AERSCREEN大氣污染估算模式在復(fù)雜地形條件下的應(yīng)用研究

孫爽

(北京中環(huán)博宏環(huán)境資源科技有限公司，北京 100012)

AERSCREEN大氣污染估算模式在復(fù)雜地形條件下的應(yīng)用研究

孫爽

(北京中環(huán)博宏環(huán)境資源科技有限公司，北京 100012)

SCREEN3作為大氣環(huán)評導(dǎo)則推薦的估算模式在大氣環(huán)評工作中得到廣泛應(yīng)用，而SCREEN3模式對復(fù)雜地形的處理有一定局限性。AERSCREEN模式在氣象數(shù)據(jù)處理、地形數(shù)據(jù)處理以及建筑物下洗等方面做了較多改進(jìn)。通過案例在不同預(yù)測情境下的設(shè)定，對比地形因素對污染物落地濃度預(yù)測結(jié)果的影響。結(jié)果顯示：在調(diào)用地形文件的情況下，污染物落地濃度變化范圍增大、波動明顯，污染物落地濃度與距離的相關(guān)性減弱，但整體趨勢隨著離源距離的增加，落地濃度是分級下降的。測算案例周圍地形整體呈東高西低、南高北低，AERSCREEN模型調(diào)用地形參數(shù)模擬得出，項(xiàng)目排放的污染物受東北方及東南方山體阻隔，在山前聚積效應(yīng)明顯。

AERSCREEN；估算模式；復(fù)雜地形；環(huán)境影響評價

《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2008)推出以來，SCREEN3作為導(dǎo)則推薦的估算模式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境評價等級和評價范圍的確定中，為國內(nèi)環(huán)評從業(yè)者提供了很大便利。SCREEN3是美國國家環(huán)境保護(hù)局于1995年推出的基于ISC3預(yù)測模式的篩選模式。2011年3月，美國國家環(huán)境保護(hù)局正式發(fā)布了新一代估算模式AERSCREEN，取代SCREEN3作為美國空氣質(zhì)量模型的估算模式。AERSCREEN與SCREEN3的不同主要集中在對建筑物下洗、氣象參數(shù)及地形的處理方式。AERSCREEN模式耦合了AERMOD的相關(guān)內(nèi)核(AERMOD、AERMAP)[1-5]，模擬復(fù)雜地形條件下大氣污染影響時，可以調(diào)用地形數(shù)據(jù)，使估算結(jié)果更加貼近實(shí)際情況。本文采用環(huán)評案例測算AERSCREEN模型在復(fù)雜地形下對預(yù)測結(jié)果以及對評價等級和評價范圍的影響，以期對該空氣質(zhì)量模型在大氣環(huán)境影響評價中的應(yīng)用進(jìn)行探析。

1 AERSCREEN模型系統(tǒng)概況

1.1AERSCREEN模式系統(tǒng)介紹

AERSCREEN是美國國家環(huán)境保護(hù)局基于AERMOD模型開發(fā)的估算模型。該模型可對單個污染源所產(chǎn)生的最不利氣象條件下的1小時濃度最大值進(jìn)行估算，還可輸出3小時、8小時、24小時平均及年均地面濃度最大值。AERSCREEN旨在生成不小于由AERMOD模型計(jì)算得出的、具有完全考慮氣象和地形數(shù)據(jù)的估計(jì)值，但保守程度將因使用過程中的具體設(shè)定而異。

AERSCREEN可計(jì)算的污染源類型包括點(diǎn)源、體源、矩形面源、圓形面源、火炬源、帶蓋點(diǎn)源以及水平點(diǎn)源，能夠考慮地形、熏煙和建筑物下洗的影響。

1.2AERSCREEN運(yùn)行環(huán)境及流程

AERSCREEN模型在DOS環(huán)境下運(yùn)行，主要運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 AERSCREEN運(yùn)行流程Fig.1 AERSCREEN model operation flow

AERSCREEN模型輸出文件中包含污染源參數(shù)、氣象參數(shù)及地表參數(shù)設(shè)置情況，地形數(shù)據(jù)信息，不同距離的最大小時落地濃度值和1小時、3小時、8小時、24小時平均及年均地面濃度最大值等。

AERSCREEN可調(diào)用AERMAP程序處理復(fù)雜地形高程文件(DEM或NED)，生成各排放源和受體的海拔高度，進(jìn)而充分考慮地形對大氣污染物擴(kuò)散的影響。SCREEN3預(yù)測過程中僅可考慮地形高度和離地受體高度，無法利用DEM或NED文件。在復(fù)雜地形條件下，煙氣擴(kuò)散會受到地形條件的影響，AERSCREEN改善了復(fù)雜地形條件下的模擬計(jì)算，其估算結(jié)果更貼近實(shí)際情況[6-9]。

2 相關(guān)典型案例設(shè)置

2.1污染源數(shù)據(jù)

山西潞安某煤化工項(xiàng)目污染源數(shù)據(jù)如表1所示。該項(xiàng)目有兩類污染源，點(diǎn)源和面源，其中點(diǎn)源有5個(3個排放NO2，1個排放NMHC，1個排放H2S)，面源2個(排放NMHC和H2S)。

2.2項(xiàng)目周圍環(huán)境特征

山西潞安某煤化工項(xiàng)目位于農(nóng)村地區(qū)，土地利用類型為農(nóng)田，地理位置為東經(jīng)113.11°，北緯36.48°，環(huán)境溫度介于-24.5℃到39.1℃之間，屬于中等濕度區(qū)域。項(xiàng)目周圍地形如圖2所示。

3 調(diào)用地形文件對測算結(jié)果影響分析

P1、P2、P3源排放的污染物同為NO2。NO2落地濃度分布如圖3所示。

P4、A1源排放的污染物同為NMHC。NMHC落地濃度分布如圖4所示。

P5、A2源排放的污染物同為H2S。H2S落地濃度分布如圖5所示。

不同地形條件下污染物落地濃度測算結(jié)果如表2所示。

表1 山西潞安某煤化工項(xiàng)目污染源數(shù)據(jù)

注：每個污染源僅選用占標(biāo)率最大的一種污染物進(jìn)行AERSCREEN模型測算。

圖2 山西潞安某煤化工項(xiàng)目周圍地形Fig.2 Terrain map of a coal chemical project in Shanxi Province

圖3 NO2落地濃度分布Fig.3 Ground level concentration of NO2 pollutants

圖4 NMHC落地濃度分布Fig.4 Ground level concentration of NMHC pollutants

由上述測算結(jié)果可見，不考慮地形因素即簡單地形條件下，污染物落地濃度會在污染源近距離范圍內(nèi)有一定程度的激增，但之后隨著距離的增加而下降的規(guī)律性較強(qiáng)。調(diào)用地形文件情況下，污染物落地濃度變化范圍增大，波動明顯，污染物落地濃度與距離的相關(guān)性減弱，但整體趨勢仍隨著離污染源距離的增加，落地濃度分級下降。

以現(xiàn)行《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2008)中規(guī)定的環(huán)境影響評價工作等級和評價范圍的確定方法來判定，不考慮地形影響的情況下，該案例評價等級判定為二級，評價范圍為邊長12.8 km的矩形區(qū)域；考慮地形因素影響，該案例評價等級將升高為一級，評價范圍為邊長49.6 km的矩形區(qū)域。可見，位于復(fù)雜地形區(qū)域的建設(shè)項(xiàng)目，使用新一代估算模式AERSCREEN考慮其地形對污染物擴(kuò)散的影響，測算結(jié)果更加全面，也更加保守，提高了對大氣環(huán)境影響評價的要求。

表2 不同地形條件下污染物落地濃度測算結(jié)果匯總

注：NO2標(biāo)準(zhǔn)值取自《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)小時濃度二級評價標(biāo)準(zhǔn)限值；NMHC標(biāo)準(zhǔn)值參照河北省《環(huán)境空氣質(zhì)量 非甲烷總烴限值》(DB13/ 1577—2012)中一小時平均濃度二級標(biāo)準(zhǔn)限值；H2S標(biāo)準(zhǔn)值參照《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(TJ 36—1979)中居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度一次值。

圖5 H2S落地濃度分布Fig.5 Ground level concentration of H2S pollutants

4 測算結(jié)果受地形條件影響分析

對比山西潞安某煤化工項(xiàng)目各污染源參數(shù)，統(tǒng)計(jì)所有點(diǎn)源、面源排放的各污染物落地濃度最大值前10位出現(xiàn)的位置，以及該地點(diǎn)的地形特征，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，所有污染源最大落地濃度均位于項(xiàng)目周圍5 km范圍之內(nèi)。在此范圍內(nèi)，項(xiàng)目周圍地形整體呈東高西低、南高北低。所有點(diǎn)源、面源各污染物落地濃度最大值前10位均出現(xiàn)在項(xiàng)目東北方及東南方山坡的山腰位置，所有污染源出口海拔均低于相應(yīng)山坡海拔。AERSCREEN模型調(diào)用地形參數(shù)模擬顯示，項(xiàng)目排放的污染物受東北方及東南方山體阻隔，在山前聚積效應(yīng)明顯。

點(diǎn)源方面，由P1、P5可見，落地濃度大值區(qū)域均聚集在項(xiàng)目東北方的山坡上，由于該處山坡較陡，P1、P5煙囪高差50 m，綜合考慮煙氣抬升高度，其落地濃度大值區(qū)域距離相差1倍。由P2、P3可見，其煙囪高度相近，煙氣溫度、流速等煙氣抬升條件類似，其落地濃度大值區(qū)域基本位于同一區(qū)域。P4由于煙囪高度低，最大落地濃度位于污染源附近幾百米范圍之內(nèi)，聚集在項(xiàng)目東南側(cè)的坡地上。面源方面，兩個面源高度均為15 m，面積有顯著差異，其落地濃度大值出現(xiàn)位置基本一致。

5 結(jié)語

AERSCREEN模型可調(diào)用AERMAP程序處理復(fù)雜地形高程文件。在本文研究案例中，調(diào)用地形參數(shù)模擬顯示，項(xiàng)目排放的污染物受山體阻隔，在山前聚積效應(yīng)明顯。

AERSCREEN模型作為2017年修訂版《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境(征求意見稿)》的推薦模型之一，在未來的大氣環(huán)境影響評價工作中將得到廣泛應(yīng)用。特別是位于復(fù)雜地形區(qū)域的建設(shè)項(xiàng)目，使用新一代估算模式AERSCREEN考慮其地形條件對污染物擴(kuò)散的影響，其測算結(jié)果將更加全面，有利于進(jìn)一步提升大氣環(huán)境影響評價的有效性。

表3 最大落地濃度出現(xiàn)位置地形統(tǒng)計(jì)

注：角度為以正北方向?yàn)?°/360°，順時針遞增，90°即為正東；假設(shè)所有污染源均位于同一位置，所有污染源海拔均為958 m。

[1] USEPA. User’s Guide for the AERMOD Meteorological preprocessor (AMERMET)[R]. North Carolina: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standards, Emissions, Monitoring, and Analysis Division, 2004: 1- 40.

[2] USEPA. Revised Draft User’s Guide for The Aermod Terain Preprocessor (AERMAP)[R]. North Carolina: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standards, Emissions, Monitoring, and Analysis Division, 1998: 1- 35.

[3] USEPA. Screening Procedures for Estimating the Air Quality Impact of Stationary Sources[R]. North Carolina: U.S. Environmental Protection Agency, 1992: 1- 10.

[4] USEPA. User’s Guide to the Building Profile Input Program[R]. North Carolina: U.S. Environmental Protection Agency, 2004: 1- 25.

[5] USEPA. AERSURFACE User’s Guide[R]. North Carolina: U.S. Environmental Protection Agency, 2008: 1- 30.

[6] 李時蓓, 戴文楠, 杜蘊(yùn)慧. 對環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測中不利氣象條件的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2007, 20(5) : 26- 30.

[7] USEPA. Screen3 Model User’s Guide[R]. North Carolina: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standards, Emissions, Monitoring, and Analysis Division, 1995: 43- 45.

[8] 伯鑫, 傅銀銀, 丁峰, 等. 新一代大氣污染估算模式AERSCREEN對比分析研究[J]. 環(huán)境工程, 2012, 30(5): 71- 76.

[9] 吳成志, 程吉. 大氣估算模式AERSCREEN與SCREEN3對比研析[J]. 環(huán)境影響評價, 2014(2): 37- 39.

StudyonApplicationofAERSCREENAirPollutionEstimationModelinComplexTerrainCondition

SUN Shuang

(China Environmental Resources Technology Co., Ltd., Beijing 100012, China)

As the recommended screening-level air quality model inGuidelinesforEnvironmentalImpactAssessment—AtmosphericEnvironment(HJ 2.2-2008), SCREEN3 has been widely used so far. However, SCREEN3 model has some limitations on complex terrain parameter processing. AERSCREEN has made more improvements in meteorological parameter processing, terrain parameter processing, and building down wash. Based on the case comparison in different forecast scenarios, the impact of terrain parameter on the prediction of ground level concentration of pollutants was studied. The results showed that in the case of adopting terrain processing, the variation range of ground level concentration increased and fluctuated obviously, and the correlation between ground level concentration and distance was weakened, while the ground concentration graded down with the increase of the distance from the source. The project location had lower terrain around the whole west than the east, the north than the south. The AERSCREEN model simulation results showed that the pollutants were significantly affected by the northeastern and southeastern mountain blocks, and the pollutants accumulated in the piedmont.

AERSCREEN; estimation model; complex terrain; Environmental Impact Assessment

2017-07-07

孫爽(1983—)，女，北京人，工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評價及大氣和噪聲污染模擬，E-mail：bh1kql@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.012

X820.3

A

2095-6444(2017)06-0047-05