AERMOD-EIA模型參數(shù)在港口粉塵污染預(yù)測(cè)中的敏感性分析

何澤慧，彭士濤

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)是環(huán)境影響評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)項(xiàng)目實(shí)施后對(duì)周圍大氣環(huán)境的影響，需采用合適的大氣預(yù)測(cè)模型。但在模型的應(yīng)用過(guò)程中，由于不同的應(yīng)用人員在參數(shù)的來(lái)源、理解和分析程度等方面存在差異，導(dǎo)致參數(shù)的選擇不同，并致使預(yù)測(cè)結(jié)果不一致［1］。因此，對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，能夠把復(fù)雜模型中的參數(shù)按重要性排列，了解參數(shù)變化對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響程度，是正確使用模型的前提條件。而目前有關(guān)預(yù)測(cè)模型的參數(shù)敏感性分析研究較少［2］，為此本文以區(qū)域污染面積和TSP 日均濃度最大值作為研究對(duì)象，以散貨中轉(zhuǎn)碼頭為應(yīng)用實(shí)例，研究EIAProA2008 軟件中AERMOD 模型的污染物粒徑分布、地面粗糙度、地表濕度3 個(gè)參數(shù)的敏感性［3］，并確定了區(qū)域污染面積和TSP 日均濃度最大值相對(duì)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)條件，為模型的應(yīng)用、預(yù)測(cè)復(fù)核及技術(shù)評(píng)估提供參考。

1 AERMOD 模型及參數(shù)敏感性分析方法

1.1 AERMOD 模型

本次應(yīng)用實(shí)例為散貨中轉(zhuǎn)碼頭，按照實(shí)際排放情況設(shè)定無(wú)組織排放源，選擇顆粒物TSP 作為預(yù)測(cè)污染物，使用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境》（HJ2.2-2008）［4］中推薦的AERMOD 模式進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，應(yīng)用計(jì)算軟件為EIAProA2008。

AERMOD 適用于定場(chǎng)的煙羽模型，是一個(gè)模型系統(tǒng)，包括三方面的內(nèi)容：AERMOD（AERMIC 擴(kuò)散模型）、AERMAP（AERMOD 地形預(yù)處理）和AERMET（AERMOD 氣象預(yù)處理）。

AERMOD 功能包括對(duì)垂直非均勻的邊界層的特殊處理，不規(guī)則形狀的面源的處理，對(duì)流層三維煙羽模型的處理，在穩(wěn)定邊界層中垂直混合局限性和對(duì)地面反射的處理，在復(fù)雜地形上的擴(kuò)散處理和建筑物下洗的處理。

AERMOD 模型考慮了地形（包括地面障礙物）對(duì)污染物濃度分布的影響，在計(jì)算中AERMOD 模型使用了分界流線的概念，即將擴(kuò)散流場(chǎng)分為兩層結(jié)構(gòu)，下層的流場(chǎng)保持水平繞過(guò)障礙物，而上層的流場(chǎng)則抬升躍過(guò)障礙物。這兩層的流場(chǎng)以分界流線高度Hc來(lái)劃分。由此，AERMOD 模型認(rèn)為障礙物上的污染物濃度值取決于煙羽的兩種極限狀態(tài)，一種極限狀態(tài)是在非常穩(wěn)定的條件下被迫繞過(guò)障礙物的水平煙羽，另外一種極限狀態(tài)是在垂直方向上沿著障礙物抬升的煙羽，任何一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的濃度值就是這兩種煙羽濃度加權(quán)之后的和。

1.2 AERMOD 模型參數(shù)

在AERMOD 模型中，除需要輸入常規(guī)氣象參數(shù)及污染源排放參數(shù)外，還需輸入的系統(tǒng)參數(shù)有污染物粒徑分布情況（P）、地面粗糙度（Z）、地表濕度（H）；另外模型還可考慮地形與建筑物以及干濕沉降對(duì)污染物擴(kuò)散的影響。本次參數(shù)敏感性分析的目的在于判定模型輸入?yún)?shù)對(duì)輸出結(jié)果的影響，故不考慮復(fù)雜地形，因此敏感性分析的參數(shù)確定為污染物粒徑分布情況、地面粗糙度和地表濕度3 個(gè)參數(shù)。

1.3 AERMOD 模型參數(shù)的敏感性分析方法

參數(shù)敏感性分析就是研究和分析由于參數(shù)的變化，而引起計(jì)算模型輸出結(jié)果發(fā)生變動(dòng)的程度。如果某些不確定性參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化使輸出結(jié)果產(chǎn)生很大的變化幅度，則說(shuō)明模型對(duì)這些參數(shù)的敏感性很強(qiáng)，反之則不強(qiáng)。參數(shù)敏感性分析就是找出敏感性較強(qiáng)的輸入?yún)?shù)，從而為分析輸出結(jié)果、減少人為不當(dāng)選擇參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)、快速調(diào)試模型以及技術(shù)評(píng)估等提供依據(jù)［5-6］。

為減少計(jì)算的工作量，提高計(jì)算精度，本次研究采用正交試驗(yàn)法分析參數(shù)敏感性。正交試驗(yàn)方法是處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)的試驗(yàn)方法［7］，它利用規(guī)格化的正交表，合理安排試驗(yàn)，只需做較少次的試驗(yàn)便可判斷出較優(yōu)的條件，將試驗(yàn)方案帶入模型計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析，便可以更全面、更系統(tǒng)地掌握計(jì)算結(jié)果，做出正確的判斷。

根據(jù)AERMOD 模型的影響因素，結(jié)合各因素的取值范圍，選用三因素三水平的正交設(shè)計(jì)，因素水平如表1 所示。

其中，散貨種類根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)篩分結(jié)果選取顆粒物粒徑分布層次較分明的3 種，作為本次研究的代表貨種，分布編號(hào)為A、B、C，由A 到C 粉塵顆粒細(xì)小化，具體粒徑分布見(jiàn)表2；地面粗糙度分別選取0.01（草地）、0.1（農(nóng)作地）和1（城市）三種；地表濕度選取干燥、中等濕度和潮濕三種。本次研究忽略試驗(yàn)各影響因素之間的交互作用，三因素三水平的正交試驗(yàn)最少試驗(yàn)次數(shù)為9 次，故對(duì)所選的3 個(gè)因素3 個(gè)水平按正交分析表L9（33）安排試驗(yàn)。

表1 各因素水平表Tab.1 Parameters of various factors and levels

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 實(shí)例的基本參數(shù)

表2 散貨種類粒徑分布情況Tab.2 Particle size distribution

（1）氣象參數(shù)。采用國(guó)內(nèi)某地2008 年全年逐日逐時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速、總云、低云、氣溫等氣象資料。根據(jù)其地面氣象資料統(tǒng)計(jì)，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SE 風(fēng)，頻率14.58%，年平均風(fēng)速為4.81 m/s；次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NW風(fēng)，頻率13.97 %，年平均風(fēng)速為4.79 m/s；全年靜風(fēng)頻率為0.25 %；全年平均風(fēng)速為4.08 m/s。

（2）污染源參數(shù)。本文以國(guó)內(nèi)某散貨中轉(zhuǎn)碼頭為例，其年吞吐量為3 000 萬(wàn)t（其中進(jìn)港1 500 萬(wàn)t，采用卸船機(jī)作業(yè)；出港1 500 萬(wàn)t，采用裝船機(jī)作業(yè)），有效堆垛總面積為49.26 萬(wàn)m2。該項(xiàng)目廢氣污染物主要是堆場(chǎng)和各類裝卸設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中由于風(fēng)力的作用而產(chǎn)生的粉塵，它與風(fēng)速、貨種的粒徑、表層含水率和存貯量等因素有關(guān)。根據(jù)港口作業(yè)工藝，經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目在不采取任何抑塵措施的情況下，堆場(chǎng)堆存靜態(tài)源強(qiáng)為23 489 t/a，堆場(chǎng)作業(yè)動(dòng)態(tài)源強(qiáng)為14 707 t/a，碼頭裝卸作業(yè)動(dòng)態(tài)源強(qiáng)為10 618 t/a。為了考慮污染源強(qiáng)大小對(duì)擴(kuò)散的影響，污染源強(qiáng)設(shè)置3 種工況，分別為該項(xiàng)目不采取任何抑塵措施時(shí)、該項(xiàng)目采取一定抑塵措施使源強(qiáng)消減30%時(shí)、該項(xiàng)目采取有效抑塵措施使源強(qiáng)消減達(dá)70%時(shí)。

（3）預(yù)測(cè)點(diǎn)位及輸出。預(yù)測(cè)點(diǎn)位為地面預(yù)測(cè)網(wǎng)格內(nèi)（10 km×10 km）的日均最大落地濃度，網(wǎng)格步長(zhǎng)為500 m，共計(jì)441 個(gè)計(jì)算點(diǎn)。將預(yù)測(cè)輸出的各點(diǎn)TSP 日均濃度值繪制為等值線圖，在不考慮本底值的情況下，統(tǒng)計(jì)超過(guò)國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值（0.3 mg/m3）的污染面積，同時(shí)輸出TSP 日均濃度最大值，根據(jù)不同的源強(qiáng)，各自進(jìn)行對(duì)比分析，以反映各參數(shù)對(duì)濃度貢獻(xiàn)值的敏感性。

2.2 模型計(jì)算結(jié)果與敏感性分析

2.2.1 模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案分別帶入模型進(jìn)行計(jì)算，所得計(jì)算結(jié)果如表3 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，根據(jù)不同源強(qiáng)，對(duì)于濃度高于0.3 mg/m3的污染面積值，試驗(yàn)號(hào)為T313 的試驗(yàn)方案為各方案中的最大值，其中不同參數(shù)方案計(jì)算出的預(yù)測(cè)結(jié)果相差平均最大達(dá)8.2 倍；對(duì)于TSP 日均濃度最大值，試驗(yàn)號(hào)為T212 的試驗(yàn)方案為各方案中的最大值，其中不同參數(shù)設(shè)置計(jì)算出的預(yù)測(cè)結(jié)果相差平均最大亦達(dá)7.5 倍。根據(jù)不同參數(shù)方案，預(yù)測(cè)結(jié)果相差較大，由此可見(jiàn)參數(shù)的設(shè)置對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響巨大，通過(guò)參數(shù)敏感性分析得出各參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響程度具有重要意義。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of orthogonal tests

2.2.2 地面濃度對(duì)各參數(shù)的敏感性分析

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)3 個(gè)因素進(jìn)行計(jì)算并做級(jí)差分析，確定污染面積和TSP 日均濃度最大值對(duì)各參數(shù)的敏感性（表4），分析如下：

表4 敏感性分析結(jié)果Tab.4 Sensitivity analysis results

TSP 日均濃度高于0.3 mg/m3的污染面積結(jié)果表明，不同的污染源強(qiáng)，其污染面積預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)各參數(shù)的敏感性均為地面粗糙度＞地表濕度＞粒徑分布；隨著抑塵措施的加強(qiáng)，源強(qiáng)逐步消減，污染物的擴(kuò)散范圍縮小，地面濃度降低，模型的濃度預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)參數(shù)的敏感性也隨之降低。

TSP 日均濃度最大值結(jié)果表明，不同的污染源強(qiáng)，各參數(shù)的敏感性均為地面粗糙度＞粒徑分布＞地表濕度，與污染面積的敏感性程度有所不同，粒徑分布的敏感性略高于地表濕度。隨著抑塵措施的加強(qiáng)，源強(qiáng)逐步消減，TSP 日均濃度最大值逐漸降低，對(duì)參數(shù)的敏感性也隨之降低，其中地面粗糙度的敏感性下降程度最大，而地表濕度的敏感性下降程度最小。

根據(jù)污染面積和TSP 日均濃度最大值對(duì)各參數(shù)的敏感性結(jié)果繪制趨勢(shì)圖（圖1），并分析如下：

粒徑分布。隨著粉塵顆粒的細(xì)小化，TSP 擴(kuò)散面積增大，但貨種C 的TSP 日均濃度高于0.3 mg/m3的污染面積卻又相對(duì)減少，是由于粒徑小于l0 μm 的大氣污染物擴(kuò)散時(shí)，碰到下墊面的地面、水面、植物與建筑物等，會(huì)因碰撞、吸附、靜電吸引或動(dòng)物呼吸等作用而被逐漸清除出來(lái)，隨風(fēng)可以快速擴(kuò)散稀釋，降低大氣中污染物濃度；而TSP 日均濃度最大值隨著粉塵顆粒的細(xì)小化呈上升趨勢(shì)，隨著源強(qiáng)的消減，粒徑分布變化引起的濃度變化逐漸變小。

地面粗糙度。當(dāng)?shù)孛娲植诙葟?.01 m 變化到0.1 m 時(shí)，TSP 擴(kuò)散面積增大，而當(dāng)粗糙度變化為1 m 時(shí)，污染面積隨之減小；而TSP 日均濃度最大值成幾何倍數(shù)變化，隨著地表粗糙度的加大，TSP 日均濃度最大值的預(yù)測(cè)結(jié)果呈遞減趨勢(shì)，結(jié)果相差4.8 倍。

地表濕度。隨著空氣濕度的增加，污染面積和TSP 日均濃度最大值均呈遞減趨勢(shì)，隨著抑塵率的增加，模型的預(yù)測(cè)濃度結(jié)果對(duì)參數(shù)的敏感性也隨之降低。

圖1 各參數(shù)對(duì)日均濃度的影響Fig.1 Influence of parameters on daily mean concentration

2.3 TSP 日均濃度最大值對(duì)應(yīng)的參數(shù)組合

根據(jù)地面濃度對(duì)各參數(shù)敏感性的分析結(jié)果可以確定，當(dāng)污染物粒徑25～35 μm 占TSP 總量比重較大時(shí)，且參數(shù)設(shè)置為地表粗糙度為0.1 m、地表濕度為干燥時(shí)，TSP 日均濃度高于0.3 mg/m3的污染面積最大；當(dāng)污染物粒徑越細(xì)小顆粒占TSP 總量比重越大時(shí)，且參數(shù)設(shè)置為地表粗糙度為0.01 m、地表濕度為干燥時(shí)，TSP 日均濃度最大值相對(duì)最大。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于TSP 日均濃度高于0.3 mg/m3的污染面積，預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)各參數(shù)的敏感性均為地面粗糙度＞地表濕度＞粒徑分布，各參數(shù)的變化對(duì)區(qū)域濃度的影響較大。隨著抑塵措施的加強(qiáng)，源強(qiáng)的逐步消減，污染物的擴(kuò)散范圍縮小，地面濃度降低，模型的濃度預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)參數(shù)的敏感性也隨之降低。

（2）對(duì)于TSP 日均濃度最大值，各參數(shù)的敏感性均為地面粗糙度＞粒徑分布＞地表濕度。隨著抑塵措施的加強(qiáng)，源強(qiáng)的逐步消減，TSP 日均濃度最大值逐漸降低，對(duì)參數(shù)的敏感性也隨之降低，其中地面粗糙度的敏感性下降程度最大，而地表濕度的敏感性下降程度最小。

（3）當(dāng)污染物粒徑25～35 μm 占TSP 總量比重較大時(shí)，且參數(shù)設(shè)置為地表粗糙度為0.1 m、地表濕度為干燥時(shí)，TSP 日均濃度高于0.3 mg/m3的污染面積最大；當(dāng)污染物粒徑越細(xì)小顆粒占TSP 總量比重越大時(shí)，且參數(shù)設(shè)置為地表粗糙度為0.01 m、地表濕度為干燥時(shí)，TSP 日均濃度最大值相對(duì)最大。

［1］丁峰，李時(shí)蓓，趙曉宏.大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)編寫及技術(shù)復(fù)核要點(diǎn)分析［J］.環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2008，20（6）:65-68.DING F，LI S B，ZHAO X H. Analysis of atmospheric environmental impact prediction and evaluation of writing and technical review points［J］. Environmental monitoring management and technology，2008，20（6）:65-68.

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