基于CMAQ模式的兰州市重污染天气应急减排预案效果评估与优化研究

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兰州市特殊的河谷地形,静风频率高、大气逆温频繁,易形成不利扩散的气象条件,造成污染物的累积,有导致重污染天气发生的可能。为提高重污染天气应对能力,降低重污染天气造成的危害,兰州市编制了《兰州市重污染天气应急减排预案》,但减排方案制定后,对于重污染天气应急减排清单校验以及各预警等级减排方案实施后的环境质量改善程度等都尚未研究。基于此背景,本次研究对应急减排清单进行核算校验,并以第二次污染源普查数据结论作为对照,订正应急减排清单。同时使用Arcgis工具结合分辨率较高的人口、GDP、路网分布数据对MEIC大气污染源排放清单进行了局部“再分配”,达到降尺度效果,进一步耦合订正后的应急减排清单,形成高分辨率的兰州市大气污染源排放清单。同时本次研究使用FNL再分析数据,利用WRF气象模式模拟得到了研究期间较为准确的气象场文件。利用CMAQ空气质量模型进行污染物浓度场的模拟,再现了兰州市重污染天气情况下各种污染物分布情况。研究选取SO2、NO2、PM2.5、PM10四种污染因子作为分析对象,结合基准年前后兰州市AQI数据,选取三个典型污染时段进行模拟,同时设定应急减排清单中的红色、橙色、黄色预警减排情景作为实验对照组,定量评估污染时期各预警等级减排效果。本次研究根据各类应急减排清单污染物的分布特征,探寻特定排放源可能存在的减排空间,并提出相应优化的减排建议,结合理论估算,制定优化后的减排情景,进一步模拟分析优化后减排效果,为污染防治对策及空气质量保障提供方向,本次研究主要成果如下:(1)校验、复核兰州市重污染天气应急减排清单核算发现,应急减排清单中工业源部分企业存在地理位置错误、单位不统一造成的污染物排放量偏差严重、TSP计算整体偏高、工业源企业统计不完整等问题。本次研究修改了相应企业位置信息,计算订正了污染物排放量,对于企业统计不完整问题,研究通过“降尺度”的MEIC工业源清单作为补充。修正后应急工业源减排清单SO2排放量为9709.812 t/a,NOx为10682.832 t/a,VOCs为12526.187 t/a,颗粒物为41455.273 t/a。相较原始应急工业源减排清单,TSP排放量减少58.2%,SO2减少78.67%,NOx减少85.28%,VOCs减少79.38%。研究认为应急减排清单中移动源、道路扬尘源、施工扬尘源部分的排放量较为合理。(2)定量评估各应急减排情景的环境质量改善程度本次研究针对基准年前后发生的三次污染天气进行模拟,研究发现,NO2、SO2、PM2.5重污染区集中分布于主城区附近、榆中县偏北方位、主城区的西南方位。而PM10重污染区分布则呈发散状,兰州市中部及东南部均整体偏高。黄色预警减排情景,SO2、NOx排放量削减39.46%、29.75%,对应的污染因子环境质量改善程度为3.6~8.3%、4.4~9.5%;橙色预警减排情景,SO2、NOx排放量削减47.13%、46.85%,对应的污染因子环境质量改善程度为5.4~11.2%、6.4~12.5%;红色预警减排情景,SO2、NOx排放量削减47.13%、64.77%,对应的污染因子环境质量改善程度为5.8~12.4%、8.2~14.5%。同时,黄色预警减排情景,PM10、PM2.5排放量削减15.00%、10.25%,对应的污染因子环境质量改善程度为5.7~11.2%、11.4~17.3%;橙色预警减排情景,PM10、PM2.5排放量削减25.31%、20.45%,对应的污染因子环境质量改善程度为7.7~13.2%、13.6~20.7%;红色预警减排情景,PM10、PM2.5排放量削减34.47%、30.44%,对应的污染因子环境质量改善程度为9.2~15%、15.8~24.4%。(3)探寻减排空间并优化减排情景研究发现兰州市重污染天气95%以上均由PM2.5、PM10超标导致,同时NO2浓度也有偏高的情况发生,本次研究表明,兰州市PM2.5、PM10排放90%以上来自于道路扬尘源,理论估算PM2.5、PM10仍具有15~25%的减排空间。如采取“低耗供能”,电力热力源存在一定减排空间。理论估算SO2、NOx存在10~20%的减排空间,本次研究将在红色预警方案基础上进一步对NOx、SO2减排15%,PM2.5、PM10减排20%作为优化后情景进行实验。将优化后情景代入CMAQ模式进行模拟,对照基准情景,研究发现,SO2、NO2、PM2.5、PM10的重污染区环境质量改善程度依次为7.4~16.2%,9.2~17.6%,10.4~20.2%,17.8~29.4%,环境质量改善效果进一步提升。
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