珠三角地区典型工业点源汞排放沉降数值模拟观测项目可行性研究报告.doc

一、 项目摘要（包括项目名称、研究领域、项目承担单位、共建合作单位、项目建设地址，以及项目的实施背景、实施内容等）1.项目名称珠三角典型工业点源汞排放沉降数值模拟及观测2.研究领域大气环境管理3.项目承担单位华南理工大学4.共建合作单位广州市环境监测中心站5.项目建设地址广州大学城华南理工大学环境与能源学院广州市环境监测中心站6.项目摘要汞是生物蓄积性且神经毒性极强的全球性重金属污染物。我国少数非矿业开采地区的汞污染较严重且已影响了人体神经行为。区域内部及周边工业点源大气汞集中排放所导致的高强度近距离沉降是引起这类局地汞污染的主要原因。珠三角地区工业聚集程度高、点源排放密集，即使经过2010年广州亚运前后大规模的空气污染源整治工作，广州市大气气态总汞（TGM）含量仍然是全球大气汞含量背景值的2-3倍，存在一定程度的大气汞污染。而广州市土壤汞污染尤其严重，是全球土壤背景值的42倍多，其土壤汞含量仅稍次于我国汞排放第一大省辽宁省一大型锌冶炼厂的周边区域。据此，项目拟采用先进的数值模拟与外场观测相结合的手段，研究珠三角典型工业点源汞排放近距离、高强度叠加沉降对我市土壤汞含量的影响及其分布特征。由于综合考虑了复杂的污染物大气物理迁移和化学转化过程，大、中尺度欧拉模型是目前大气汞的长程传输及影响模拟的主要手段；但受网格分辨率的限制，上述模型存在低估点源汞排放近距离沉降量的现象，这使得评估点源排放大气汞对周边环境影响缺乏可靠的工具及量化的科学判据。项目将充分发挥华南理工大学在数值模拟、软件开发的特长和广州市环境监测中心站在污染源监测和观测网络方面的优势，同时联合清华大学和中科院贵阳地化所核心技术力量，创新耦合使用扩散模型（CalPuff-Hg）和欧拉模型（CMAQ-Hg）模拟各类点源排放汞的传输及沉降，并利用环境空气质量监测、湿沉降和土壤采样分析资料进行模拟结果的验证以及点源排放清单的改进。项目还将研发“GIS工具”综合处理模拟和外场观测结果，并定量分析珠三角典型点源汞排放、输送特征以及大气汞沉降分布特征。项目成果将为我市制定点源大气汞排放削减策略提供科学依据和辅助决策工具。二、 立项依据2.1 项目实施的目的项目以服务于大气汞污染监管的国家需求以及我市典型工业点源大气汞污染防控为最终目的，创新建立CalPuff-Hg和CMAQ-Hg耦合模型模拟体系，运用多种外场观测手段进行大气汞污染模拟体系的验证及改进，并研发配套的GIS辅助决策工具，用以诠释并掌握珠三角典型工业点源大气汞排放、输送及沉降分布特征。2.2 项目相关技术国内外发展现状、趋势（简述本项目国内外发展现状，存在的主要问题及近期发展趋势，并将本项目与国内外同类技术进行对比说明）2.2.1 国外研究现状20世纪90年代以来，北美和欧洲学者发现人为排放的汞可以经由大气长程输送并在异地沉降、积累而造成远距离跨界汞污染，由此西方发达国家越来越重视汞的跨界输送、迁移转化和沉降方面的研究。近年来，国外发达国家环境学术界围绕大气汞的来源、传输、沉降和迁移转化规律等的研究主要在集中以下六个方面：（）大气汞的跨界传输、观测、全球环境循环模拟及其化学机制；（）汞排放源清单的建立及对汞模型模拟结果不确定性影响评价；（）人为大气汞排放特征及其源清单的建立；（）自然大气汞排放特征及其源清单的建立；（）大气汞在颗粒物中的含量、沉降、化学过程及其在土壤中的累积和测量；（）大气汞的形成、输送、沉降过程模拟，模型验证及不确定性分析。国际上针对我国人为源排放汞的远程传输问题也开展了由数值模型支持的系列研究，如：东亚和中国汞浓度及其分布的测量、模型模拟跨界输送及环境影响等。由于缺乏我国不同企业的具体生产工艺、大气污染控制装置对不同形态的汞的去除效率等实测数据，国际社会模拟我国排放大气汞的跨国影响所依赖的人为活动排放清单，大都照搬国外的排放因子，造成所估算的中国人为大气汞排放量的估算存在很大的不确定性，直接影响到模拟结果的置信区间。2.2.2 国内研究现状全球汞排放削减的重点是人为源，尤其是工业点源的减排。近年来我国科学家加强了人为活动所产生的汞污染防治、监测等方面的研究。我国政府部门出台了更多环保措施，在全球汞污染治理中也承担了更多责任。环境保护部门加强了对汞的生产、使用、进口、出口及加工的管理，汞矿开发受到严格限制。同时，我国大力发展洁净煤技术和新能源产业，由煤炭燃烧造成的汞污染也有所下降。目前，国内相关研究主要集中在以下几个方面。（）大气汞的人为排放清单燃煤电厂排放被普遍认为是造成多个地区高浓度大气汞的主要原因，2010年通过燃煤过程排放到大气中的汞约为250吨，占全国汞总排放量的39%。燃煤电厂常规污染物尾气处理过程如除尘、脱硫等对不同形态汞的脱除有不同的效果，这意味着不同尾气处理工艺或方法的燃煤电厂有着不同的大气汞排放因子。目前，我国已初步估算并建立了全国范围的燃煤汞排放清单。王书肖等研究得出2003年中国非燃煤大气汞排放量为393吨，比燃煤汞排放多137吨；在非燃煤大气汞排放中，又以有色金属冶炼为主。我国已经在土法炼锌和竖罐锌冶炼的排放因子、原材料含汞量对锌冶炼排放影响、锌冶炼厂排放对植物汞含量影响、汞矿区和金矿开采区的汞污染等领域开展了系列研究。但目前国内对大量新增的汞排放源如：垃圾处理厂以及焚烧源的汞排放因子仅有初步研究结论，缺乏实测数据的支持。（）大气汞沉降所导致的土壤及植物污染除冶炼过程的高浓度直接排汞外，一般情况下大气汞浓度较低，不会对人体健康造成直接损害。大气汞沉降到陆地和水体后，在土壤中累积及生物体中富集到一定程度后才对环境造成危害。由此，汞的危害具有隐蔽性和突发性，一旦发生重大污染事件或出现人群病变，将产生灾难性后果。大气汞的干、湿沉降可以污染土壤并进而影响生长其上的植物，与此同时，土壤及植物再排放的汞也可以影响大气汞的浓度。我国环境保护局联合技术监督局于1998年5月1日开始实施土壤质量 总汞的测定-冷原子荧光分光光度法（GB/T 17136-1997）土壤汞的标准监测方法。我国工业大点源排放对局地土壤的汞含量影响较大。张孝飞等调查发现典型工业区厂区土壤中的Hg含量明显高于附近的住宅区。郑冬梅等研究发现锌冶炼-氯碱生产复合区土壤汞含量高于区域土壤背景值38倍，是我国汞污染最重的地区之一；郑剑铭等指出燃煤电厂的汞排放导致周边地区的大气汞浓度和土壤汞含量都有一定程度的增加。孔丝纺等指出对挥发性重金属（Hg等）在焚烧厂周边土壤中的污染特征及其在土壤层以及植被中的蓄积总量和迁移转化机理的研究将有利于焚烧源挥发性重金属的污染防治。但遗憾的是，截止目前还极少见到针对不同排放特点的点源局地沉降浓度及其沉降分布特征的研究报道，从而难以定量分析点源排放的汞近距离高强度沉降时对周边环境的危害，并据此采取有效的防控措施。（）大气汞在不同介质中的观测大气汞是全球循环的组成部分，准确测定大气环境不同介质中各种形态的汞对了解其在大气中的行为具有重要意义。对此我国学者已经展开了研究，并积累了一定量的数据。原子荧光光谱法被广泛应用于气态总汞(TGM)的测定，其前端可采用两次金汞齐、酸性高锰酸钾溶液、微型捕集管等方法来富集大气中的痕量汞。经富集后的大气痕量汞，也可以用AMA 254、Lumex RA-915、Tekran 2537A/B、塞曼等测汞仪来分析测定。我国环保部于2010年4月1日开始实施环境空气汞的测定 巯基棉富集-冷原子荧光分光光度法（暂行,HJ 542-2009）大气汞的标准监测方法。颗粒物可以附载汞等多种重金属，并通过呼吸、饮水、食物链等多种方式进入人体，对人体健康危害较大。一般而言，细粒子富集汞的能力较粗粒子强。张福旺等以及Fang等对PM2.5、PM10和TSP的监测结果表明PM2.5对颗粒态汞的富集能力明显最强。大气中的汞也可以通过雨、雪等湿沉降过程回到地表。郭艳娜等对大气降雨中不同形态汞监测结果说明乌江流域降雨中总汞的浓度远高于其它未受污染的流域，总汞中以颗粒态汞为主。张国玉等的监测结果表明长江口大气湿沉降汞浓度远高于其它地区，且潜在生态危害系数高。童银栋等监测了降雪期间气态总汞浓度的降低和恢复过程。但国内大气汞的观测，多为零散的个案，缺乏观测网络支持下的系统性及长期连续研究，尤其是缺乏由数值模型支持的对观测数据（汞污染来源）的定量科学解释。（）大气汞污染的模型模拟大气汞污染模型是动态描述汞污染状况、汞沉降及远程传输的主要技术手段，我国在该领域已有零星的初步研究。张艳艳等利用HYSPLIT_4模型对 上海市大气中总汞（TGM）的空气气团来源轨迹进行了反演；吕晓彤等利用中尺度非静力大气化学模式（MESO-NHC）对贵阳市原煤燃烧产生的大气汞传输进行了研究。权建农等利用CMAQ-Hg模拟了我国燃煤排放的大气汞的沉降分布状况；王亚杰等使用CMAQ-Hg模拟了我国大气汞污染分布状况；朱云等针对我国大气汞排放模拟及污染控制研究工作非常缺乏的现状，建议我国对大气汞污染模拟及控制策略优化进行系统研究。但我国已有的大气汞污染数值模拟研究仅停留于初步研究，缺乏系统性；尤其是缺乏由源排放和多种外场观测手段共同支持的，针对国际主流模型中所包含的大气汞氧化性和沉降速率等关键参数的本地化改进方法研究。2.2.3 研究发展动态虽然已有的研究工作显示全球大气汞浓度升高现象已经得到控制，且只在极少数地区发现大气汞超标以致直接威胁到人类健康的现象，但大气汞沉降尤其是工业大点源局地沉降所带来的表层土壤汞污染问题依然非常突出。纵观国内外的相关文献报导，研究者们比较关注大气汞的来源、大气中不同形态汞的分布特征、大气不同形态汞的迁移转化行为、大气汞的长程输送及干湿沉降、不同形态的大气汞及其在不同介质中浓度观测等问题。然而，即使在早已系统开展汞污染研究的欧美发达国家，也鲜见大气汞在不同特性工业点源周边沉降分布定量分析的研究报道。我国大气汞污染研究在近几年才得以逐步重视，研究水平及相应的工具手段与欧美发达国家存在较大差距，虽然我国人为大气汞排放量高居世界第一，且国内各类大气汞排放点源密布，但至今还未能系统采用模型与观测相结合的手段对点源排放大气汞近距离沉降所导致的局部地区汞污染问题进行研究。以广州为中心的珠江三角洲地区，从上世纪80年底以来经济发展迅猛，区内不同排放特征的工业点源密布，经多年累积，以汞为代表的土壤重金属污染严重。广州市为我们提供了一个非常好的系统研究“源于不同特征点源高强度叠加排放、近距离沉降所导致的工业聚集区局地汞污染”的实验场地。可以预见，针对我国在点源大气汞污染控制及大气汞削减量多国谈判的国家需求，系统地掌握我国典型工业聚集区点源大气汞排放、输送及沉降特征，建立多尺度中国大气汞污染耦合模拟、外场观测验证及可视化辅助决策体系将会是我国“十二五”期间研究热点领域之一。2.3 项目的产业化前景分析（主要说明本项目技术市场需求。目前主要使用领域的需求量，未来市场预测。分析项目国内外市场竞争能力、预测市场占有份额）项目将为我市大气汞污染监管能力建设打下高水平科技基础，将弥补我国在综合利用外场观测、微尺度模型、及先进的GIS技术进行大气汞局地污染成因及沉降分布特征研究领域的不足。项目成果将为我市土壤汞污染成因提供定量判据，并为我市评估点源大气汞污染防治策略提供数据、模型及辅助决策工具支持。项目成果之一的“外场观测模型模拟GIS综合分析”评估体系在广州市环境监测中心站得到实际应用并不断完善后，可以在广东省及其各地级市推广使用，预计广东省环保部门投资100万，珠三角其他10个经济发达城市各投资30万，则可以产生400万元的实际市场规模。三、 项目研究开发目标、实施主要内容、技术关键与创新点3.1 研究开发目标1. 研究点源大气汞的排放量及其排放组成对局地汞沉降的影响；局地是指以点源为中心100km范围内的区域。项目将逐点模拟我市排放量较大的点源，并进行浓度的叠加分析。项目还将选取具备不同排放特征的典型大点源进行外场观测，分析RGM和PHg在不同气象条件下的沉降规律。以广州为中心的珠三角工业聚集区点源排放大气汞沉降分布特征是本项目的研究重点。2. 研究各类点源排放大气汞的质量平衡关系；研究如何通过各类点源大气汞排放量与沉降量之间的质量平衡得出局地输出汞的量。3. 研究基于点源排放、传输、沉降规律的大气汞减排策略评估方法；利用研发的GIS工具，综合模型模拟、外场观测（大气环境浓度、湿沉降、土壤）等数据为大气汞减排策略评估提供便捷的辅助决策工具。3.2 主要技术内容（详细说明本项目实施的主要技术内容）以“诠释并掌握珠三角典型工业点源大气汞沉降分布特征”为核心研究目标，项目将依托华南理工大学（以下简称：华工）大气模型模拟、辅助决策软件研发平台以及广州市环境监测中心站（以下简称：市监测站）的专业环境监测平台，同时联合清华大学和中科院贵阳地化所核心技术力量，开展模型模拟、外场观测、GIS可视化综合分析工具研发等工作。图 1 项目研究主要内容的相互关系 所示各主要研究内容间相互关联，为我市典型工业点源大气汞沉降分布特征和大气汞污染防控提供数据支撑和可视化分析工具。图 1 项目研究主要内容的相互关系3.2.1 模型模拟1. 排放清单的编制及更新基于由清华大学编制的2010年中国及东亚部分地区大气汞自然及人为排放清单，利用2012-2015年GIS反演的2012-2015 年中国植被、土壤、水体数据信息，以及中国能源消耗、冶金、垃圾焚烧等资料，参考经由清华大学更新的各类排放因子，将清单升级到2012-2015年排放。同时还将利用广东省污染源普查及环境统计数据，结合广东省工业能源消耗、产品产量、燃烧技术、工艺技术、控制技术等信息，按燃煤汞以及非燃煤汞二种不同的排放清单建立方法，使用ArcGIS建立分辨率为33 km的“广东省工业大气汞网格化排放清单”。该网格化清单将用来更新中国区大气汞排放清单中的广东省工业大气汞排放，生成“更新广东省工业大气汞排放后的中国区2012-2015年大气汞排放清单”。图 2所示的“2012-2016年中国区大气汞排放清单”以及“更新广东省工业大气汞排放后的清单”情景将会分别输入到CMAQ中，结合工业聚集区的实测环境空气总汞浓度，用以进行人为排放清单敏感性、不确定性分析，并据此改进人为点源排放清单。从广东省环境统计数据、污染源普查数据以及广东省工业能源消耗等信息，还可以得到广东省各工业企业逐点排放清单用作CalPuff-Hg的输入文件。图 2 中国区2012-2015年排放清单及广东省重点企业汞排放清单编制流程项目通过升级全国清单、替换广东省工业点源后清单排放分布变化，以及模拟结果与实测环境空气总汞浓度的对比，来分析影响点源排放清单不确定性的主要因素。在此基础上，提出既符合中国国情又与国际接轨，并能有效减少点源排放清单不确定性的编制及更新技术方法及其对数据源的要求。2. 气象模拟WRF(Weather Research Forecast)模式系统是由美国国家大气科学研究中心（NCAR）、国家大气海洋局的预报系统实验室、国家大气环境研究中心和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心等多单位联合发展起来的新一代非静力平衡模式，具有可移植性、易维护、可扩充性强、计算效率高等优点。WRF模式目前已经逐步取代了曾经广泛应用的MM5模式。WRF可同时为CMAQ和CalPuff提供连续的气象输入文件。项目将建立基于Linux集群平台运行的WRF气象模型系统,以及对比实验用的原有MM5气象模型系统。WRF和MM5模拟所得中尺度结果将会输入到CMAQ气象数据处理模块“MCIP”中，经处理后将得到3636公里的中尺度netCDF格式的气象输出文件供CMAQ模型使用；所得小尺度结果将会输入到CalPuff前置“CALMET”气象数据处理模块中，与地形数据一起经处理后将得到33公里的小尺度的气象输出文件供CalPuff模型使用。图 3为WRF/MM5气象模拟研究流程示意。经过处理后的气象数据为模型运算提供了网格经纬度、高程、垂直分层、气压及云雾等资料。 图 3 WRF/MM5气象模拟研究流程3. CMAQ-Hg模拟116497项目将建立基于Linux集群平台运行的CMAQ-Hg空气质量欧拉模型系统，用以模拟中国及东亚部分地区大气汞污染状况、沉降分布、跨省传输影响。CMAQ-Hg的背景浓度及边界条件将由GEOS-Chem全球化学传输模式提供。图 4 CMAQ-Hg模型模拟区域CMAQ-Hg将用来对中国区的大气汞状况进行连续一年，共4年（2012-2015）跨度的模拟，其分辨率为3636 km，模型域涵盖如图 4所示的中国的绝大部分地区，以及日本、韩国、蒙古、东亚和南亚的部分地区。CMAQ-Hg每模拟一天将产生6个数据输出文件（表 2），第一天的输出文件CCTM_CGRID将作为第二天的ICON输入文件，如此循环运行至最后一天，可得到表 1所列每小时即时浓度和干沉降数据文件。CMAQ-Hg模拟结果需要经过netCDF 格式数据处理软件(NCO)提取CalPuff-Hg模拟所需的氧化剂浓度输入数据，以及“GEM，RGM 和PHG”3种大气汞污染物年均值、最大值、最小值等。之后用项目自主开发的“GIS数据处理及可视化综合分析工具”并结合环境空气质量及野外采样观测结果，进行数据处理及综合分析、展示。表 1 CCTM/CMAQ-Hg模拟一天输出文件名称大小(MB)描述大小(MB)CONC小时即时浓度998WETDEP小时湿沉降80.1ACONC小时平均浓度10.2AEROVIS小时能见度5.83DRYDEP小时干沉降78.6CGRID下一天模拟初始化文件96合计: 1.24 GB表 2 CCTM输出文件名称描述CCTM_CONC小时即时浓度CCTM_AEROVIS小时能见度CCTM_CGRID下一天模拟初始化文件CCTM_ACONC小时平均浓度CCTM_DRYEP小时干沉降CCTM_WETEP小时湿沉降4. CalPuff改进及CalPuff-Hg模拟项目将基于最新的CalPuff源代码加入GEM、RGM和PHg的扩散、沉降等物理机制以及GEM的气相氧化反应机制，使其支持点源排放大气汞的模拟，并将其编译后得到可基于Linux集群平台运行的CalPuff-Hg模型。CalPuff-Hg可以耦合利用CMAQ-Hg提供的氧化剂（O3、OH）浓度，来逐点并行模拟广东省各大点源排放的大气汞在周边的局地沉降。使用CalPuff-Hg对广东省工业大点源排放大气汞局地污染特征进行连续一年，共5年（2012-2016）跨度的模拟。CalPuff-Hg模型域涵盖如图 5所示的全部广东省行政区域，以及香港、澳门大部分行政区域，其分辨率为33 km。气象数据和地形数据经由CalPuff前置CALMET数据处理模块处理后，与广东省重点工业企业大气汞排放清单、CMAQ-Hg提供的O3和OH的浓度一起输入Linux集群环境下的CalPuff-Hg模型，进行逐点/单个企业的并行模拟，模拟结果经由CALPOST后置模块处理后，使用“GIS数据处理及可视化综合分析工具”可得到局地污染物排放及浓度分布图、干湿沉降状况分布图，这些结果将用来耦合优化CMAQ-Hg在点源附近的沉降。 图 5 CalPuff-Hg模型模拟区域3.2.2 外场观测项目将综合利用市监测站空气质量自动监测数据、大气汞湿沉降数据，并在珠三角工业点源密集中心点附近的广州市中南部，结合当时的气象条件，以模型模拟预测的近地层最大浓度为中心进行环境空气总汞的采样监测。这些空气质量自动监测、汞湿沉降和环境空气总汞的监测数据将用以分析、验证CMAQ-Hg模拟所得的大气浓度结果。工业聚集区SO2和大气汞浓度受周边人为点源排放影响较大，因此这些监测数据还将用于改进点源排放清单，使得模型模拟结果更趋合理。项目还将在广东省境内选取二个受周边工业排放影响较小但土壤含汞量不同的地点作为参照点，在工业聚集程度较高的广州选择一个典型火电厂点及一个典型垃圾焚烧厂点，一共4个野外采样点（图 6）进行周边表层土壤总汞采样观测，并放置表层覆盖低汞土的采样箱进行为期二年的总汞沉降收集测量。通过对比大气综合观测数据与模型模拟数据，我们可进行CalPuff-Hg和CMAQ-Hg模型可靠性和敏感度检验。同时，我们还可结合人为和自然源汞排放清单数据、大气汞观测和沉降机制等方面的数据，来优化模型中大气汞物理化学反应过程、反应参数和沉降速率等关键参数。 图 6四个采样现场的总体分布1. 环境空气质量监测如图 7所示，项目拟采用广州市环境监测中心站11个国控点空气质量监测自动站的数据（表 3）进行CMAQ模拟数据的验证及优化。与此同时，还将结合监测站的常规移动监测任务，使用空气环境质量监测车在模拟预测的最大日均环境空气总汞近地浓度处，定期采集并分析大气汞分形态（气态单质汞、活性气态汞、颗粒汞）浓度。典型工业点源最大落地浓度点附近的大气汞分形态浓度将利用中科院贵阳地化所提供的在线大气汞形态分析仪（Tekran2537+1130+115）进行(图 8在线大气汞形态分析仪（中科院贵阳地化所提供）)，该套仪器将安装在广州市环境监测中心站的移动监测车上，在监测大气汞分形态浓度同时监测典型工业源下风向的CO、CO2、SO2和PM2.5等常规大气污染物浓度。“在线大气汞形态分析仪”检出限为：气态单质汞1-2ppbv、活性气态汞1-10ppbv、颗粒汞1-20ppbv。总汞的分析测试也可按照环境空气汞的测定 巯基棉富集-冷原子荧光分光光度法（暂行,HJ 542-2009）的标准监测方法，最低检出限为0.5 ng/m3。环境空气总汞的观测将在2014及2015年间选取每年的1、4、7、10月，利用“市监测站”自动站点，进行连续观测，其时间分辨率为每小时采样一次。空气环境质量监测车的观测将在2014及2015年间选择预报不利污染物扩散的稳定气象条件以及台风、大雨过后等较清洁空气的不同条件下进行，还将在模拟预测最大日均环境空气总汞近地浓度处、工业聚集区排放的上、下风向等不同地点进行；每次移动观测将持续5天，采样频率为每小时一个样。不同的气象条件、日间光照强度以及大气中的O3将影响hg2+的浓度，从而导致大气汞局地干、湿沉降强度的变化。模型模拟结果及空气环境质量自动监测数据、总汞浓度数据、分形态大气汞浓度数据的相互验证将有利于捕捉大气汞及其近距离沉降在不同气象条件下昼夜变化特征。图 7 环境空气质量监测示意图图 8在线大气汞形态分析仪（中科院贵阳地化所提供）表 3广州市环境空气质量监测自动站子站编号测点名称测点位置东经北纬监测数据内容1#广雅中学西湾路1号1131404.87230832.02SO2、NOx、NO2、PM10、PM2.5、CO、O32#第5中学南村路32号1131540.23230617.863#市监测站吉祥路95号11315352307594#天河职幼体育东路体育西横街221号1131919.34230754.785#麓湖麓湖路11号大院1131635.45230915.716#广东商学院仑头路21号1132052.40230529.707#市86中学黄埔区大沙西路5号1132559.60230617.858#番禺中学市桥镇康乐路116号1132105.59225651.899#花都师范新华镇云山大道65号1131253.04232330.2010#康大教育园萝岗镇龙113334323183911#帽峰山太和11326362318122. 汞的湿沉降项目将利用位于广州市中心的“市监测站”国控点已有的大气降水自动采样装置，对大气降水进行为期2年的连续采集和分析，采样间隔为每星期降水过程（可基于降水状况灵活调控，但应确保冬季至少5个降水样品、夏季至少10个降水样品）。采集的降水样品在低温下（4）保存并尽快在市监测站内部分析样品的总汞浓度。项目将利用市监测站的气象设备同步采集降水量等气象数据，结合降水汞含量计算广州市湿沉降通量，分析湿沉降通量的季节性和年季变化特征，并结合模型模拟结果分析广州市大气汞湿沉降通量影响因素。湿沉降，即降水中汞的分析测试将按照水质 总汞的测定 冷原子吸收分光光度法（HJ 597-2011）的标准监测方法进行，该标准方法检出限为0.02ug/L。或按照总汞的测定 原子荧光光谱法 （水和废水监测分析方法( 第四版)国家环境保护总局(2002年)的标准监测方法进行，该标准方法检出限为9 ng/L。3. 典型工业点源的选择项目拟选择珠三角区域典型的火力电厂（如东莞沙角电厂或广州珠江电厂等大型煤电发电厂），选择珠三角某家垃圾焚烧厂（广州、佛山、深圳等地）作为典型垃圾焚烧点。广州珠江电厂位于广州南沙经济开发区，是广州建国以来投资规模最大的能源基础工程项目，占目前广州市燃煤发电装机容量的56%。李坑垃圾焚烧厂是一家目前为日均处理生活垃圾1040吨的大型垃圾焚烧发电厂。李坑垃圾焚烧厂在2013年已经投产日处理能力为2000吨的二期工程，投产后，市监测站将把李坑垃圾焚烧厂二期工程列入重点监测对象，所排放的大气总汞浓度是监测项目之一。 图 9 典型工业点源大气汞排放及沉降监测（左：某大型电厂，右：某圾焚烧厂）4. 烟气排放采样本项目拟对上述两典型工业电源的烟气排放在冬、夏季分别采样。采样分析方法推荐Ontario Hydro Method，其是一种有效的化学分析汞方法，可实现在线、连续和实时的元素汞和氧化汞的测试分析。在排放源的上风和下风向布置采样点，具体的采样的频率由采样团队决定。项目计划委托清华大学王书肖教授的研究团队协助进行李坑垃圾焚烧厂排放的分形态大气汞污染源监测。采样分析同时还应对其他常规的特征污染物作分析检测。还要记录排放源的烟囱高度、排放气速、风向、烟温、地面风速、采样次数、采样持续时间等。5. 外场采样观测点的布置及采样频率各采样现场采样时，将根据历史主导气象条件，围绕局地主导风向、模拟年均最大落地浓度点、周边参考点进行。每个设定的采样现场将在模拟年均最大落地浓度点附近对称4个位置进行；以大点源为中心，参照最大落地浓度点，据点源1、5、10、15KM半径各对称设置4个采样点，共设置16个野外采样点。采样观测点采用精度为3米以内的GPS定位仪辅助定位并标注。土样采集深度为0-20cm自然土，同一地点随机取份样品，充分混合取其份装入专用采样玻璃小瓶，送样检测总汞含量。图 10 外场采样观测点的设置示意（监测车中装备有在线大气汞形态分析仪）图 10为假定年局地主导风向为东北风时的采样点设置示意。其是以选定的点源为中心，在CalPuff模拟所得的年均最大沉降浓度点（注：周边如果还有其他点源则为叠加后的最大沉降浓度点）为半径围绕大点源均布其他3个采样点。4个采样点在定期采取土样的同时还将由空气环境质量监测车负责进行外场环境空气总汞和分形态大气汞的监测。项目计划连续二年（2015、2016）在1月、7月分别代表冬、夏两季开展外场采样观测工作，其采样频率为采样月的每周采样一次。大气汞沉降到表层土壤后，存在再排放过程，因此，难以准确测量汞的干沉降量。项目将尝试通过分析工业聚集区或大点源周边表层土壤以及采样点大气中的总汞含量的时序变化特征，并借助耦合模型模拟结果，来解释局地大气汞沉降分布特征及其成因。6. 土壤背景点项目还需要对区域内土壤的背景浓度进行采样分析。背景采样点的土壤应与工业点源采样点的主要土壤类型相似，并要远离污染源。采样方法可以是在工业电源的采样点继续向下挖取一定深度土壤作为背景土样。具体的采样方式和计划将由采样团队在项目获批后根据实地情况制定。7. 土样分析测试土样总汞的分析测试将按照土壤质量 总汞的测定-冷原子吸收分光光度法（GB/T 17136-1997）的标准监测方法进行。土样的处理与测定过程如下。将采集的土壤样品（不少于500g）混匀后用四分法缩分至约100g。缩分后的土样经冷冻干燥后，去除杂物，碾压后过100目（=0.149mm）尼龙筛，混匀后备用。称取过筛土样0.5-2g（准确至0.0002g）按GB/T 17136-1997所述的硫酸-硝酸-高锰酸钾或者硝酸-硫酸-五氧化二钒消解法处理后用冷原子吸收分光光度法测定土壤中总汞含量。该国标方法的最低检出限为0.005mg/kg。3.3 技术关键（本项目实施解决的关键技术）3.3.1 CalPuff-Hg的改进及关键参数的修正在CalPuff源代码中加入汞的扩散、沉降以及简化的气相化学氧化机制，使其支持点源排放大气汞的模拟。与此同时，还将结合大气汞湿沉降及土壤观测数据进行模拟结果与实测值的对比；通过分析模拟结果的误差范围和与实际观测数据的相关系数等，进行可靠性、敏感度、结果不确定性等评估检验，并最终优化所改写的CalPuff-Hg沉降速率和反应参数等关键参数。具体方法如下。1. 干沉降机制GEM、RGM和PHg的干沉降模拟可以通过在CalPuff中加入Lin等1推荐的阻力模式方法进行。由于同时考虑了干沉降速率的昼夜变化特征以及不同土地利用方式的影响，阻力模式相对于沉降速率分配方法有着明显优势。阻力模式的方程式如下：Vd = (Ra + Rb + Rc)-1 + Vg(1)Ra (s m-1) 湍流输送估算的气动阻力(aerodynamic resistance)；Rb (s m-1) 汞扩散率估算的准层阻力(quasi-laminar resistance)；Rc (s m-1) 林冠/表面阻力(canopy/surface resistance); Vg (m s-1) 粗颗粒的沉降速率 (settling velocity, PHg, 2.5 m).对大气汞而言，式(1)中林冠/表面阻力占了绝大多数。根据汞的热力学/物理特性，我们可以简化处理GEM、RGM和PHg的沉降速率计算过程，即以考虑林冠阻力(canopy resistance)的影响为主。已有研究表明，主要考虑林冠阻力的简化沉降模拟过程2345，可以较好的表征GEM干沉降速率的昼夜变化；如：研究估算得出的落叶阔叶林的昼日均Vd为夏天0.12 cm s-1、冬天0.006 cm s-1，Lindberg等6在类似气象条件下实测香蒲林冠GEM的Vd为0.140.13 cm s-1。由于汞的扩散过程与SO2近似，也有学者7用SO2的林冠阻力来估算GEM的干沉降速率。GEM和RGM的林冠阻力可以使用RADM沉降方法8估算，其公式如下： (2)公式(2)中阻力参数及其计算细节见表 4。式(2)和表 4综合考虑了3-D风场及GIS所提供的大气稳定度和土地利用类型，以及估算Vd过程中各汞组分的不同物理特性。将式(2)结果代入式(1)计算，我们最终可以得到一个与实测痕量大气汞沉降速率相近的昼夜模拟结果。表 4估算GEM和RGM林冠阻力的RADM参数 注：G到达林冠的太阳辐射，Dx-痕量物质的分子扩散，ri-冠层气孔对水蒸气的最小批量阻力，rlu健康植被的叶角质层或是在林冠上部的外表面的表面体积阻力，rclS 树叶、树枝、树皮以及其他暴露在SO2中的低层林冠表面体积阻力，rclO 树叶、树枝、树皮以及其他暴露在O3中的低层林冠表面体积阻力，rac 仅取决于林冠高度和密度的转移表面体积阻力，rgsS 与SO2接触的地表土壤、落叶等的表面体积阻力，rgsO 与O3接触的地表土壤、落叶等的表面体积阻力. 上述参数随土地利用方式和季节不同而不同，f0是Wesley8所定义的反应常数。2. 气相化学氧化机制GEM难溶于水，在CalPuff所模拟的小尺度范围内，GEM液相反应对总汞的沉降量影响非常小。因此，气象反应被认为是小尺度传输范围内大气汞的几乎全部反应。项目将在简化Lin等1提出的CMAQ-Hg的大气汞气相化学反应机制后，将其添加入CalPuff中。大气汞的主要气象化学反应过程见表 5；其他氧化剂由于影响较小（例如，H2O29、活性卤化物仅在海洋边界层和极地地区有影响），可以忽略。因此，CalPuff中GEM的氧化反应可以用公式(3)来描述。表 5 GEM的气象化学反应反应方程式单位Hg0(g) + O3(g) HgO(s, g) + O2(g)3-49010-20 cm3molec-1s-1Hg0(g) + OH(g) Hg(II) Products8.7-9.010-14 cm3molec-1s-1 (3)项目将利用CMAQ-Hg的模拟结果提供式(3)中O3 和 OH的浓度。GEM的氧化产物将按各自50%的比例均等分配给RGM和PHg9。本小节参考文献1 Lin C.-J., Pongprueksa P., Lindberg S. E., Pehkonen S. O., Byun D., Jang C. Scientific Uncertainties in Atmospheric Mercury Models I: Model Science Evaluation Atmospheric Environment. 2006, 40: 2911-29282 Baldocchi, D. D. A multilayer model for estimating sulfur dioxide deposition to a deciduous oak forest canopy. Atmospheric Environment. 1988, 22: 869-8843 Du, S. H., Fang S. C. Uptake of elemental mercury vapor by C3 and C4 species. Environmental and Experimental Botany. 1982, 22: 437-4434 Hicks, B. B., Meyers, T. P. Measuring and modeling dry deposition in mountainous areas. In: Unsworth, M. H., Fowler, D. (Eds.), Acid Deposition at High Elevation Sites. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. 1988: 541-5525 Lindberg, S. E., Meyers, T. P., Taylor, G. E., Turner, R. R., Schroeder, W. H. Atmosphere-surface exchange of mercury in a forest: results of modeling and gradient approaches. Journal of Geophysical Research. 1992, 97(D2): 2519-25286 Lindberg S. E., Dong, W., Meyers, T. Transpiration of gaseous elemental mercury through vegetation in a subtropical wetland in Florida. Atmospheric Environment. 2002, 36: 5207-52197 Pai, P., Karamchandani P., Seigneur C., Allan M. A. Sensitivity of simulated atmospheric mercury concentrations and deposition to model input parameters. Journal of Geophysical Research Atmospheres. 1999, 104: 13855-138688 Wesley M.L. Parameterization of surface resistances to gaseous dry deposition in regional-scale numerical models. Atmospheric Environment. 1989. 23: 129313049 Lin C.-J., Pongprueksa P., Bullock O.R., Lindberg S.E., Pehkonen S.O., Jang C., Braverman T., Ho T.C. Scientific Uncertainties in Atmospheric Mercury Models II: Sensitivity Tests over the Continental United States. Atmospheric Environment. 2007, 41: 6544-65603.3.2 CalPuff-Hg和CMAQ-Hg模拟及沉降分布耦合优化使用CalPuff-Hg和CMAQ-Hg基于不同尺度模拟各类大气汞排放清单所造成的不同环境影响，其研究方法见图 11 图 11 CalPuff-Hg和CMAQ-Hg模拟及沉降分布耦合优化研究方法1. CalPuff-Hg模拟使用CalPuff-Hg对广东省工业大点源排放大气汞局地污染特征进行连续一年，共5年（2012-2016）跨度的模拟。CalPuff-Hg模型域涵盖如图 12所示的全部广东省行政区域，以及香港、澳门大部分行政区域，其分辨率为33 km。气象数据和地形数据经由CalPuff前置CALMET数据处理模块处理后，与广东省重点工业企业大气汞排放清单、CMAQ-Hg提供的O3和OH的浓度一起输入Linux集群环境下的CalPuff-Hg模型，进行逐点/单个企业的并行模拟，模拟结果经由CALPOST后置模块处理后，使用“GIS数据处理及可视化综合分析工具”可得到局地污染物排放及浓度分布图、干湿沉降状况分布图，这些结果将用来耦合优化CMAQ-Hg在点源附近的沉降。图 12 CalPuff-Hg模型模拟区域CMAQ-Hg将用来对中国区的大气汞状况进行连续一年，共5年（2012-2016）跨度的模拟，其分辨率为3636 km，模型域涵盖如图 13所示的中国的绝大部分地区，以及日本、韩国、蒙古、东亚和南亚的部分地区。图 13中红色部分的广东省工业企业排放清单将会被更新替换或关闭。CMAQ-Hg需要的初始浓度(ICON)和边界浓度(BCON)由全球大气汞模拟模型GEOS-Chem提供。图 11上部，CMAQ-Hg模拟流程中的前四个环节主要是为核心模拟环节CCTM准备并行计算运行环境。CMAQ-Hg每模拟一天将产生6个数据输出文件（表 6），第一天的输出文件CCTM_CGRID将作为第二天的ICON输入文件，如此循环运行至最后一天，可得到表 5所列每小时即时浓度和干沉降数据文件。CMAQ-Hg模拟结果需要经过netCDF 格式数据处理软件(NCO)提取CalPuff-Hg模拟所需的氧化剂浓度输入数据，以及“GEM，RGM 和PHG”3种大气汞污染物年均值、最大值、最小值等。之后用项目自主开发的“GIS数据处理及可视化综合分析工具”并结合环境空气质量及野外采样观测结果，进行数据处理及综合分析、展示。2. CMAQ-Hg模拟116497图 13 CMAQ-Hg模型模拟区域表 5 CCTM/CMAQ-Hg模拟一天输出文件名称大小(MB)名称大小(MB)CONC小时即时浓度998WETDEP小时湿沉降80.1ACONC小时平均浓度10.2AEROVIS小时能见度5.83DRYDEP小时干沉降78.6CGRID下一天模拟初始化文件96合计: 1.24 GB表 6 CCTM输出文件名称描述CCTM_CONC小时即时浓度CCTM_AEROVIS小时能见度CCTM_CGRID下一天模拟初始化文件CCTM_ACONC小时平均浓度CCTM_DRYEP小时干沉降CCTM_WETEP小时湿沉降3. CalPuff-Hg和CMAQ-Hg沉降分布耦合优化图 14为利用CalPuff-Hg局地沉降结果耦合优化CMAQ-Hg模拟结果中大点源周边沉降分布的流程，整个耦合优化过程交由“GIS数据处理及可视化综合分析工具”自动进行并输出结果文件。预计CalPuff-Hg模拟局地沉降结果小于CMAQ-Hg模拟值的区域主要在广东省行政边界以外及受临近省份输入影响明显的区域；而以广州为中心的工业聚集区处于广东省的核心位置、远离边界，大气汞主要受周边工业点源排放影响，CalPuff-Hg模拟的点源叠加沉降结果将很有可能大于CMAQ-Hg的模拟值。图 14 CalPuff-Hg和CMAQ-Hg沉降分布耦合优化流程3.3.3 GIS数据处理及可视化综合分析工具开发图 15 GIS可视化综合分析工具研发流程参照RUP（Rational Unified Process）推荐的五个核心工作流程（图 15：业务建模、需求、分析设计、实施和测试进行GIS数据处理及可视化综合分析工具研发。研发过程中需要解决的关键技术问题如下。1. 多源、多维信息的综合分析技术项目将根据气象、CalPuff-Hg和CMAQ-Hg输出文件各自的数据格式，研究模型模拟数据、气象数据、观测数据等多