AERMOD模式應用于集中供熱削減污染面源參數選取探討

向 怡 劉 輝 史學峰 任永飛

(中國輻射防護研究院，山西 太原 030006)

本文結合陽高縣城2012－2013年采暖季SO2、NO2監測結果以及縣城集中供熱實施情況，采用AERMOD模式進行預測驗證，以探討污染源強有關參數的選取方法。本次研究不對可吸入顆粒物PM10進行探討，是因為空氣中PM10來源較廣，除受工業排放、建筑工地、道路交通等人為源影響外，受北方地區風沙塵、土壤塵的影響也較大［1］，故在本次模擬驗證中僅考慮對SO2、NO2進行預測討論。

1 集中供熱基本情況

陽高縣城人口約5萬人，冬季采暖以燃煤為主，采暖季為當年11月1日至次年3月31日。未實施集中供熱前，當地大多數居民采用土暖氣或分散小鍋爐采暖，燃燒效率低，且未安裝除塵脫硫設施，污染較為嚴重。為改善縣城環境空氣質量，陽高縣城于2010年6月開始實施集中供熱，建設2×80t/h+2×65t/h熱水鍋爐，逐年取代分散的小鍋爐和居民土暖氣。2010年實現集中供熱30萬m2，2011年50萬 m2，2012年100萬m2，2013年基本覆蓋了縣城主要采暖區域，集中供熱面積達到160萬m2。

2 環境監測資料及統計

本次收集了陽高縣城2012－2013年采暖季SO2、NO2逐日例行監測資料，統計結果見表1。由表1可知，2012年采暖季(152天)SO2和 NO2濃度均值分別為0.040mg/m3和0.034mg/m3，2013年采暖季(151天)SO2和NO2濃度均值分別為0.014 mg/m3和0.022mg/m3。

從表1可以看出，2013年縣城在新增集中供熱面積60萬m2后環境效益顯著，與2012年相比，2013年采暖季SO2和NO2濃度均值分別下降了0.026mg/m3和0.012mg/m3，降幅分別為64.78%和35.16%。

表1 陽高縣城SO2和NO2濃度統計結果表

3 AERMOD基礎數據及參數

3.1 氣象數據

地面氣象數據采用陽高縣氣象站2013年采暖季的逐時觀測資料，主要氣象要素為風向、風速、總云量、低云量、干球溫度、相對濕度、站點氣壓。云量數據每天觀測3次，線性插值到逐個時刻。

高空氣象探測資料由環境保護部環境工程評估中心環境質量模擬重點實驗室提供。采用中尺度數值模式WRF模擬生成，共分21層，模擬站網格點編號為131099，坐標為113.639°E，40.1719°N。氣象要素包括每日兩次的氣壓、離地高度、干球溫度、露點溫度、風向、風速，時間分別為08點和20點。

3.2 地形數據

采用csi.cgiar.org提供的srtm3″地形高程數據，數據精度為90m×90m。

3.3 地表參數

地表參數根據陽高當地實際情況，采用模型地表類型推薦值。在AERMET通用地表類型中按“城市”選取地表參數;AERMET通用地表濕度選為“干燥氣候”;粗糙度按“小城鎮中心”選取。最終按四季生成當地正午反照率、BOWEN率、粗糙度參數，見表2。

表2 預測范圍地表參數取值

3.4 其它參數

預測時在計算采暖季平均質量濃度時，考慮了SO2化學轉化，SO2轉化取半衰期為4小時。

4 污染源源強及排放參數

4.1 污染物排放源強確定

陽高縣城2013年采暖季新增集中供熱面積60萬m2，參考郭斌等在哈爾濱市的調研結果［2］，集中供熱替代土小采暖爐灶單位采暖面積耗煤量以40kg/m2計，并結合當地煤質，估算2013年采暖季削減的污染物減排量見表3。

表3 陽高縣城2013年采暖季較2012年所削減的污染物排放量

4.2 污染源模擬形式

由于集中供暖所替代區域的土小爐灶數量多、分布廣、排放總量大，屬于低矮源。在采用AERMOD模擬污染源時，參考趙恒等人［3］關于低矮源預測的討論結果，將多個低矮點源作為面源處理預測結果較單獨設置點源將更加符合實際情況。2013年采暖季替代削減的60萬m2土小鍋爐分布在縣城各區，本文預測時采用了兩種面源方案:一種是按縣城零散分布的多個低矮污染源范圍將整個縣城區域作為面源進行預測，面源范圍3.5km×3km，基本覆蓋了縣城城區;另一種是嚴格按所替代的削減源面積，設一個60萬m2的矩形面源(0.8km×0.75km)。本文將兩種方案對比預測。

4.3 污染源排放高度

根據縣城現狀低矮源實際情況，居民土小采暖爐灶排煙高度一般在6～15m左右。預測時面源排放高度分別按10m、15m、20m、25m、30m進行計算，并與監測結果進行對比。

4.4 預測方案

最終確定的各預測方案污染源源強及參數匯總于表4。

表4 集中供熱替代面源排放源強及參數表

5 預測結果及探討

在2013年采暖季氣象條件下，結合前述參數選取結果，預測2013年替代削減源對現狀監測點的采暖季平均地面質量濃度貢獻，并同實際監測結果進行對比。預測結果見表5。

由表5可知，若嚴格按削減面源的實際面積(方案2，面源尺寸0.8km×0.75km)和實際無組織排放高度(約10m)進行計算時，預測結果為實際監測值的11.9～12.5倍;當面源排放高度＞30m時，方案2的預測結果才逐漸趨于實際監測結果。而按削減源分布區域取一個較大的面源預測方案時(方案1，面源尺寸3.5km×3km)，面源排放高度取值約20m時，預測值約為實際監測值的80%～85%，預測結果同實際監測濃度基本吻合，其濃度分布情況見圖1。

因此，在采用AERMOD模式計算集中供熱所削減的無組織源的環境效益時，可按實際替代源強的分布情況，將面源尺寸設置覆蓋整個源強區域，同時根據實際情況適當增加模擬面源的排放高度，將使預測結果更趨于實際。而預測中增加面源面積、增加排放源高，均會使削減面源的預測濃度更小，這對于計算集中供熱帶來的環境效益時，無疑也是更加保守的計算方案。

表5 2013年采暖季削減源SO2、NO2濃度預測結果表(mg/m3)

圖1 2013年采暖季污染物削減濃度(mg/m3)分布圖

6 結論及建議

(1)2013年陽高縣城在新增集中供熱面積60萬m2后替代削減了縣城部分采暖土、小爐灶，與2012年相比，2013年采暖季SO2和NO2濃度均值分別下降了0.026mg/m3和 0.012mg/m3，降幅分別為 64.78%和35.16%。可見陽高縣城實施集中供熱所帶來的環境效益十分顯著。

(2)集中供熱替代的城鎮土小采暖爐灶排放源數量多、分布廣、排放總量大，采用AERMOD模擬計算這類污染源時，可將擬替代的多個低矮點源作為面源處理。

(3)在AERMOD模式中按面源預測集中供熱替代土小采暖爐灶帶來的環境效益時，面源的尺寸大小應設置為覆蓋整個源強區域的較大范圍;同時在設置面源的排放高度時，應在面源實際排放高度上適當加高，這樣將使預測結果更趨于實際。同時，增加削減源強的面源面積和無組織排煙高度亦將使預測濃度更低，這對于計算集中供熱帶來的環境效益無疑也是更加保守的。

［1］胡敏，唐倩，彭劍飛，等．我國大氣顆粒物來源及特征分析．環境與可持續發展，2011.5．

［2］郭斌，等．哈爾濱幾種主要供熱方式的技術經濟比較．哈爾濱市委顧問工業專家組報告，2007.11．

［3］趙恒，晏麗華．AERMOD模型中關于低矮點源預測方法的探討［會議論文］，2010．