岳陽(yáng)城區(qū)酸雨發(fā)生率近三年增高原因剖析

朱浩 歐陽(yáng)紅 王威 歐陽(yáng)芳芳

摘要

通過對(duì)岳陽(yáng)城區(qū)2007～2013年663個(gè)雨量樣本 556個(gè)酸雨pH以及對(duì)應(yīng)之風(fēng)向頻率下的酸雨率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)、分析，發(fā)現(xiàn)后3年酸雨率明顯增高。針對(duì)此現(xiàn)象尋求原因，除工業(yè)布局、主導(dǎo)風(fēng)向外，通過對(duì)2010年運(yùn)行的巨型燃煤機(jī)組產(chǎn)生的SO2、NO2濃度值進(jìn)行模式計(jì)算，得出機(jī)組運(yùn)行后對(duì)SO2、NO2濃度值貢獻(xiàn)是下游最近3年酸雨率增高的重要原因之一。

關(guān)鍵詞 酸雨;風(fēng)向頻率;增高;原因

中圖分類號(hào) S161.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2014）34-12206-03

Analysis on Causes for Increasing of Acid Rain Occurrence Frequency in Yueyang City

ZHU Hao， OUYANG Hong， WANG Wei et al

（Yueyang Meteorology Bureau， Yueyang， Hunan 414000）

Abstract The classification statistics and analysis was conducted on 663 rainfall samples， 556 ?pH value of acid rain， and the acid rain frequency under corresponding wind direction in Yueyang City during 2007-2013. It was found that acid rain frequency is obviously increased in last 3 years. To seek reasons for this phenomenon， in addition to the industrial layout， the dominant wind direction， by calculating SO2， NO2 concentration produced from the giant coalfired units operated in 2010， it can be concluded that the unit operation producing SO2， NO2 is one of the important reasons for acid rain increasing in downstream in recent 3 years.

Key words Acid rain; The wind direction frequency; Increasing; Causes

地處洞庭湖東岸、出湖與長(zhǎng)江交匯處的岳陽(yáng)市，是一座有2500多年歷史的歷史文化名城，20世紀(jì)60年代以來(lái)，大型石化、造紙、火力發(fā)電等新興產(chǎn)業(yè)相繼入市。但由于歷史的原因，這些不可避免地要產(chǎn)生酸性物質(zhì)的企業(yè)，幾乎坐落于主城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向之上游，且這些企業(yè)在20世紀(jì)與21世紀(jì)之交又有長(zhǎng)足的擴(kuò)展，雖然企業(yè)實(shí)施了先進(jìn)的脫硫、除塵等工藝措施，但由于燃煤、燃油量與日俱增和城市的規(guī)模擴(kuò)展，使處下游城區(qū)降雨酸度呈現(xiàn)明顯的高發(fā)態(tài)勢(shì)。在此，筆者通過對(duì)岳陽(yáng)城區(qū)2007～2013年663個(gè)雨量樣本556個(gè)酸雨pH和對(duì)應(yīng)之風(fēng)向頻率下的酸雨率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)、分析，發(fā)現(xiàn)后3年酸雨率明顯增高，并針對(duì)此現(xiàn)象的原因進(jìn)行了剖析。

1 ?資料與方法

1.1 資料選取

酸雨資料取自湖南岳陽(yáng)國(guó)家基本氣象站，按國(guó)家氣象局批準(zhǔn)的《酸雨觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》執(zhí)行得出的觀測(cè)結(jié)果;相應(yīng)氣象資料亦取自該站平行觀測(cè)數(shù)據(jù);有關(guān)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如SO2等取自岳陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站或岳陽(yáng)市環(huán)保局網(wǎng)站;相關(guān)企業(yè)數(shù)據(jù)取自岳陽(yáng)市年度國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展公報(bào)或發(fā)展規(guī)劃。

酸雨率（%）=酸雨出現(xiàn)日數(shù)/酸雨觀測(cè)總?cè)眨ù危?shù);pH<4.5為強(qiáng)酸雨，pH≥5.6為非酸雨[1-2]，處二者間為弱酸雨;2007～2013年1～12月所有日降雨共計(jì)663日（次）樣本。

1.2 研究方法

計(jì)算酸雨發(fā)生率、強(qiáng)酸弱酸雨以及各月強(qiáng)、弱、非酸雨出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)之風(fēng)向（取最多風(fēng)向）頻率及其平均風(fēng)速，并擴(kuò)散模式計(jì)算裝機(jī)容量為2×600 MW超臨界裝機(jī)發(fā)電機(jī)組（年耗煤200余萬(wàn)噸）發(fā)電對(duì)酸雨測(cè)點(diǎn)附近SO2、NO2濃度的貢獻(xiàn)量。

2 ?岳陽(yáng)酸雨發(fā)生的時(shí)間分布特征

由岳陽(yáng)城區(qū)各月酸雨率（強(qiáng)弱酸雨）分布（圖1）可見，岳陽(yáng)酸雨發(fā)生率是很高的，且季節(jié)分布十分顯著，9月～次年4月長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的酸雨發(fā)生率在80%以上，其中10月～次年3月酸雨發(fā)生率在90%以上，其原因是與冬半年空氣穩(wěn)定利于酸性物質(zhì)沉積和主導(dǎo)風(fēng)向偏NNE，使酸性物質(zhì)利于向城區(qū)飄移密切相關(guān)。

圖1 2007～2013年岳陽(yáng)城區(qū)各月酸雨發(fā)生率分布

3 后三年酸雨發(fā)生率顯著增高

上述7年酸雨樣本中，發(fā)現(xiàn)自2010年為中介，后3年與前3年酸雨發(fā)生率存在明顯的增高現(xiàn)象，尤其弱酸雨更為顯著，從圖2可明顯看到，除8月外，全年各月弱酸雨后3年全部比前3年酸雨發(fā)生率增高，增加最大的是12月，后3年比前3年增加57%，其次是1、2月份，也就是冬季3個(gè)月酸雨發(fā)生率增加最顯著，這與大氣利于酸性物沉積不無(wú)關(guān)系。

強(qiáng)酸雨發(fā)生率后3年增加僅體現(xiàn)于5～8月，強(qiáng)酸雨5～8月后3年發(fā)生率增高分別為0.08、0.10、0.15、0.05，此時(shí)雖偏南風(fēng)增多，仍存在偏北風(fēng)，以及弱酸雨增率大于強(qiáng)雨等現(xiàn)象原因甚為復(fù)雜，待深入探討。

圖2 2011～2013與2007～2009年岳陽(yáng)城區(qū)弱酸雨率差

4 后3年酸雨率增加原因剖析

4.1 工業(yè)布局與城區(qū)位置

從圖3可清晰看到，岳陽(yáng)大型燃煤、發(fā)電、石化工業(yè)區(qū)均在主城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向位置上游，酸雨測(cè)點(diǎn)2亦處工業(yè)區(qū)和主導(dǎo)風(fēng)NNE向下游。因此，酸雨發(fā)生率及變化與工業(yè)布局、主導(dǎo)風(fēng)密切相關(guān)。而圖1揭示的全年酸雨率高以及酸雨率的冬半年高亦就是證明。

圖3 岳陽(yáng)城市工業(yè)布局與地理區(qū)位一覽

4.2 NNE風(fēng)向下多酸雨

統(tǒng)計(jì)與酸雨降雨持時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)向（取最多風(fēng)向）頻率（各年各月再求累年頻率）（圖4）可清晰看到，無(wú)論強(qiáng)酸雨還是弱酸雨下的風(fēng)向均是NNE向最多，前者出現(xiàn)頻率高達(dá)53%，后者也亦達(dá)40%，其次是N向和NE向，（弱酸雨）強(qiáng)酸雨NE向不足1%，偏南向均在1%以內(nèi)。因此，可說(shuō)明岳陽(yáng)致雨酸之物質(zhì)主要來(lái)自NNE方向?yàn)橹鞯墓I(yè)區(qū)。

圖4 2007～2013年岳陽(yáng)強(qiáng)酸雨（a）和弱酸雨（b）各風(fēng)向頻率分布

4.3 實(shí)測(cè)SO2、NO2、PM10濃度值佐證酸雨發(fā)生率的季節(jié)分布

從2007年市區(qū)三類污染物（SO2、NO2、PM10）監(jiān)測(cè)到的實(shí)際濃度的季節(jié)分布（表1）可看出，其SO2年日均值濃度為0.061 mg/m3，超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，濃度份額達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的101.7%，特別主導(dǎo)風(fēng)向NNE外的第1、第4季度SO2日均值竟分別高達(dá)0.078和0.070 ?mg/m3;與此相應(yīng)時(shí)間在圖3中2處所測(cè)酸雨幾率大小亦與實(shí)測(cè)SO2、NO2、PM10濃度呈正相關(guān)，如第4季度高濃度SO2、NO2、PM10下的酸雨發(fā)生率亦為全年最高，接近100%，第2、第3季度污染物濃度降低了，酸雨率亦降低至70%以下;而pH最小值各季平均亦如此，高濃度污染物的第1、第4季度，pH均值亦達(dá)全年最小，第2、第3季度污染物濃度降低了，pH值亦相應(yīng)上升，酸雨強(qiáng)度相對(duì)低了?？梢娫狸?yáng)酸雨強(qiáng)度的變化與實(shí)測(cè)SO2、NO2、PM10污染物濃度變化如此相一致的吻合，與工業(yè)布局、與主導(dǎo)風(fēng)向的平行性是密不可分的。

表1 岳陽(yáng)2007年四季污染物濃度與酸雨

時(shí)間SO2

mg/m3NO2

mg/m3PM10

mg/m32007年酸雨率

%pH最大值

平均

四季度0.0700.0330.162993.63

一季度0.0780.0320.137883.68

二季度0.0500.0200.118553.86

三季度0.0460.0210.095683.87

平均值0.0610.0260.128783.76

注：污染物濃度取自市環(huán)境監(jiān)測(cè)站。

4.4 模式計(jì)算SO2、NO2排放濃度看后三年酸雨率增高

以下用模式計(jì)算華能（圖3中3處為華能電廠）三期工程對(duì)酸雨測(cè)點(diǎn)SO2、NO2的可能增加燃能濃度[3]。在此以圖3之3處華能岳陽(yáng)電廠2010年前已投產(chǎn)、二期工程、年耗煤220萬(wàn)t之發(fā)電，三期工程又以裝機(jī)容量為2×600 MW超臨界機(jī)組，年耗煤200多萬(wàn)噸的發(fā)電（2010年投產(chǎn)），按此規(guī)模以擴(kuò)散模式計(jì)算三期工程對(duì)下游關(guān)心點(diǎn)SO2、NO2之貢獻(xiàn)率，此處關(guān)心處是圖3之2處岳陽(yáng)樓外南大門口點(diǎn)的酸雨監(jiān)測(cè)處的SO2、NO2之濃度增量。為此以模式

c=（Q2πUσyσz）exp-（Y22σy2）·F

計(jì)算華能岳陽(yáng)電場(chǎng)210 m高排放煙囪，一是靜風(fēng)、小風(fēng)，且地面10 m高平均風(fēng)速V10≥1.5 m/s條件下，以此點(diǎn)源擴(kuò)散模式，得出地面任意一點(diǎn)1 h平均濃度。式中，

Q為單位時(shí)間排放量（mg/s）;

Y為該點(diǎn)與通過排氣筒的平均風(fēng)向軸線在水平面上的垂直距離（m）;

σy為垂直于平均風(fēng)向的水平橫向擴(kuò)散參數(shù)（m）;

σz為鉛直擴(kuò)散參數(shù)（m）;

U為排氣筒出口處的平均風(fēng)速（m/s）。

其中，

F=∑+kn=-k{exp[-（2nh-He）22σz2]+exp[-（2nh+He）22σz2]}。

排氣筒下風(fēng)向的最大地面濃度Cm（ mg/m3）及其距排氣筒的距離Xm可按下式計(jì)算：

Cm（Xm）=2Qe·π·U·He2·P1、

P1=2γ1·γ-a1/a22（1+a1a2）12（1+a1a2）·He（1-a1a2）·e12（1-a1a2）、

Xm=（Heγz）1/a2（1+a1a2）-（1/（2a2））。

煙氣抬升高度計(jì)算公式為

ΔH=n0Qn1hHn2U-1、

Qh=0.35PaQvΔTTs，

式中，

n0為煙氣熱狀況及地表狀況系數(shù);n1為煙氣熱釋放率指數(shù);

n2為排氣筒高度指數(shù);Qh為煙氣熱釋放率（kJ/s）;H為排氣筒距地面幾何高度（m），超過240 m時(shí)，取H=240 m;

Pa為大氣壓力（hP）;Qv為實(shí)際排煙率（m3/s）;ΔT為煙氣出口溫度與環(huán)境溫度差（K）;Ts為煙氣出口溫度（K）;U為排氣筒出口處平均風(fēng)速（m/s）。

上述公式所需相關(guān)污染物排放參數(shù)、排放源參數(shù)分別為煙囪高度210 m，內(nèi)徑7 m;煙氣出口參數(shù)煙氣量1 184.6 m3/s，煙氣溫度69.5 ℃;SO2排放量353.0 kg/h;NO2排放量1 514 kg/h。

一般氣象條件下的擴(kuò)散參數(shù)按照《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則（大氣環(huán)境）》中的附表B中表B3和表B4選取，并以此計(jì)算出各個(gè)距離的橫向擴(kuò)散參數(shù)σy和垂直擴(kuò)散參數(shù)σz，筆者以此計(jì)算華能電廠三期工程紙上二參數(shù)如表2所示。

按上述模式以華能岳陽(yáng)電廠三期工程排放源和擴(kuò)散參數(shù)計(jì)算出關(guān)心點(diǎn)之SO2、NO2濃度值，并以2007年岳陽(yáng)市大氣常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，岳陽(yáng)城區(qū)SO2、NO2年日均濃度分別為0.061、0.026 ?mg/m3，在預(yù)測(cè)最大濃度貢獻(xiàn)時(shí)，以此作為區(qū)域濃度參考值。

表2 ?下風(fēng)向各距離擴(kuò)散參數(shù)

距離∥kmσyσz

2.000193114

4.000357216

5.000435264

6.000512312

7.000587360

8.000660407

10.000806500

12.000945.1591.0

表3 關(guān)心點(diǎn)濃度值

關(guān)心點(diǎn)位置距離∥kmSO2濃度∥mg/m3NO2濃度∥mg/m3

岳陽(yáng)樓（酸雨測(cè)點(diǎn)）10.5000.007 710.033 0

開發(fā)區(qū)7.8000.008 920.038 2

環(huán)保局10.0000.008 000.034 3

最大地面濃度點(diǎn)7.5110.008 970.038 3

經(jīng)上述系列計(jì)算，得出各關(guān)心點(diǎn)預(yù)測(cè)濃度值。從表3可見，三期工程造成的地面最大濃度SO2為0.008 97 ?mg/m3，占二級(jí)投標(biāo)的份額為1.8%，岳陽(yáng)按酸雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)SO2濃度為0.007 71 ?mg/m3，占二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的份額低于1.8%;

三期工程造成地面NO2酸雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)為0.033 0 ?mg/m3，達(dá)到二期標(biāo)準(zhǔn)的27.5%，也即工程影響疊加值最大為0.068 ?mg/m3，增加幅度高達(dá)94.3%。

從計(jì)算看，SO2、NO2三期工程運(yùn)行后的2011～2013年中，造成主導(dǎo)風(fēng)下游酸雨率升高的SO2、NO2酸性物質(zhì)在增加，致該3年弱酸雨率明顯升高，應(yīng)是不可否認(rèn)的客觀事實(shí)。

5 ? 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)分析岳陽(yáng)城區(qū)2007～2013年663個(gè)雨量樣本556個(gè)酸雨pH和對(duì)應(yīng)之風(fēng)向頻率下的酸雨率發(fā)現(xiàn)，近3年酸雨率明顯增高，其原因除了不合理的工業(yè)布局、主導(dǎo)風(fēng)向外，通過對(duì)2010年運(yùn)行的巨型燃煤機(jī)組產(chǎn)生的SO2、NO2濃度值進(jìn)行模式計(jì)算，得出機(jī)組運(yùn)行后對(duì)SO2、NO2濃度值貢獻(xiàn)是下游最近3年酸雨率增高的重要原因。

參考文獻(xiàn)

[1]

吳兌，鄧雪嬌.環(huán)境氣象學(xué)與特種氣象預(yù)報(bào)[M].北京：氣象出版社，2001：104-106.

[2] 李雪貞，劉厚鳳，張桂芹.氣候系統(tǒng)變化與人類活動(dòng)[M].北京：氣象出版社，2003：104-105.

[3] 王志勤.華能岳陽(yáng)電廠三期工程對(duì)城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量影響分析[C]//湖南科技論壇專題活動(dòng)系列.岳陽(yáng)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2008：88-93.