區域多尺度空氣質量模型在杭州市大氣污染模式分析中的應用
發布時間：2014-08-29 08:42
第一章緒論
1.1研究背景
近年來，大氣污染極大地影響了人們的生活和健康，大氣污染開始成為人們關注的焦點。空氣污染有人為因素（機動車尾氣、工業廢氣、餐飲、民用燃煤等）和自然因素（火山爆發、龍卷風、森林火災等），主要來自人為源，尤其是交通運輸和工業燃煤等⑴。污染經由污染源排放出來，在大氣中傳播，然后引發各種環境問題。大氣污染物在空中傳輸的影響因素很多，氣象因素和地形地貌因素是其中最主要的兩個因素[2，3]。首先，氣象條件很大程度上影響了污染物擴散稀釋沉降作用。風速和風向，則決定了污染擴散的方向和混合擾動大小；濕度、雨量、云量則對污染物的清除沉降有很大影響。地形地貌對污染擴散的影響主要體現在，地面凸起物如大山、高的建筑物等會阻礙污染物的流通。
1.2空氣質量模型
從流體力學方法看，空氣質量模型可分為高斯模式、拉格朗日模型和歐拉模型，高斯模式運用潘流統計理論，采用半經驗公式模擬污染物濃度場，主要有ISC、AERMOD、ADMS等；拉格朗日模型通過追蹤流體運動軌跡來描述污染物分布變化，如OZIP/EKMA、CALPUFF等；歐拉模型在固定坐標空間內研究空間內污染物微元的運動。從數學方法上來看，空氣質量模型可分為數值模型和統計模型，前者通過抽象出數學方法來分析大氣中污染物的散傳輸和化學反應，后者在大量實驗數據基礎上建立模型統計分析污染物流動規律；從時空尺度上來講，空氣質量模型可分為全球模型，區域模型和城市尺度模型等。從20世紀60年代以來，隨著人們對大氣污染過程研究的深入，空氣質量模型也在不斷完善中，主要經歷了三代模型的演變。
………………
第二章空氣質量模型及其應用
2.1空氣質量模式系統介紹
此外，國內各研究機構也展開了建立排放清單的編制，中國環境科學研究院、中國氣象科學研究院、上海環境科學研究院、清華大學、北京大學、華南理工大學等單位也各自編制了全國或各地區城市大氣污染物的排放清單[3941]。排放源清單的編制方法主要有兩種，第一種是"自上而下”（Top-down)的方法，即指根據能源統計年鑒能源消耗、人口、GDP等信息，通過調研初略估計各地區污染物排放量，這種方法容易實施，但精度不高；第二種是“自下而上”(Buttom-up)的方法，即通過大量的實地測試測量獲取排放量，這類方法一般比較耗賽人力物力，得到的排放源數據也相對可靠。
2.2模型設置
本文研究所使用的計算平臺是在浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室的大規模并行機上建立的，本并行機上共有69個節點，每個節點上又含有8個CPU。在該服務系統上調試安裝了中尺度天氣預報模式WRF和第三代空氣質量模型CMAQo系統的Linux系統操作平臺為CentOS 64位系統，采用的Fortran編譯器為Intel Fortran編譯器，并行程序設計通過MPICH來實現。模擬用到了一些軟件支持工具包如IOAPI、NetCDF等，管理文件的輸入輸出。最終的輸出結果結合使用 了 NCL (NCAR Command Language)、Verdi 和 ArcGIS 等實現模擬數據的可視化處理和統計分析。
不同行業和污染物種而言，排放的活動水平所指內容各不一樣，排放因子隨空間和時間分布變化規律不太均勻，處理方法和技術亦不相同。研究根據察不同部門各自的能源消耗水平方式和所采取控制技術的特點，分為點源、線源和面源，編制了杭州市的本地化的污染物排放清單。
…………
第三章杭州市污染的模擬與驗證......... 27
3.1模擬結果時空驗證 .........27
3.2 N02、 S02、PM10 月均值對比......... 31
3.3模擬結果年均等值線 ..........37
第四章杭州市污染的來源解析.......... 40
4.1區域間相互傳輸貢獻解析..... 40
4.1.1主城區.... 40
4.1.2蕭山............ 41
第五章杭州市減排情景分析. ............47
第五章杭州市減排情景分析
5.1杭州市"十二五"污染物控制減排分析
杭州市工業源氛裝化物“十二五”期間對電廠減排措施，主要釆取新建、改建、擴建的現有燃煤機組和熱電聯產機組，監督企業在發電鍋爐設備上裝配高效低氮燃燒技術和裝置。如果低氣燃燒改造后，仍不能滿足氣裝化物總量控制要求的機組，應配置煙氣脫銷設施。最終實現單機容量超過135MW的燃煤發電機組通過實行脫確改造的脫補效率達到85%，排放濃度低于為lOOmg/m3，在燃煤機組上裝配氣最化物在線連續監測裝置，以確保設施穩定可靠運行。2010年電力熱力行業排放的氮氧化物總量為28692噸，杭州市"十二五”期間減排規劃，"十二五"期間電力熱力行業可達到的氮氧化物減排能力約20178噸。根據杭州市"十二五"期間GDP和人口增長，預計杭州市“十二五"期間蕭山區的燃煤量將會增加15噸，取燃煤的平均排污系數為1.72千克NOx/噸煤，估算得氮氣化物排放量會增加258噸。主城區和余杭地區的電廠燃煤量基本保持不變。綜合分析，杭州市“十二五”期間，電力熱力行業氣栽化物總減排量約為19920噸，2015年排放的氮氣化物總I約8772噸。
5.2杭州市未來最大減排潛力分析
在最大減排力度下，各行業部門綜合治理。電廠減排技術從兩方面展開：一是源頭治理，采用工藝改造減少生成量，如低氮燃燒（LNB)和分段燃燒等技術的使用；二是末端治理，通過選擇性非催化還原（SNCR)、選擇性催化還原（SCR)，濕法煙氣脫硫（FGD)、靜電除塵（ESP)和布袋除塵（FF)等技術進行末端治理，預計最終氣筑化物、疏化物、PM2.5減排率分別可達72.2%、54.0%、34.6%。工業鍋爐的減排技術基本與火電鍋爐相似，在2010年工業鍋爐的FGD減排技術還沒有非常普及，低氣燃燒技術已經開始應用，在最大減排力度下估算得最終氮氧化物、硫化物、細顆粒的減排能達到62.0%、74.5%、63.5%。民用部門通過降低能源需求，推廣節能減排技術。采用熱電聯產，減少生物質開放燃燒，改用沼氣天然氣太陽能等清潔能源，少用化肥，多使用生物質殘骸作為肥料。
.............
第六章總結與展望
本文建立了杭州市本地排放清單，以多尺度空氣質量糢型CMAQ為主要研究手段，模擬了杭州市大氣污染狀況，并與地面觀測數據進行模擬驗證。在驗證結果較為理想的基礎上，進一步應用模型，對杭州市污染來源進行了解析，評估了杭州市政策規劃減排效果，為未來減排措施的制定提供參考。本文主要得出的以下幾點結論：(])本文釆用“自下而上”的方法，建立了 2010年杭州市的污染物排放清單，清單的分辨率為 2kmX2km,包含了 NOx、S02、PM10、PM25、CH4、CO、NH3等物種，涵蓋了電廠、工業、交通、民用、揚塵、秸稈燃燒等行業。研究通過文獻和調研收集各類排放源的活動水平信息及排放因子，估算得杭州市2010年排放的NOx總量為8698萬噸，S02總量為6596萬噸，PM,。總量為7961萬噸，PM2.5總量為322萬噸，CH4總量為2175萬噸，CO總量為72818萬噸，NH3總量為4576萬噸。(2)在建立的高分辨率排放清單的基礎上，采用三層網格嵌套的方法，模擬了杭州市2010年5、7、10月的各類污染物的時均濃度，其中選取5個監測站點的NO；?、S02> PM1Q觀測值與模擬值對比，對時空分布、標準偏差、年均等直線圖進行了評估。從空間分布結果可以看出，鬧市區站點和睦小學、朝暉五區、浙江農大的污染物濃度較高，在景區站臥龍橋站、云棲站污染較輕，污染受人口密度影響較為明顯。對偏差分析的結果顯示N02、S02、PM10的平均偏差分別為-4.25%、7.34%、-0.36%,模擬值與觀測值十分接近，偏差在合理的范圍內，充分證明了編制的排放源清單準確性。CMAQ模型能很好的反映杭州市的空氣污染分布狀況。
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參考文獻（略）
本文編號：8514
1.1研究背景
近年來，大氣污染極大地影響了人們的生活和健康，大氣污染開始成為人們關注的焦點。空氣污染有人為因素（機動車尾氣、工業廢氣、餐飲、民用燃煤等）和自然因素（火山爆發、龍卷風、森林火災等），主要來自人為源，尤其是交通運輸和工業燃煤等⑴。污染經由污染源排放出來，在大氣中傳播，然后引發各種環境問題。大氣污染物在空中傳輸的影響因素很多，氣象因素和地形地貌因素是其中最主要的兩個因素[2，3]。首先，氣象條件很大程度上影響了污染物擴散稀釋沉降作用。風速和風向，則決定了污染擴散的方向和混合擾動大小；濕度、雨量、云量則對污染物的清除沉降有很大影響。地形地貌對污染擴散的影響主要體現在，地面凸起物如大山、高的建筑物等會阻礙污染物的流通。
1.2空氣質量模型
從流體力學方法看，空氣質量模型可分為高斯模式、拉格朗日模型和歐拉模型，高斯模式運用潘流統計理論，采用半經驗公式模擬污染物濃度場，主要有ISC、AERMOD、ADMS等；拉格朗日模型通過追蹤流體運動軌跡來描述污染物分布變化，如OZIP/EKMA、CALPUFF等；歐拉模型在固定坐標空間內研究空間內污染物微元的運動。從數學方法上來看，空氣質量模型可分為數值模型和統計模型，前者通過抽象出數學方法來分析大氣中污染物的散傳輸和化學反應，后者在大量實驗數據基礎上建立模型統計分析污染物流動規律；從時空尺度上來講，空氣質量模型可分為全球模型，區域模型和城市尺度模型等。從20世紀60年代以來，隨著人們對大氣污染過程研究的深入，空氣質量模型也在不斷完善中，主要經歷了三代模型的演變。
………………
第二章空氣質量模型及其應用
2.1空氣質量模式系統介紹
此外，國內各研究機構也展開了建立排放清單的編制，中國環境科學研究院、中國氣象科學研究院、上海環境科學研究院、清華大學、北京大學、華南理工大學等單位也各自編制了全國或各地區城市大氣污染物的排放清單[3941]。排放源清單的編制方法主要有兩種，第一種是"自上而下”（Top-down)的方法，即指根據能源統計年鑒能源消耗、人口、GDP等信息，通過調研初略估計各地區污染物排放量，這種方法容易實施，但精度不高；第二種是“自下而上”(Buttom-up)的方法，即通過大量的實地測試測量獲取排放量，這類方法一般比較耗賽人力物力，得到的排放源數據也相對可靠。
2.2模型設置
本文研究所使用的計算平臺是在浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室的大規模并行機上建立的，本并行機上共有69個節點，每個節點上又含有8個CPU。在該服務系統上調試安裝了中尺度天氣預報模式WRF和第三代空氣質量模型CMAQo系統的Linux系統操作平臺為CentOS 64位系統，采用的Fortran編譯器為Intel Fortran編譯器，并行程序設計通過MPICH來實現。模擬用到了一些軟件支持工具包如IOAPI、NetCDF等，管理文件的輸入輸出。最終的輸出結果結合使用 了 NCL (NCAR Command Language)、Verdi 和 ArcGIS 等實現模擬數據的可視化處理和統計分析。
不同行業和污染物種而言，排放的活動水平所指內容各不一樣，排放因子隨空間和時間分布變化規律不太均勻，處理方法和技術亦不相同。研究根據察不同部門各自的能源消耗水平方式和所采取控制技術的特點，分為點源、線源和面源，編制了杭州市的本地化的污染物排放清單。
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第三章杭州市污染的模擬與驗證......... 27
3.1模擬結果時空驗證 .........27
3.2 N02、 S02、PM10 月均值對比......... 31
3.3模擬結果年均等值線 ..........37
第四章杭州市污染的來源解析.......... 40
4.1區域間相互傳輸貢獻解析..... 40
4.1.1主城區.... 40
4.1.2蕭山............ 41
第五章杭州市減排情景分析. ............47
第五章杭州市減排情景分析
5.1杭州市"十二五"污染物控制減排分析
杭州市工業源氛裝化物“十二五”期間對電廠減排措施，主要釆取新建、改建、擴建的現有燃煤機組和熱電聯產機組，監督企業在發電鍋爐設備上裝配高效低氮燃燒技術和裝置。如果低氣燃燒改造后，仍不能滿足氣裝化物總量控制要求的機組，應配置煙氣脫銷設施。最終實現單機容量超過135MW的燃煤發電機組通過實行脫確改造的脫補效率達到85%，排放濃度低于為lOOmg/m3，在燃煤機組上裝配氣最化物在線連續監測裝置，以確保設施穩定可靠運行。2010年電力熱力行業排放的氮氧化物總量為28692噸，杭州市"十二五”期間減排規劃，"十二五"期間電力熱力行業可達到的氮氧化物減排能力約20178噸。根據杭州市"十二五"期間GDP和人口增長，預計杭州市“十二五"期間蕭山區的燃煤量將會增加15噸，取燃煤的平均排污系數為1.72千克NOx/噸煤，估算得氮氣化物排放量會增加258噸。主城區和余杭地區的電廠燃煤量基本保持不變。綜合分析，杭州市“十二五”期間，電力熱力行業氣栽化物總減排量約為19920噸，2015年排放的氮氣化物總I約8772噸。
5.2杭州市未來最大減排潛力分析
在最大減排力度下，各行業部門綜合治理。電廠減排技術從兩方面展開：一是源頭治理，采用工藝改造減少生成量，如低氮燃燒（LNB)和分段燃燒等技術的使用；二是末端治理，通過選擇性非催化還原（SNCR)、選擇性催化還原（SCR)，濕法煙氣脫硫（FGD)、靜電除塵（ESP)和布袋除塵（FF)等技術進行末端治理，預計最終氣筑化物、疏化物、PM2.5減排率分別可達72.2%、54.0%、34.6%。工業鍋爐的減排技術基本與火電鍋爐相似，在2010年工業鍋爐的FGD減排技術還沒有非常普及，低氣燃燒技術已經開始應用，在最大減排力度下估算得最終氮氧化物、硫化物、細顆粒的減排能達到62.0%、74.5%、63.5%。民用部門通過降低能源需求，推廣節能減排技術。采用熱電聯產，減少生物質開放燃燒，改用沼氣天然氣太陽能等清潔能源，少用化肥，多使用生物質殘骸作為肥料。
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第六章總結與展望
本文建立了杭州市本地排放清單，以多尺度空氣質量糢型CMAQ為主要研究手段，模擬了杭州市大氣污染狀況，并與地面觀測數據進行模擬驗證。在驗證結果較為理想的基礎上，進一步應用模型，對杭州市污染來源進行了解析，評估了杭州市政策規劃減排效果，為未來減排措施的制定提供參考。本文主要得出的以下幾點結論：(])本文釆用“自下而上”的方法，建立了 2010年杭州市的污染物排放清單，清單的分辨率為 2kmX2km,包含了 NOx、S02、PM10、PM25、CH4、CO、NH3等物種，涵蓋了電廠、工業、交通、民用、揚塵、秸稈燃燒等行業。研究通過文獻和調研收集各類排放源的活動水平信息及排放因子，估算得杭州市2010年排放的NOx總量為8698萬噸，S02總量為6596萬噸，PM,。總量為7961萬噸，PM2.5總量為322萬噸，CH4總量為2175萬噸，CO總量為72818萬噸，NH3總量為4576萬噸。(2)在建立的高分辨率排放清單的基礎上，采用三層網格嵌套的方法，模擬了杭州市2010年5、7、10月的各類污染物的時均濃度，其中選取5個監測站點的NO；?、S02> PM1Q觀測值與模擬值對比，對時空分布、標準偏差、年均等直線圖進行了評估。從空間分布結果可以看出，鬧市區站點和睦小學、朝暉五區、浙江農大的污染物濃度較高，在景區站臥龍橋站、云棲站污染較輕，污染受人口密度影響較為明顯。對偏差分析的結果顯示N02、S02、PM10的平均偏差分別為-4.25%、7.34%、-0.36%,模擬值與觀測值十分接近，偏差在合理的范圍內，充分證明了編制的排放源清單準確性。CMAQ模型能很好的反映杭州市的空氣污染分布狀況。
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參考文獻（略）
本文編號：8514
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