基于AERMOD模型對酒泉市工業(yè)園區(qū)大氣污染的研究

田 琨，楊 璐，于亞楠，王海燕

（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉 735000；2.酒泉市氣象局，甘肅酒泉 735000）

2021年以來，甘肅省把新能源作為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、推動能源綠色轉(zhuǎn)型的重要路徑，重點依托沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)，謀劃布局大型風(fēng)電光伏基地，使新能源產(chǎn)業(yè)成為全省經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要牽引和支撐。酒泉市堅持“工業(yè)強市”戰(zhàn)略，傾力打造新能源產(chǎn)業(yè)基地的核心示范區(qū)，精細(xì)化工和煤化工產(chǎn)業(yè)基地的重要承載區(qū)，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)基地的轉(zhuǎn)型升級樣板區(qū)。但伴隨著城鎮(zhèn)化工業(yè)進程的快速推進，大量有害物質(zhì)的排放量成倍增加，其中，以化工園區(qū)范圍內(nèi)空氣污染的范圍和程度尤為突出?？諝馕廴窘o農(nóng)業(yè)、林業(yè)、短期天氣、氣候都造成了嚴(yán)重的影響，如何對工業(yè)園區(qū)的污染源進行有效監(jiān)控管理，直接關(guān)系到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的長遠(yuǎn)發(fā)展和國家“綠水青山”的長遠(yuǎn)規(guī)劃?？諝馕廴臼录臎Q策主體可通過預(yù)測模型實時掌握化工園區(qū)大氣污染的動態(tài)變化規(guī)律，排查突發(fā)事件隱患，對于保護人們身體健康和促進社會和諧穩(wěn)定具有重要的科學(xué)價值和實際意義[1]。近年來，計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展，給大氣污染預(yù)測與防治研究提供了一個快速發(fā)展的機會，利用計算機技術(shù)再結(jié)合遙感技術(shù)，對大氣環(huán)境質(zhì)量進行預(yù)測與評價，可以為環(huán)境污染防治與治理提供理論上的堅實保障，使大氣污染預(yù)測能更好地服務(wù)于人們的生產(chǎn)和生活[2-3]。AERMOD模型系統(tǒng)由美國環(huán)境保護署聯(lián)合美國氣象學(xué)會組建法規(guī)模式改善委員會（AERMIC）開發(fā)。此模型是以擴散統(tǒng)計理論為出發(fā)點，假設(shè)污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布，此模型引入了行星邊界層等最新的大氣邊界層和大氣擴散理論，可用于多種排放源的排放[4-5]。

本文基于AERMOD模型，利用酒泉市大氣環(huán)境、氣象觀測和氣象探空等歷史數(shù)據(jù)，研究酒泉市化工園區(qū)污染預(yù)測問題，預(yù)測酒泉市化工園區(qū)污染源排放污染物濃度。此預(yù)測結(jié)果對當(dāng)?shù)卣臎Q策以及污染物的溯源都有很重要意義和價值。

1 研究原理及資料

1.1 原理

AERMOD模型采用了行星邊界層理論和空氣分散湍流結(jié)構(gòu)的概念，可以預(yù)測簡單和復(fù)雜地形下的地面源和高架源。AERMOD模型包括AERMAP地形處理模塊、AERMET氣象預(yù)處理模塊和AERMOD控制模塊[6-9]。AERMOD模型由當(dāng)?shù)氐挠^測數(shù)據(jù)確定，且為理想的預(yù)測結(jié)論，尤其在穩(wěn)定的條件下，大氣邊界層實際上一直處于不斷地演變中。此外，當(dāng)風(fēng)速不高時，大氣背景湍流較弱，也有可能出現(xiàn)低空急流，AERMOD模型無法精確地描述穩(wěn)定邊界層。然而本文預(yù)測的酒泉市，是我國大風(fēng)天氣的高發(fā)地域，此區(qū)域有特殊的地理位置和下墊面環(huán)境。酒泉市近30a研究發(fā)現(xiàn)，年平均大風(fēng)日數(shù)最多的是馬鬃山地區(qū)，達45.3d；其次為瓜州縣，達42.2d；且從近10a來大風(fēng)天氣風(fēng)向頻率分布特征發(fā)現(xiàn)，大風(fēng)天氣主要出現(xiàn)在偏西偏北風(fēng)中，頻率接近80%；就時間分布而言，3~6月是酒泉市大風(fēng)天氣的高發(fā)期，其出現(xiàn)概率占年均日數(shù)的53%~61%。大風(fēng)背景下的AERMOD模型，對流邊界層相比于穩(wěn)定邊界層參數(shù)選取更準(zhǔn)確，酒泉市化工園區(qū)的預(yù)測結(jié)果更鮮明。

AERMOD模式在國內(nèi)大氣環(huán)境預(yù)測中廣泛應(yīng)用，但AERMOD預(yù)測模式對當(dāng)?shù)氐目臻g地形地貌以及氣候氣象資料有比較嚴(yán)格的要求，相應(yīng)的污染源參數(shù)設(shè)置也較為復(fù)雜，所以在實際的大氣污染預(yù)測中，地形氣象等參數(shù)的設(shè)置、篩選是必不可少的。本文使用四種數(shù)據(jù)，分別為氣象觀測數(shù)據(jù)、氣象探測數(shù)據(jù)、大氣環(huán)境數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)氐牡匦螖?shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到所需參數(shù)，利用得到的參數(shù)，預(yù)測當(dāng)?shù)氐拇髿馕廴疚餄舛?。具體流程，如圖1所示。

圖1 酒泉市工業(yè)園區(qū)大氣污染模型原理流程圖

1.2 資料

選取2012年6月30日—2022年7月1日甘肅省酒泉市逐日逐時SO2、CO、NO、NO2和PM10，作為大氣環(huán)境數(shù)據(jù)。選取2012年6月30日—2022年7月1日甘肅省酒泉市區(qū)域站逐日逐時的風(fēng)速、風(fēng)向、干球溫度、濕球溫度、氣壓和降雨量，作為氣象觀測數(shù)據(jù)，選取2012年6月30日—2022年7月1日酒泉國家基準(zhǔn)站和敦煌國家基準(zhǔn)站每日8時和20時的氣壓、氣溫、露點、風(fēng)速和風(fēng)向，作為氣象探空數(shù)據(jù)。

2 酒泉市工業(yè)園區(qū)大氣污染模型

2.1 氣象資料處理

污染物濃度可隨氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速等變化的變化而變化，對園區(qū)大氣環(huán)境有一定的關(guān)聯(lián)性。AERMOD模型中輸入酒泉市氣象觀測資料（站點位置如圖2所示），利用逐日逐時的風(fēng)速、風(fēng)向、干球溫度、濕球溫度、氣壓和降雨量，以及8時、20時的探空資料計算邊界層參數(shù)，此參數(shù)可以估算酒泉市化工園區(qū)的風(fēng)速、湍流強度和溫度的廓線。將此參數(shù)再次代入AERMOD后，可得到相似參數(shù)，再對計算出的廓線進行內(nèi)插，可計算出預(yù)測點的濃度。此模式中湍流擴散是由參數(shù)化方程表示，穩(wěn)定度是由連續(xù)參數(shù)表示，即大氣湍流和邊界層的常規(guī)參數(shù)化方法進行計算。

2.2 地形處理

酒泉市位于甘肅省西北部，轄肅州區(qū)，玉門市、敦煌市，金塔縣、瓜州縣、肅北蒙古族自治縣和阿克塞哈薩克族自治縣[10]，化工園區(qū)主要有玉門東化工業(yè)園區(qū)、玉門老市區(qū)化工工業(yè)園區(qū)、瓜州柳溝煤化工工業(yè)園區(qū)、金塔北河灣循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園和酒泉經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)（如圖3所示），此化工園區(qū)對全市區(qū)域空氣質(zhì)量影響程度較大。酒泉市涵蓋沙漠、冰川、綠洲、戈壁等地形，此區(qū)域不同的地面特征。同時由于河西走廊西部出現(xiàn)偏西大風(fēng)時，大風(fēng)風(fēng)向基本與等壓線垂直，不滿足梯度風(fēng)平衡原理，酒泉市受地形摩擦和阻擋作用，對邊界層高度和污染物擴散過程有非常大的影響；同時地形狹管作用在偏東風(fēng)和偏西風(fēng)過程中影響明顯。故本文使用AERMAP輸入酒泉市網(wǎng)格點和預(yù)測區(qū)高程數(shù)據(jù)文件，生成大氣擴散模型需要的網(wǎng)格點、高度尺度、地形高程。

圖3 酒泉市化工園區(qū)地形及酒泉市行政區(qū)劃圖

2.3 濃度預(yù)測

AERMOD模型對于復(fù)雜地形的濃度預(yù)測有很好的效果。本文將酒泉市劃分了三個扇區(qū)。

第一個扇區(qū)以綠洲為主；

第二個扇區(qū)為沙漠和戈壁為主；

第三個扇區(qū)以山區(qū)為主。

不同的扇區(qū)有不同的地表類型，污染物濃度預(yù)測也是不同的。由于在預(yù)測網(wǎng)格分辨率相同的情況下，選用分辨率越大的地形數(shù)據(jù)，最后的區(qū)域最大落地濃度預(yù)測結(jié)果越大，隨著預(yù)測網(wǎng)格分辨率的不斷減小，地形數(shù)據(jù)分辨率的不同所帶來的預(yù)測結(jié)果差異性越來越小[11]，所以本文選擇預(yù)測結(jié)果為1 000m×1 000m的網(wǎng)格點濃度值，酒泉市五個化工廠的濃度值，以及酒泉市污染物濃度值等值線圖。模型的濃度值包括年均值、日均值、逐日逐時污染物濃度值，等值線圖包括濃度的年均值、日均值和小時制。研究發(fā)現(xiàn)：預(yù)測濃度總體上由高到低為第二扇區(qū)濃度、第一扇區(qū)、第三扇區(qū)。對比地面氣象觀測數(shù)據(jù)站點酒泉國家基準(zhǔn)站和敦煌國家基準(zhǔn)站探空站點，目前酒泉市山地地面觀測站點較少，探空數(shù)據(jù)缺乏，無法得到全面的實測數(shù)據(jù)，對濃度的預(yù)測結(jié)果精確度無法估算。總體上，此濃度輸出的等值線值，對于化工區(qū)域規(guī)劃、布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，有很重要的借鑒意義，對于已建成的化工園區(qū)大氣污染的排放有準(zhǔn)確的反應(yīng)，對大氣污染的預(yù)測具有較高的提前量。

3 預(yù)測結(jié)果可信度

利用酒泉經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)2022年1—6月的污染物濃度實況，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法驗證酒泉市工業(yè)園區(qū)大氣污染預(yù)測的結(jié)果，結(jié)果表明：小時濃度預(yù)測成績中理想占0.892，較不理想和不理想分別占0.117和0.256，日均最大濃度預(yù)測成績中理想占0.714，較不理想和不理想分別占0.378和0.125，推測出預(yù)測結(jié)果為理想，證明對于酒泉市工業(yè)園區(qū)大氣污染的預(yù)測是可信的，同時也證明了選取的參數(shù)是可行的?；诜囱堇碚?，以酒泉區(qū)域?qū)崪y空氣質(zhì)量為先驗信息，可以準(zhǔn)確為本地大氣質(zhì)量提供檢測和預(yù)報。

4 結(jié)束語

1）AERMOD模型利用量化的預(yù)測分析結(jié)果有助于直觀模擬酒泉市化工園區(qū)大氣污染物排放對空氣質(zhì)量的影響。

2）基于AERMOD模型的氣象數(shù)據(jù)和地形處理，體現(xiàn)了地表特征的不同對于大氣污染物濃度預(yù)測也不同，總體上預(yù)測污染濃度由高到低為戈壁、綠洲、山地。

3）對比酒泉經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)實況結(jié)果表明：酒泉市工業(yè)園區(qū)大氣污染的預(yù)測是可信的，也證明了選取的參數(shù)是可行的。

大氣預(yù)測模式機理復(fù)雜，難度較大，本文由于大氣監(jiān)測站點較少，只簡單地探索了酒泉經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)參數(shù)設(shè)置對于預(yù)測結(jié)果的影響，僅考慮了點源參數(shù)影響，對于面源和線源變化對于預(yù)測結(jié)果的影響未檢驗，存在一定的局限性。未來可增加監(jiān)測站點，加入更多氣象數(shù)據(jù)，對模型進行修正，期待酒泉市化工園區(qū)大氣預(yù)測結(jié)果進一步提高。