大气污染监测管理

随着经济的发展,环境污染直接影响了人们的生活质量,环境质量问题也得到了越来越多的重视。污染环境包括水污染、大气污染、固体废弃物污染等,其中就大气污染而言,城市区域由于受到工业生产、居民生活的影响,成为大气污染发生的集中区域,历史上几次严重的污染事故,如伦敦烟雾事件(1952)、洛杉矶光化学烟雾事件(1943),都是发生在大城市。近几十年来,研究者对大气污染问题进行了大量研究,并且通过实验或计算来建立适合于特定区域的大气污染物扩散模式以及确定相关参数的计算方法。

城市大气污染的来源主要包括点状污染源和线状污染源,前者主要包括烟囱,后者则指汽车尾气排放。而污染的扩散的影响因子,除了排放量、排放物之外,还受到气象条件、下垫面等因素的影响。通过大气动力学的研究,研究者给出了用来描述污染物在大气中扩散规律的各种解析方程。这些大气扩散公式为空气污染预报提供了一定的基础,可以为现有污染源条件在不利的气象条件下减少有害污染物的排放、在城市规划中合理进行区域规划以及环境影响评价提供了切实有效的信息。

无论是点源污染,还是线源污染,其空间分布以及属性可以通过地理信息系统进行管理,而污染扩散的影响因子的空间分布同样可以作为GIS的空间数据组成部分,所以,基于GIS可以建立大气污染扩散模型,进而,GIS也提供了丰富的功能以表现污染物强度空间分布,可以查询强度分布状况,并可以结合其它社会经济数据,进行更加细致的评价分析。

下面介绍内蒙古自治区包头市在利用GIS进行大气污染扩散模拟中的应用。

包头市是中国最大的稀土工业基地和著名的钢铁机械工业基地之一,是门类齐全,体系较为完善的现代化工业城市。包头市工业能源消耗以燃煤为主,占56%,其次为焦碳和电力,在能源结构中,重中污染能源占70.8%,包头工业排放的SO2、烟粉尘和氟化物都较大,造成包头市煤烟型和氟污染的特点。其中21家重点空气污染源占全市工业排放的95%,85%,96%(分别为SO2、烟粉尘和氟化物)。其中包钢是最大污染厂家,其SO2、粉尘、氟化物的排放量高居榜首。

从自然条件上看,包头市地处内陆,属内陆半干旱、中温带大陆性季风气候,全年干燥,无霜期短。年均气温6.5℃,取暖期6个月。由于受地形影响,冬季包头多北风和西北风,夏季多东南风,各月夜间均盛行NWW风。近年来城市建筑的快速发展及自然植被,人工绿化面积的不断扩大,市区平均风速呈逐年下降趋势。1995年年均风速为2.2m/s。一年中,春季风速最大,秋季风速最小,冬季风速居中。除七月份主导风向与最大风速风向恰好相反外,常年盛行风向与最大风速风向重合。

逆温层影响着污染物的扩散、稀释,包头市冬季逆温频率很高,夏季逆温频率较低,逆温的强度与厚度,冬季均明显大于夏季。

包头是我国大气污染治理的重点城市,包头关于大气污染扩散的研究工作较多。冶金部建筑研究总院1982针对包钢地区的烟气综合治理规划,利用风洞模拟试验、现场实验等提出了“大气输送气候学模式”(ATCM)。1989年包头市环境监测站,针对包头新市区大气扩散模式和SO2容量计算,提出了基于美国EPA 的ISC(工业复合源大气扩散模式)的城市多源高斯模式。这些模式的建立为包头市的大气污染治理和管理提供了可靠的依据。

基于GIS建立大气污染扩散模型,可以

1)模拟污染物的空间分布,评价不同区域的环境质量;

2)将污染物空间分布与人口密度空间进行复合分析,确定受污染影响的人口数目;

3)预测在给定气象条件下污染物的空间分布;

4)确定不同点源对整个研究区污染总量的贡献;进而

5)为污染整治,如降低排放量、甚至关闭某些污染源,提供决策依据;

6)如果要增加污染点源,可以比较不同的方案(如烟囱的位置,高度等),从中选择最优方案;

7)在城市规划时,作为确定不同用地(居住、工业、商业等)的分布。

在包头市的研究工作中,利用1月份平均风速、风向、频率,并将其换算为风频表,对包头市的37个高架点源造成的地面SO2浓度的空间变化进行模拟,结果如图14-4所示。

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图14-4:包头市大气二氧化硫分布图

将模型预测结果图与包头市环境监测站绘制的等值线图相比较。模型在工业区的预测值比较切合实际,在昆都仑区,预测值偏小,原因应该是由于包头地区在一月份特定风向条件下,工业污染对该区域的影响比较小,相比之下居民取暖燃煤造成的二氧化硫污染就较突出。总体来看,无论从工业区还是居民区,模型预测的二氧化硫的浓度不存在数量级上的差别。

在大气环境规划中,对规划中欲添加的新污染源需要预测新增污染源造成的污染、对新源的进行合理选址、确定新源的排污量大小以及点源烟囱的高度等。在研究中,拟在青年农场(图上三角点位置)增加一个新的污染源,有三种方案,分别为源强为100000mg/s、烟囱高150米;源强1000000mg/s、烟囱高150米;源强1000000mg/s、烟囱高200米。在一月风向风频条件下进行预测,将预测结果叠加在原来的污染分布状况上,结果如图14-5。

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图14-5:增加不同参数污染源的污染分布图

大气污染的受害人群是大气污染管理和控制中最重要的关注对象,结合包头市新市区(青山区和昆都仑区)的人口分布,研究中分析了添加新源前后大气中SO2污染受害人群的变化。研究方法是将模型的预测结果与包含人口数据的行政区划图进行叠加复合分析,获得各个污染区的面积和人口,结果见表14-1。

表14-1:新添加污染源造成的污染人群变化结果表(单位:万人)

浓度单位:mg/m3

0.00-0.05

0.05-0.15

0.15-0.25

0.25-1.6

新源强:100000mg/s

新源高:150米

46.05

15.33

2.10

0.80

新源强:1000000mg/s

新源强:150米

36.20

24.30

2.73

1.04

新源强:1000000mg/s

新源强:200米

41.02

20.02

2.33

0.89

未添加前大气状况

49.83

15.61

2.03

0.80

从图和表可以看出,源强为1000000mg/s的污染源造成的高浓度受害人群数量明显增加,而源强为100000mg/s的新添污染源造成的高浓度污染受害人群数量变化不大。同时可以看出,增高污染源的高度来降低污染的危害是以低浓度受害人群数量的增加为代价的。从新增污染点源的污染分析来看可以考虑在青年农场位置新建立一个源强为100000mg/s、烟囱高为150米的新点源。