非穩(wěn)態(tài)排放源大氣環(huán)境防護區(qū)域設(shè)立方法研究

郭 鵬，劉永樂，林 鑫，舒 璐，仝紀(jì)龍

（蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著“十三五規(guī)劃”的提出，環(huán)境問題越發(fā)被關(guān)注。利用空氣質(zhì)量模型，模擬污染物擴散情景，設(shè)置大氣環(huán)境防護區(qū)域也成為每一個企業(yè)投產(chǎn)前的必要環(huán)節(jié)。因此，合理設(shè)置大氣環(huán)境防護區(qū)域?qū)ν恋刭Y源利用，居民生活安全起到關(guān)鍵性作用[1-3]。

常規(guī)的大氣環(huán)境防護區(qū)域計算采用恒定源強進行模擬，現(xiàn)實中往往有些生產(chǎn)裝置其排污隨時段呈現(xiàn)了顯著的變化[4-5]。針對大氣環(huán)境防護區(qū)域的設(shè)置，如何選擇具有代表性的源強進行精確計算，已成為重中之重。為解決此問題，本文以SiC 生產(chǎn)線為例，經(jīng)CALPUFF 模式反推污染物H2S 源強發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程呈現(xiàn)的高、中、低水平周期性排污特點[6-8]。再采用均值聚類法按照源強大小分為3 級：高、中、低水平排放源強，各水平排放源強乘以時間權(quán)重得到平均源強，利用CALPUFF 模型[9-10]，計算4 種情景下的大氣環(huán)境防護區(qū)域，對比分析選擇具有代表性的源強。

1 排污特性分析

選取的某SiC 廠區(qū)，由16 條生產(chǎn)線構(gòu)成無組織排放面源。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，SiC 生產(chǎn)過程中，因工序變化，污染物排放存在高、中、低水平周期性波動，當(dāng)大量的生產(chǎn)進度恰好都集中到燒結(jié)工序時，廠區(qū)出現(xiàn)污染物排放最嚴(yán)重的時段；只有少量的生產(chǎn)進度進行燒結(jié)工序，對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響也較小；一般情況下，廠區(qū)污染物排放處于中等水平，污染物源強與生產(chǎn)時段有密切關(guān)聯(lián)。基于此情況，利用CALPUFF模型反推源強發(fā)現(xiàn)SiC 生產(chǎn)過程污染物排放呈現(xiàn)高、中、低水平周期性排污特點。

2 研究方法及模型參數(shù)設(shè)置

2.1 模式應(yīng)用

對于城市尺度項目一般選用AERMOD 或CALPUFF 空氣質(zhì)量模型進行模擬預(yù)測。研究表明，在山區(qū)復(fù)雜地形與復(fù)雜風(fēng)場條件下，CALPUFF 比AERMOD 更適合模擬研究[11]。對于沿海區(qū)域、復(fù)雜地形、涉及模擬二次污染物預(yù)測范圍大于50 km 的情況，CALPUFF 相較AERMOD 模擬更精確[12-13]。因此，本次研究選用CALPUFF 模型進行研究。

文章中2 處使用CALPUFF 空氣質(zhì)量模型。

（1）源強核算：代入初始源強到CALPUFF 模型中，調(diào)節(jié)初始源強使模擬點濃度與實際監(jiān)測濃度一致，達到反推源強的作用。

（2）模擬污染物超標(biāo)范圍：將核算出處于不同時段的源強代入CALPUFF 模型，模擬超標(biāo)范圍，計算大氣環(huán)境防護區(qū)域。

2.2 參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)選取

（1）地形參數(shù)

研究表明： 同等參數(shù)下，30 m×30 m 分辨率地形數(shù)據(jù)比90 m×90 m 分辨率地形數(shù)據(jù)模擬結(jié)果更精確[13-15]。因此選取由中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供的30 m×30 m 分辨率的地形參數(shù)，三維立體圖見圖1。

圖1 地形數(shù)據(jù)三維立體示意

（2）地面氣象參數(shù)

地面氣象參數(shù)采用靠近的天祝縣氣象站提供的2018年的地面氣象資料進行分析。天祝縣氣象站位于甘肅省武威市天祝縣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103.14°，北緯36.99°，海拔高度2 484.8 m，站臺編號52881，距廠區(qū)以東約10 km，符合導(dǎo)則要求。地面氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、低云量、總云量、干球溫度。其中，風(fēng)速、風(fēng)向、干球溫度進行每日24 次觀測，總云量、低云量進行每日8 次觀測，每日觀測次數(shù)不足者在數(shù)據(jù)處理時，采用插值處理。

（3）探空氣象參數(shù)

本次研究高空數(shù)據(jù)由WRF 利用NCEP 的FNL全球再分析資料模擬得出項目區(qū)域2018年探空氣象數(shù)據(jù)，時間分辨率為6 h，空間分辨率為1°×1°[16-17]。WRF 模式采用LCC 坐標(biāo)系，中心點為（E103.03，N37.03），標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線E103.03，2 條平行緯線分別為N30°和N60°。WRF 模式模擬參數(shù)見表1。經(jīng)顯著性檢驗，此參數(shù)化方案下模擬的高空氣象數(shù)據(jù)適用于本次評估研究。

表1 WRF 模式模擬參數(shù)

（4）用地類型及其他設(shè)置

用地類型選用USGS 亞洲類型，其他參數(shù)選擇推薦參數(shù)。

（5）空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的選取

項目主要污染物有H2S，SO2，NOx，CO，NH3，顆粒物。經(jīng)計算，發(fā)現(xiàn)本次研究污染物H2S 對周圍環(huán)境污染最嚴(yán)重，超標(biāo)范圍最大。因此，本文只列出H2S相關(guān)數(shù)據(jù)。對于污染物H2S，小時標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度為0.01 mg/m3，來源于HJ 2.2—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則-大氣環(huán)境）》[18]。

2.3 源強核算

將模式所需要的相關(guān)參數(shù)輸入CALPUFF 模型中，再將初始源強代入模式，對照去除本底值后的監(jiān)測點位的環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)濃度對比，動態(tài)調(diào)試源強，使對照點污染物的模擬濃度與去除本底值后的監(jiān)測濃度保持一致，得到初步源強。將得到的每日源強取平均，代入模式進行模擬驗證，使對照點在生產(chǎn)周期模擬濃度范圍與去除本底值后的實際監(jiān)測濃度總體相當(dāng)。經(jīng)反推源強發(fā)現(xiàn)SiC 生產(chǎn)過程中存在高、中、低水平周期性排污特點。因此，將比對的核算源強采用均值聚類法按照大小分為3 級。歸類后的各級源強取平均值，得到高水平排放源強、中等水平排放源強、低水平排放源強。然后將各時段源強乘以時間權(quán)重，得到平均源強。根據(jù)其實際產(chǎn)能，將各時段源強以及平均源強類比到各條生產(chǎn)線，得到生產(chǎn)線源強具體源強核算流程圖見圖2。

圖2 源強核算流程

2.4 研究方案

將4 種情景的源強（高、中、低水平排放源強與平均源強）、氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等參數(shù)代入到CALPUFF 空氣質(zhì)量模型，模擬出各時段的污染物超標(biāo)范圍，計算相應(yīng)時段的大氣環(huán)境防護區(qū)域。根據(jù)計算結(jié)果，選擇具有代表性的源強，達到精確計算大氣環(huán)境防護區(qū)域的目的。

3 研究結(jié)果及對比分析

3.1 源強核算結(jié)果

聚類法核算出高、中、低水平排放源強與平均源強，見表2。根據(jù)其實際產(chǎn)能，類比到廠區(qū)內(nèi)所有生產(chǎn)線，得出各時段生產(chǎn)線的源強，代入空氣質(zhì)量模型。

表2 SiC 生產(chǎn)過程中源強核算結(jié)果

3.2 短期貢獻濃度超標(biāo)范圍

污染物H2S 短期貢獻質(zhì)量濃度應(yīng)滿足HJ 2.2—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則-大氣環(huán)境》的要求，限值為0.01 mg/m3。將各排污時段廠區(qū)內(nèi)所有生產(chǎn)線源強代入CALPUFF 模式中，得到污染物超標(biāo)范圍。各排污時段污染物短期濃度超標(biāo)面積見表3，超標(biāo)范圍見圖3（a ～d 依次為低、中、高水平排放源強以及平均源強的超標(biāo)范圍）。

表3 各時段超標(biāo)面積

圖3 各時段超標(biāo)范圍(x,y 坐標(biāo)為UTM 坐標(biāo)系，km)

3.3 設(shè)立大氣環(huán)境防護區(qū)域

根據(jù)HJ 2.2—2018 要求，對于廠界外短期貢獻濃度超標(biāo)范圍需自廠界向外設(shè)置一定范圍的大氣環(huán)境防護距離，以確保大氣環(huán)境防護距離外的污染物貢獻濃度滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)CALPUFF 模式模擬出的污染物超標(biāo)范圍，計算出的各排污時段的大氣環(huán)境防護距離見表4，大氣環(huán)境防護區(qū)域見圖4（a ～d 依次為低、中、高水平排放源強以及平均源強的大氣環(huán)境防護區(qū)域）。

表4 各時段大氣環(huán)境防護區(qū)域面積

圖4 各時段大氣環(huán)境防護區(qū)域(x,y 坐標(biāo)為UTM 坐標(biāo)系，km)

4 結(jié)論

本文以SiC 生產(chǎn)線為例，對特征污染物H2S 進行模擬。輸入氣象條件，地形數(shù)據(jù)等參數(shù)到CALPUFF模式中，代入初始源強，動態(tài)調(diào)試，使對照點污染物的模擬濃度與去除本底值后的監(jiān)測濃度保持一致。通過CALPUFF 反推源強發(fā)現(xiàn)，SiC 生產(chǎn)過程呈現(xiàn)高、中、低水平周期性排污特點，其為非穩(wěn)態(tài)排放源。利用均值聚類法按照源強大小分為3 級：高、中、低水平排放源強，將各時段源強乘以時間權(quán)重后，得到平均源強。再將4 種情景下源強代入CALPUFF 模型模擬超標(biāo)范圍，計算大氣環(huán)境防護區(qū)域，得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)源強核算結(jié)果可以得出：SiC 生產(chǎn)線高、中、低水平排放源強是平均源強的3.15，1.31，0.71 倍。平均源強介于中、低水平排放源強之間，相比于高水平排放源強相差較大。這是由于SiC 生產(chǎn)周期中，處于中、高水平排污生產(chǎn)的時段明顯多于低水平排污生產(chǎn)的時段。縱觀整個SiC 生產(chǎn)周期，排放源強的變化波動明顯。因此，平均源強不能代表大部分生產(chǎn)周期中的排污情況。

（2）根據(jù)各時段的超標(biāo)范圍區(qū)域分布可以得出：當(dāng)廠區(qū)分別處于低、中、高水平排污時段，超標(biāo)范圍逐漸擴大。平均源強與中、低水平排污時段的超標(biāo)范圍區(qū)域分布相近。但當(dāng)廠區(qū)處于高水平排污時段，超標(biāo)范圍區(qū)域分布發(fā)生顯著的變化。因此，選用平均源強模擬并不能反映高水平排污時段超標(biāo)范圍區(qū)域分布情況。

（3）根據(jù)各時段計算出的大氣環(huán)境防護區(qū)域結(jié)果可以得出： 高水平排放源強制定的大氣環(huán)境防護區(qū)域面積分別是中、低、平均情景下計算結(jié)果的4.41，16.61，8.17 倍。當(dāng)廠區(qū)處于高水平排污時段，其它情景下的大氣環(huán)境防護區(qū)域外均會出現(xiàn)大面積的污染物超標(biāo)情況，對周圍居民安全生活造成嚴(yán)重的威脅，不符合相關(guān)要求。因此，綜合對各時段源強結(jié)果，超標(biāo)范圍與大氣環(huán)境防護區(qū)域的分析，出于對居民生活安全考慮，對于非穩(wěn)態(tài)排放源，選擇高水平排放源強模擬對精準(zhǔn)計算大氣環(huán)境防護區(qū)域更具有代表性。