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2023 年 第 20 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 502 期 99 广东大亚湾石化园区对周边臭氧污染的影响广东大亚湾石化园区对周边臭氧污染的影响 苏彦(广东省生态环境监测中心，国家环境保护区域空气质量监测重点实验室，广东省环境保护大气二次污染研究重点实验室，广东 广州 510308)摘 要大亚湾石化园区是珠三角重要的 VOCs 排放源区，其排放量超过惠州市人为源 VOCs 的 85%。2017 年逐日的风速风向与邻近城市臭氧浓度关系表明，其下风向地区的臭氧超标情况并不严重，但在个别时次该石化园区可能会造成下风向城市臭氧浓度达到轻度污染水平。使用 WRF-SMOKE-CAMx 模型系统，模拟了 2017 年 910 月大亚湾石化园区关停对周边地区臭氧浓度的影响。若关停该石化园区，可令园区周边地区中午的臭氧浓度下降约 10 g/m3，但对惠州与深圳市区下午的臭氧浓度影响约为 3 g/m3，表明大亚湾石化园区的关停可以令其周边地区或城市臭氧浓度轻微下降。由于园区排放的 VOCs 等输送与生成臭氧的时间不同，不同点位臭氧浓度最大降幅出现的时刻有所差异。若要珠三角区域的臭氧实现更大幅度的浓度下降，除了要严控石化园区的排放外，还需要更多的协同控制手段。关键词大亚湾；石化；空气污染；臭氧 中图分类号X51；X16 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)20-0099-03 Impact of Daya Bay Petrochemical Park on Ozone Pollution in Nearby Areas Su Yan(State Environmental Key Laboratory of Regional Air Quality Monitoring,Guangdong Environmental Protection Key Laboratory of Secondary Air Pollution Research,Guangdong Environmental Monitoring Center,Guangzhou 510308,China)Abstract:Daya Bay Petrochemical Park is an important VOCs emission source area in the Pearl River Delta.Its emissions exceeded 85%of the total anthropogenic VOCs in Huizhou City.The relationship between daily wind speed and direction and ozone concentration in 2017 in adjacent cities showed that ozone concentration in downwind area was not serious,but in some cases,the downwind area of the petrochemical park might cause ozone concentration to reach the slight pollution level.Using WRF-SMOKE-CAMx model system,the effects of closure of Daya Bay Petrochemical Park on ozone concentration in surrounding areas were simulated from September to October 2017.If the petrochemical park was closed,the ozone concentration around the park would be reduced by about 10 g/m3 at noon,but the impact on the ozone concentration in the afternoon of Huizhou and Shenzhen was about 3 g/m3.It showed that the closure of Daya Bay Petrochemical Park could slightly reduce the ozone concentration in the surrounding areas or cities.Because the time of VOCs transport and ozone generation was different,the time of maximum ozone concentration decrease at different sites was different.In order to achieve a greater reduction in ozone concentration in the Pearl River Delta,in addition to strict control of emissions from petrochemical parks,more coordinated control measures are needed.Keywords:Daya Bay；petrochemical；air pollution；ozone 中国的空气污染问题一直是研究热点1，主要集中在以PM2.5与臭氧为主要污染物的大气复合污染2。珠三角地区在经历了多年的环境治理后，PM2.5已实现连续四年达到国家二级标准，但臭氧浓度却从06年起呈现持平或略有上升的趋势3。珠三角的空气污染问题已从上世纪 8090 年代的酸雨问题，转变为本世纪初期的 PM2.5问题4，再转变为新时代的臭氧污染问题，臭氧污染已成为影响珠三角空气质量的重要因素5，臭氧的超标率较高，直接降低了珠三角地区的空气质量达标率。由于臭氧与其前体物(NOx 与 VOCs)的关系复杂6，前体物浓度或排放的减少未必带来臭氧浓度的下降7，而且全球多个地区的臭氧背景浓度在近年在不断上升8，因此，珠三角地区的臭氧污染防治工作也举步维艰9。由于 NO 对臭氧的滴定效应，在城市或城市群地区控制 NOx 的排放在某些情况下反而会使臭氧的浓度上升10，因此，目前若要使城市地区的臭氧浓度下降，主要应以减少 VOCs 排放为主要手段11。珠三角最主要的集中排放 VOCs 的区域主要是惠州的大亚湾石化园区，本研究主要基于三维空气质量模型情景分析的方法，选择珠三角臭氧污染最严重的季节，即秋季，定量研究大亚湾石化园区对其邻近地区臭氧污染的影响，以期为珠三角，甚至国内其它地区的臭氧污染防治提供决策参考。1 数据与方法数据与方法 1.1 技术与方法 首先收集 2017 年的气象监测数据，结合大亚湾石化园区周边城市的空气污染监测数据，定性分析风向风速与臭氧污染的关系。其次，运用三维空气质量模型，设置关停典型石化行业与企业的情景，定量分析广东大亚湾石化园区对周边空气质量的影响。以 2015 年的排放量为基础，污染源输入主要依据清华大学公布的全国源清单、广东省环境监测中心和香港特区环境保护署提供的排放清单。同时，为了反映广东省地区污染物排放的变化，参考和借鉴了国内相关污染物源清单的研究成果12。利用 2017 年 910 月的气象条件，估算出 2017 年 910月区域内主要污染源的基线排放量，同时，根据大亚湾石化园区的主要排放源信息，就关停该园区主要大气污染物排放源的减排量及减排后的清单进行估算，最后算出减排前后臭氧浓度的变化。1.2 空气污染物浓度数据与气象资料 采用的 WRF(V3.7.1)-CAMx(V6.2)模式系统进行情景分析研究。气象场模拟采用的边界层方案为 MYJ。微物理方案为Lin。采用的积云方案为 Grell-Freitas。采用的短波辐射方案为RRTMG。采用的长波辐射方案为 RRTMG。采用的路面过程方案为 Noah land-surface model。采用 4 重嵌套的方式进行运算，网格设置采用兰伯特投影，中心经纬分别为 114.0E、28.5N，各层网络的范围如下：第一层，覆盖全国。分辨率：81 km81 km，网格数：8978。第二层，覆盖华南地区。分辨率：27 km27 km，网格数：10991。第三层，覆盖广东省及周边地区(泛珠三角地区)。分辨率：9 km9 km，网格数：187151。第四层，覆盖广东省主要地区。分辨率：3 km3 km，网格数：262199。使用的三维空气质量模式为美国 ENVIRON 公司开发的CAMx13，它是同时考虑物理化学过程的网格化模型，CAMx模式的算法及参数设置详见文献14。收稿日期 2023-03-29 作者简介 苏彦(1980-)，女，广东汕头人，工程师，学士，主要研究方向为环境监测与分析。广 东 化 工 2023 年 第 20 期 100 第 50 卷 总第 502 期 1.3 空气污染物监测点位与大亚湾石化园区的位置 大亚湾石化园区处于广东惠州市南面的海边，其西面不足10 km 处是大亚湾管委会空气质量观测子站(以下简称大亚湾站)，惠州中部设有下埔横江三路子站(以下简称下埔站)，由于910 月珠三角主要以偏东北风为主导，因此，同时选择大亚湾石化园区西南方向的深圳盐田站作为研究的受体点之一(图1)。图图 1 空气污染物监测点位与大亚湾石化园区的位置空气污染物监测点位与大亚湾石化园区的位置 Fig.1 Location of air pollutant monitoring sites and Daya Bay Petrochemical Park 2 结果分析与讨论结果分析与讨论 2.1 石化园区 VOCs 排放量分析 根据估算的 2015 年污染物排放清单，惠州市 VOCs 排放量前 10 行业累积排放量 26990.26 t，占全市人为源 VOCs 总排放量的 99.35%；其中有五个行业中的 13 家企业位于大亚湾石化园区内。惠州市 VOCs 排放量排名前十企业总排放量为26385.9 t，占全市人为源 VOCs 总排放量的 97.12%。十家企业中有 6 家位于大亚湾石化园区内，排放量为 23138 t，占全市人为源 VOCs 总排放量的 85%。以下主要讨论在秋季关停这些污染企业对周边站点的臭氧浓度影响。2.2 大亚湾石化园区下风向城市臭氧与风速风向的关系 根据 2017 年的气象监测数据(图 2)，大亚湾石化园区常年盛行东北风，占全年的 35.4%，其次是东南风和偏东风，分别占 20.8%和 14.2%。图图 2 大亚湾石化园区常年主导风向大亚湾石化园区常年主导风向 Fig.2 The dominant wind direction of the Daya Bay Petrochemical Park 惠州城区位于大亚湾石化园区的偏北方 45 km，当大亚湾石化园区惠州城区吹偏南风时，可能会对其有污染传输影响。惠州的 O3污染情况总体较轻，其中 O3全年无中度及以上污染。当惠州受偏南风影响时，O3存在一些轻度污染的时次(图3a)，这可能与上风向大亚湾石化园区的污染传输影响有关。该类时次出现在 8 月 21 日、9 月 2728 日。东莞位于大亚湾石化园区的西北偏西方 65 km，当大亚湾石化园区向东莞吹东南偏东风时，可能会对其有污染传输的影响。东莞的 O3轻度及以上级别污染大部分发生在偏南风影响的时段，这可能与深圳的污染传输影响有关。东莞受东南偏东风的影响时，亦存在一些 O3轻度污染的时次，可能也与大亚湾石化园区的污染传输有关(图 3b)，此类时次主要发生在 2月 1718 日、5 月 1014 日、5 月 29 日、8 月 1 日、8 月 21日、9 月 20 日和 9 月 2628 日。深圳位于大亚湾石化园区的偏西方，当大亚湾石化园区深圳吹偏东风时，可能会对其有污染传输影响。深圳的 O3污染情况总体较轻，全年无中度及以上级别污染。当深圳受偏东风影响时，存在一些轻度污染的时次，这可能与上风向大亚湾石化园区的污染传输影响有关(图 3c)。其中 O3该类时次出现在 5 月 10 日和 5 月 28 日。图图 3 风向风速对惠州风向风速对惠州(a)、东莞、东莞(b)、深圳、深圳(c)的的 O3污染的影响污染的影响(图中填色部分代表污染物的浓度，距离空心圆圈的距离代表风速。图中填色部分代表污染物的浓度，距离空心圆圈的距离代表风速。)Fig.3 Effect of wind direction and wind speed on O3 pollution in Huizhou(a),Dongguan(b)and Shenzhen(c)(The color filling part represents the concentration of pollutants,and the distance from the hollow circle represents the wind speed)2.3 模型模拟效果评估 使用大亚湾、盐田、下埔 3 个站点 2017 年 910 月臭氧小时浓度的实测值与 CAMx 的模拟值进行对比评估。从总体上而言，模拟值高于实测值，模拟值与实测值的相关性较好，大多数站点模拟结果与实测值吻合较好(表 1)，并与同类模式的模拟效果具有可比性15，说明本工作中所建立的 CAMx 模拟系统可以应用于大亚湾石化园区影响分析的模拟研究，并表现出合理的模式性能。表表 1 CAMx 模拟结果与实测值对比的统计指标模拟结果与实测值对比的统计指标 Tab.1 Comparison of CAMx simulation results with measured values NMB/%R 大亚湾 67 0.65 下埔 39 0.64 盐田 34 0.57 2023 年 第 20 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 502 期 101 2.4 石化园区减排对不同点位臭氧浓度的影响 通过对比减排前后平均的臭氧浓度日变化规律，在2017年秋季典型气象条件下，石化园区减排对邻近地区的臭氧有一定的影响，而且呈现越靠近园区，臭氧浓度下降越大的现象，表明园区对周边的影响大于区域的影响。大亚湾监测点位离石化园区最近，若石化园区关停，则其平均的小时臭氧浓度在917时均可以实现下降，浓度下降最大的时刻是11时前后，最大可以下降10 g/m3以上。下埔监测点位于惠州市区，距离石化园区相对较远，石化园区关停可令其臭氧在1118时下降，浓度降幅最大的时刻为16时，最大可以下降约3.3 g/m3，下降幅度相对较小。而位于深圳市的盐田监测点，石化园区关停前后的情况与惠州市区的下埔点位类似，石化园区关停可令其臭氧在 920 时下降，浓度降幅最大的时刻为 13 时左右，1214时的臭氧小时浓度降幅均超过 3 g/m3。不同位置的站点臭氧浓度最大降幅出现的时刻不一致主要是由于石化园区排放的污染物及其生成的臭氧输送到不同的受体点需要不同的时间。另外，石化园区关停后会令夜间臭氧浓度略有上升，大亚湾监测点夜间小时浓度大约上升 1 g/m3，而其它两个站点夜间臭氧浓度上升幅度普遍小于 1 g/m3。由于夜间臭氧浓度普遍较低，因此，浓度的轻微上升不会对人体或生态环境造成伤害。但白天的臭氧浓度较高，臭氧浓度的下降可以降低污染带来的健康风险。石化园区的关停可令臭氧浓度有所下降，但降幅普遍不大，这可能一方面是因为 VOCs减排的同时也减少了NOx等排放，导致臭氧浓度下降不明显；另一方面，区域的 VOCs排放量较大，广州、东莞与深圳等周边城市也在大量排放VOCs，广东省及周边地区植被茂盛，自然源的 VOCs 排放可能会超过人为源 VOCs 的排放，单个石化园区人为源 VOCs的大幅减排可能不足以对区域臭氧造成太大影响。图图 4 石化园区关停前后的臭氧浓度对比石化园区关停前后的臭氧浓度对比(取取 910 月各天的平均值月各天的平均值)Fig.4 Comparison of ozone concentration before and after shutdown in petrochemical park(the average of days from September to October)3 结论与讨论结论与讨论 大亚湾石化园区是珠三角重要的 VOCs 排放源区，其VOCs 排放量超过惠州市人为源 VOCs 的 85%。从 2017 年逐日的风速风向与邻近城市臭氧浓度关系来看，其下风向地区的臭氧超标情况并不严重，在个别时次可能会造成下风向城市臭氧浓度达到轻度污染水平。使用 WRF-SMOKE-CAMx 模型系统模拟了 2017 年 910 月大亚湾石化园区关停对周边地区臭氧浓度的影响。若关停该石化园区，可令园区周边地区臭氧中午的臭氧浓度下降约 10 g/m3，但对惠州与深圳市区下午的臭氧浓度影响约为 3 g/m3。表明大亚湾石化园区的关停可以令其周边地区或城市臭氧浓度轻微下降。由于园区排放的 VOCs等输送与生成臭氧的时间不同，不同点位臭氧浓度最大降幅出现的时刻有所差异。若要珠三角区域的臭氧实现更大幅度的浓度下降，除了要严控石化园区的排放外，还需要更多的协同控制手段。另外，本研究只关注特定气象条件下的臭氧污染问题，未来有必要进行更长时间段或不同季节的研究，以更深入分析化工园区的长期影响。参考文献参考文献 1Rohde R A，Muller R A Air pollution in China：mapping of concentrations and sourcesJPloS one，2015，10(8)：e0135749 2LI Meina，ZHANG Lulu Haze in China：Current and future challengesJEnvironmental Pollution，2014，189(12)：85-86 3ZHONG Liuju，Louie P K K，ZHENG Junyu，et alSciencepolicy interplay：Air quality management in the Pearl River Delta region and Hong KongJAtmospheric environment，2013，76：3-10 4Lin C Q，Li Y，Lau A K H，et al15-Year PM2.5 Trends in the Pearl River Delta Region and Hong Kong from Satellite ObservationJ Aerosol Air Qual，2018，18：2355-2362 5沈劲，黄晓波，汪宇，等 广东省臭氧污染特征及其来源解析研究J 环境科学学报，2017，37(12)：4449-4457 SHEN Jin，HUANG Xiaobo，WANG Yu，et alStudy on ozone pollution characteristics and source apportionment in Guangdong ProvinceJActa Scientiae Circumstantiae，2017，37(12)：4449-4457 6SHAO Min，ZHANG Yuanhang，ZENG Limin，et al Ground-level ozone in the Pearl River Delta and the roles of VOC and NOx in its productionJJournal of Environmental Management，2009，90：512-518 7Zhang YH，Su H，Zhong LJ，et alRegional ozone pollution and observation-based approach for analyzing ozone-precursor relationship during the PRIDE-PRD2004 campaignJAtmospheric Environment，2008，42：6203-6218 8Cynthia Lin C Y，Jacob D J，Munger J W，et alIncreasing background ozone in surface air over the United StatesJGeophysical Research Letters，2000，27(21)：3465-3468 9沈劲，陈多宏，汪宇，等基于情景分析的珠三角臭氧与前体物排放关系研究J生态环境学报，2018，27(10)：1925-1932 SHEN Jin，CHEN Duohong，WANG Yu，et alStudy on the relationship between ozone and precursor emissions in the Pearl River Delta based on scenario analysisJEcology and Environmental Sciences，2018，27(10)：1925-1932 10Wang X，Zhang Y，Hu Y，et alProcess analysis and sensitivity study of regional ozone formation over the Pearl River Delta，China，during the PRIDE-PRD2004 campaign using the CMAQ modelJ Atmospheric Chemistry and Physics，2010，10：4423-4437 11SHEN Jin，ZHANG Yuanhang，WANG Xuesong，et al An ozone episode over the Pearl River Delta in October 2008JAtmospheric Environment，2015，122：852-863 12潘月云，李楠，郑君瑜，等广东省人为源大气污染物排放清单及特征研究J环境科学学报，2015，35(9)：2655-2669 PAN Yueyun，LI Nan，ZHENG Junyu，et al Emission inventory and characteristics of anthropogenic air pollutant sources in Guangdong ProvinceJActaScientiae Circumstantiae，2015，35(9)：2655-2669 13Sarkar M，Venkataraman C，Guttikunda S，et alIndian emissions of technology-linked NMVOCs with chemical speciation：an evaluation of the SAPRC99 mechanism with WRF-CAMx simulationsJ Atmospheric Environment，2016，134：70-83 14沈劲，汪宇，潘月云，等广东省气象与源排放因素对 PM2.5浓度影响的数值模拟研究J安全与环境工程，2017，24(01)：45-50 SHEN Jin，WANG Yu，PAN Yueyun，et alNumerical Simulation of the Impact of Meteorology and Emission on PM2.5 Concentration in Guangdong ProvinceJSafety and Environmental Engineering，2017，24(01)：45-50 15Simon H，Baker K R，Phillips SCompilation and interpretation of photochemical model performance statistics published between 2006 and 2012JAtmospheric Environment，2012，61(12)：124-139 (本文文献格式：苏彦广东大亚湾石化园区对周边臭氧污染的影响J广东化工，2023，50(20)：99-101)