WRF-CMAQ 模型在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃環(huán)評的應(yīng)用

彭園花，郭 苛，張 慧，肖興艷

（貴陽市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引言

大氣環(huán)境影響評價的重要手段是采用大氣預(yù)測模型，針對大氣預(yù)測模型進(jìn)行了各類模式的研究，《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》（HJ2.2-2008） 采用系數(shù)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(wǎng)絡(luò)模型。

針對規(guī)劃項(xiàng)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(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)模型。

網(wǎng)絡(luò)模型屬于最為復(fù)雜模型，對模型參數(shù)數(shù)據(jù)要求、計算機(jī)硬件配置要求等均最高。

1 預(yù)測場景介紹

1.1 預(yù)測源強(qiáng)

預(yù)測園區(qū)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(yù)測源強(qiáng)包括擬建重大企業(yè)點(diǎn)源和面源。確定預(yù)測因子為SO2、NO2、PM10和PM2.5等，評價標(biāo)準(zhǔn)選擇《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）。預(yù)測范圍為以規(guī)劃區(qū)域的中心坐標(biāo)經(jīng)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(xiàn)值占標(biāo)率＞10%的區(qū)域。

1.2 預(yù)測地形及預(yù)測模型

預(yù)測園區(qū)及周邊的50×50 km2范圍內(nèi)海拔高差約1000 m，高山和深切河谷地形復(fù)雜，受四面山體阻隔，區(qū)域內(nèi)靜風(fēng)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(qū)域內(nèi)污染物擴(kuò)散條件一般。

1.3 預(yù)測場景

主要進(jìn)行新增污染源的正常排放預(yù)測。

2 預(yù)測模型及參數(shù)選擇

預(yù)測園區(qū)涉及的污染源類型有點(diǎn)源、面源，根據(jù)統(tǒng)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(fù)雜化學(xué)反應(yīng)及氣象條件對污染物濃度的影響，根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》 （HJ2.2-2008） 選取網(wǎng)格化模式（CMAQ） 進(jìn)行預(yù)測。大氣環(huán)境影響的基本數(shù)據(jù)主要包括：氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、污染源參數(shù)、預(yù)測情景以及模型參數(shù)等。

2.1 氣象數(shù)據(jù)

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

WRF 模式結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 WRF 模式結(jié)構(gòu)圖Fig.1 WRF mode configuration

模擬過程采用中尺度氣象模式WRF 數(shù)據(jù)，中尺度WRF 模擬由美國FNL 數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動，采用三層嵌套進(jìn)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(diǎn)氣象場驅(qū)動CMAQ 模式使用。為防止邊界效應(yīng)本次大氣模擬計算使用的氣象數(shù)據(jù)采用三層嵌套結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層的計算范圍為50 km×50 km，分辨率為500 m。

2.2 地形數(shù)據(jù)

地理數(shù)據(jù)包括：計算區(qū)域的海拔高度、土地利用類型。地形和土地利用類型數(shù)據(jù)均采用MODIS15s 數(shù)據(jù)。

WRF 和CAMQ 模式參數(shù)見表1。

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

續(xù)表

2.3 預(yù)測模型

采用的空氣質(zhì)量預(yù)報模式以美國環(huán)保署（EPA） 開發(fā)的CMAQ 模式為核心。CMAQ 模式是基于“一個大氣”的理念設(shè)計建立而成。該模式考慮了大氣中多物種和多相態(tài)的污染物及其相互作用，可以模擬化學(xué)輸送平流、氣相化學(xué)、煙羽處理、干沉降、濕沉降、氣溶膠轉(zhuǎn)化等過程，適用于城市尺度的空氣質(zhì)量模擬預(yù)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(gòu)成WRF-CMAQ 模式耦合系統(tǒng)。

WRF WRF-CMAQ 空氣質(zhì)量預(yù)報模式子系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 WRF WRF-CMAQ 空氣質(zhì)量預(yù)報模式子系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)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(zhì)量預(yù)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(huán)境的影響。

CMAQ 模式包含3 種化學(xué)機(jī)制（CBM-IV、RADM2 和SAPRC99），可模擬預(yù)報多種大氣污染物，種類可達(dá)80 多種。其中，CBM-IV 包括43 個化學(xué)反應(yīng)物和95 個化學(xué)反應(yīng)；RADM2 包括61 個化學(xué)反應(yīng)物和158 個化學(xué)反應(yīng)；SAPRC99 包括74個化學(xué)反應(yīng)物和211 個化學(xué)反應(yīng)。

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(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理模MCIP、化學(xué)傳輸模塊CCTM 構(gòu)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(kuò)散、氣相化學(xué)、液相化學(xué)、氣溶膠化學(xué)、云物理化學(xué)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(wǎng)格化文件。該模塊可處理的對象包括面源、點(diǎn)源、機(jī)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(diǎn)源排放可以根據(jù)位置、氣象因素給出三維分布。

數(shù)值模擬計算WRF 中尺度數(shù)值模擬、邊界層風(fēng)溫場診斷分析、污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬以及預(yù)測結(jié)果分析、氣象要素場分析等。

3 預(yù)測結(jié)果

3.1 正常排放最大濃度預(yù)測結(jié)果與評價

本項(xiàng)目正常排放時，保護(hù)目標(biāo)和網(wǎng)格點(diǎn)的SO2小時濃度、日均濃度和年均濃度最大值均超過《空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012） 二級標(biāo)準(zhǔn)。保護(hù)目標(biāo)和網(wǎng)格點(diǎn)的NO2小時濃度、日均濃度和年均濃度最大值均滿足《空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012） 二級標(biāo)準(zhǔn)。保護(hù)目標(biāo)和網(wǎng)格點(diǎn)的PM10日均濃度超過《空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012） 二級標(biāo)準(zhǔn)，年均濃度最大值滿足《空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012） 二級標(biāo)準(zhǔn)。保護(hù)目標(biāo)和網(wǎng)格點(diǎn)的PM2.5 日均濃度和年均濃度均超過滿足《空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012） 二級標(biāo)準(zhǔn)。

預(yù)測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 濃度貢獻(xiàn)預(yù)測Fig.3 Concentration contribution prediction

4 結(jié) 論

針對以上大氣環(huán)境預(yù)測情況，可采取以下減排措施。

（1） 有組織排放源。

①要求企業(yè)改進(jìn)工藝（采用先進(jìn)工藝，高效的脫硫脫硝除塵環(huán)保措施（雙堿濕法脫硫工藝、電袋復(fù)合式除塵器降低企業(yè)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)行超低排放），外購低硫石油焦預(yù)焙陽極作為原材料，降低SO2污染物產(chǎn)生；②以新代老（削減現(xiàn)有項(xiàng)目源強(qiáng)），或者產(chǎn)能置換（關(guān)掉部分經(jīng)濟(jì)價值低產(chǎn)排污大的企業(yè)，釋放SO2總量指標(biāo)）。

（2） 無組織排放源。

考慮到無組織排放具有瞬發(fā)性強(qiáng)、排放不規(guī)律、源多且分散等特點(diǎn)，因此建議本項(xiàng)目各企業(yè)對生產(chǎn)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(fù)合式除塵器凈化除塵，達(dá)標(biāo)后排放。