本地及周邊地區(qū)污染排放對(duì)深圳市夏季空氣質(zhì)量的影響

顏 敏，李煥承，梁永賢，喻本德，劉寶章

（1.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東深圳518001；2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京100871）

本地及周邊地區(qū)污染排放對(duì)深圳市夏季空氣質(zhì)量的影響

顏 敏1，李煥承1，梁永賢1，喻本德1，劉寶章2

（1.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東深圳518001；2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京100871）

運(yùn)用CALPUFF模型對(duì)深圳及周邊地區(qū) （東莞、惠州、番禺）污染源排放對(duì)深圳市空氣質(zhì)量的影響進(jìn)行了模擬研究，量化了各地區(qū)排放對(duì)深圳市二氧化硫 （SO2）、二氧化氮 （NO2）和可吸入顆粒物 （PM10）濃度的貢獻(xiàn)，分析了深圳本地各類(lèi)污染源對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，雖然深圳本地排放量低于或接近外地源排放總量，但對(duì)于這三項(xiàng)污染物，本地源排放對(duì)污染物濃度的影響遠(yuǎn)大于外地源的影響，貢獻(xiàn)率達(dá)到70%～85%，因此深圳市大氣污染控制應(yīng)以本地污染控制為主，周邊控制為輔。要改善深圳市環(huán)境空氣質(zhì)量，應(yīng)全面加強(qiáng)深圳市機(jī)動(dòng)車(chē)、船舶、重點(diǎn)工業(yè)源、道路揚(yáng)塵源和電廠污染控制，并大力加強(qiáng)無(wú)組織排放面源污染控制。

空氣質(zhì)量；區(qū)域排放；CALPUFF；深圳

高速發(fā)展的城市化和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的一體化，使得我國(guó)大氣污染逐漸從局地污染向區(qū)域污染轉(zhuǎn)變。京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等城市群的區(qū)域性大氣污染問(wèn)題越來(lái)越突出，表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性空氣污染特征。張志剛［1］等利用二維歐拉統(tǒng)計(jì)模式模擬了北京、天津、河北省城市之間的污染傳輸，得到北京大氣環(huán)境中20%的PM10和23%左右的SO2來(lái)自北京周邊地區(qū)；馬鋒敏［2］等對(duì)北京及周邊地區(qū)一次典型的大氣污染過(guò)程進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明南部周邊城市污染物的外源輸入是造成北京重污染的主要原因；程真［3］等模擬測(cè)算了長(zhǎng)三角區(qū)域內(nèi)城市間一次污染跨界輸送的影響；王淑蘭［4］研究了珠三角城市間污染物相互傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和規(guī)律，顯示珠三角城市群的區(qū)域性大氣污染格局已十分顯著。

深圳市位于珠三角中西部，是珠三角的中心城市之一，受區(qū)域性污染的影響，深圳市環(huán)境空氣質(zhì)量通常表現(xiàn)出與周邊城市較為一致的變化趨勢(shì)［5］。因此，為了改善深圳市環(huán)境空氣質(zhì)量，不僅需要加強(qiáng)本地污染控制，還需針對(duì)性地對(duì)影響深圳空氣質(zhì)量的周邊區(qū)域采取控制措施。本文以深圳市為中心，模擬研究深圳及鄰近城市污染源排放對(duì)深圳市空氣質(zhì)量的影響，為深圳未來(lái)大氣污染防治和空氣質(zhì)量管理工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究時(shí)段與區(qū)域

針對(duì)深圳市夏季典型時(shí)段 （八月份）進(jìn)行研究，模擬時(shí)段為2009年8月。在珠三角城市群中與深圳毗鄰的只有東莞、惠州兩個(gè)城市，夏季深圳地區(qū)以偏南風(fēng)為主導(dǎo)，其它城市不但離深圳較遠(yuǎn)，而且都不在深圳市的上風(fēng)或下風(fēng)方向。因此，研究范圍以深圳市為中心，包括深圳全部，東莞、惠州、香港大部分地區(qū)，廣州、中山和珠海的少部分地區(qū)。模擬區(qū)域的原點(diǎn)坐標(biāo)為東經(jīng)113°33′15″，北緯22°14′50″，經(jīng)線為X軸，緯線為Y軸，東西120km，南北距離90km，網(wǎng)格設(shè)置為60×45，網(wǎng)格間距為2km。

1.2 模式介紹

本研究運(yùn)用的CALPUFF模擬系統(tǒng)是由美國(guó)EPA推薦的用于模擬污染物在大氣中傳輸行為的集成模式，包括氣象模式CALMET、高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模式CALPUFF和后處理軟件CALPOST三部分。模型利用CALMET輸出的氣象場(chǎng)資料，同時(shí)充分考慮下墊面對(duì)污染物干濕沉降的影響以及復(fù)雜地形的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及靜風(fēng)等非定常條件，可以很好地模擬污染物在大氣中的傳輸擴(kuò)散行為。CALPUFF模型在我國(guó)城市和區(qū)域尺度的大氣污染模擬研究中已得到很好的應(yīng)用［6～10］。

污染源資料是以經(jīng)過(guò)本地化處理的美國(guó)環(huán)保署源排放模式SMOKE獲得排放清單，主要是由0.5度分辨率的網(wǎng)格化的INTEX－B 2006年?yáng)|亞源排放清單［11］、通過(guò)MODIS衛(wèi)星觀測(cè)資料和BEIS3模式制作的天然源排放清單以及2009年本地化珠三角污染源排放清單［12］耦合在一起。氣象資料來(lái)自廣東省氣候中心和深圳市氣象局提供的20個(gè)地面自動(dòng)氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)果和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP的高空氣象資料。CALMET根據(jù)質(zhì)量守衡原理對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行診斷，輸出各網(wǎng)格的逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)、溫濕度、混合層高度、大氣穩(wěn)定度等氣象參數(shù)。

1.3 模式驗(yàn)證

將2009年8月的氣象資料和源排放輸入模式，計(jì)算污染物濃度，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。為消除物種初始濃度選取對(duì)模擬結(jié)果的影響，本研究結(jié)果分析從模擬開(kāi)始48h后進(jìn)行，即2009年8月3～31日。以分布于深圳市不同區(qū)域的荔園 （福田區(qū)）、洪湖 （羅湖區(qū)）、荔香 （南山區(qū)）監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為例，比較SO2、NO2、PM10的逐日模擬效果（見(jiàn)圖1）。其中，荔園站SO2、NO2、PM10模擬值與監(jiān)測(cè)值之間的Pearson相關(guān)系數(shù)R分別為0.640、0.426、0.420，洪湖站模擬值與監(jiān)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.573、0.443、0.456，荔香站模擬值與監(jiān)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.738、0.242、0.663，置信度水平均為99%。各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)各污染物的模擬平均值與實(shí)測(cè)平均值的比值為0.67～1.72。整體而言，模型結(jié)果基本可以反映污染物濃度水平和變化趨勢(shì)，模擬結(jié)果可信。

2 結(jié)果與討論

2.1 各地區(qū)污染源排放評(píng)估

主要對(duì)模擬區(qū)域范圍內(nèi)的深圳 （SZ）、東莞（DG）、惠州（HZ）和廣州番禺區(qū)（PY）等4個(gè)地區(qū)進(jìn)行污染源排放評(píng)估，其中，東莞、惠州、番禺作為外地源代表城市。估算結(jié)果表明，東莞排放的SO2和PM10遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，其次是深圳，番禺的排放量最小；NOx則是深圳的排放量最大，其次是東莞，惠州的排放量最小。本地源 （即深圳）與外地源 （即其他三個(gè)地區(qū)之和）SO2排放量的比值為1∶3.9，PM10和NOx相應(yīng)的比值分別為1∶1.6和1∶0.9。由于SO2主要來(lái)自電廠排放，模擬區(qū)域內(nèi)東莞市擁有沙角電廠等大型發(fā)電廠，而深圳市在 “十一五”期間大力推進(jìn)電廠海水脫硫及 “油改氣”等，極大降低了SO2排放；PM10主要來(lái)自揚(yáng)塵源，其排放量與各城市建筑工地管理與道路清潔程度相關(guān)；NOx主要來(lái)自機(jī)動(dòng)車(chē)排放，深圳市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量為145萬(wàn)輛（2009年數(shù)據(jù)）［11］，在省內(nèi)僅次于廣州市，導(dǎo)致深圳市NOx排放量遠(yuǎn)高于其他鄰近地區(qū)。

2.2 各地區(qū)源排放對(duì)深圳市空氣質(zhì)量的影響

為了評(píng)估地區(qū)之間污染物排放的相互影響，本研究設(shè)置了敏感性試驗(yàn)，將各地區(qū)源排放人為削減20%，得到深圳受體站點(diǎn)的各個(gè)污染物濃度在削減前后的差值，再用該差值除以初始值，即得到該地區(qū)對(duì)受體站點(diǎn)的影響。將深圳市8個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)站點(diǎn)作為一個(gè)整體，通過(guò)平均方法估算各地區(qū)排放對(duì)深圳市SO2、NO2和PM10平均濃度的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 深圳市各污染物濃度受本地及外源影響的比例 （%）

對(duì)于二氧化硫，深圳減排20%可降低SO2濃度12.42%，其他地區(qū)影響程度按東莞、惠州、番禺依次減小，都處于較低水平，外地源排放的相對(duì)敏感系數(shù)為36.21%，表明如果現(xiàn)有源排放量削減20%，36.21%的濃度變化來(lái)自于外來(lái)源，63.79%來(lái)源于本地源。盡管深圳市排放的SO2僅占4個(gè)地區(qū)總排放量的1／5，但由于SO2壽命短，屬于局地型污染物，所以深圳本市排放對(duì)自身SO2濃度貢獻(xiàn)最大。對(duì)于二氧化氮，深圳減排20%可降低NO2濃度約17.08%，其他地區(qū)的影響比例仍很低，外地源排放的相對(duì)敏感系數(shù)僅為13.95%，相當(dāng)于深圳NO2整體濃度變化量的89.57%來(lái)自本地源的削減。NO2的外來(lái)源傳輸對(duì)深圳的影響沒(méi)有SO2顯著，主要原因是機(jī)動(dòng)車(chē)貢獻(xiàn)了很大部分的NO2排放，因機(jī)動(dòng)車(chē)排放高度比較低，導(dǎo)致NO2在高空輸送的比例較少，另外深圳地區(qū)的高機(jī)動(dòng)車(chē)保有量使其本地影響更加突出。對(duì)于可吸入顆粒物，深圳減排20%可降低PM10濃度15.17%，外地源減排可降低PM10濃度4.62%，因此深圳市PM10整體濃度變化量的76.65%來(lái)自本地源削減，外來(lái)源的貢獻(xiàn)僅為23.35%。這是由于PM10污染主要來(lái)自低矮面源的排放，不利于長(zhǎng)距離傳輸，因此周邊城市PM10排放對(duì)深圳市影響比例不大。

整體而言，要降低環(huán)境大氣中SO2、NO2和PM10濃度，加強(qiáng)深圳市本地污染源控制更加重要，東莞、惠州、番禺等外地源排放對(duì)深圳市空氣質(zhì)量的影響因不同污染物有所不同，本地源排放對(duì)深圳市三項(xiàng)污染物整體濃度的影響程度約達(dá)70%～85%。

2.3 深圳本地污染源的影響評(píng)估

根據(jù)深圳市的大氣污染源清單，將污染源劃分為電廠源、工業(yè)源、道路移動(dòng)源 （機(jī)動(dòng)車(chē)）、非道路移動(dòng)源 （船舶）、道路揚(yáng)塵源和面源等六大類(lèi)。深圳市電廠和工業(yè)點(diǎn)源有693個(gè)，其中22個(gè)工業(yè)點(diǎn)源的污染負(fù)荷占點(diǎn)源總污染負(fù)荷的90%以上，為了更有利于控制方案設(shè)計(jì)和提高計(jì)算時(shí)效，只選取這22個(gè)點(diǎn)源作為研究對(duì)象，將其劃分為重點(diǎn)工業(yè)源 （13個(gè)）和電廠源（9個(gè)）。通過(guò)情景分析的方法，分析各類(lèi)源對(duì)污染物濃度的貢獻(xiàn)。

根據(jù)模擬結(jié)果，深圳本地面源、船舶、重點(diǎn)工業(yè)源和機(jī)動(dòng)車(chē)對(duì)SO2濃度的貢獻(xiàn)較大，電廠雖然是SO2的重要排放來(lái)源，但因排放高度較高，對(duì)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的影響程度相對(duì)較低。值得注意的是，船舶排放對(duì)SO2有重要貢獻(xiàn)，這與深圳是世界第四大集裝箱港口密切相關(guān)。NO2主要受機(jī)動(dòng)車(chē)源的影響，貢獻(xiàn)率高達(dá)70.36%，因此，加強(qiáng)本地機(jī)動(dòng)車(chē)污染控制對(duì)降低NO2濃度有重要意義。PM10主要受道路揚(yáng)塵源、面源和機(jī)動(dòng)車(chē)源影響，加強(qiáng)道路揚(yáng)塵、面源中建筑揚(yáng)塵和機(jī)動(dòng)車(chē)源排放控制是降低PM10濃度的有效途徑。

表2 深圳市污染源對(duì)各污染物濃度的貢獻(xiàn)率 （%）

3 結(jié)論

（1）深圳市SO2、NO2、PM10濃度主要受本地源排放影響，東莞、惠州、番禺等外地源雖然排放總量較大，但對(duì)深圳市空氣質(zhì)量的影響遠(yuǎn)低于本地源。深圳本地源排放對(duì)三項(xiàng)污染物整體濃度的貢獻(xiàn)達(dá)70%～85%。

（2）在深圳市各類(lèi)污染源中，加強(qiáng)面源、船舶和重點(diǎn)工業(yè)源控制可有效降低SO2濃度，加強(qiáng)機(jī)動(dòng)車(chē)源控制可有效降低NO2濃度，加強(qiáng)道路揚(yáng)塵源、建筑揚(yáng)塵面源和機(jī)動(dòng)車(chē)源控制可有效降低PM10濃度。

（3）對(duì)于SO2、NO2、PM10三項(xiàng)污染物，環(huán)境空氣質(zhì)量改善應(yīng)以深圳本地污染源控制為主，周邊地區(qū)控制為輔，并需全面加強(qiáng)深圳市機(jī)動(dòng)車(chē)、船舶、重點(diǎn)工業(yè)源、道路揚(yáng)塵和面源控制。

［1］張志剛，高慶先，韓雪琴，等.中國(guó)華北區(qū)域城市間污染物輸送研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（1）：14－20.

［2］馬鋒敏，高慶先，周鎖銓?zhuān)?北京及周邊地區(qū)一次典型大氣污染過(guò)程的模擬分析［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2008，21（1）：30－36.

［3］程真，陳長(zhǎng)虹，黃成，等.長(zhǎng)三角區(qū)域城市間一次污染跨界影響［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（4）：686－694.

［4］王淑蘭，張遠(yuǎn)航，鐘流舉，等.珠江三角洲城市間空氣污染的相互影響［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2005，25（2）：133－137.

［5］深圳市人居環(huán)境委員會(huì).深圳市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū) （2006－2010年度）［R］.

［6］鄒旭東，楊洪斌，劉玉徹.CALPUFF在沈陽(yáng)地區(qū)大氣污染模擬研究中的應(yīng)用［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，24（6）：24－28.

［7］宋宇，陳家宜，蔡旭暉.石景山工業(yè)區(qū)PM10污染對(duì)北京市影響的模擬計(jì)算［J］.環(huán)境科學(xué)，2002，23（增刊）：65－68.

［8］Song Yu，Zhang Minsi，Cai Xuhui.PM10modeling of Beijing in the winter［J］.Atmospheric Environment，2006，40（22）：4126－4136.

［9］張?chǎng)╂茫跹┧桑瑒⒄讟s.貴陽(yáng)建筑揚(yáng)塵PM10排放及環(huán)境影響的模擬研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，46（2）：258－264.

［10］夏廣鋒，胡成，周昊.遼西北沙化土地起塵量估算及對(duì)沈陽(yáng)大氣環(huán)境影響的初步研究［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，23（6）：57－61.

［11］Zheng J，Zhang L J，CheW W，et al.A highly resolved temporal and spatial air pollutant emission inventory for the Pearl River Delta region，China and its uncertainty assessment［J］.Atmospheric Environment，2009，（43）：5112－5122.

［12］Zhang Q，Streets DG.2006 Asia Emissions for INTEX－B.Decision and Information Sciences Division［EB／OL］.http：／／www. cgrer.uiowa.edu／EMISSION_DATA_new／index_16.html.

［13］深圳市機(jī)動(dòng)車(chē)環(huán)保網(wǎng).深圳汽車(chē)保有量直逼150萬(wàn)密度為中國(guó)內(nèi)地第一［EB／OL］.

Im pact of Pollution Emissions from Local and Surrounding Areas on the Air Quality in the Summer in Shenzhen

YAN Min1，LI Huan-cheng1，LIANG Yong-xian1，YU Bende1，LIU Bao-zhang2
（1.Shenzhen Academy of Environmental Sciences，Shenzhen Guangdong 518001China）

CALPUFF model was utilized to estimate the contributions of emissions from Shenzhen and the surrounding areas（Dongguan，Huizhou，Panyu）to air pollutants’concentrations in Shenzhen，i.e.SO2，NO2，and PM10.The impact of a variety of local emission sources was also calculated.The results indicate that the contribution of local sources from Shenzhen to the three pollutants’concentrations is about 70%to 85%，which is much higher than the surrounding sources；while the emission situation is just the opposite.Therefore，a priority should be given to the local pollution control in air pollution control strategy，supplemented by the control in the neighboring area.In order to reduce the pollutants’levels，a comprehensive pollution control of motor vehicles，ships，major industry sources，road dusts and power plants of Shenzhen should be strengthened，together with strong control of the fugitive sources and non－point source.

air quality；regional emission；CALPUFF；Shenzhen

X820

：A

：1673－9655（2013）02－0088－04

2012－11－01

深圳市環(huán)境科技計(jì)劃項(xiàng)目（2009－2011）。

顏敏 （1983－），女，海南東方人，工程師，主要從事環(huán)境大氣研究。