大气环境约束下的产业选址研究——以临汾为例

杨立焜，王 璇，孙道成，许宏宇，关 凯，任金梁

（1. 自然资源部国土空间规划研究中心，北京 100044；2.中国城市规划设计研究院，北京 100044）

0 引言

自中国加入WTO以来，工业化和城镇化水平发生了突飞猛进的增长[1]，同时也因其粗放式的发展模式，产生了很多环境问题[2,3]。近几年部分汾渭平原地区大气重污染事件频发，给中国空气质量带来压力，对我国“黄河流域生态保护和高质量发展”规划中生态文明建设提出了严峻挑战[4]。目前生态环境部门对大气环境的主要监测指标有PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3等，其中可吸入颗粒物粒径细小，影响呼吸系统、肺等，对人体健康威胁尤为显著[5-6]。PM10已经成为临汾市大气环境的首要污染物，SO2、NO2的大量排放使城市空气污染加重，对环境和人的身体健康产生较大风险和危害[7,8]。

自2013年国务院印发大气污染防治行动计划以后[9]，国内大部分城市空气质量逐年变好，汾河平原各城市也出现短暂的变好态势，但从2015年起开始反弹，成为全国空气污染最严重的区域之一，并于2018年被赋予重点督察，纳入国家大气防治重点区域[10]。城市化和工业化进展的加快对大气环境造成的负面影响已逐步显现出来，国内外许多学者对大气污染特征进行了多年的观测和研究[11-17]。目前该区域缺少对高污染高排放产业转移可行性分析，本文以山西省临汾市为研究对象，总结临汾市的地形和气象特征，选择2016—2017年进行大气模拟研究，对大气污染敏感性进行分析，并提出焦煤产业产能转移选址的可行性地区，以期为临汾市空气污染治理和焦煤产业布局提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

临汾市位于山西省西南部，地理坐标为北纬35°23′~36°57′，东经110°22′~112°34′。地处半干旱、半湿润季风气候区，属温带大陆性气候，四季分明，雨热同期。气候主要特征：冬季寒冷干燥，降雪稀少；春季干旱多风，秋季阴雨连绵；夏季酷热多暴雨，伏天旱雨交错。临汾市地形轮廓大体呈“凹”字型分布，四周环山，中间平川，坐落于汾河谷地。临汾是中国三大优质主焦煤基地之一，当地长期保持以煤炭为主的能源结构[18]。

在河谷地形影响下，年均风速小，静风频率高，不利于大气污染物的扩散，尤其是在冬季，往往会形成逆温气象条件；临汾市区空气质量改善的难度逐年增大，且具有较大的不确定性。

图1 临汾市地形图

图2 临汾市AQI逐日变化图

1.2 数据来源和评价标准

收集了临汾市2016－2017年大气环境资料，包括气温、湿度、风速风向、空气质量资料等，数据来源于中国空气质量在线监测分析平台和国家气象科学数据中心；大气环境质量执行《GB 3095-2012环境空气质量标准》二级标准。

1.3 气象场模拟

气象预报模式WRF（The Weather Research and Forecasting Model），美国环境预测中心（NCEP）、美国国家大气研究中心（NCAR）等科研机构于2000年研究发布，目前已经更新到WRF4.0。WRF模式为完全可压缩的欧拉非静力模式，垂直方向采用地形追随坐标，水平方向采用Arakawa C grid交错。微物理覆盖从适合理想状态研究的简单物理到适合于过程研究和气象数值预报的复杂混合相物理，积云参数化为基于中尺度模拟调整的质量通量方案，表面物理从简单的热力模式到全植被和土壤湿度的多层地表覆盖模式，另外还有多种可供选择的边界层物理和大气辐射物理方案，并可设置多层嵌套模拟和运用观测数据进行地面和高空同化，以提高模拟的准确性和精度[19-22]。本研究采用WRF 3.7.1模拟2016和2017年1月、4月、7月、10月的气象场，设置三层嵌套，以大区域的模拟结果为基础进行更精细的小区域的模拟，外层的模拟结果为内层提供边界条件，多层嵌套可以消除最外层以外的边界条件不确定性的影响。投影类型为适用于中纬度地区的兰伯特投影，两条标准纬线为25°N和40°N，中央经线为110°E，坐标原点（34°N，110°E）。气象原始数据来自美国国家环境预报中心的FNL全球分析资料，时间间隔为6 h，分辨率为1°×1°。基于模拟的气象场，结合敏感实验面源清单和WRF-Chem数值预报模块，考虑容量空间、污染聚集和扩散风速影响，将气象场与污染浓度结果进行输出，最终提取近地面10 m、100 m和300 m的风速和污染物浓度。根据风速和污染物浓度结果进行归一化与平均加权处理，并按照1%、2%、5%、10%、25%的比例进行敏感性等级划分。

2 结果与分析

临汾市东西环山，北部山区温度较低，且温度梯度较大，风场的日变化非常明显。WRF模拟结果显示，近地面风向与地形关系紧密，主导风向与河谷或山谷走向保持一致；通过对比分析500 m、300 m和10 m平均风场分析数据，全市域并无明显的一致主导风，盆地多以西南、西北风为主。

基于临汾市风场分布图和污染源现状，对区域四季和年污染扩散平均浓度分布进行模拟。从污染浓度的分布可以明显的发现，汾河平原地区为市域污染聚集敏感区。相同的污染源设置，不同季节的扩散结果也可以看出，夏秋污染扩散能力较好，而冬季污染扩散能力最差，平原地区积聚污染浓度最高。

综合四季的模拟结果，分析年平均污染浓度分布图，分布图显示 污染物均扩散至汾河盆地，图中深红区域为最易污染堆积的区域，也是风速小、风场辐合区域。

图3 临汾市年平均风场分布图

图4 临汾市四季污染扩散平均浓度分布图

以气象场与污染浓度输出结果为基础，结合近地面10 m、100 m和300 m风速和污染浓度，提取区域边界层高度，进行归一化处理和平均加权求和，计算获得大气污染敏感性评价结果，基于1%、2%、5%、10%、25%的比例关系等级划分敏感性，划分为极敏感、较敏感、一般敏感、较不敏感和不敏感五个等级。

3 讨论

3.1 汾河平原大气环境污染分析

根据临汾市大气环境污染敏感性区划图，结合工业园区分布，对现状工业园区分布进行分析。通过统计临汾市18个园区，其中位于大气污染极敏感红色区域1个园区，位于大气污染较敏感橙色经济开发区6个园区，位于大气污染一般敏感黄色区域7个园区，位于大气污染较不敏感和不敏感的区域4个园区。这些园区中位于汾河平原地区的主要在尧都区、洪洞县、襄汾县三个行政区范围内，结合区域现在大气环境监测数据，研究发现尧都区、洪洞县优良天数低于50%，襄汾县优良天数低于60%；中心城区重度和严重污染天数比例超5%。

根据临汾市环境质量公报，区域大气污染主要以SO2和PM10为主。其中SO2排放源主要有：硫酸厂尾气、煤化工废气、有色金属冶炼、燃煤废气；PM10排放源主要有：施工及运输扬尘、燃煤烟气污染源、交通源粉、冶炼尘、建材尘。根据汾河平原三区县主要污染排放源分析，结合产业现状，尧都区、洪洞县、襄汾县SO2重点排放源主要来自于煤化工、电厂和炼钢，PM10重点排放源主要来自于燃煤烟气和施工、运输扬尘，因此区域重点控制污染源为：煤化工、电厂及钢铁产业。

为提升区域大气环境质量，需控制尧都区、洪洞县、襄汾县煤化工产业产能，结合区域产业园区分布，其中位于大气污染极敏感、较敏感区域的工业园区以焦煤产业、煤化工为主，该区域内大气扩散能力差，结合区域风向，污染物极容易导致人口密集区环境污染问题，对该园区应要求超低排放改造，不允许新建或扩建任何火电、水泥、焦化、化工、钢材、建材、铸造、有色等高排放行业项目，现有高排放行业逐步退出。

图5 临汾市污染扩散平均浓度分布图

图6 临汾市大气环境污染敏感性区划图

结合区域实际情况，计算具体产能降低数量。区域大气环境质量目标为II类标准，通过A值法计算区域内SO2、PM10超大气环境II类标准总量分别分别为：5.4万t/a、18.8万t/a。将SO2、PM10超大气环境II类标准污染物总量折算为焦化产能后，分别为：1714万t/a、648万t/a。根据短板原理，确定SO2为控制性因子，汾河平原三区县需降低焦化产能1714万t/a才能满足大气环境II类标准。

3.2 产业转移选址

根据环境质量公报，浮山县、安泽县优良天数高于60%，浮山县、安泽县、古县重度污染和严重污染天数比例低于3%。浮山县、安泽县、古县污染物浓度整体低于尧都区、洪洞县、襄汾县，浮山县、安泽县、古县大气环境容量较尧都区、洪洞县、襄汾县高。

基于产能统计数据，安泽县、浮山县、古县现有焦化产能887万t/a。结合安泽县、浮山县、古县工业园区规划环境影响报告书，区域可增加焦化产能约2050万t/a。安泽县、浮山县、古县工业园区环境容量及焦化产能均可满足尧都区、洪洞县、襄汾县焦化产能东迁的要求。

图7 尧都区、洪洞县、襄汾县大气环境质量分析图

图8 临汾市大气环境污染敏感性区划图与工业园区

基于产能转移和园区规划，结合WRF模型，对产业转移后的大气环境进行模拟。园区主要为古县涧河园区、古县新型产业园、浮山园区和安泽园区，古县涧河园区污染主要东北向、西南向扩散，对古县县城影响较大；古县新型产业园向西扩散为主浮山园区向西北扩散为主，园区自净能力最差；古县、浮山的园区均向汾河谷地有输送，污染主要影响洪洞东部、尧都区东北小范围区域，其中古县新型产业园和浮山园区较涧河工业园更容易向谷地输送；安泽园区地处山谷，无明显的主导扩散方向，如搬迁至此，则需重点关注园区周边用地，不宜设为居住用地。

选取SO2为模拟污染物，使用冬季、夏季两个季节为模拟过程，结合WRF-Chem模型，对污染物扩散情况进行分析。分析工业园区大气污染的扩散特征和主要影响区域，冬季情况下模拟结果显示污染物往谷地和东部扩散，尤其南边两个园区对谷地影响较大，但相比工业园区在汾河平原谷地区影响降低较多；夏季情况下模拟结果显示工业园区污染物主要扩散至东部地区，对河谷地扩散影响范围较小。

图9 大气环境质量级别及主要污染浓度对比图

图10 安泽县、浮山县、古县现状焦化产能与规划产能图

4 结论

（1）临汾市处于四周环山的盆地之中，受地势影响和山脉阻挡，大气污染物在盆地内停滞堆积，污染物扩散能力不畅，特别是在重污染过程中，这种大气污染物在局部地区的堆积严重；

（2）汾河谷地平原区域属于大气环境污染敏感性高或者较高区，并且临汾市主要重污染企业集中于汾河谷地平原区域，亟需将区域内的现状重污染企业进行搬迁；

图11 规划产业转移园区大气扩散能力分布图

图12 规划产业转移园区SO2扩散能力分布图

（3）临汾市东部古县、安泽县、浮山县现状大气环境扩散能力强，将汾河谷地平原区域超容量重污染企业搬迁至东部三县，通过模拟结果显示在不超过东部三县环境容量的前提下，对河谷地平原区影响较小，可实现区域环境改善。