大氣環境數值模擬在煤炭礦區規劃環評中的應用研究

第３９卷第１ｏ期

２０１４年１０月

環境科學與管理

ｅｎｖⅱｔｏｎｍ眶ｎｔａｌ　ｓｃ皿

０ｃｔ．２０１４

文章編號一０１７９一ｏ６

大氣環境數值模擬在煤炭礦區規劃環評中的應用研究

閭柳青，李偉，閆瑞鋒

（山西大學環境與資源學院，山西太原０３０００６）

摘要：為解決煤炭礦區的區域性複合型大氣汙染問題和**煤炭礦區規劃的大氣環境影響評價技術方法，本

文以山西省陽泉礦區為例，通過對比不同模型，選用ｃａｌｐｕｆｆ模型模擬了２０１３年陽泉礦區及周邊地區的大氣汙染特徵，分析汙染物超標原因並優化了汙染源布局，最後對遠期規劃實施後不同布局下的環境質量進行**對比。結果表明，ｃａｌｐｕｆｆ模型可應用於煤炭礦區大氣環境質量模擬，礦區總體規劃實施以來，研究區內的ｐｍ，。和ｎｏ　濃度均達國家二級標準，但是部分地區的ｓｏ２濃度超標。

通過優化布局可有效提高環境質量，使得現狀及遠期規劃實施完成後的常規汙染物年均濃度值均穩定滿足國家二級標準。關鍵詞：ｃａｌｐｕｆｆ模型；規劃環評；大氣環境影響評價中圖分類號：

ｘ８３１

文獻標誌碼：ａ

目前，中國的區域性複合型大氣汙染現象突都有較大突破，但應用技術方法研究仍見不足，針對出…，為此中國正在構建「排放控制、總量控制、質不同型別的規劃物件提出相應的技術方法的研究較量控制」相結合的區域大氣汙染防治模式口ｊ，重點少。目前規劃環評研究的難點多集中於環境評價與是在總量控制的基礎上關注區域大氣環境質量，而不同型別規劃的理論與技術結合問題。因此，。

規劃環境影響評價（規劃領域的技術方法合理引人到規劃環評中已成為中國環評）可從全域性角度分析區域汙染物的排放情況，

環境工作者亟待解決的問題。

，從而響評價最常用的方法之一，**其在規劃環評中的把控區域大氣環境質量的變化趨勢。中國的規劃環應用具有重要意義。國外學者已將多種物理的、數評起步較晚，雖然規劃環評的理論、制度和技術研究

學的、統計的數值模擬技術應用於規劃環評領域ｌ３ｊ。中國也有多位學者將不同的大氣環境數值

收稿日期

模擬方法應用於不同型別的規劃環評中一。但文

作者簡介：閻柳青（１９８８～），女，碩士，主要從事環境規劃與環境影響

獻中較少有大氣環境數值模擬應用於煤炭礦區規劃評價研究工作。

環評的例項研究，尤其鑑於山西省煤炭礦區覆蓋面

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３９￣２。１４年

１０期１。月

閻柳青等

大氣環境數值模擬在煤炭礦區規劃環評中的應用研究

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積大且大多跨行政區域建設、汙染源調查困難、所處地形複雜等特點，使得其規劃環評工作更具挑戰性和必要性。本文以山西省陽泉礦區總體規劃為例，應用大氣環境數值模擬技術分析研究區汙染分布情

本文選擇山西省陽泉礦區為研究物件，陽泉礦區位於山西省陽泉市和晉中市，規劃面積約５　３７５

ｋｍ　，陽泉礦區總體規劃實施至２０１３年到中期階段，仍有２０１５年後的遠期規劃尚未實施。研究區位置、汙染源分布、自然保護區和城鎮規劃區分布如圖１所示。根據ｃａｌｐｕｆｆ模型的引數要求，收集了地

況，並根據大氣模擬結果，調整規劃布局，達到環境目標要求。

１模型選擇

大氣環境數值模擬的核心是大氣汙染物的擴散形、土地利用、氣象資料及汙染源資料。其中，地形

高程資料採用美國地質勘探局的ｓｒｔｍ３資料，分辨

率為９０　ｍ，土地利用、植被**及地表粗糙度資料模式。自１９７０年以來　ｊ，大氣汙染物擴散模式理論經歷了高斯模式、統計模式、拉格朗日型模式、尤拉型模式和混合模式等發展階段，相應的大氣質量模型也有了飛躍性發展。其中比較常見的模型有以及

ｃｍａｑ模型。各模型的特點分析如表１所示。

陽泉礦區面積約範圍較廣。礦區內地貌型別為典型的黃土覆蓋山地高原，河谷縱橫，地形複雜。礦區內汙染源型別多且複雜，包含礦井及煤炭產業鏈下游的電力、化工及其他能源轉化型汙染源。

針對陽泉礦區特點並結合各模型的優缺點，認為考慮了複雜地形動力學、坡面流、地面阻塞效應、大氣湍流和浮力抬公升以及建築物下洗效應等的ｃａｌｐｕｆｆ

模型比較適合陽泉礦區的大氣環境影響評價。

２資料**及引數設定

２．１資料**

圖１研究區概況圖

１８０均**於美國地調局解析度為１ｋｍ的資料並結合實地調查進行修正。氣象資料為ｍｍ５模擬資料與地面站氣象資料相結合，ｍｍ５氣象模擬資料解析度為９　ｋｍ，地面站資料根據資料可獲性選擇了評價範圍內的２個地面觀測

站，資料來自中國氣象科學資料共享服務網汙染源資料資料來自汙染源調查統計。區域環境監測資料**於２０１３年陽泉、晉中環境監測站統計資料。２．２模型引數設定

本次評價範圍為礦區邊界外擴１５　ｋｍ區域，評

價區域面積為計算網格解析度

為１ｋｍ。模型模擬時間為２０１２年１２月３１日０時至２０１３年ｌ２月３１１３　２３時，模擬時間步長為１小時。模擬的汙染物為ｎｏ　、ｐｍ。和ｓｏ　。所設定的

受體網格解析度為２　ｋｍ，其中設定環境監測站點位置為離散受體，共９個。

ｃａｌｍｅｔ模型使用ｍｍ５模式模擬資料產生第

一步風場，並通過氣象站資料提供的觀測資料進行加權係數設定以及平滑處理步驟產生最終風場。

ｃａｌｐｕｆｆ模型的使用考慮了長距離傳輸及沉

降；最大混合層高度設為３０００　ｍ；考慮煙羽抬公升及部分煙羽滲透；考慮煙囪頂下洗和建築物下洗；地形

調整方案為部分煙羽路徑調整；不考慮一次汙染物轉化。（見表１）

３模型驗證及結果分析

３．１模型驗證

本文使用ｃａｌｐｕｆｆ模型對２０１３年陽泉礦區常規汙染物（ｎｏ　ｐｍ　。和ｓｏ：）逐時濃度分布進行了模擬，並利用研究區內９個監測站點的月均濃度實測資料對模擬結果進行驗證。

利用獲得的１０８個樣本值分別計算統計評估指標相關係數（ｒ）、平均偏差（ｆ）以及模擬值在觀測值兩倍範圍內的百分比

（ｆａｃ２），評價模擬結果的準確性，評價結果見表２。

篙期青等大氣環境數值模擬在煤炭礦區規劃環刪用研究

ｎ：ｅ，６０

■■■■■■

３３ｏｏｏ『－

ｎ§ｒ表２模型準確性驗證

±３０％以內，ｆａｃ２約為５０％即為好。南表２中的統

計計算結果可知，ｐｍ，。的濃度模擬值較監測值為低估，且偏差大於３０％，可能由於未考慮無組織排放源造成，另外兩種汙染物的模型模擬結果能夠較好的反映監測結果。因此ｃａｌｐｕｆｆ模型基本可以較好反應

ｎｅ、『ｆｉ

●■■■●●

２　２ｏ　ｏ

ｃｈａｎｇ…　等研究得　，乙個模型模擬值滿足ｆ在出陽泉礦區三種汙染物濃度的空間分布特徵。星百』

一星』苦

蘭ｇ量＇寶星邑

；＝寶曼『５ｏ０∞０

…ｏ３ｏ５ｏ∞０『啪

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…０３ｏｍ

圖２汙染物年均濃度貢獻值等值線圖

１８１期青等

大氣環境數值模擬在煤炭礦區規劃環評中的應用研究

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３．２汙染物擴散模擬結果分析峰值分布特徵，且平均濃度值較高，影響範圍最大。

依據ｃａｌｐｕｆｆ模型對２０１３年陽泉礦區常規汙對比不同汙染物貢獻值排名前三的濃度值及其

染物濃度分布的模擬結果，繪製ｎｏ　、ｐｍ　。及ｓｏ：年佔標率（如表３所示）：

區域汙染源對環境質量的影均濃度貢獻值等值線圖（如圖２所示，圖中標註點為響ｓｏ　最大，ｎｏ　次之，ｐｍ。。最小。可見控制ｓｏ　質

汙染源位置）。由圖知，ｎｏ：和ｐｍ　。汙染物在評價

量濃度的任務緊迫，其最大值佔標率已近９０％。疊範圍內分布特徵基本相似，均呈以陽泉市區為中心，加背景濃度後分析得，ｎｏ　、ｐｍ　。兩種汙染物濃度在

長軸角度約為２１５。的橢圓形擴散分布，但ｐｍ。等值

全區域均可達二級標準，但ｓｏ，濃度在陽泉市區及線間距小，質量濃度下降快，ｎｏ　等值線間距大，影

郊區雙峰值附近分別有６　ｋｍ×４　ｋｍ和９　ｋｍ×４　ｋｍ響範圍大。ｓｏ：濃度貢獻值在陽泉市區附近呈現雙

的超標區域，平均超標率為２．０３％。

表年均濃度ｔｏｐ３貢獻值及佔標率

綜上，２０１３年，陽泉礦區的ｎｏ：和ｐｍ　。年均濃染源貢獻率分析。

在超標區域設定多邊形離散受度均可滿足大氣環境質量要求，但是部分地區的體，依照原設計引數進行模擬，輸出汙染源貢獻濃ｓｏ：未達二級標準，可能會造成一定的環境危害。度。

由模擬結果得出對ｓｏ　濃度超標區域貢獻率排３．３優化汙染源布局

名前三的汙染源，選取三者中貢獻率和源強都最大由模型結果分析可知，陽泉礦區規劃實施至今，的陽光公司煤矸石熱電廠作為目標汙染源，定位該部分地區並未達到環境目標，通過分析其原因是工汙染源並疊加地形圖可知，該源位於高差超過１０００業企業規劃布局不合理造成的。如能在規劃早期及公尺的三面環山山谷中，可能由於高山阻擋汙染物擴時提出規劃的優化調整建議，則可從規劃源頭預防

散導致超標。

環境問題，達到環境保護的目的。

為進一步了解汙染物分布情況以及氣象因子對本文從超標區域汙染源貢獻率、地形因子、氣象超標區域汙染物擴散的影響，對超標區域進行相同因子等方向分析可能出現的超標原因並確定規劃優引數逐月模擬，得到月均濃度線圖（見圖３）和分月

化方案。

風玫瑰圖及風速降雨資訊。

為找出導致超標原因的主要汙染源，先進行汙

６６６４０６

８１０１２月份

超標區域ｓ０　濃度月均值圖

由圖３可知一年中３月一８月的大氣質量濃度標區域全年平均風速差異不大，在０．２５　ｍ／ｓ一０．４６良好，可達二級標準，９月

月存在不同程度超標，

ｍ／ｓ之間；區域降雨差異較大，降雨量由高到低依次

１０月汙染物超標最為嚴重。分析氣象因子可知：超

為７月、９月、６月、８月、４月，５月，其餘月份的平均

１８２３９￣２。ｌ４

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年ｌ。月

降雨量極小，不到５　ｍｍ；全年主要盛行西北和東北風，其中ｌ０月＿＿４月主要盛行西北風，５月要盛行東北風。

月主綜上分析，降雨量多的時期有利於汙染物濃度下降，空氣質素可達標。超標時期降雨稀少，主導風向主要為西北風，但由於東南方向高山阻擋導致汙染物累積，濃度超標。由此給出目標源優化布局建

ｎ：￡，６３

暑最黴ｎｏ

目目口螂鐘一

ｏ　ｏ　ｏ

議為：應沿主導風向移出山谷，至地勢較高位置，並避免汙染源聚集過於緊密。通過綜合分析用地條件，各類規劃以及國家法律法規的協調性最終確定目標源優化位置見圖４。

調整目標源位置，保留原模擬引數再次模擬，得螺誰如

ｕｔｍ東［ｋｍ】

到年均濃度貢獻值等值線圖見圖５。

圖４　目標源優化位置示意圖

圖５優化布局後汙染物年均濃度貢獻值等值線圖

對比原模擬結果可得，３種汙染物濃度均有下

陽泉礦區仍有遠期規劃專案有待建設，為了解規劃專案全部實施後對大氣環境造成的影響，本文進行了陽泉礦區遠期規劃的大氣環境影響**。得到目標源調整布局前、後的３種汙染物年均濃度貢

降，ｓ０　最大值佔標率下降為３５．３％，且在全部評價範圍內達到二級標準。由此，通過規劃環評結果分析

論證，起到了優化布局，改善大氣環境質量的作用。３．４遠期規劃實施後大氣汙染濃度**

獻值等值線圖見圖６和圖７。

湖咖帥　∞　∞　舳　∞　舯　∞　∞　ｇⅷ　咖啪瑚鯽跏伽姍拋！

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冀８　｝０５∞０４

ｕｔｍ東［ｋｍ】

圖６遠期規劃實施後汙染物年均濃度貢獻值等值線圖

（ｃ）ｓｏ２

由圖６可知，如不做優化布局調整，遠期規劃實

施後，陽泉附近出現小範圍的ｐｍ。超標區域，且ｓ０雙峰超標區域擴大，有相連成片的趨勢，危害大氣環

４討論（１）由於汙染源調查的困難，本文僅使用了重點汙染源進行模擬，有可能導致模擬結果略有偏差。

境。而調整布局後環境目標仍可得到滿足，大氣環境質量達二級標準，進一步說明了規劃專案大氣環評實施對大氣汙染控制的作用。

（２）本文使用的高空氣象資料為ｍｍ５模擬氣象資料，且解析度一般。如能使用更成熟的ｗｒｆ模

１８３期青等

大氣環境數值模擬在煤區規劃環評巾卅研究

ｏｃｔ２ｏ１４

擬資料，並提高氣象網格解析度，則能有效模擬真實；霎

窯氣象場，提高模擬精度。￡癬寄

蘭圖７遠期規劃實施後汙染物年均濃度貢獻值等值線圖（優化後）

ｕｔｍ東［（ｋｍ］

ｃ）ｓ０２

（３）煤炭礦區規劃的實際工作中難以做到早期形成規劃優化調整建｝義，可使得陽泉煤炭礦區在遠

介入規劃環評，往往在完成礦區總體規劃後才開展規劃環評，致使規劃環評提出的相關布局調整建議很難落實。

期規劃實施完畢後，整體區域的空氣環境質量仍達到二級標準。

（４）即使在規劃編制過程中介入了規劃環評，也往往由於規劃編制部門與環評技術機構缺乏合理有效的溝通而使得規劃環評的目的不可達，日後應在規

參考文獻：

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［２］薛文博，王金南，楊金田，等．淄博市大氣汙染特徵模

劃環評制度上有所發展，成立規劃與環評聯合工作小組，及時更新訊息，統籌把握，才能真正實現規劃上的社會效益、經濟效益、環境效益的長遠發展。

型模擬及環境容量估算［ｊ］．環境科學

５　結論

（１）常見的大氣環境數值模擬模型中，ｃａｌ．ｐｕｆｆ模型比較適合用於煤炭礦區規劃的大氣環境影響評價。模擬陽泉礦區種汙染物濃度分布時，ｃａｌｐｕｆｆ模擬的ｎｏ　與ｓｏ　的年均

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濃度值結果比實測值高估了的模擬值則低估了３９．１２％，可能是由於應用ｃａｌｐｕｆｆ模型模擬ｐｍ。。時，未考慮無組織排放源及二次顆粒汙染物的影響。

（２）陽泉礦區規劃實施至２０１３年時，已建成ｔ程專案的執行已經對大氣環境質量造成不良影響，陽泉市區內約６０　ｋｍ　範圍ｓｏ，濃度超過空氣質素二級標準。該區域年均濃度最大值為超標率為１８．１７％，年均濃度峰值在ｌ０月出現，３月～８月空氣質素情況較好，可達二級標準，其餘月份超標，平均

—１６ｌ７．

年均值為超標率為２．０３％。

（３）本文通過分析區域環境質量超標原岡，結

合相關規劃和法規，確定了汙染源優化布局新方案，有效改進了環境質量，使得區域空氣環境質量全部達二級標準。而且通過在規劃早期介入規劃環評，１８４

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大氣環境影響評價

大氣環境影響評價

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