氣象條件對點源排放二噁英模擬的影響規(guī)律研究*

王 超 陳 彤 王 奇 李 敏 岑可法 陸勝勇 李曉東

(浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

氣象條件對點源排放二噁英模擬的影響規(guī)律研究*

王 超 陳 彤 王 奇 李 敏 岑可法 陸勝勇 李曉東#

(浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

為了對點源排放的固相顆粒物上二噁英大氣擴散規(guī)律進(jìn)行認(rèn)識，選擇周邊為復(fù)雜地形的杭州某危險廢物處置設(shè)施為研究對象。使用AERMOD模型，人為設(shè)置一系列風(fēng)速、風(fēng)向條件，并假定二噁英均在PM2.5上，進(jìn)而分析PM2.5上二噁英在這些設(shè)定的氣象條件下的擴散規(guī)律，從而認(rèn)識其擴散規(guī)律。結(jié)果顯示：(1)風(fēng)速風(fēng)向?qū)ψ畲舐涞貪舛?、最大落地濃度點距離排放源的距離(簡稱最大落地點距離)的影響較大，而地貌的不同也會有一定影響。(2)3.0m/s的風(fēng)速時最大落地點距離達(dá)到最大(約800m)，5.0m/s的風(fēng)速時最大落地濃度達(dá)到最大。(3)地形的改變對最大落地點距離的影響有限。(4)在特定風(fēng)速情況下，沿風(fēng)向方向，二噁英落地濃度會出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。

二噁英類污染物 大氣擴散模擬AERMOD氣象條件

自從垃圾焚燒過程中發(fā)現(xiàn)二噁英以來[1]，二噁英就受到了全球范圍的關(guān)注。隨著我國生活垃圾、危險廢物、醫(yī)療廢物的焚燒處理處置設(shè)施的日益普遍，處理處置設(shè)施排放的二噁英對周邊環(huán)境的影響日益受到關(guān)注。二噁英是幾類結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)類似的氯代多環(huán)芳香化合物的總稱，是一類持久性有機污染物，包括多氯代二苯并_對_二噁英(PCDDs)和多氯代二苯并呋喃(PCDFs)，統(tǒng)稱為PCDD/Fs。二噁英物質(zhì)的氯原子取代位置不同，各異構(gòu)體會表現(xiàn)不同的理化性質(zhì)和毒性，其中以2，3，7，8平面位置取代的17種二噁英異構(gòu)體是有毒的。

二噁英是以各種燃燒和生產(chǎn)一些有機氯產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品的形式進(jìn)入環(huán)境中[2_4]，主要有3種形式(煙氣、飛灰和底渣[5])，其中大氣遷移被認(rèn)為是導(dǎo)致二噁英全球范圍內(nèi)擴散最主要傳輸途徑[6_7]。然而，二噁英不僅存在于排放出來的煙氣、飛灰中，在經(jīng)過了沉降遷移后，二噁英可以存在于許多環(huán)境介質(zhì)中，如土壤、植被、水體、微生物等[8_13]。而人體會通過飲水、攝食等方式攝入這些介質(zhì)，同時也將攝入二噁英，從而對人體健康造成潛在危害[14]。由于其危害性，關(guān)于二噁英造成的人體健康危害的研究被廣泛開展[15_19]。

XU等[20]使用2002_2005年的實際氣象數(shù)據(jù)，使用大氣擴散模型計算二噁英沉降量，并和實際采樣的土壤樣品的逐年變化數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。MA等[21]69_77使用2002_2007年實際氣象數(shù)據(jù)模擬了杭州某焚燒處置設(shè)施的健康風(fēng)險，重點觀察了高斯擴散模型在不同風(fēng)速條件和大氣穩(wěn)定度情況下的二噁英的落地濃度和落地距離的變化。由于這些研究使用的是實際氣象條件，在研究二噁英落地濃度和沉降情況時，結(jié)果會隨著實際氣象因素的變化而變化，沒有普遍的規(guī)律性。本研究選擇處于復(fù)雜地形的杭州某危險廢物處置設(shè)施為研究對象，采用人為設(shè)置氣象參數(shù)的方法來探究二噁英的擴散規(guī)律，重點關(guān)注PM2.5上附著的二噁英的擴散規(guī)律，為政府制定危險廢物處置設(shè)施周邊的安全防護(hù)距離設(shè)定時提供一定的參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 模型介紹

評估二噁英對人體的長期影響時，采用模擬的方法是一種較經(jīng)濟和便捷的方法[22_24]，[25]25_33。在不同的研究中采用了不同的模型，如SCREEN、ISC和AERMOD模型。PATEL等[26]比較了SCREEN和ISC模型在水銀模擬過程中的表現(xiàn)，認(rèn)為ISC模型更好，而SCREEN模型的模擬結(jié)果更保守。在對ISC和AERMOD模型效果評估的研究中發(fā)現(xiàn)，AERMOD模型在處理復(fù)雜地形方面的計算結(jié)果較ISC模型結(jié)果好[27]。綜上所述，本研究選擇采用AERMOD模型進(jìn)行二噁英大氣擴散的模擬。AERMOD模型是美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)在1991提出的新大氣管理模型，以替代當(dāng)時較流行的ISC模型，是由USEPA和美國氣象學(xué)會(AMS)合作的成果。它是一個穩(wěn)態(tài)煙羽擴散模式，可用于模擬多種類型排放源排放污染物的濃度分布。AERMOD模型包括AERMET氣象預(yù)處理模式和AERMAP地形預(yù)處理模式。AERMET氣象預(yù)處理模式需要基于兩種輸入數(shù)據(jù)，即探空數(shù)據(jù)和地面氣象數(shù)據(jù)；AERMAP地形預(yù)處理模式則是生成AERMOD模型需要的地形高程信息。

1.2 研究區(qū)域

由于二噁英的危害性，在國內(nèi)建設(shè)危險廢物處置設(shè)施時，普遍選擇周邊居民較少，四面環(huán)山的盆地、丘陵等地區(qū)，這些地區(qū)大多屬于復(fù)雜地形。本研究采用處于復(fù)雜地形的杭州某危險廢物處置設(shè)施周邊的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。如圖1所示，當(dāng)?shù)氐靥幤皆貐^(qū)，周邊有200～300 m的山巒造成地面起伏，危險廢物處置設(shè)施(即星型位置的點源)位于兩處山巒之間，地形起伏高于煙囪頂端。根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2_2008)，當(dāng)?shù)匦胃叨雀哂跓焽韪叨葧r屬于復(fù)雜地形，在模型計算過程中勾選復(fù)雜地形計算選項。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H地貌情況，考慮到點源的右下角是山地的特點，將以排放源為中心，從正南方到南偏西60°的扇形區(qū)域的地貌設(shè)置為針葉森林，其他區(qū)域的地貌設(shè)置為城市。

圖1 研究區(qū)域的俯視等高線圖Fig.1 Contour map of study area

1.3 網(wǎng)格劃分

本研究選擇近源區(qū)域(距離點源3 km內(nèi))作為研究的主要區(qū)域，網(wǎng)格劃分采用極坐標(biāo)，以排放源為中心，以10°為間隔做輻射線，分割圓形區(qū)域。根據(jù)USEPA建議[28]3_52，以排放源為中心，將3 km范圍內(nèi)的輻射線以100 m為半徑做同心圓，輻射線的交點即為受體點，之后每做一個同心圓半徑增加100 m，分別與輻射線相交，直到研究范圍的邊界?？偣驳玫? 080個受體點(見圖2中黑色散點)。

圖2 受體點示意圖Fig.2 Map of receptors

1.4 排放源信息

AERMOD模型模擬排放源的輸入信息如表1所示。其中，海拔高度、煙囪高度為實地調(diào)查得到；煙氣出口溫度、速度為危險廢物處置設(shè)施實際運行過程中的煙氣排放參數(shù)；煙氣排放速率是根據(jù)AERMOD模型的特點而選擇的，即在其他條件不變的情況下，只變動煙氣排放速率的不同計算結(jié)果之間存在比例關(guān)系，即案例1的大氣濃度/案例1的排放速率=案例2的大氣濃度/案例2的排放速率[28]3_59。也就是說，排放源濃度的變化會成比例反映在所有受體的濃度變化上，從而選擇1 g/s可方便計算。

表1 排放源信息

根據(jù)報道，大氣中二噁英主要分布于固相顆粒中，而在固相顆粒中，小顆粒中的二噁英占大多數(shù)[29_32]。同時，PM2.5更容易進(jìn)入人的呼吸系統(tǒng)，對人的健康造成危害。文獻(xiàn)指出，小粒徑顆粒物的擴散情況類似，在缺乏實際粒徑信息的情況下，可將部分小粒徑顆粒物歸為一類考慮[28]3_11。本研究中由于沒有實際測量的粒徑信息，故假定二噁英均在PM2.5上。

1.5 氣象條件

PASQUILL[33]提出了大氣穩(wěn)定度分級方法。而大氣穩(wěn)定度等級在污染物擴散沉降過程中有很大的影響，其中風(fēng)速和太陽輻射等級決定了大氣穩(wěn)定度。混合高度在污染物沉降過程中有巨大影響，特別是低速風(fēng)速的情況下[34]。MA等[21]72_73研究了混合高度在各種大氣穩(wěn)定度等級下隨風(fēng)速的變化，并觀察了二噁英最大落地濃度在風(fēng)速變化時的變化情況，但研究僅限于小于3.0 m/s的風(fēng)速。本研究采用當(dāng)?shù)貙嶋H的高空數(shù)據(jù)，并對地面氣象數(shù)據(jù)中的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行了人為設(shè)置，選擇了0°、90°、180°、270°4個風(fēng)向，風(fēng)速從1.0 m/s到15.0 m/s不連續(xù)分布。其他氣象因素的設(shè)置分別為氣壓為1 000 hPa，溫度為25 ℃，相對濕度50%，總云量和低云量均為零。為了考慮顆粒物上二噁英在空氣中分布最惡劣的情況，降雨數(shù)據(jù)設(shè)置為缺失，避免干濕削減，以確保顆粒物上二噁英在大氣中的濃度處于保守高估狀態(tài)。

1.6 擴散規(guī)律的表征

根據(jù)確定防護(hù)距離和評估居民健康的需求，選擇模擬結(jié)果中的一些指標(biāo)作為擴散規(guī)律的表征手段，主要包括二噁英的最大落地濃度、最大落地濃度點距離排放源的距離(簡稱最大落地點距離)、最大沉降量、最大沉降點距離排放源的距離(簡稱最大沉降點距離)。這些指標(biāo)可表征單次模擬結(jié)果中高落地濃度點、高沉降點的基本信息，是確定防護(hù)距離、反映擴散規(guī)律的重要參考指標(biāo)。

2 結(jié) 果

模擬結(jié)果如表2所示。在所有方向上，所關(guān)注的參數(shù)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

當(dāng)風(fēng)速小于3.0 m/s時，總體上二噁英的最大落地點距離隨風(fēng)速增大而增大；當(dāng)風(fēng)速為3.0 m/s時，最大落地點距離達(dá)到最大(約800 m)，之后逐漸減小。AFZALI等[25]25_33使用AERMOD模型研究Pb、As、Cd和Hg擴散過程中發(fā)現(xiàn)：其風(fēng)向玫瑰圖中風(fēng)頻較高的是>4～7、>7～11 m/s的風(fēng)速，這兩種風(fēng)速組分別占主導(dǎo)風(fēng)向南東南方向風(fēng)頻的35%、45%；模擬結(jié)果顯示，在這樣的風(fēng)速組合下，重金屬的最大落地點距離在500 m內(nèi)。這和本研究發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致，即在4.0 m/s以上風(fēng)速時，二噁英的最大落地點距離將會小于500 m。

當(dāng)風(fēng)速小于5.0 m/s時，二噁英的最大落地濃度隨風(fēng)速增大而增大；當(dāng)風(fēng)速為5.0 m/s時，最大落地質(zhì)量濃度達(dá)到最大(約2.9 μg/m3)，之后逐漸減小。

二噁英的最大沉降點距離的變化規(guī)律基本與最大落地點距離一致。二噁英的最大沉降量隨風(fēng)速增大而增大，并未出現(xiàn)其他關(guān)注參數(shù)的轉(zhuǎn)折情況。

其中，較特殊的是180°風(fēng)向的模擬結(jié)果，當(dāng)風(fēng)速為3.0 m/s時，二噁英的最大落地點距離達(dá)到最大，為600 m，和另外3個方向得到的結(jié)論基本一致，但是略小。本研究考慮了可能造成這個情況的因素：(1)風(fēng)速變化間隔過大。在180°方向上，最大落地點距離的最大值出現(xiàn)在模擬風(fēng)速之間，而不是正好是3.0 m/s。(2)地形影響。由于180°的風(fēng)向使得污染物向北擴散，雖然排放源周邊四面環(huán)山，但是不排除北方特別的地勢對模型產(chǎn)生了一定的影響。(3)地貌影響。180°方向上恰存在森林地貌。本研究進(jìn)而對部分因素進(jìn)行了進(jìn)一步的研究分析。

表2 模擬結(jié)果概要

3 分 析

為研究模擬的風(fēng)速間隔對模擬的影響，本研究在180°風(fēng)向上增加了2個模擬風(fēng)速(2.5、3.5 m/s)。由圖3可見：(1)當(dāng)風(fēng)速為2.5 m/s時，二噁英的最大落地點距離為300 m，最大落地質(zhì)量濃度為1.51 μg/m3；在900 m處出現(xiàn)了第2個峰值，質(zhì)量濃度為1.41 μg/m3，較最大落地濃度略低。第1個峰值位于山峰的迎風(fēng)面，第2個峰值則為山峰的背風(fēng)面。(2)當(dāng)風(fēng)速為3.5 m/s時，二噁英的最大落地點距離為500 m，最大落地質(zhì)量濃度為2.54 μg/m3，未出現(xiàn)雙峰的現(xiàn)象。

圖3 風(fēng)速為2.5、3.5 m/s時二噁英質(zhì)量濃度隨距離的變化Fig.3 Variation of dioxin concentration with distances under the wind speed of 2.5，3.5 m/s

在其他風(fēng)向上，同樣為2.5 m/s風(fēng)速下，二噁英落地濃度中也存在明顯的雙峰現(xiàn)象。MOKHTAR等[35]使用了5年的氣象數(shù)據(jù)研究重金屬和一些常規(guī)污染，在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均風(fēng)速為2.36 m/s時，年均最大落地濃度處在1 km左右的位置。這和本研究發(fā)現(xiàn)的第2個峰值的位置接近，這可能因為本研究的風(fēng)速相對單一造成的，實際中的模擬會在主導(dǎo)風(fēng)向上疊加多種風(fēng)速的模擬結(jié)果。

為考慮地形的影響，對風(fēng)向為180°、風(fēng)速為3.0 m/s的案例增加平坦地形(即不考慮地形數(shù)據(jù))模擬計算。由圖4可見，平坦地形的二噁英最大落地點距離仍然為600 m，但最大落地質(zhì)量濃度由實際地形的2.07 μg/m3增加到2.70 μg/m3。對其他風(fēng)向上的點進(jìn)一步進(jìn)行平坦地形的模擬計算發(fā)現(xiàn)，最大落地濃度均略微提高，而最大落地點距離均不變。最大落地濃度在不考慮地形的情況下增加可能是由于不考慮海拔高度后，煙囪的相對高度降低產(chǎn)生的結(jié)果。

圖4 180°風(fēng)向、3.0 m/s風(fēng)速時不同地形下二噁英質(zhì)量濃度隨距離變化Fig.4 Variation of dioxin concentration with distances under the wind speed of 3.0 m/s and wind direction of 180°

為研究地貌對模擬結(jié)果的影響，本研究將地貌統(tǒng)一設(shè)置為城市。經(jīng)模擬，最大落地質(zhì)量濃度為1.85 μg/m3，最大落地點距離為800 m。由此可見，地貌對最大落地點距離的影響較為明顯，同時對最大落地濃度也有一定的影響。

4 結(jié)論與展望

(1) 風(fēng)速風(fēng)向?qū)ψ畲舐涞貪舛?、最大落地點距離的影響較大，而地貌的不同也會有一定影響。

(2) 在本研究的地形條件下，3.0 m/s的風(fēng)速時最大落地點距離達(dá)到最大(約800 m)，5.0 m/s的風(fēng)速時最大落地濃度達(dá)到最大。

(3) 地形的改變對最大落地點距離的影響有限。

(4) 在特定風(fēng)速情況下，沿風(fēng)向方向，二噁英落地濃度會出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。

(5) 本研究沒有展開高空數(shù)據(jù)對最大落地點距離和最大落地濃度影響的研究，后續(xù)研究可以進(jìn)一步考慮。同時，可將氣相二噁英的擴散納入其中，并考察多種不同的地貌特征對最大落地濃度、最大落地點距離等參數(shù)的影響。

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Studyoftheinfluenceofmeteorologicalconditiontomodelingthetransformationofdioxinemittedbypointsource

WANGChao，CHENTong，WANGQi，LIMin，CENKefa，LUShengyong，LIXiaodong.

(CollegeofEnergyEngineering，ZhejiangUniversity，HangzhouZhejiang310027)

To study the atmospheric transport of particle phase dioxin emitted by point source，this paper selected a point source surrounded by complex terrain in Hangzhou to research and analyze the pattern of the transformation of particle phase dioxin by using AERMOD with a series of artificial meteorological conditions (wind speed and wind direction) and assuming the diameter of particle with dioxin was 2.5 μm. The result showed：(1) wind speed and wind direction affected the transport of dioxin seriously, and the land use type showed some influence on it. (2) The the distance from the maximum concentration receptor to the source reached its maximum，800 m，when the wind speed reached 3.0 m/s，while the concentration of receptor reached its maximum when the wind speed reached 5.0 m/s. (3) Terrain showed little influence to the distance from the maximum dioxin concentration receptor to the source. (4) Under certain wind speed, the concentration of dioxin on the ground along the wind direction could have double peaks.

dioxin; atmosphere dispersion; AERMOD; meteorological condition

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.016

2015_10_09)

王 超，男，1990年生，博士研究生，研究方向為大氣擴散模擬。#

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*環(huán)保公益性行業(yè)科研項目(No.201209022)。