作者：张毅
太原市大气污染表现出较为明显的季节差异，采暖期明显严重于非采暖期，冬季采暖对大气污染的贡献较大。见图1。为解决冬季供暖的污染问题，太原
市制定了《太原市集中供热专项规划方案》，计划以8个远郊热电厂为主要热源，大型热源厂为备用热源，全面取代分散燃煤锅炉和城中村土小锅炉。
按照《重点区域大气污染防治“十二五”规划》的要求，到2015年，太原市S02、N02和PM1o的浓度需分别下降10%、7%和10%。本次研究旨在通过建立现
有采暖污染源清单以及集中供热改造削减源清单，采用成熟适用的大气扩散模型，定量分析太原市集中供热改造后环境空气质量改善的效果，为政府大气污
染治理科学决策提供参考。
1数据与方法
1.1研究区域
研究区域为整个太原市域范围，包括六区、三县、一市，总面积6 988 km2。见图2。模拟区域网格精度2 kmx2 km，中心点地理坐标112.390E，37.910N
，南北向网格数60，东西向网格数80。
1.2技术路线
本次研究的技术路线见图3。
1.3 污染源清单
先建立现状污染源的清单，再根据相关供热改造措施，建立供热改造削减源清单和新增源清单。
太原市供热热源按锅炉规模可分为3类，分别为热电厂、热源厂和分散供热小锅炉。
1.3.1现有源
(1)热电厂。热电厂污染源视作点源处理，源参数中，排气筒位置、高度、内径、烟气流速、温度等通过实地调查和查阅环境影响评价文件获得；污染物
排放强度按照山西省2012年火电机组总量减排核查数据中的机组运行情况和污染物排放总量进行计算。计算公
式如下：
式(1)中：G为污染物排放强度(kg/h);Ai为接入该座排气筒的第f座锅炉的核定年排放总量(t/a)；Ti为接人该座排气筒的第i座锅炉的年运行时间(h)。
(2)热源厂。热源厂污染源视作点源处理，源参数中，排气筒位置实地调查确定；污染物排放强度按照山西省2012年环境统计数据中锅炉类型、规模、工
作时间、污染物排放量等进行估算；对于排气筒高度、内径和烟气温度采用付飞等的基于最大落地浓度估算烟囱参数的方法；烟气量基于环境统计数据中耗
煤量，采用经验公式计算，公式为：
式(2)~(3)中：V为标况下实际烟气量；VO为理论空气量；Qnetar为燃料低位发热量；α为过量空气系数。
(3)分散供热小锅炉。因分散供热小锅炉数量巨大，单个锅炉吨位较小，这里按面源处理，排放高度统一设为25 m。燃煤量基于供热面积进行估算，估算
公式见公式(4)。排放强度基于燃煤量、区域燃煤平均硫分、灰分等进行估算，其中S02和烟尘排放强度利用《燃煤锅炉炯尘和二氧化硫排放总量核定技术方
法一物料衡算法（试行）》（HJ/T 69-2001）中的方法，排放强度利用排放系数法，计算公式见公式(5):
式(4)、(5)中：B为分散小锅炉燃煤量（万t）；A为供热面积(万m2)；qh采暖热指标(W／m2)，这里取《城市热力网设计规范》(CJJ 34-2002)表3.1.2-1
中未采取节能措施住宅推荐值的中值60；T为年供热小时数(h)；k为单位供热量标煤耗( kg/GJ)，这里取50kg/GJ; ENO2为分散小锅炉NO2排放量(t)；KNO2为
N02排放系数( kg/t)，采用《“十二五”环境统计技术要求》中生活源平均排放系数2 kg/t。
太原市现有热源情况及其改造措施见表1、2。
1.3.2供热改造后污染源
供热改造主要涉及到关停、搬迁、治理设施达标改造和新建热电厂等几项措施。
(1)关停：现有源关停的，直接从现有源清单中去除。
(2)搬迁：污染源位置改变，排放浓度达到《火电厂大气污染物排放标准》( GB 13223-2011)特别排放限值。
(3)治理设施达标改造：排放浓度达到《火电厂大气污染物排放标准》( GB 13223-2011)表1中要求，其余参数不变。
(4)新建：类比法确定源参数，排放浓度达到《火电厂大气污染物排放标准》( GB 13223-2011)特别排放限值。
1.4气象数据
地面实际观测气象数据采用太原及周边介休、阳泉、五寨、离石总计5个基准、基本气象站2012年逐时逐次观测数据。
高空气象数据采用MM5模式生成的2012年模拟数据，模拟基于的原始气象资料为美国NCEP的FNL数据，地理分辨率loxlo，时间分辨率6h，MM5模式采用非
静力平衡框架，2重嵌套，水平网格距分别为81 km和27 km，垂直方向23层，中心经纬度为112.3120E．37.7720N。
1.5模拟方法及参数设置
太原市地貌形态复杂多样，山地占到全市总面积的52%，丘陵占到总面积的30%，这样复杂的地形已经不适合使用适用于大区域模拟的MM5/CMAQ模型，而
CALMET/CALPUFF模型已经被多次应用于对不同污染源的污染贡献的模拟研究，这里采用CALPUFF模型对太原市集中供热改造后环境空气质量改善的效果进行模
拟。
CALPUFF模型是ASG开发的一种先进的非稳态气象和空气质量模拟系统，被美国EPA作为污染物长距离传输模拟的推荐模型，也是中国大气环境影响评价的
法规模型，特别适用于较大区域的模拟以及静风、复杂地形等非定常条件下的模拟。
CALPUFF为非定常三维拉格朗日烟团输送模式，采用烟团函数分割方法，垂直坐标采用地形追随坐标，水平结构为等间距的网格，空间分辨率为一至几百
km，垂直不等距分为30多层。模拟过程包括污染物的排放、平流输送、扩散、干沉降、湿沉降等物理、化学过程。CALPUFF模型系统可以处理连续排放源、间
断排放源，能够追踪质点在空间与时间上随流场的变化规律。模型考虑了复杂地形动力学影响、斜坡流、FROUND数影响及散度最小化处理。
CALPUFF基本原理为高斯烟团模式，利用在取样时间内进行积分的方法来节约计算时间，积分烟团公式基本方程为：
式(6)、(7)中：C为污染物落地浓度；Q为烟团中污染物的量；σx、σy、σz分别为x、Y、z方向上的扩散参数；da和dc分别为x方向上和y方向上烟团中
心到接受点的距离；He为烟团中心离地面的有效高度；h为混合层高度；g为高斯方程的垂直项。
CALPUFF模式系统主要包括三大部分：CALMET（气象预处理模块）、CALPUFF(非稳态拉格朗日高斯烟团模型)、CALPOST(后处理程序)。
本次模拟网格设置为：
CALMET模块诊断风场网格：水平网格距2 km，垂直方向10层(10、30、60、120、240、480、920，1 600、2 500、3 500 m)，格点数为80x60。
CALPUFF模块计算网格：水平网格距、垂直分层、格点数同CALMET，输入资料使用CLAMET的输出结果。
采样网格（Sampling Grids）：网格距2 km，格点数80x60。
化学过程方案：采用MESOPUFFⅡ方案，其它化学过程反应参数均采用CALPUFF默认选项。Q3月际背景浓度取太原市2013年O3常规监测月均值。NH3月际背
景浓度值取模型默认值。N02/NOx比值设为0.9。
2结果与分析
2.1模型验证
以采暖期热源厂对市区的S02、N02和PM10日均贡献值的模拟结果与2012年环境空气质量监测结果进行对比，对CALPUFF模型在该地区适用性进行验证。
因热源厂污染源仅为太原市众多污染源中一小部分，贡献值较小，为便于对比，图4中模拟值为放大10倍绘制。由图4和表3可以看出，模型对浓度的起伏变化
模拟较好。S02模拟值与监测值间的相关系数为0.21，N02模拟值与监测值间的相关系数为0.34，PM10模拟值与监测值间相关系数为0.23。对比模拟值和监测
值中大于采暖期间平均值的日均值的个数，两者极为接近，均在(68±4)d的范围内。考虑到汽车尾气、工业企业以及地表扬尘其他污染源对实际监测结果的
影响，可以认为模型基本能够准确模拟出太原市区域地形特征和气象条件下污染源的环境影响。
将标准差除以采暖期期间平均值，使其无量纲化，可以看出，模拟值离散程度较监测值要大，特别是N02，模拟值离散程度是监测值的将近2倍。分析其
原因，应是由于汽车尾气、工业企业、地表扬尘等其他污染源的污染贡献缓冲了监测结果在时间维度上的变化。
2.2现有供热设施污染贡献
从采暖期期间平均来看，见图5，现状供热设施S02浓度贡献在5.2～38.2 μg／m3之间，其中太原市区的浓度贡献值最大，市区的3类供热设施中，分散
小锅炉贡献值相对较大，达到25.5μg/m3;NO2浓度贡献在2.1—11 μg/m3之间，在太原市区浓度贡献值最大，市区3类供热设施中，热电厂贡献值相对较大，
达到6.2 μg/m3;PMlo浓度贡献在1.8～24.4 μg/m3之间，在太原市区浓度贡献值最大，市区3类供热设施中，分散小锅炉贡献值相对较大，达到24.4μg/m3
。
从日平均来看，见表4，在不利气象条件下，热电厂、热源厂和分散小锅炉的S02浓度贡献值可分别高达59.8、22.2和64.3 μg/m3，分别出现在阳曲、古
交和太原市区；N02浓度贡献值可分别高达36.9、7.7和7.7μg/m3，分别出现在阳曲、清徐和太原市区；PM10浓度贡献值可分别高达7.9、9.4和59 μg/m3，
分别出现在阳曲、太原市区和太原市区。
2.3供热改造后污染贡献
《太原市集中供热专项规划方案》实施后，供热设施污染贡献值大幅降低，见表5和图6，不同关心点采暖期平均SO2贡献值降幅在69%—85.7%之间，其中
太原市区浓度贡献值降低了32.5 μg/m3，下降最多；NO2贡献值降幅在23.9%～62.6%之间，其中太原市区浓度贡献值降低了6.9 μg/m3，下降最多；PM10贡
献值降幅在80.2%/～96.4%之间，太原市区降幅最大，浓度贡献值降低了23.5 μg/m;3。
将采暖期的平均供热改造削减值与现状实际监 测值进行对比，分析供热改造后，各关心点采暖期平均环境空气质量下降幅度。S02下降幅度在8%~30.9%
之间，最大下降幅度出现在太原市区；N02下降幅度在4.7%~22.1%之间，最大下降幅度出现在太原市区；PM10下降幅度在2.3%~24.4%之间，最大下降幅度出现
在太原市区。
3结论
(1)冬季采暖是太原市现状大气污染的重要污染源。如在太原市区，冬季采暖的污染贡献（采暖期平均）率，S02、NO2和PM103类污染物可分别达到36.4%
、35.3%和25.3%；在污染贡献率最小的古交市，S02、N02和PM103类污染物的冬季采暖污染贡献率分别为10.6%、18%和2.9%。
(2)太原市供热热源按锅炉规模可分为热电厂、热源厂和分散供热小锅炉3类。现状3类供热设施中，分散小锅炉的S02和PM10污染贡献相对较大，采暖期
平均贡献浓度在太原市区可分别达到25.5和24.4 μg/m3；热电厂的N02污染贡献相对较大，采暖期平均贡献浓度在太原市区可达到6.2 μg/m3。
在不利气象条件下，热电厂、热源厂和分散小锅炉的S02浓度贡献值可分别高达59.8、22.2和64.3μg/m3，分别出现在阳曲、古交和太原市区；NO2浓度
贡献值可分别高达36,9、7.7和7.7 μg/m3，分别出现在阳曲、清徐和太原市区；PM10浓度贡献值可分别高达7.9、9.4和59 μg/m3，分别出现在阳曲、太原
市区和太原市区。
(3)《太原市集中供热专项规划方案》实施后，因采暖导致的污染贡献大幅降低。在污染贡献浓度值下降最大的太原市区，SO2、NO2和PM10,3类污染物的
采暖期平均浓度贡献值分别下降了 32.5、69和23.5μg/m3。
如果除了冬季供热污染源之外的其他源保持不变，通过实施《太原市集中供热专项规划方案》，各区域环境空气质量均明显好转。其中S02下降幅度在8%—
30.9%之间，N02下降幅度在4，7%-221%之问，PM10下降幅度在2.3%—24.4%之间，最欠下降幅度均出现在太原市区。
4摘要：
太原市采暖期大气污染明显严重于非采暖期，为解决采暖期的大气污染问题，太原市制定了《太原市集中供热专项规划方案》。为了定量分析该规划实
施后环境空气质量改善的效果，文章通过现场调查、资料调研和公式估算等方法，建立了太原市供热相关的现状污染源清单和供热改造后污染源清单，并以
MM5模拟气象场和部分地面气象站观测数据为基础，利用适用于太原市复杂地形条件的CALPUFF大气扩散模型，对供热相关污染源在规划实施前后的污染贡献
分别进行了模拟，分析了空气质量改善的效果。模拟显示，在供热相关污染源污染贡献相对较大的太原市区，SO2、NO2和PM10冬季采暖的污染贡献率可分别
达到36.4%、35.3%和25.3%，规划实施后，各区域环境空气质量均明显好转。其中SO2下降幅度在8%一30.9%之间，NO2下降幅度在4.7%~22.1%之间，PM10下降
幅度在2.3%~24.4%之间，最大下降幅度均出现在太原市区。
