深圳大氣污染特征模擬及環境容量估算

朱珠，褚艷玲，吳鋒

(深港產學研環保工程技術股份有限公司 深圳 518057）

深圳大氣污染特征模擬及環境容量估算

朱珠，褚艷玲，吳鋒

(深港產學研環保工程技術股份有限公司 深圳 518057）

摘要本文根據深圳市8個監測站點2013年的逐日PM10和PM2.5濃度監測數據、氣象數據，統計風向、風速、穩定度聯合頻率等，利用污染物在大氣中輸送擴散模式，由實測的濃度值反推出污染物的產生量或排放量的方法，重點分析龍華新區PM10和PM2.5的污染特征，并依據環境目標值，估算該區域剩余環境容量。研究結果表明，龍華新區全年盛行東風、南風，其風頻分別為16.7%、13.2%，風速約為1.6m/s，PM10、PM2.5濃度均呈現出季節性變化，秋、冬季濃度值較高，尤其在10月到次年1月份，其排放強度主要受本地污染源的影響。除此以外，其西、北部的污染源對其污染物濃度有一定的影響。新區PM10和PM2.5的剩余環境容量均呈現負值，尤其以PM2.5最為突出，須大力加強減排控制，以達到環境目標值

關鍵詞PM10；PM2.5；源解析；污染來源；剩余環境容量

責任作者：褚艷玲（1981—），女，深圳市深港產學研環保工程技術股份有限公司，生態規劃部經理，研究方向為大氣污染防治、環境監測等。

引言

隨著工業發展和技術的進步，大氣污染問題正在引起人類的普遍關注和各級政府的高度重視。所謂大氣污染，是指大氣污染物或由其轉化的二次污染物濃度達到了有害于人類健康和破壞自然環境的危害現象[1]。大氣污染有自然過程（如火山爆發、森林火災等）和人為因素（如工業廢氣、生活燃煤、汽車尾氣、核爆炸等），其主要過程由污染物排放、大氣傳播、人和物污染三個環節構成。20世紀80年代以來，由于工業的突飛猛進、世界人口的城市化等，城市大氣環境質量的評價及污染防治已成為大氣污染研究和城市氣候研究領域的主要課題之一[2-5]。我國目前的環境大氣空氣質量二級標準規定PM10質量濃度的日均值為150μg/m3，年均值為70μg/m3；PM2.5質量濃度的日均值為75μg/m3，年均值為35μg/m3。研究大氣污染的時空分布特征，對進一步治理、預測和控制大氣污染都有很重要的意義。本文利用深圳市8個監測站點2013年的逐日PM10和PM2.5濃度監測數據，對龍華新區大氣污染特征進行模擬，并對其剩余環境容量進行估算。

1　研究方法與數據來源

1.1 研究區域概況及資料來源

本次研究區域范圍確定為30×30km2，步長為500m，如圖1所示。收集龍華新區內觀瀾子站、龍華子站、光明新區的光明子站、寶安區的西鄉子站、南山區的華僑城子站、福田的荔園子站、羅湖區的洪湖子站以及龍崗區的橫崗子站，共8個站點2013年全年的逐日污染物濃度監測資料和氣象資料。

圖1　研究區域概況

1.2 研究方法

本研究在總結國內已有研究成果的基礎上，結合深圳地區大氣污染情況，采用一定時段內環境質量平均濃度反推的方法，建立一套計算影響本地區環境質量的污染源計算模型。源解釋模型從污染物平均濃度公式開始：

式中， C平均為某一下風方向污染物的平均濃度（mg/ m3）；fij為風向、風速、穩定度聯合頻率，i為穩定度等級，分6級，j為風速等級，分7檔；Q為污染源排放強度（mg/s）；uj為風速（m/s）；x為計算點距污染源的距離（km）；σzi為i 類穩定度下的垂直擴散參數（m）；hij為i類穩定度，j級風速下的煙云有效高度（m）。該方程式充分反映了風向、風速、穩定度、煙云有效高度等對大氣擴散和傳輸能力的影響，比較好地反映了污染物在大氣中傳輸、擴散的物理本質。根據2013年龍華新區及周邊區域的8個監測站點（龍華、觀瀾、荔園、洪湖、華僑城、光明、橫崗、西鄉）的實測資料，運用反平方內插方法，求出研究區域內單位面積的環境平均質量，然后根據公式便可反推不同位置上的污染源排放強度。相應地，根據各類功能區環境質量標準與環境質量現狀之差，便可反推剩余的污染源排放強度，即大氣環境剩余容量。

為了方便，本計算暫且假定煙云服從正態分布。因為某一單元上的污染物濃度受各個方向、不同距離上的污染源的影響，其影響程度取決于風向頻率和風速大小。根據上述原理，可以把某一單元或某一點上的污染濃度寫成求和形式：

式（2）表示某一單元或某一點上的污染物濃度是來自m 個方向、n個距離上的污染源聯合影響疊加后的結果。

在實際應用中，為了節省每一次計算時間，可以把式（1）中的uj、σzi、fij、hij用多年的風向、風速、穩定度按方位事先做好統計平均，則式（1）可以寫成如下表達式：

式中，Ck為k方向某一單元或某一點的污染濃度；fk為k方向的風向、風速、穩定度聯合頻率；Qki為k方向i 距離上的污染源排放強度；uk為k方向風速統計平均值；σzk為k方向垂直擴散參數統計平均值，xi為k方向離污染源的不同距離；hk為k方向煙云有效高度的統計平均值，k為方位數，通常分為16個方位，n為距離的步長數。令：

式（5）求和符號表示在同一方向不同距離上的污染源對某一點污染濃度共同影響的疊加，它只代表一個方向不同距離上的污染源的貢獻，所有方向污染源的貢獻應該再求和一次，即：

將式（5）代入式（6），可得：

從式（7）可以清楚地看到，某一單元上的污染物濃度是來自16個方向和不同距離上的污染源共同作用的結果。式（7）中的Qki還可進一步表示為：

式（10）中的Fki是表示第k 個方向第i個距離上的污染源對計算點的污染濃度貢獻的百分比。Fki是距離函數，可用函數形式或事先計算好的數據放在計算程序之中。一般下風距離取20 km或40 km即夠，若計算步長為1 km，則n=20，或40，n的大小隨步長大小而定。式（10）就是源解釋的基本公式，寫成求和的形式，即為：

式（11）是利用濃度反推的源解釋的完整公式。式中右邊的Bk充分反映了風向、風速、穩定度、煙云有效高度等大氣擴散和傳輸能力。因此，式（11）是比較好地反映了污染物在大氣中傳輸、擴散的物理本質，能夠做到定量表示，計算方法簡單。

當式（11）中的C為δC=Ci-Ci0時，δC是功能區環境質量濃度標準值Ci與現狀污染物濃度Ci0之差。運用δC時，即可計算區域的剩余環境容量。

2　結果與討論

2.1氣象條件分析

目前我國一般用污染系數即風向頻率與平均風速的比值來定量反映風向因素對大氣污染的影響。在污染物排放量一定時，污染程度和風向頻率成正比，與風速成反比，污染系數越大，其下風方位的污染越嚴重[6]。據2013年龍華子站逐小時氣象觀測數據顯示（圖2），新區全年盛行東風、南風，其風頻分別為16.7%、13.2%；其次是東南偏南風，其風頻為10.4%。全年風速較為穩定，風速約為1.6m/s。其中東北偏北風、東北風的風速較大，均為2.2m/s；其次是西北風，其風速為1.9m/s。全年平均氣溫為22.7℃，降水量為1836mm，降水量主要集中在4~8月份。

圖2　氣象條件統計

2.2污染特征分析

根據2013年逐日污染物濃度監測數據顯示（圖3），PM10和PM2.5的時間變化趨勢較為一致，表現出明顯的季節變化規律。濃度高值主要集中在10月至次年1月份，濃度低值主要集中在5~8月份。孫向明等[7]研究了深圳市近幾年空氣質量與氣象條件的關系，發現深圳市降水量的大小與污染物稀釋程度存在正相關關系，尤其對PM10的清除作用最好。而細顆粒物由于粒徑較小較難沉降，主要通過降雨或空氣對流去除。秋、冬季降水較少，空氣干燥，逆溫天氣出現頻繁，此時大氣較為穩定，垂直擴散能力差，使得顆粒物難以擴散而出現積聚，導致PM2.5濃度升高。而夏季雨水相對較多，降水可以有效去除顆粒物，同時，夏季因氣溫高、濕度大、大氣邊界層厚，有利于污染物的擴散，故PM2.5濃度相對較低。

圖3　PM10和PM2.5逐月統計情況

圖4　PM10源強四季分布

2.3污染來源分析

根據PM10源強的模擬結果顯示（圖4），PM10的四季排放強度有一定的差異，春、夏季PM10的源強高值主要集中在龍華新區以外的西部，而秋、冬季PM10的源強高值主要集中在新區以外的東部。由于春、夏季節較長，多達9個月，雨水較多，按時間平均，單位面積上排放量較小，而秋、冬季節時間較短，氣候干燥，單位面積上排放量較大。而新區PM10超標情況亦集中出現在秋、冬季節，因此，應重點應關注秋、冬季節污染來源。秋、冬季龍華新區內PM10的源強高值主要集中在觀瀾及民治區域。有研究表明[8]：PM10主要來自施工項目和裸地，貢獻率為35.82%；其次是機動車尾氣和道路揚塵，貢獻率為23.37%。而根據龍華新區的主要污染源分布情況，觀瀾及民治的裸露土地及施工面積相對較多，因此其PM10排放強度相對較高。

新區PM2.5超標情況亦集中體現在秋、冬季節，因此，應重點關注秋、冬季節污染來源。根據PM2.5源強的模擬結果顯示（圖5），秋、冬季節來自北部（東莞市）、西部（寶安區、光明新區）的PM2.5排放強度較強。有研究表明，龍華新區PM2.5主要來自機動車尾氣和道路揚塵，貢獻率約為32.0%；其次是施工項目和裸地，貢獻率為18.2%。

2.4剩余環境容量分析

根據不同功能區環境目標值（其中一類功能區PM10的年均濃度為40μg/m3，PM2.5的年均濃度為15μg/m3；二類功能區PM10的年均濃度為70μg/m3，PM2.5的年均濃度為35μg/m3），計算龍華新區PM10和PM2.5的剩余環境容量。根據剩余環境容量模擬結果顯示（圖6），龍華新區PM10、PM2.5的剩余環境容量均呈現負值，說明新區的PM10、PM2.5已沒有剩余環境容量，尤其以PM2.5最為突出，須大力加強減排控制。

圖5　PM2.5源強四季分布

圖6　PM10和PM2.5剩余環境容量分布

3　結論

在實際操作中，掌握詳細的污染源排放資料相當困難，需要對點源、線源、面源開展詳細的調查及大量的計算。因此，利用污染物在大氣中輸送擴散模式，由實測的濃度值反推出污染來源，根據功能區環境質量目標和現狀污染物濃度可以計算本地區的剩余環境容量，為環境管理與指導經濟發展開啟了方便之門。

本研究利用深圳市8個空氣監測站點2013年的逐日污染物濃度監測數據及氣象數據，分析了PM2.5和PM10的污染特征、污染來源以及剩余環境容量。研究結果表明，龍華新區PM10、PM2.5濃度均呈現季節性變化，超標情況均在秋、冬季最為頻繁，而在春、夏季出現頻率較低。其排放強度主要受本地污染源的影響。除此以外，其西、北部的污染源對其污染物濃度有一定的影響。根據環境目標值，新區PM10和PM2.5的剩余環境容量均呈現負值，尤其以PM2.5最為突出，說明須進一步采取相應措施來達到環境目標值。

然而，在特定的地理環境條件和一定的大氣環流背景的影響下，某一地區的大氣污染可以通過中遠距離輸送并影響其他地區，大氣污染是一個跨區域性的問題，需要進一步對大氣污染的源和匯、輸送問題、化學轉換、大氣污染傳輸的數值模擬等進行深入而詳細的研究[9-13]。

參考文獻

[1] 劉新玲. 2000-2005年山東省大氣污染變化特征分析[D].濟南: 山東大學, 2008.

[2] 周淑貞, 束炯. 城市氣候學[M]. 北京: 氣象出版社, 1994: 49-114.

[3] Lei X E, Han Z W, Zhang M G. Physical, Chemical, Biological Processes and Mathematical Model on Air Pollution[M]. Beijing: China Meteorological Press, 1998.

[4] Weber M L. Air Pollution, Assessment Methodology and Modeling[M]. New York: New York Press, 1983: 329-329.

[5] 于淑秋, 林學椿, 徐祥德. 北京市區大氣污染的時空特征[J]. 應用氣象學報, 2002, 13(S): 92-99.

[6] 張凌, 付朝陽, 鄭習健, 等. 廣州市區大氣污染特征與影響因子分析[J]. 生態環境, 2007, 16(2): 305-308

[7] 孫向明, 彭勇剛. 深圳市近年空氣質量與氣象條件的關系[J]. 廣東氣象, 2005, (3): 1-3, 6-6.

[8] 嚴智勇, 朱珠, 吳鋒. 龍華新區灰霾污染特征研究[J]. 環境科學與管理, 2014, 39(2): 100-103.

[9] 徐祥德, 周麗, 周秀驥, 等. 城市環境大氣重污染過程周邊源影響域[J]. 中國科學 D輯: 地球科學, 2004, 34(10): 958-966.

[10] 張志剛, 高慶先, 韓雪琴, 等. 中國華北區域城市間污染物輸送研究[J]. 環境科學研究, 2004, 17(1): 14-20.

[11] 任陣海, 萬本太, 蘇福慶, 等. 當前我國大氣環境質量的幾個特征[J]. 環境科學研究, 2004, 17(1): 1-6.

[12] Baherini R, Jimenez J L, Wang J, et al. Aircraft-based aerosol size and composition measurements during ACE-Asia using an Aerodyne aerosol mass spectrometer[J]. Journal of Geophysical Research, 2003, 108(D23): 8645.

[13] Allen D, Pickering K, Fox-Rabinovitz M. Evaluation of pollutant outflow and CO sources during TRACE-P using model-calculated, aircraft-based, and Measurements of Pollution in the Troposphere (MOPITT)-derived CO concentrations[J]. Journal of Geophysical Research, 2004, 109(D15): D15S03.

Simulation of Air Pollution Characteristics and Estimates of Environmental Capacity in Shenzhen

Zhu Zhu, Chu Yanling, Wu Feng
(IER Environmental Protection Engineering Technique CO., Ltd, Shenzhen 518057)

Abstract:According to the daily PM10and PM2.5concentration and meteorological data of eight stations during 2013 in Shenzhen, using wind direction, wind speed, joint frequency stability data, we analyzed the characteristics of PM10and PM2.5pollution and estimated the residual environmental capacity about the Longhua region through the methods of concentration measured value introduce pollutant emission by use of transport of pollutants in the atmosphere diffusion mode. The results showed that the dominant wind is east and south, and the frequently were 16.7% and 13.2%, the wind speed was about 1.6m/s. The PM10and PM2.5concentrations presented seasonal differences and the higher density value mainly happened in fall and winter, especially during October and January next year, its emissions intensity was mainly influenced by local pollution sources. In addition, the pollution sources from west and north had certain impact on concentration. According to the target value of environment, the environmental capacity value of PM10and PM2.5were negative, especially the PM2.5, emissions control must be strengthened to achieve the environmental target.

Keywords:PM10; PM2.5；source analysis；pollution source；residual environmental capacity

中圖分類號：X513，X26

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6252（2015）05-0083-06

作者簡介：朱珠（1988—），女，深圳市深港產學研環保工程技術股份有限公司，大氣環境研究室主任，研究方向為大氣污染防治、環境監測等。