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本研究围绕复杂地形区域尺度大气污染物的扩散问题,分析了贵州西部“西电东送”几个大型火电厂所在地区的大气边界层特征,采用局部嵌套的高分辨率复杂地形大气扩散模式系统模拟了该地区大气边界层气象场和污染物散布所形成的浓度场,分析其时空分布及变化特征,研究了山区复杂地形的污染气象特征和大气污染物的散布规律。
高分辨率复杂地形大气扩散模式系统在贵州山区的示范性研究表明,该模式系统实现了区域和局地空气质量模式的嵌套,既满足区域范围内瞬时变化的气象场条件下多源排放的浓度模拟要求,考虑其干湿沉降和化学转化等过程,预测的浓度场又可以达到环境质量标准对地面浓度的高分辨率要求,但是,在耦合方案的选取时,要仔细考虑各自模拟的范围、网格距、时间步长、区域模式的初始浓度场以及局地模式边界上存在地形和静小风的情况等因素。
对贵州山区复杂地形的边界层气象场资料进行分析,发现的主要特征如下:
(1)地面以东偏南风向为主,风速小,静小风出现频率高,大气稳定度常年均以中性D类为主。上部逆温出现频率高,表现出维持时间较长,日变化不明显的锋面逆温特征。高空风向集中在SSE和S,风速随高度的变化较复杂。
(2)对湍流的资料分析表明,速度分量谱和热量功率谱有明确的谱峰值及惯性区的-2/3斜率,都在频率0.01处达到最大,平均湍流强度夏季大于冬季,白天大于夜间,且水平方向的湍流强度大于垂直方向的湍流强度。
(3)各稳定度条件下的扩散参数均比国标推荐的值大,大气不稳定时,复杂地形对横向扩散能力影响较大,中性或稳定时,对垂直向扩散能力影响较大,尤其是在近距离垂直方向的扩散能力明显高于国标值。
对该区域大气边界层气象场模拟的结果表明:近地面水平流场分布很不规则,出现许多辐合辐散中心,一般以山顶附近为中心,出现较大范围辐散气流,风由山顶吹向山谷,在谷底辐合并沿着山势形成绕流和洄流,在一些深切的山谷内往往出现静风,山体上空下沉运动较为显著。
对山区复杂地形上空气污染物的扩散进行模拟,给出了不同源排放下各级保证率的小时浓度、日均浓度以及年均浓度分布和时间变化特征。主要结论如下:
(1)最大小时浓度值出现在夜间稳定和白天对流不稳定两种条件下。夜间稳定条件下的高浓度是由于烟流撞山后在山前和山谷内淤积引起的,浓度大小及分布与风向密切相关,同样的风向,若逆温强,湍流弱,浓度值高。白天对流不稳定条件下的地面高浓度是由于地面与混合层顶间内空气剧烈混合造成的,风速小,热力湍流强,烟流高度和混合层高度低,浓度值高,最大浓度点离源近。从污染面积看,夜间稳定条件下容易造成较大范围污染。白天对流不稳定条件下浓度高值区集中在离源近距离处,不会造成大范围污染。
(2)最大日均浓度分布受小时高值浓度及其叠加影响,由污染物在敏感的同一下风方多时次叠加后造成,另外,地面静小风的影响也很大,低风速增强地形的阻塞作用,使高值区浓度更大,浓度分布极端化,最大浓度出现在下风向风速接近零的一些深切的山谷内。
(3)单源排放下污染物最大年均浓度值均处于源西南方向的山谷内,多源排放下则出现多个高值中心。
(4)对于拟建的六枝电厂,所造成的SO2、NOx和TSP的最大时均浓度分别为0.747mg.m-3、0.551mg.m-3、0.114mg.m-3,占国家二级标准的149.5%、229.7%、11.4%:最大日均浓度分别为0.401mg.m-3、0.435mg.m-3、0.040mg.m-3,占二级标准的268%、362.5%、13.3%;最大年均浓度分别为0.0410mg.m-3、0.1008mg.m-3、0.0061mg.m-3,占二级标准的68.3%、126.0%、3.1%。