区域多尺度空气质量模型在杭州市大气污染模式分析中的应用
发布时间：2014-08-29 08:42
第一章绪论
1.1研究背景
近年来，大气污染极大地影响了人们的生活和健康，大气污染开始成为人们关注的焦点。空气污染有人为因素（机动车尾气、工业废气、餐饮、民用燃煤等）和自然因素（火山爆发、龙卷风、森林火灾等），主要来自人为源，尤其是交通运输和工业燃煤等⑴。污染经由污染源排放出来，在大气中传播，然后引发各种环境问题。大气污染物在空中传输的影响因素很多，气象因素和地形地貌因素是其中最主要的两个因素[2，3]。首先，气象条件很大程度上影响了污染物扩散稀释沉降作用。风速和风向，则决定了污染扩散的方向和混合扰动大小；湿度、雨量、云量则对污染物的清除沉降有很大影响。地形地貌对污染扩散的影响主要体现在，地面凸起物如大山、高的建筑物等会阻碍污染物的流通。
1.2空气质量模型
从流体力学方法看，空气质量模型可分为高斯模式、拉格朗日模型和欧拉模型，高斯模式运用潘流统计理论，采用半经验公式模拟污染物浓度场，主要有ISC、AERMOD、ADMS等；拉格朗日模型通过追踪流体运动轨迹来描述污染物分布变化，如OZIP/EKMA、CALPUFF等；欧拉模型在固定坐标空间内研究空间内污染物微元的运动。从数学方法上来看，空气质量模型可分为数值模型和统计模型，前者通过抽象出数学方法来分析大气中污染物的散传输和化学反应，后者在大量实验数据基础上建立模型统计分析污染物流动规律；从时空尺度上来讲，空气质量模型可分为全球模型，区域模型和城市尺度模型等。从20世纪60年代以来，随着人们对大气污染过程研究的深入，空气质量模型也在不断完善中，主要经历了三代模型的演变。
………………
第二章空气质量模型及其应用
2.1空气质量模式系统介绍
此外，国内各研究机构也展开了建立排放清单的编制，中国环境科学研究院、中国气象科学研究院、上海环境科学研究院、清华大学、北京大学、华南理工大学等单位也各自编制了全国或各地区城市大气污染物的排放清单[3941]。排放源清单的编制方法主要有两种，第一种是"自上而下”（Top-down)的方法，即指根据能源统计年鉴能源消耗、人口、GDP等信息，通过调研初略估计各地区污染物排放量，这种方法容易实施，但精度不高；第二种是“自下而上”(Buttom-up)的方法，即通过大量的实地测试测量获取排放量，这类方法一般比较耗赛人力物力，得到的排放源数据也相对可靠。
2.2模型设置
本文研究所使用的计算平台是在浙江大学能源清洁利用国家重点实验室的大规模并行机上建立的，本并行机上共有69个节点，每个节点上又含有8个CPU。在该服务系统上调试安装了中尺度天气预报模式WRF和第三代空气质量模型CMAQo系统的Linux系统操作平台为CentOS 64位系统，采用的Fortran编译器为Intel Fortran编译器，并行程序设计通过MPICH来实现。模拟用到了一些软件支持工具包如IOAPI、NetCDF等，管理文件的输入输出。最终的输出结果结合使用 了 NCL (NCAR Command Language)、Verdi 和 ArcGIS 等实现模拟数据的可视化处理和统计分析。
不同行业和污染物种而言，排放的活动水平所指内容各不一样，排放因子随空间和时间分布变化规律不太均匀，处理方法和技术亦不相同。研究根据察不同部门各自的能源消耗水平方式和所采取控制技术的特点，分为点源、线源和面源，编制了杭州市的本地化的污染物排放清单。
…………
第三章杭州市污染的模拟与验证......... 27
3.1模拟结果时空验证 .........27
3.2 N02、 S02、PM10 月均值对比......... 31
3.3模拟结果年均等值线 ..........37
第四章杭州市污染的来源解析.......... 40
4.1区域间相互传输贡献解析..... 40
4.1.1主城区.... 40
4.1.2萧山............ 41
第五章杭州市减排情景分析. ............47
第五章杭州市减排情景分析
5.1杭州市"十二五"污染物控制减排分析
杭州市工业源氛装化物“十二五”期间对电厂减排措施，主要釆取新建、改建、扩建的现有燃煤机组和热电联产机组，监督企业在发电锅炉设备上装配高效低氮燃烧技术和装置。如果低氣燃烧改造后，仍不能满足氣装化物总量控制要求的机组，应配置烟气脱销设施。最终实现单机容量超过135MW的燃煤发电机组通过实行脱确改造的脱補效率达到85%，排放浓度低于为lOOmg/m3，在燃煤机组上装配氣最化物在线连续监测装置，以确保设施稳定可靠运行。2010年电力热力行业排放的氮氧化物总量为28692吨，杭州市"十二五”期间减排规划，"十二五"期间电力热力行业可达到的氮氧化物减排能力约20178吨。根据杭州市"十二五"期间GDP和人口增长，预计杭州市“十二五"期间萧山区的燃煤量将会增加15吨，取燃煤的平均排污系数为1.72千克NOx/吨煤，估算得氮氣化物排放量会增加258吨。主城区和余杭地区的电厂燃煤量基本保持不变。综合分析，杭州市“十二五”期间，电力热力行业氣栽化物总减排量约为19920吨，2015年排放的氮氣化物总I约8772吨。
5.2杭州市未来最大减排潜力分析
在最大减排力度下，各行业部门综合治理。电厂减排技术从两方面展开：一是源头治理，采用工艺改造减少生成量，如低氮燃烧（LNB)和分段燃烧等技术的使用；二是末端治理，通过选择性非催化还原（SNCR)、选择性催化还原（SCR)，湿法烟气脱硫（FGD)、静电除尘（ESP)和布袋除尘（FF)等技术进行末端治理，预计最终氣筑化物、疏化物、PM2.5减排率分别可达72.2%、54.0%、34.6%。工业锅炉的减排技术基本与火电锅炉相似，在2010年工业锅炉的FGD减排技术还没有非常普及，低氣燃烧技术已经开始应用，在最大减排力度下估算得最终氮氧化物、硫化物、细颗粒的减排能达到62.0%、74.5%、63.5%。民用部门通过降低能源需求，推广节能减排技术。采用热电联产，减少生物质开放燃烧，改用沼气天然气太阳能等清洁能源，少用化肥，多使用生物质残骸作为肥料。
.............
第六章总结与展望
本文建立了杭州市本地排放清单，以多尺度空气质量糢型CMAQ为主要研究手段，模拟了杭州市大气污染状况，并与地面观测数据进行模拟验证。在验证结果较为理想的基础上，进一步应用模型，对杭州市污染来源进行了解析，评估了杭州市政策规划减排效果，为未来减排措施的制定提供参考。本文主要得出的以下几点结论：(])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单，清单的分辨率为 2kmX2km,包含了 NOx、S02、PM10、PM25、CH4、CO、NH3等物种，涵盖了电厂、工业、交通、民用、扬尘、秸秆燃烧等行业。研究通过文献和调研收集各类排放源的活动水平信息及排放因子，估算得杭州市2010年排放的NOx总量为8698万吨，S02总量为6596万吨，PM,。总量为7961万吨，PM2.5总量为322万吨，CH4总量为2175万吨，CO总量为72818万吨，NH3总量为4576万吨。(2)在建立的高分辨率排放清单的基础上，采用三层网格嵌套的方法，模拟了杭州市2010年5、7、10月的各类污染物的时均浓度，其中选取5个监测站点的NO；?、S02> PM1Q观测值与模拟值对比，对时空分布、标准偏差、年均等直线图进行了评估。从空间分布结果可以看出，闹市区站点和睦小学、朝晖五区、浙江农大的污染物浓度较高，在景区站卧龙桥站、云栖站污染较轻，污染受人口密度影响较为明显。对偏差分析的结果显示N02、S02、PM10的平均偏差分别为-4.25%、7.34%、-0.36%,模拟值与观测值十分接近，偏差在合理的范围内，充分证明了编制的排放源清单准确性。CMAQ模型能很好的反映杭州市的空气污染分布状况。
………
参考文献（略）
本文编号：8514
1.1研究背景
近年来，大气污染极大地影响了人们的生活和健康，大气污染开始成为人们关注的焦点。空气污染有人为因素（机动车尾气、工业废气、餐饮、民用燃煤等）和自然因素（火山爆发、龙卷风、森林火灾等），主要来自人为源，尤其是交通运输和工业燃煤等⑴。污染经由污染源排放出来，在大气中传播，然后引发各种环境问题。大气污染物在空中传输的影响因素很多，气象因素和地形地貌因素是其中最主要的两个因素[2，3]。首先，气象条件很大程度上影响了污染物扩散稀释沉降作用。风速和风向，则决定了污染扩散的方向和混合扰动大小；湿度、雨量、云量则对污染物的清除沉降有很大影响。地形地貌对污染扩散的影响主要体现在，地面凸起物如大山、高的建筑物等会阻碍污染物的流通。
1.2空气质量模型
从流体力学方法看，空气质量模型可分为高斯模式、拉格朗日模型和欧拉模型，高斯模式运用潘流统计理论，采用半经验公式模拟污染物浓度场，主要有ISC、AERMOD、ADMS等；拉格朗日模型通过追踪流体运动轨迹来描述污染物分布变化，如OZIP/EKMA、CALPUFF等；欧拉模型在固定坐标空间内研究空间内污染物微元的运动。从数学方法上来看，空气质量模型可分为数值模型和统计模型，前者通过抽象出数学方法来分析大气中污染物的散传输和化学反应，后者在大量实验数据基础上建立模型统计分析污染物流动规律；从时空尺度上来讲，空气质量模型可分为全球模型，区域模型和城市尺度模型等。从20世纪60年代以来，随着人们对大气污染过程研究的深入，空气质量模型也在不断完善中，主要经历了三代模型的演变。
………………
第二章空气质量模型及其应用
2.1空气质量模式系统介绍
此外，国内各研究机构也展开了建立排放清单的编制，中国环境科学研究院、中国气象科学研究院、上海环境科学研究院、清华大学、北京大学、华南理工大学等单位也各自编制了全国或各地区城市大气污染物的排放清单[3941]。排放源清单的编制方法主要有两种，第一种是"自上而下”（Top-down)的方法，即指根据能源统计年鉴能源消耗、人口、GDP等信息，通过调研初略估计各地区污染物排放量，这种方法容易实施，但精度不高；第二种是“自下而上”(Buttom-up)的方法，即通过大量的实地测试测量获取排放量，这类方法一般比较耗赛人力物力，得到的排放源数据也相对可靠。
2.2模型设置
本文研究所使用的计算平台是在浙江大学能源清洁利用国家重点实验室的大规模并行机上建立的，本并行机上共有69个节点，每个节点上又含有8个CPU。在该服务系统上调试安装了中尺度天气预报模式WRF和第三代空气质量模型CMAQo系统的Linux系统操作平台为CentOS 64位系统，采用的Fortran编译器为Intel Fortran编译器，并行程序设计通过MPICH来实现。模拟用到了一些软件支持工具包如IOAPI、NetCDF等，管理文件的输入输出。最终的输出结果结合使用 了 NCL (NCAR Command Language)、Verdi 和 ArcGIS 等实现模拟数据的可视化处理和统计分析。
不同行业和污染物种而言，排放的活动水平所指内容各不一样，排放因子随空间和时间分布变化规律不太均匀，处理方法和技术亦不相同。研究根据察不同部门各自的能源消耗水平方式和所采取控制技术的特点，分为点源、线源和面源，编制了杭州市的本地化的污染物排放清单。
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第三章杭州市污染的模拟与验证......... 27
3.1模拟结果时空验证 .........27
3.2 N02、 S02、PM10 月均值对比......... 31
3.3模拟结果年均等值线 ..........37
第四章杭州市污染的来源解析.......... 40
4.1区域间相互传输贡献解析..... 40
4.1.1主城区.... 40
4.1.2萧山............ 41
第五章杭州市减排情景分析. ............47
第五章杭州市减排情景分析
5.1杭州市"十二五"污染物控制减排分析
杭州市工业源氛装化物“十二五”期间对电厂减排措施，主要釆取新建、改建、扩建的现有燃煤机组和热电联产机组，监督企业在发电锅炉设备上装配高效低氮燃烧技术和装置。如果低氣燃烧改造后，仍不能满足氣装化物总量控制要求的机组，应配置烟气脱销设施。最终实现单机容量超过135MW的燃煤发电机组通过实行脱确改造的脱補效率达到85%，排放浓度低于为lOOmg/m3，在燃煤机组上装配氣最化物在线连续监测装置，以确保设施稳定可靠运行。2010年电力热力行业排放的氮氧化物总量为28692吨，杭州市"十二五”期间减排规划，"十二五"期间电力热力行业可达到的氮氧化物减排能力约20178吨。根据杭州市"十二五"期间GDP和人口增长，预计杭州市“十二五"期间萧山区的燃煤量将会增加15吨，取燃煤的平均排污系数为1.72千克NOx/吨煤，估算得氮氣化物排放量会增加258吨。主城区和余杭地区的电厂燃煤量基本保持不变。综合分析，杭州市“十二五”期间，电力热力行业氣栽化物总减排量约为19920吨，2015年排放的氮氣化物总I约8772吨。
5.2杭州市未来最大减排潜力分析
在最大减排力度下，各行业部门综合治理。电厂减排技术从两方面展开：一是源头治理，采用工艺改造减少生成量，如低氮燃烧（LNB)和分段燃烧等技术的使用；二是末端治理，通过选择性非催化还原（SNCR)、选择性催化还原（SCR)，湿法烟气脱硫（FGD)、静电除尘（ESP)和布袋除尘（FF)等技术进行末端治理，预计最终氣筑化物、疏化物、PM2.5减排率分别可达72.2%、54.0%、34.6%。工业锅炉的减排技术基本与火电锅炉相似，在2010年工业锅炉的FGD减排技术还没有非常普及，低氣燃烧技术已经开始应用，在最大减排力度下估算得最终氮氧化物、硫化物、细颗粒的减排能达到62.0%、74.5%、63.5%。民用部门通过降低能源需求，推广节能减排技术。采用热电联产，减少生物质开放燃烧，改用沼气天然气太阳能等清洁能源，少用化肥，多使用生物质残骸作为肥料。
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第六章总结与展望
本文建立了杭州市本地排放清单，以多尺度空气质量糢型CMAQ为主要研究手段，模拟了杭州市大气污染状况，并与地面观测数据进行模拟验证。在验证结果较为理想的基础上，进一步应用模型，对杭州市污染来源进行了解析，评估了杭州市政策规划减排效果，为未来减排措施的制定提供参考。本文主要得出的以下几点结论：(])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单，清单的分辨率为 2kmX2km,包含了 NOx、S02、PM10、PM25、CH4、CO、NH3等物种，涵盖了电厂、工业、交通、民用、扬尘、秸秆燃烧等行业。研究通过文献和调研收集各类排放源的活动水平信息及排放因子，估算得杭州市2010年排放的NOx总量为8698万吨，S02总量为6596万吨，PM,。总量为7961万吨，PM2.5总量为322万吨，CH4总量为2175万吨，CO总量为72818万吨，NH3总量为4576万吨。(2)在建立的高分辨率排放清单的基础上，采用三层网格嵌套的方法，模拟了杭州市2010年5、7、10月的各类污染物的时均浓度，其中选取5个监测站点的NO；?、S02> PM1Q观测值与模拟值对比，对时空分布、标准偏差、年均等直线图进行了评估。从空间分布结果可以看出，闹市区站点和睦小学、朝晖五区、浙江农大的污染物浓度较高，在景区站卧龙桥站、云栖站污染较轻，污染受人口密度影响较为明显。对偏差分析的结果显示N02、S02、PM10的平均偏差分别为-4.25%、7.34%、-0.36%,模拟值与观测值十分接近，偏差在合理的范围内，充分证明了编制的排放源清单准确性。CMAQ模型能很好的反映杭州市的空气污染分布状况。
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参考文献（略）
本文编号：8514
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huanjinggongchenglunwen/8514.html
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