WRF-CMAQ 模型在工業園區規劃環評的應用

彭園花，郭 苛，張 慧，肖興艷

（貴陽市生態環境科學研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引言

大氣環境影響評價的重要手段是采用大氣預測模型，針對大氣預測模型進行了各類模式的研究，《環境影響評價技術導則大氣環境》（HJ2.2-2008） 采用系數法模型為AERMOD 模型、ADMS模型；采用模型模擬法模型為CALPUFF 模型和網絡模型。

針對規劃項目若SO2和NO2總排放量＜2000 t/a 可采用AERMOD 模型、ADMS 模型、CALPUFF模型，若SO2和NO2的總排放量＞2000 t/a 應采用網絡模型。

網絡模型屬于最為復雜模型，對模型參數數據要求、計算機硬件配置要求等均最高。

1 預測場景介紹

1.1 預測源強

預測園區大氣污染物主要以燃燒廢氣和鋁廠的工藝廢氣為主，燃燒廢氣主要來自以煤為燃料的加熱爐、鍋爐和火炬排放的煙氣，預測源強包括擬建重大企業點源和面源。確定預測因子為SO2、NO2、PM10和PM2.5等，評價標準選擇《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）。預測范圍為以規劃區域的中心坐標經度為（0，0） 為中心、邊長為50 km 的正方形范圍，覆蓋了評價范圍及各污染物短期濃度貢獻值占標率＞10%的區域。

1.2 預測地形及預測模型

預測園區及周邊的50×50 km2范圍內海拔高差約1000 m，高山和深切河谷地形復雜，受四面山體阻隔，區域內靜風頻率較高、山谷地形影響混合層厚度低，污染物易于累積，從地形特征分析，區域內污染物擴散條件一般。

1.3 預測場景

主要進行新增污染源的正常排放預測。

2 預測模型及參數選擇

預測園區涉及的污染源類型有點源、面源，根據統計，SO2和NO2的總排放量＞2000 t/a，需要考慮一次污染物和二次污染物的復雜化學反應及氣象條件對污染物濃度的影響，根據《環境影響評價技術導則 大氣環境》 （HJ2.2-2008） 選取網格化模式（CMAQ） 進行預測。大氣環境影響的基本數據主要包括：氣象數據、地形數據、污染源參數、預測情景以及模型參數等。

2.1 氣象數據

WRF 模式廣泛應用于中尺度海氣耦合、暴雨模擬等領域。WRF 模式主要由模式預處理系統、核心模塊和后處理模塊等3 個部分組成。

WRF 模式結構如圖1 所示。

圖1 WRF 模式結構圖Fig.1 WRF mode configuration

模擬過程采用中尺度氣象模式WRF 數據，中尺度WRF 模擬由美國FNL 數據進行驅動，采用三層嵌套進行模擬，分辨率分別為4.5、1.5、0.5 km。WRF 中尺度氣象模式處理生成三維格點氣象場驅動CMAQ 模式使用。為防止邊界效應本次大氣模擬計算使用的氣象數據采用三層嵌套結構，最內層的計算范圍為50 km×50 km，分辨率為500 m。

2.2 地形數據

地理數據包括：計算區域的海拔高度、土地利用類型。地形和土地利用類型數據均采用MODIS15s 數據。

WRF 和CAMQ 模式參數見表1。

表1 WRF 和CAMQ 模式參數Table 1 WRF and CAMQ pattern parameters

續表

2.3 預測模型

采用的空氣質量預報模式以美國環保署（EPA） 開發的CMAQ 模式為核心。CMAQ 模式是基于“一個大氣”的理念設計建立而成。該模式考慮了大氣中多物種和多相態的污染物及其相互作用，可以模擬化學輸送平流、氣相化學、煙羽處理、干沉降、濕沉降、氣溶膠轉化等過程，適用于城市尺度的空氣質量模擬預報。CMAQ 模式所需的四維氣象場由WRF 中尺度氣象模式提供，即構成WRF-CMAQ 模式耦合系統。

WRF WRF-CMAQ 空氣質量預報模式子系統業務運行流程如圖2 所示。

圖2 WRF WRF-CMAQ 空氣質量預報模式子系統業務運行流程Fig.2 WRF WRF-CMAQ air quality forecast mode subsystem business operation

CMAQ 模式不僅可用于日常的空氣質量預報，還可以用來評估不同污染物排放情景下的效果和對大氣環境的影響。

CMAQ 模式包含3 種化學機制（CBM-IV、RADM2 和SAPRC99），可模擬預報多種大氣污染物，種類可達80 多種。其中，CBM-IV 包括43 個化學反應物和95 個化學反應；RADM2 包括61 個化學反應物和158 個化學反應；SAPRC99 包括74個化學反應物和211 個化學反應。

CMAQ 模式主要由初始條件模塊ICON、邊界條件模塊BCON、光解速率模塊JPROC、排放數據預處理模塊、氣象數據預處理模MCIP、化學傳輸模塊CCTM 構成。

其中，CCTM 模塊是CMAQ 模式的核心部分，模塊主要用于模擬污染物在大氣中的傳輸和擴散、氣相化學、液相化學、氣溶膠化學、云物理化學等過程。

CMAQ 模式的排放源的處理主要通過SMOKE模塊生成三維網格化文件。該模塊可處理的對象包括面源、點源、機動車源和生物源。通過綜合考慮人口、道路、下墊面等空間屬性確定排放源的空間特征。其中，點源排放可以根據位置、氣象因素給出三維分布。

數值模擬計算WRF 中尺度數值模擬、邊界層風溫場診斷分析、污染物擴散數值模擬以及預測結果分析、氣象要素場分析等。

3 預測結果

3.1 正常排放最大濃度預測結果與評價

本項目正常排放時，保護目標和網格點的SO2小時濃度、日均濃度和年均濃度最大值均超過《空氣環境質量標準》（GB3095-2012） 二級標準。保護目標和網格點的NO2小時濃度、日均濃度和年均濃度最大值均滿足《空氣環境質量標準》（GB3095-2012） 二級標準。保護目標和網格點的PM10日均濃度超過《空氣環境質量標準》（GB3095-2012） 二級標準，年均濃度最大值滿足《空氣環境質量標準》（GB3095-2012） 二級標準。保護目標和網格點的PM2.5 日均濃度和年均濃度均超過滿足《空氣環境質量標準》（GB3095-2012） 二級標準。

預測結果如圖3 所示。

圖3 濃度貢獻預測Fig.3 Concentration contribution prediction

4 結 論

針對以上大氣環境預測情況，可采取以下減排措施。

（1） 有組織排放源。

①要求企業改進工藝（采用先進工藝，高效的脫硫脫硝除塵環保措施（雙堿濕法脫硫工藝、電袋復合式除塵器降低企業SO2、顆粒物（PM10、PM2.5）等污染物排放量，可考慮參照火電廠排放標準實行超低排放），外購低硫石油焦預焙陽極作為原材料，降低SO2污染物產生；②以新代老（削減現有項目源強），或者產能置換（關掉部分經濟價值低產排污大的企業，釋放SO2總量指標）。

（2） 無組織排放源。

考慮到無組織排放具有瞬發性強、排放不規律、源多且分散等特點，因此建議本項目各企業對生產過程針對無組織排放污染物，用集氣罩收集無組織廢氣，用高效的電袋復合式除塵器凈化除塵，達標后排放。