基于PM2.5達(dá)標(biāo)約束的榮昌區(qū)大氣環(huán)境容量研究

艾維忠，牛晉蘭，呂平江，丁佳佳，蘇麗萍，劉 婷

（1.重慶市榮昌區(qū)生態(tài)環(huán)境局，重慶 402460；2.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147）

研究大氣環(huán)境容量的時空分布特征，全面把握大氣環(huán)境容量狀況，可為制定大氣污染治理措施提供參考。關(guān)于大氣環(huán)境容量的計算方法研究，隨著污染特性的變化，也歷經(jīng)了一系列發(fā)展。起初，環(huán)境污染源較為單一，大氣容量的計算方法以A值法或改進(jìn)的A值法為主，但是此種方法存在較大的局限性，通常對環(huán)境容量建立的指標(biāo)體系及閾值量化結(jié)果是靜態(tài)的，表達(dá)也不明確[1-3]，其研究成果尚不能直接用于指導(dǎo)環(huán)境保護(hù)工作?，F(xiàn)階段，我國區(qū)域復(fù)合型大氣污染特征顯著，亟需確定“污染排放”與“質(zhì)量改善”間的定量關(guān)系。模型試算法更為適用，尤其是基于WRF（Weather Research and Forecasting Model） - CMAQ （The Community Multiscale Air Quality）模型的空氣質(zhì)量數(shù)值模擬[4-5]是識別污染源貢獻(xiàn)以及估算大氣環(huán)境容量的重要方法。這一方法既考慮了區(qū)域污染排放的影響，也考慮了區(qū)域污染傳輸及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的影響。

榮昌區(qū)位地處川、渝、黔“西三角”，成渝經(jīng)濟(jì)帶的腹心，是重慶市制造業(yè)增長的核心區(qū)域，是串聯(lián)川東北、渝西、川南三大城鎮(zhèn)群的銜接點。在城市快速發(fā)展的同時，環(huán)境問題愈演愈烈，特別是空氣質(zhì)量問題成為關(guān)注熱點。2017年榮昌區(qū)PM10，PM2.5兩項指標(biāo) 監(jiān)測年均值為 76 μg/m3和60 μg/m3，分別超標(biāo)0.08倍和0.71 倍，均未達(dá)到國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）限值要求。以PM2.5為代表的復(fù)合型污染逐步凸顯，大氣環(huán)境問題的復(fù)雜程度前所未有，對污染物排放控制與環(huán)境質(zhì)量改善兩者響應(yīng)關(guān)系要求更加剛性，對污染源解析、污染源清單、污染物排放控制策略、環(huán)境防控綜合政策等提出了更加嚴(yán)格的要求。本研究以PM2.5達(dá)標(biāo)為約束條件，采用模擬迭代法[6-7]對榮昌區(qū)大氣環(huán)境容量的時空分布進(jìn)行分析，把握全區(qū)大氣環(huán)境容量狀況，為榮昌區(qū)制定科學(xué)性、系統(tǒng)性的大氣污染治理措施提供參考。

1 研究區(qū)域概況

榮昌區(qū)位于重慶市西部，地理位置為東經(jīng)105°17′～105°44′，北緯29°15′～29°41′。轄區(qū)南北長44.3 km，東西寬39.1 km，幅員面積1 076.71 km2。全區(qū)范圍內(nèi)涉及21 個鎮(zhèn)街，板橋、廣富、榮隆3 個工業(yè)園區(qū)，常住人口約為71 萬人，城鎮(zhèn)化率54.82%，內(nèi)設(shè)環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測點兩個，分別為香國公園和榮昌中學(xué)，見圖1。

圖1 重慶市榮昌區(qū)行政區(qū)劃圖Fig.1 Administrative map of Rongchang, Chongqing

2 研究方法

2.1 技術(shù)路線

空氣質(zhì)量數(shù)值模擬是污染源貢獻(xiàn)識別以及模型迭代估算大氣環(huán)境容量的基礎(chǔ)。本文采用CMAQ模型計算榮昌區(qū)大氣環(huán)境容量，即通過模型輸入污染源排放量和環(huán)境質(zhì)量之間的響應(yīng)關(guān)系，計算得到PM2.5等復(fù)合性大氣污染指標(biāo)約束下的多污染物的環(huán)境容量?；赑M2.5年均濃度達(dá)標(biāo)，來核算榮昌區(qū)SO2、NOx以及顆粒物等大氣污染物的環(huán)境容量，具體技術(shù)路線見圖2。

圖2 大氣環(huán)境容量模擬技術(shù)路線圖Fig.2 Technical roadmap for simulation of the atmospheric environment capacity

2.2 模型設(shè)置

WRF模式系統(tǒng)是由美國國家大氣研究中心（National Center For Atmo-spheric Research，NCAR）、美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）、預(yù)報系統(tǒng)實驗室（Forecast System Laboratory，F(xiàn)SL）/美國國家海洋和大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）等研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)共同研發(fā)的新一代中尺度數(shù)值模式。CMAQ 是美國環(huán)保署（United states Environmental Protection Ageney，USEPA）發(fā)展的第3代空氣質(zhì)量模式，是一個三維歐拉大氣化學(xué)傳輸系統(tǒng)。本研究采用WRF 和CMAQ 單向耦合模式，即三維氣象場由WRF 模式輸出結(jié)果提供，經(jīng)氣象—化學(xué)預(yù)處理模塊MCIP 處理后用于驅(qū)動CMAQ 化學(xué)傳輸模式。其中：WRF模式采用蘭伯特投影坐標(biāo)，網(wǎng)格設(shè)置采用3 重嵌套，垂直層均為28層。第一層模擬區(qū)域覆蓋中國西南地區(qū)，網(wǎng)格分辨率為27 km；第二層模擬區(qū)域覆蓋重慶市全境，網(wǎng)格分辨率為9 km；第三層模擬區(qū)域主要覆蓋渝西片區(qū)，網(wǎng)格分辨率3 km。CMAQ模擬區(qū)域略小于WRF 模擬區(qū)域，網(wǎng)格設(shè)置采用雙重嵌套，第一層模擬區(qū)域覆蓋重慶市全域，網(wǎng)格分辨率為9 km；第二層模擬區(qū)域覆蓋榮昌區(qū)全境，網(wǎng)格分辨率為3 km；模擬區(qū)域垂直方向共設(shè)置9個氣壓層，層間距自下而上逐漸增大。模擬時段以2016年為基準(zhǔn)年，選取1、4、7、10 四個典型月份，分別代表冬季、春季、夏季和秋季，模擬時間間隔為1 h。4 個月份的平均值代表全年平均。各模擬月前5 天模擬時間作為“spin-up”時間，以減少初始條件的影響效益。

2.3 數(shù)據(jù)來源

CMAQ 模型所需的化學(xué)種類主要包括SO2、NOx、顆粒物 （PM10，PM2.5及其組分）、NH3和VOCs（含主要組分）等多種污染物。本研究中，榮昌區(qū)范圍內(nèi)的SO2，NOx，PM10，PM2.5，VOCs和NH3采用本地排放數(shù)據(jù)，其他組分中人為源排放數(shù)據(jù)采用2012年清華大學(xué)MEIC排放清單，生物源VOCs組分源于全球排放清單GEIA。

榮昌區(qū)大氣污染源排放清單主要考慮六大類人為源的排放，包括工業(yè)源、交通源、生活源、揚(yáng)塵源、農(nóng)業(yè)源、其他源。2016年榮昌區(qū)不同大氣污染物排放總量分別為：SO2為8 404.2 t，NOx為7 652.9 t，PM10為9 950.1 t，PM2.5為5 382.6 t，VOCs為7 652.6 t，NH3為3 326.8 t，各類污染物來源及空間分布如圖3 和圖4 所示。從污染物來源來看，SO2及NOx的主要排放源為工業(yè)源；PM10的主要排放源為揚(yáng)塵源和工業(yè)源；PM2.5的主要排放源為工業(yè)源和農(nóng)業(yè)源；VOCs 主要排放源為工業(yè)源和農(nóng)業(yè)源；NH3的主要排放源為農(nóng)業(yè)源。從污染物分布空間來看，昌州街道、廣順街道的SO2，NOx，PM10，PM2.5，VOCs 和NH3排放普遍要高于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)，且排放較為集中。其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大氣污染物排放則較為分散。從環(huán)境管理角度來說，昌州街道和廣順街道應(yīng)是大氣環(huán)境污染防控的重點區(qū)域。

圖3 榮昌區(qū)主要污染物排放源Fig.3 The major pollution sources of Rongchang District

3 結(jié)果與討論

3.1 氣象場驗證與評估

氣象條件是影響大氣污染特征的重要因素之一，也是空氣質(zhì)量模型模擬大氣污染特性的重要輸入資料，準(zhǔn)確的氣象場輸入是保證化學(xué)場模擬質(zhì)量的重要前提[8]。

本研究中，WRF 輸出計算結(jié)果經(jīng)ARWpost 插值處理后，可得到不同等壓面風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對濕度和邊界層高度及降水量等氣象要素。提取榮昌區(qū)氣象站點坐標(biāo)位置的風(fēng)速模擬結(jié)果與氣象資料統(tǒng)計結(jié)果對比，如表1 所示。模型計算值與2016年統(tǒng)計值較為符合，說明模型模擬結(jié)果可以較好地反映榮昌區(qū)氣象場的變化趨勢，同時也可作為CMAQ 化學(xué)傳輸場計算的輸入條件。

表1 模擬的10 m風(fēng)速月平均值與歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的比較Tab.1 Comparison of simulated monthly average 10 m wind speed with historical statistics

榮昌區(qū)污染典型月 （2016年1月、4月、7月和10月）的邊界層高度分布如圖5 所示。不同季節(jié)邊界層高度略有不同。1月榮昌區(qū)大氣邊界層高度多為260 m 以下，擴(kuò)散條件相對較差。7月整體上邊界層高度在450 m 以上，擴(kuò)散條件相對較好。因此榮昌區(qū)春夏季節(jié)的大氣擴(kuò)散條件要好于秋冬季節(jié)，同時也說明了環(huán)境空氣污染易出現(xiàn)在秋冬季節(jié)。

圖5 不同季節(jié)邊界層高度空間分布Fig.5 Spatial distributions of the boundary layer height in different seasons

3.2 化學(xué)傳輸場驗證與評估

模型模擬結(jié)果驗證采用榮昌區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量站2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)來自榮昌區(qū)中學(xué)監(jiān)測站點。驗證結(jié)果如圖6所示。榮昌中學(xué)站點SO2、NO2、PM10及PM2.5月均濃度的模擬值與監(jiān)測值具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.72，0.64，0.61 和0.64（P＜0.01），表明此模型所建立的污染排放與大氣環(huán)境質(zhì)量響應(yīng)關(guān)系較為可信，亦可用于區(qū)域環(huán)境容量核算。

圖6 模型模擬的污染物月均濃度與榮昌中學(xué)監(jiān)測點觀測結(jié)果的對比驗證Fig.6 Comparison of monthly mean pollutants concentrations as model-simulated and measured at Rongchang High School

大氣污染物的濃度分布與污染源排放強(qiáng)度的空間分布和排放特征，以及氣象因素（風(fēng)場等）等有直接的關(guān)系。2016年榮昌區(qū)各指標(biāo)（SO2，NO2，PM10，PM2.5）年均質(zhì)量濃度模擬結(jié)果空間分布如圖7 所示。4 個主要指標(biāo)年均值濃度空間分布表現(xiàn)出明顯的差異。分析可知：SO2的空間分布主要受本地排放影響，質(zhì)量濃度最高區(qū)域位于昌州街道和昌元街道；NO2的分布受周邊外源排放影響，質(zhì)量濃度最高區(qū)域位于峰高街道；PM10的空間分布受到本地源和外源排放雙重影響，質(zhì)量濃度最高區(qū)域位于榮昌區(qū)西北部；PM2.5的分布受周邊外源排放影響，質(zhì)量濃度最高區(qū)域位于榮昌區(qū)南部。

3.3 環(huán)境容量評估

考慮PM2.5實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，年均質(zhì)量濃度小于35 μg/m3，其余指標(biāo)年均質(zhì)量濃度保持或優(yōu)于現(xiàn)狀質(zhì)量濃度的情景下，利用前述方法對榮昌區(qū)的大氣環(huán)境容量進(jìn)行核算，具體結(jié)果見表2。分析可知，榮昌區(qū)要實現(xiàn)PM2.5穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，各個主要指標(biāo)需要協(xié)同削減，其中：NOx削減量最大，為2 300 t；一次PM2.5削減比例最高，為35.1%。

表2 大氣環(huán)境容量計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of the atmospheric environmental capacity

圖7 模型模擬的年均污染物濃度的空間分布Fig.7 Spatial distributions of the simulated annual mean pollutants concentrations

考慮到各鎮(zhèn)街自然資源以及氣象條件有所差異，以PM2.5為例，根據(jù)修正A值法[9]計算得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)對應(yīng)的大氣環(huán)境容量，詳見圖8。分析可知，大氣環(huán)境容量排名前三的鎮(zhèn)街依次是盤龍鎮(zhèn)、雙河街道、昌州街道；排名后三的依次是清江鎮(zhèn)、龍集鎮(zhèn)、萬靈街道。

圖8 榮昌區(qū)各個鎮(zhèn)街容量結(jié)果Fig.8 The carrying capacity of the different towns in Rongchang District

3.4 不確定性分析

排放清單、氣象場、選擇不同的控制點及空氣質(zhì)量模型等均可能導(dǎo)致模型計算結(jié)果的不確定性[7，10]。本研究中的不確定性主要來自以下兩個方面：

（1）氣象條件，本研究中基于2016年的氣象場，選取四個典型代表月份對榮昌區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行模擬，結(jié)果僅可以代表2016年氣象條件下榮昌區(qū)的大氣環(huán)境承載力。未充分考慮極端天氣對污染物傳輸過程的影響，進(jìn)一步研究中，有必要對極端天氣進(jìn)行分析，研究此種條件下大氣環(huán)境承載力的變化。

（2）本地化排放清單，一套完整的大氣污染物排放清單應(yīng)覆蓋化石燃料固定燃燒、工藝過程、移動源、溶劑使用、揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒和農(nóng)業(yè)等排放源。受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集限制，本研究中，僅榮昌區(qū)范圍內(nèi)的主要組分采用本地排放數(shù)據(jù)，其他組分中人為源排放數(shù)據(jù)采用2012年清華大學(xué)MEIC排放清單，生物源VOCs 組分源于全球排放清單GEIA，計算結(jié)果可能與榮昌區(qū)實際情況存在一定差異。

4 結(jié)論

（1）榮昌區(qū)氣象場邊界層模擬結(jié)果顯示，冬季1月大氣邊界層高度遠(yuǎn)小于其他月份，擴(kuò)散條件相對較差，說明了環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)月份更易發(fā)生在秋冬季節(jié)。

（2）不同污染因子的空間分布及其主要影響源各有不同，其中：SO2的空間分布主要受本地排放影響，濃度最高區(qū)域位于昌州街道和昌元街道；NO2的分布受周邊外源排放影響，濃度最高區(qū)域位于峰高街道；PM10的空間分布受到本地源和外源排放雙重影響，濃度最高區(qū)域位于榮昌區(qū)西北部；PM2.5的分布受周邊外源排放影響，濃度最高區(qū)域位于榮昌區(qū)南部。

（3）采用CMAQ 模型估算了榮昌區(qū)2016年大氣環(huán)境容量，在考慮PM2.5實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情形下，全區(qū) SO2，NOx，一次 PM2.5，VOCs，NH3的容量值分別為7 200 t，5 400 t，3 500 t，5 800 t和3 100 t。在現(xiàn)狀排放基礎(chǔ)上，各個指標(biāo)均需要削減，其中：SO2削減量為1 200 t，NOx削減量為2 300 t，一次PM2.5削減量為 1 900 t， VOCs 削減量為 1 900 t，NH3削減量為200 t。