AERMOD 模式在火電廠大氣環(huán)境影響預測中的應用

楊 軍

（寧夏環(huán)境科學設計研究院，寧夏 銀川 750004）

根據(jù)HJ2.2－2008《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》，當大氣環(huán)境影響評價工作等級為二級以上時，需對大氣污染源進行進一步的大氣環(huán)境影響預測。推薦的進一步預測模式包括AERMOD模式系統(tǒng)、ADMS模式系統(tǒng)、CALPUFF模式系統(tǒng)。其中AERMOD模式系統(tǒng)為目前國內(nèi)較為常用的模式系統(tǒng)。

寧夏作為全國重要的電力輸出省份，火電在電力結構中占絕對優(yōu)勢。僅寧東能源化工基地到2015年，火電裝機容量規(guī)劃達到1 120萬k W，到2020年，規(guī)劃達到1 600萬k W，其中外送電600萬k W。

在寧夏大規(guī)模發(fā)展火電的背景下，如何在環(huán)評中運用AERMOD模式系統(tǒng)準確預測火電廠對區(qū)域環(huán)境空氣質量的影響，將對發(fā)展寧夏火電行業(yè)、保護區(qū)域環(huán)境、保障人群健康具有重要作用。

1 AERMOD模式系統(tǒng)簡介

AERMOD由美國國家環(huán)保局聯(lián)合美國氣象學會組建法規(guī)模式改善委員會（AERMIC）開發(fā)。

該系統(tǒng)以擴散統(tǒng)計理論為出發(fā)點，假設污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布。模式系統(tǒng)可用于多種排放源（包括點源、面源和體源）的排放，也適用于鄉(xiāng)村環(huán)境和城市環(huán)境、平坦地形和復雜地形、地面源和高架源等多種排放擴散情形的模擬和預測。AERMOD具有下述特點：

（1）以行星邊界層（PBL）湍流結構及理論為基礎。按空氣湍流結構和尺度概念，湍流擴散由參數(shù)化方程給出，穩(wěn)定度用連續(xù)參數(shù)表示；

（2）中等浮力通量對流條件采用非正態(tài)的PDF模式；

（3）考慮了對流條件下浮力煙羽和混合層頂?shù)南嗷プ饔茫?/p>

（4）對簡單地形和復雜地形進行了一體化的處理；

（5）包括處理夜間城市邊界層的算法。

AERMOD系統(tǒng)包括AERMOD擴散模式、AERMET氣象預處理和AERMAP地形預處理模塊。AERMOD模式運行流程如圖1所示。

圖1 AERMOD模式系統(tǒng)流程

AERMET的邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)和廓線數(shù)據(jù)可以由輸入的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)確定，或由輸入的國家氣象局常規(guī)氣象資料（地面數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)）生成。

將地面反射率、表面粗糙度等地面特征數(shù)據(jù)，以及風速、風向、溫度、云量等氣象觀測數(shù)據(jù)輸入到AERMET中，在AERMET計算出行星邊界層參數(shù)：摩擦速度u＊、Monin－Obukhov長度L、對流速度尺度w＊、溫度尺度θ＊、混合層高度zi和地面熱通量H。得到的這些參數(shù)同氣象觀測數(shù)據(jù)一同傳遞給AERMOD中的Interface，在Interface里通過相似關系求得風速u、水平方向和垂直方向的湍流強度σv和σw，位溫梯度dθ／d z，位溫θ和水平拉格朗日時間尺度TL等變量垂直分布。AERMET廓線數(shù)據(jù)和邊界層廓線數(shù)據(jù)經(jīng)過AERMOD中的控制文件引用進入AERMOD系統(tǒng)，計算出相似參數(shù)，并對邊界層廓線數(shù)據(jù)進行內(nèi)插。AERMOD將平均風速、水平向及垂向湍流量脈動、溫度梯度、位溫、水平拉格朗日時間尺度等輸入擴散模式，并計算出濃度。

AERMAP是簡化并標準化AERMOD地形輸入數(shù)據(jù)的地形預處理器，它將輸入的各網(wǎng)格點的位置參數(shù)（x，y，z）及其地形高度參數(shù)（xt，yt，zt）經(jīng)過計算轉化成AERMOD數(shù)據(jù)處理的地形數(shù)據(jù)，包括有各個網(wǎng)格點位置參數(shù)（x，y，z）及其有效高度值zeff，這些數(shù)據(jù)用于障礙物周圍大氣擴散的計算，并結合風速u等參數(shù)的分布，從而可以進行污染物濃度的分布計算。

2 AERMOD模式預測參數(shù)的確定

2.1 地形參數(shù)

可從 網(wǎng)站（ftp：／／xftp.jrc.it／pub／srtm V4／arcasci／）上下載火電廠所在區(qū)域地形資源srtm數(shù)據(jù)文件，再利用DEM文件生成軟件轉化成本次預測所需的地形高程DEM數(shù)據(jù)文件。同時可通過Surfer軟件對生成的DEM文件進行圖形處理，得到地形三維立體圖。例圖見圖2。

圖2 通過Surfer8軟件制作的地形三維立體圖

2.2 污染源參數(shù)

火電廠大氣污染源主要為煙囪，屬點源。污染源參數(shù)包括排放率（g／s）；煙氣溫度（K）；煙囪高度（m）；煙囪出口煙氣排放速度（m／s）；煙囪出口內(nèi)徑（m）；煙囪坐標；煙囪底部海拔高度（m）。需要注意的是預測所需煙囪出口煙氣排放速度為工況煙氣排放速度，而非標況煙氣排放速度。

2.3 地面氣象參數(shù)

地面氣象參數(shù)應選擇距離火電廠最近的，符合HJ2.2－2008《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》要求的氣象站氣象資料，包括時間（年、月、日、時）；風速；風向；云量（低云／總云）；環(huán)境溫度等。

2.4 探空氣象參數(shù)

可選擇來自最近的探空站的位勢高度、氣壓、氣溫／露點、風速、風向等探空數(shù)據(jù)；也可采用中尺度數(shù)值模式MM5模擬生成。模式計算過程中把全國共劃分為149×149個網(wǎng)格，分辨率為27 km×27 km。模式采用的原始數(shù)據(jù)有地形高度、土地利用、陸地－水體標志、植被組成等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源主要為美國的USGS數(shù)據(jù)。模式采用美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）的再分析數(shù)據(jù)作為模型輸入場和邊界場。

3 AERMOD模式預處理

3.1 AERMET氣象預處理

AERMET生成的邊界層參數(shù)包括兩個文件：地面氣象數(shù)據(jù)文件（＊.SFC）、探空廓線數(shù)據(jù)文件（＊.PFL）。地面氣象數(shù)據(jù)文件包括：Monin－Obuhov長度、表面摩擦速度、表面靈敏熱流、混合層高度、溫度、對流速度尺度、風速、風向、位溫梯度等邊界層參數(shù)。探空廓線數(shù)據(jù)文件包括：位勢高度、溫度、風向、風速、水平向及垂直向湍流脈動量等參數(shù)。若有觀測的邊界層參數(shù)，可直接將觀測的數(shù)據(jù)輸入AERMET生成的邊界層參數(shù)文件中。

地面特征參數(shù)均選自《AERMET USER GUIDE》（EPA－454／B－03－002，2004／11）的推薦值，包括正午反照率（Albedo）、波文率（BOWEN）、粗糙長度（Roughness Length）3項。AERMET通用地表類型共有8種，包括水面、落葉林、針葉林、濕地或沼澤地、農(nóng)作地、草地、城市、沙漠化荒地。AERMET通用地表濕度包括干燥氣候、中等濕度氣候及潮濕氣候3種。在預測時可根據(jù)項目特點對地面進行分區(qū)、分時段設置。

3.2 AERMAP地形預處理

AERMAP地形預處理模塊使用網(wǎng)格化地形數(shù)據(jù)計算預測點的地形高度尺度。地形參數(shù)經(jīng)AERMAP模塊運行后，生成AERMOD模塊所需的網(wǎng)格點或任意點的高度尺度、地形高程。

3.3 預測點方案設置

根據(jù)HJ2.2－2008《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》，可選擇直角坐標網(wǎng)絡或極坐標網(wǎng)絡設置預測點方案。在高濃度分布區(qū)，預測點間距應不大于50 m。具體預測網(wǎng)格點設置方法見表1。

表1 預測網(wǎng)格點設置方法

3.4 預測方案設置

根據(jù)HJ2.2－2008《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》，預測內(nèi)容應包括最大地面小時質量濃度、最大地面日平均質量濃度和最大地面年平均質量濃度。根據(jù)導則要求，一般預測方案應以污染物（SO2、NO2、PM10）分類設置預測方案?？筛鶕?jù)預測要求不同，選擇不同的污染源、預測點方案、預測時段、氣象資料、運行模式等。

4 預測實例

以寧東能源化工基地寧東熱電項目SO2小時地面質量濃度預測為例。地形參數(shù)選取范圍為E106.33°～107.01°，N37.92°～N38.45°；地面氣象參數(shù)選取靈武氣象站2008年逐日逐時氣象資料；探空氣象參數(shù)采用2008年逐日08時和20時區(qū)域探空氣象模擬數(shù)據(jù)；污染源參數(shù)見表2。

表2 寧東熱電項目大氣污染源參數(shù)一覽表［1］

地面氣象參數(shù)選用靈武氣象站2008年逐日逐時風向、風速、總云、低云、干球溫度等氣象資料。

高空氣象模擬數(shù)據(jù)是采用中尺度數(shù)值模式MM5模擬生成。本次高空氣象模擬數(shù)據(jù)主要模擬了2008年逐日08時和20時（北京時間）的高空氣象數(shù)據(jù)。

AERMET通用地表類型選取沙漠化荒地，AERMET通用地表濕度選取干燥氣候，粗糙長度按AERMET通用地表類型選取。地面特征參數(shù)正午反照率為0.327 5，BOWEN為7.75，粗糙長度為0.262 5 m。

從網(wǎng)站（ftp：／／xftp.jrc.it／pub／srtm V4／arcasci／）上下載地形資源srtm數(shù)據(jù)文件，再利用DEM文件生成軟件轉化成預測所需的地形高程DEM數(shù)據(jù)文件，地形參數(shù)選取范圍為 E106.33°～107.01°，N37.92°～38.45°。

預測網(wǎng)格點的設置按照《環(huán)境影響評價技術導則·大氣環(huán)境》（HJ2.2－2008）中表7中規(guī)定的直角坐標網(wǎng)格要求：X方向距離源中心≤800 m時，網(wǎng)格點的網(wǎng)格間距取50 m；距離源中心800～1 000 m時，網(wǎng)格點的網(wǎng)格間距取100 m；距離源中心1 000～3 000 m時，網(wǎng)格點的網(wǎng)格間距取200 m；距離源中心＞3 000 m時，網(wǎng)格點的網(wǎng)格間距取300 m。Y方向距離源中心≤1 000 m時，網(wǎng)格點的網(wǎng)格間距取100 m；距離源中心1 000～1 700 m時，網(wǎng)格點的網(wǎng)格間距取50 m；距離源中心1 700～3 000 m時，網(wǎng)格點的網(wǎng)格間距取200 m；距離源中心＞3 000 m時，網(wǎng)格點的網(wǎng)格間距取300 m。預測點總數(shù)為42 852個。

利用AERMOD高斯煙羽模型在建立的逐時氣象場條件下（以2008年逐時地面氣象為基礎，結合MM5數(shù)值模擬數(shù)據(jù)構建氣象場），進行逐次逐時計算，這樣得到全年8 784 h的各網(wǎng)格點SO2地面小時質量濃度，將各網(wǎng)格點的小時質量濃度進行從大到小排序。給出寧東熱電項目排放的SO2前10位地面小時質量濃度及出現(xiàn)位置，預測結果見表3。

表3 SO2最大地面小時濃度及出現(xiàn)位置預測結果

由表3可見，寧東熱電項目SO2最大地面小時質量濃度為0.032 993 mg／m3，占 GB3095－1996《環(huán)境空氣質量標準》二級標準的6.60%，對區(qū)域環(huán)境空氣質量影響較小。

5 模式的優(yōu)缺點

5.1 AERMOD實際應用的優(yōu)點［2］

（1）輸入輸出簡潔明了。用于控制AERMET及AERMOD運行的Inp參數(shù)文件語法簡潔，相關控制參數(shù)簡單明了。其中涉及到模型計算參數(shù)的選擇精煉規(guī)范，避免了用戶使用時主觀因素的影響。

（2）輸出文件和格式靈活多樣，便于制圖。該模型能按用戶需要，一次計算同時輸出多種格式和要求的文件，如輸出小時濃度、日均、季均、年均不同保證率的濃度值，以及不同污染源的影響值、預測區(qū)各點的最大濃度值等。若配合相關軟件（如Excel、Surfer和Arcview等），后期分析制圖會更方便和快捷。

（3）模型預測結果準確度、精確度較高。

5.2 AERMOD實際應用的缺點

5.2.1 應用局限性

AERMOD模式雖然以最新的大氣邊界層和大氣擴散理論為基礎，但是，AERMOD擴散模式只是在地面與上部逆溫層對污染物全反射、污染物性質保守的前提下才能使用，在小風、靜風條件下不適用。AERMOD模式的對流邊界層的湍流結構和擴散相當成熟，且與觀測事實吻合得較好。然而，在穩(wěn)定條件下，大氣邊界層實際上一直處于不斷的演變中。不但邊界層的深度一直在演變，而且湍流特征也在一直處于變化中。目前，在擴散計算中，AERMOD模式一直都難于反應這種特征。

5.2.2 部分氣象資料獲取不易

根據(jù)模型要求AERMET須輸入與地面觀測數(shù)據(jù)同步的高空氣象參數(shù)，否則對預測結果會有一定的影響。但目前國內(nèi)各城市的高空探空數(shù)據(jù)非常缺乏，各氣象部門所能提供的同步氣象觀測的探空數(shù)據(jù)很少，即使有部分探空數(shù)據(jù)，也很難得到全面的實測數(shù)據(jù)［3］。

目前環(huán)境保護部環(huán)境質量模擬重點實驗室已利用高性能集群計算機及MM5氣象模擬系統(tǒng)模擬全國范圍內(nèi)27 km×27 km分辨率的5 000 m以下逐日探空氣象數(shù)據(jù)。模式計算過程中把全國共劃分為149×149個網(wǎng)格，分辨率為27 km×27 km。模式采用的原始數(shù)據(jù)有地形高度、土地利用、陸地－水體標志、植被組成等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源主要為美國的USGS數(shù)據(jù)。模式采用美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）的再分析數(shù)據(jù)作為模型輸入場和邊界場。

5.2.3 在復雜地形條件下，與實際情況存在差異

AERMOD模型比較簡單，在計算大氣污染擴算的過程中，遇到山體時煙羽僅做了相對簡化的分層處理，造成煙羽撞山，造成局部高濃度區(qū)，極易出現(xiàn)超標現(xiàn)象，與實際情況有一定差異。另外，在復雜地形條件下，大氣狀況在不同區(qū)域變化較大，AERMOD模型中大氣擴算參數(shù)在選取上較單一，與實際狀況差異較大［4］。因此，由于預測模型的不完善造成的煙羽撞山污染物累積等造成的在非居民區(qū)、非自然保護區(qū)等非環(huán)境空氣敏感區(qū)出現(xiàn)小時或者日均落地濃度超標應該是可以接受的。

6 結 語

（1）AERMOD模式系統(tǒng)是 HJ2.2－2008《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》推薦預測模式之一。該模式是一個穩(wěn)態(tài)煙羽擴散模式，可基于大氣邊界層數(shù)據(jù)特征模擬點源、面源、體源等排放出的污染物在短期（小時平均、日平均）、長期（年平均）的濃度分布，適用于農(nóng)村或城市區(qū)域，簡單或復雜地形。

（2）AERMOD模式系統(tǒng)具有輸入輸出簡潔明了，輸出文件和格式靈活多樣，便于制圖，以及預測結果準確度、精確度較高的特點。

（3）AERMOD模式系統(tǒng)存在應用局限性，部分氣象資料獲取不易，以及在伏在地形條件下造成煙羽撞山現(xiàn)象等缺點，需要在應用過程中采取合理手段進行調整。

（4）在正確選擇參數(shù)的情況下，預測值較為接近實際情況，適用于火電廠大氣環(huán)境影響預測。

［1］童云峰，劉錦霞，楊 軍，等.國電英力特能源化工集團股份有限公司寧東2×330MW機組熱電聯(lián)產(chǎn)工程環(huán)境影響報告書［R］.銀川：寧夏環(huán)境科學設計研究院（有限公司），2010：133.

［2］丁 峰，李時蓓，蔡 芳，等.AERMOD在國內(nèi)環(huán)境影響評價中的實例驗證與應用［J］.環(huán)境污染與防治，2007，29（12）：953－957.

［3］龔慧娟.淺析AERMOD在環(huán)境影響評價中的應用［J］.河南化工，2010，27（3）：32－33.

［4］趙秀勇，尤一安，朱庚富，等.AERMOD在火電大氣環(huán)評中出現(xiàn)山地極端異常值的分析［J］.電力科技與環(huán)保，2011，27（2）：1－3.