面向云南空气质量预测的区域大气污染物排放源清单及其数值模拟校核研究

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面向云南空气质量预测的区域大气污染物排放源清单及其数值模拟校核研究钟曜谦昆明理工大学
近十年来,随着我国对能源消费结构的调整优化,大气污染治理力度加强,大部分区域空气质量总体趋好,但是所面临的大气污染形势依然严峻。过去以控制气态污染物和颗粒态污染物排放量为主,解决部分因为一次污染物导致的空气污染问题,但简单的排放源核算和模拟方法不再满足解决复合污染的环境问题和精细化管理手段的需求。建立区域大气污染物高精度网格化排放源清单,是对区域大气污染源排放活动规律研究和评价过程。一套适合区域空气质量预测排放源清单需要满足以下几个要求:覆盖所有对空气质量有重大影响排放部门;统计污染物物种包括一次污染物和二次污染物的前体物;同时对不同排放源的空间位置和时间过程进行表征;可转换为输入清单并接入大气模拟模型。云南区域覆盖面积为39.41万平方公里其中包括16个地级市,由于经济发展不同导致城市之间工业布局和污染物排放活动差异性较大。研究区域约94%国土面积属于山区、半山区,城市局部地形和气象条件不同,大气扩散条件差异较大,所以制备高精度网格化排放源清单是云南特殊区域的大气环境预测评估和管理决策的重要基础研究。本研究以云南特殊区域为例,目标是建立满足区域空气质量预测为目的大气污染源排放清单,并对清单进行数值模拟校验。研究通过收集污染源普查数据、遥感数据、文献来源等,核算区域内的人为排放源,包括工业源、移动源、农业源。按照相关技术指南的排污系数法及物料衡算法等方法,通过对每个排放源部门内的单一企业或者排放节点进行独立计算和统计,应用排放因子库和排放节点信息匹配算法处理大量的排放计算。除人为排放源外,开放燃烧源、天然植被源、土壤扬尘源,通过排放因子和模型计算方法结合本地化参数得到对应污染源大气污染物排放量。不同排放源部门都根据自身特点使用自上而下或自下而上的方法进行高分辨率网格化清单表征,通过对清单复合、物种分配和制备模拟输入清单。使用WRF/CMAQ组合模式验证清单和评价模拟可靠性。依靠模拟结果进行排放源解析、分析地形气象的影响、剖析了16个城市区域大气污染物浓度变化趋势、评估东南亚生物质燃烧对相关边境城市空气质量的影响,并且将清单制备和模拟方法形成区域空气质量的标准化评价工具。阐述通过此评价工具解决区域大气环境问题的方法,并得到以下研究结果1)建立包括工业源、农业源、移动源、开放燃烧源、土壤扬尘源、天然植被源的大气污染物排放源清单。采用人口密度,灯光密度、耕地分布、土地利用和土地覆盖、植被覆盖等遥感和地理信息数据,基于自下而上和自上而下的计算方法,逐个计算区域内10541个企业或排放节点,11073个集约化畜禽养殖点和区域相关的化肥使用量,4934个火点记录等,经计算得到对应排放源的大气污染物排放量,包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、挥发性有机物、细颗粒物、可吸入颗粒物和氨。对比类似的区域核算结果近似,研究覆盖更多的大气污染物种类且空间表征精度更高,与实际中排放活动更为接近。通过分析部门排放和行业排放,开放燃烧源和工业源是主要的大气污染物排放来源,其中前者对颗粒物排放的贡献较为突出,但是后者的空间分布靠近城市区域,对城市空气质量的影响较为明显。农业是氨的主要排放来源,其排放占比达到55%。(2)利用23个气象站观测数据和44个空气质量站监测数据,通过数值模拟方法结果模拟气象和模拟的污染物浓度,分析其与实测值一致性来验证大气排放源清单。模拟模式在气压和气温方面可以很好的模拟山地区域的气象变化,但是由于山地地形的因素导致地面风速模拟效果较差。另外不同污染物结果差异性较大,由光化学驱动的二氧化氮和臭氧的浓度变化一致性较好,所有污染物模拟R值均在0.35以上。研究结果表明校验并完善后的清单和数值模拟方法更适用于云南特殊区域下不同海拔山地地形下空气质量预测研究工作。对不确定性研究表明自下而上的清单结果较符合实际情况。(3)通过污染物解析、大气污染物浓度趋势分析、大气污染物与气象地形的变化分布研究。揭示开放燃烧源排放的长期活动规律,成为研究区域及其附近区域的一类重要的季节性排放源,对区域的颗粒物和臭氧浓度产生重大影响,因此有必要将其纳入到排放清单中。模拟校验、排放源分析及污染源解析等方面同时考虑了东南亚生物质燃烧排放清单,结果表明燃烧造成的整个污染过程是由境外向境内转移的且趋势较为明显。云南的边境州市西双版纳州、普洱市、临沧市、红河州、德宏州、文山州等受到影响最大。根据模拟结果可知春冬季是受到生物质燃烧影响最大的季节。(4)通过在区域空气质量预报中的应用和评估预报结果,大部分城市环境空气质量预报效果较为理想。预报的准确度与清单中排放源时空表征精确度有关。预报清单和数值模拟结果可以对不利气象条件下或计划内的排放源变化排放的大气污染过程进行预报。(5)通过在区域酸雨控制研究的应用,结合本研究的清单成果和小范围清单更新,得到可以满足复杂山地地形空气质量和沉降过程模拟研究所需的区域高精度排放源清单。将该清单应用到山谷城市(个旧市)的酸雨控制管理中,对制定酸雨控制目标和区域二氧化硫排放总量限制提供决策支持。研究建议在2017年排放量的基础上,将该区域的二氧化硫年排放总量限制在2680吨以下,通过加强对重要工业源的管理,特别是冬季需更加严格控制酸性大污染物的排放总量,可有效抑制酸雨产生。研究成果已实际应用到区域空气质量预测和区域大气环境控制等工程,通过建立较为完整区域排放清单,有效的提高大气污染物的评价能力,为区域大气环境管理提供基础条件。