)影響。

注：風(fēng)頻單位為%。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 短期貢獻(xiàn)對比分析

兩種模型模擬的網(wǎng)格點(diǎn)最大日均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)分布見圖3。表2給出了兩種模型對各敏感點(diǎn)的最大日均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)。

表2 兩種模型對各敏感點(diǎn)的最大日均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)1)

圖3 兩種模型的網(wǎng)格點(diǎn)最大日均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)分布

(1) 網(wǎng)格點(diǎn)最大日均濃度

從圖3可以看到，兩種模型的網(wǎng)格點(diǎn)短期模擬結(jié)果具有相似性。短期高濃度貢獻(xiàn)均出現(xiàn)在電廠西側(cè)約2 km處的采涼山上和北側(cè)約18 km處的云頂山上，存在較明顯的“撞山”效應(yīng)。這是因?yàn)閮煞N模型在處理煙羽山體碰撞時(shí)均以流線分裂的概念為理論基礎(chǔ)，即假設(shè)煙羽碰撞時(shí)存在一個(gè)臨界高度，煙羽同山體碰撞后被認(rèn)為分裂成2層，臨界高度以上的煙羽有足夠動(dòng)能抬升越過山體，臨界高度以下的煙羽則圍繞山體形成繞流。在煙羽同山體碰撞過程中，造成短期高濃度“撞山”，反映了電廠排放煙羽與地形障礙物相遇時(shí)發(fā)生迎面碰撞，形成山體迎風(fēng)側(cè)局地地面污染物高濃度分布的客觀事實(shí)。其中，AERMOD、CALPUFF的網(wǎng)格點(diǎn)最大日均濃度最大值分別出現(xiàn)在(-2 200 m，1 800 m)、(-3 800 m，600 m)處，均在距電廠西側(cè)最近的采涼山區(qū)，而北側(cè)的云頂山則是次高濃度分布區(qū)?？梢?，當(dāng)排放源四周分布有高海拔地形時(shí)，煙羽與山體的碰撞往往將導(dǎo)致最近距離的短期高濃度分布。

(2) 敏感點(diǎn)最大日均濃度

從表2可以看出，位于電廠西側(cè)采涼山的2個(gè)海拔較高的4#、7#敏感點(diǎn)(海拔分別為1 278、1 546 m)的最大日均濃度貢獻(xiàn)表現(xiàn)為AERMOD大于CALPUFF，PM10-A/PM10-C分別為1.67、4.61；而其他5個(gè)海拔較低的敏感點(diǎn)(海拔為1 055～1 113 m)的最大日均濃度貢獻(xiàn)表現(xiàn)為AERMOD小于CALPUFF，PM10-A/PM10-C為0.22～0.79。伯鑫[13]在廣東省的沙角電廠模擬中也發(fā)現(xiàn)，近場低海拔區(qū)短期濃度貢獻(xiàn)AERMOD總體比CALPUFF小，而高海拔區(qū)AERMOD總體比CALPUFF大。

2.2.2 長期貢獻(xiàn)對比分析

兩種模型模擬的網(wǎng)格點(diǎn)最大年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)分布見圖4。表3給出了兩種模型對各敏感點(diǎn)的最大年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)。

表3 兩種模型對各敏感點(diǎn)的最大年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)1)

(1) 網(wǎng)格點(diǎn)最大年均濃度

由圖4可見，相較短期模擬結(jié)果，兩種模型的網(wǎng)格點(diǎn)長期模擬結(jié)果差異較大。AERMOD的長期高濃度貢獻(xiàn)集中在電廠西側(cè)附近的采涼山上，而CALPUFF的長期高濃度貢獻(xiàn)區(qū)域除電廠西側(cè)的采涼山和北側(cè)云頂山外還擴(kuò)展到了東北側(cè)的盆地內(nèi)平原區(qū)域。這表明雖然兩種模型模擬的短期最大濃度貢獻(xiàn)均在西側(cè)“撞山”，但由于各模型風(fēng)場生成原理不同，在長期氣象條件下模擬的長期濃度貢獻(xiàn)分布出現(xiàn)差異。

圖4 兩種模型的網(wǎng)格點(diǎn)最大年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)分布

(2) 敏感點(diǎn)最大年均濃度

由表3可見，相較短期模擬結(jié)果，各敏感點(diǎn)的PM10-A/PM10-C普遍增大。在長期氣象條件下，位于電廠西側(cè)采涼山的2個(gè)海拔較高的4#、7#敏感點(diǎn)PM10-A/PM10-C分別達(dá)到了6.00、11.25；而其他5個(gè)海拔較低的敏感點(diǎn)PM10-A/PM10-C也增加到了0.50～1.50。

需要予以特別關(guān)注的是，對于預(yù)測范圍內(nèi)人口最多、也是最重要的環(huán)境敏感點(diǎn)陽高縣城(1#)而言，短期和長期的PM10-A/PM10-C分別為0.22、0.50，說明AERMOD的模擬結(jié)果均低于CALPUFF，即對于盆地內(nèi)平原區(qū)域而言，CALPUFF的模擬結(jié)果更為保守。

2.3 風(fēng)場生成原理差異對模擬結(jié)果的影響分析

陳彥山等[14]和周汾濤等[15]分別在研究黃河上游地區(qū)和太原盆地地形對大氣流場影響時(shí)均發(fā)現(xiàn)，地形對近地面氣流具有引導(dǎo)作用。本研究電廠受盆地周邊山脈阻隔形成較明顯的東北—西南方向氣流通道。提取CALPUFF模擬的全年逐時(shí)風(fēng)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，CALPUFF模擬的電廠處西南(包括WSW、SW、SSW)風(fēng)向風(fēng)頻為40.5%，而東北(包括NNE、NE、ENE)風(fēng)向風(fēng)頻為14.9%；AERMOD模擬的電廠處相應(yīng)西南、東北風(fēng)向風(fēng)頻分別為19.1%、8.2%?？梢?，CALPUFF能更好地描述電廠受盆地東北—西南方向氣流通道形成的主導(dǎo)風(fēng)場影響。圖5給出了CALPUFF模擬的受盆地東北—西南方向氣流通道形成的主導(dǎo)風(fēng)場影響的典型風(fēng)矢量流場圖。

圖5 CALPUFF模擬的典型風(fēng)矢量流場圖

通過追溯AERMOD發(fā)生短期高濃度分布時(shí)的氣象條件發(fā)現(xiàn)，在夜間Monin-Obukhov長度較小的穩(wěn)定天氣且有將煙羽吹向山體的低速風(fēng)時(shí)出現(xiàn)“撞山”效應(yīng)。AERMOD作為穩(wěn)態(tài)模型，其中的AERMET模塊生成氣象場時(shí)僅依據(jù)單個(gè)地面氣象站數(shù)據(jù)。但由于大同盆地地形復(fù)雜，按HJ 2.2—2018選取距電廠最近的A地面氣象站數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確代表相距約15 km的電廠處氣象條件，因而過多地出現(xiàn)煙羽向西側(cè)采涼山“撞山”。而CALPUFF中的CALMET模塊采用了地形動(dòng)力學(xué)理論并結(jié)合了多個(gè)地面氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，生成的氣象場能更好地反映大同盆地的復(fù)雜山區(qū)地形，因此CALPUFF模擬生成的風(fēng)場不會(huì)過多地出現(xiàn)向西“撞山”，而能更好地吻合東北—西南方向的氣流通道。因此，對于分布在盆地內(nèi)低海拔平原區(qū)的5個(gè)敏感點(diǎn)來說，CALPUFF的日均濃度貢獻(xiàn)普遍大于AERMOD。

進(jìn)一步對比兩種模型下的年均濃度貢獻(xiàn)分布，CALPUFF模擬的PM10年均濃度貢獻(xiàn)較好地吻合了東北—西南方向的氣流通道。電廠處的區(qū)域大氣流場是受西風(fēng)天氣系統(tǒng)、山脈地形走向以及盆地輻合氣旋環(huán)流影響而形成的以西南風(fēng)向?yàn)橹鲗?dǎo)的中尺度流場，因此CALPUFF模擬的長期高濃度貢獻(xiàn)區(qū)不僅僅出現(xiàn)在西側(cè)山體，而是擴(kuò)展到了主導(dǎo)風(fēng)場下風(fēng)向的北部和東北部區(qū)域。AERMOD采用了距電廠最近的A地面氣象站數(shù)據(jù)，其主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髌鞅憋L(fēng)，顯然不能準(zhǔn)確地代表電廠受地形影響所受的主導(dǎo)風(fēng)場；而且AERMOD本身也無法結(jié)合區(qū)域地形進(jìn)行風(fēng)場再分析和校正，這就造成了煙羽過多地吹向了西側(cè)山體。

郭偉等[16]基于2014—2018年大同市區(qū)逐時(shí)風(fēng)向風(fēng)速和PM2.5濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，大同市區(qū)采暖期和非采暖期PM2.5日均高濃度均在偏南風(fēng)下出現(xiàn)。本研究中電廠與大同市區(qū)均位于大同盆地北部區(qū)域，氣象條件相似，對比本研究的兩種模型模擬結(jié)果，采用CALPUFF模擬時(shí)在偏南風(fēng)的下風(fēng)向即電廠北部和東北部出現(xiàn)污染物高濃度貢獻(xiàn)區(qū)域，更加合理。

3 結(jié) 語

(1) 大同盆地近地面風(fēng)場受西風(fēng)天氣系統(tǒng)和山脈地形走向以及盆地輻合氣旋環(huán)流的共同影響。A地面氣象站(代表陽高縣)受盆地西側(cè)豁口和盆地外內(nèi)蒙古地區(qū)常年西北風(fēng)影響，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髌鞅憋L(fēng)；B地面氣象站(代表云州區(qū))主要受地形影響，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髌髂巷L(fēng)；C地面氣象站(代表大同盆地腹地平原)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)。

(2) 在不開展實(shí)地氣象觀測、僅按照HJ 2.2—2018引用周邊地面氣象站數(shù)據(jù)作為AERMOD和CALPUFF進(jìn)行模擬的條件，CALPUFF模擬的電廠處西南、東北風(fēng)向風(fēng)頻分別為40.5%、14.9%，AERMOD模擬的電廠處西南、東北風(fēng)向風(fēng)頻分別為19.1%、8.2%，表明CALPUFF能更好地描述電廠受盆地東北—西南方向氣流通道形成的主導(dǎo)風(fēng)場影響。模擬結(jié)果顯示，AERMOD存在低估重要敏感點(diǎn)環(huán)境影響的問題，在環(huán)評工作中應(yīng)予以關(guān)注。

(3) AERMOD與CALPUFF在模擬大同盆地復(fù)雜地形下的PM10短期濃度貢獻(xiàn)時(shí)差異不大，但在模擬長期濃度貢獻(xiàn)時(shí)差異明顯。相較CALPUFF，AERMOD本身無法結(jié)合區(qū)域地形進(jìn)行風(fēng)場再分析和校正。因此，當(dāng)山區(qū)盆地復(fù)雜地形下形成通道地形時(shí)，CALPUFF較AERMOD更能合理地模擬近場復(fù)雜地形及其風(fēng)場對污染物擴(kuò)散的影響。