AERMOD在高原山地城市大氣預(yù)測中的應(yīng)用
——以某電廠為例

鄧 聰，邱 飛，王 健，向 峰，邰 娟

(云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南 昆明 650034)

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AERMOD在高原山地城市大氣預(yù)測中的應(yīng)用
——以某電廠為例

鄧 聰，邱 飛，王 健，向 峰，邰 娟

(云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南 昆明 650034)

采用AERMOD對位于高原山地城市的某電廠點源及面源所排放的SO2及氟化物進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果顯示： SO2和氟化物對農(nóng)作物的影響均很小，需在冬季時減小排放； AERMOD能較好地對高原山地城市污染物擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測模擬，模型預(yù)測的濃度分布能夠反映出氣象場變化以及項目所在地地形條件等對大氣污染物遷移和擴(kuò)散的影響；研究區(qū)域內(nèi)氟化物小時平均濃度和日均濃度分別超過《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)值的3.40倍和1.41倍，出現(xiàn)在北部廠界處。

高原山地城市；大氣預(yù)測；擴(kuò)散規(guī)律；AERMOD應(yīng)用；電廠

0 前言

工業(yè)發(fā)展在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時，也給人類和環(huán)境帶來了巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式使我國絕大多數(shù)工業(yè)城市以高污染、高能耗、粗放型經(jīng)營模式為主[1-2]。隨著環(huán)保意識的加強(qiáng)，環(huán)保措施的實施，大多數(shù)工業(yè)企業(yè)搬離城市主要居住區(qū)，減輕了城市環(huán)境負(fù)擔(dān)，但是因此形成了以工業(yè)園區(qū)為中心的重污染區(qū)域[3]。高原山地城市由于其本身的地理位置及特征，如低氣壓、高海拔等[4-7]，使得污染物在此種地形條件下具有不同于平坦地形的特殊擴(kuò)散規(guī)律。開展高原山地城市污染物擴(kuò)散研究以及濃度的預(yù)測十分必要，準(zhǔn)確模擬污染物擴(kuò)散規(guī)律與預(yù)測污染物濃度對保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

空氣質(zhì)量模型作為一種重要的工具被用于評估城市空氣質(zhì)量、為污染控制戰(zhàn)略以及決策制定提供支持。AERMOD[8]是由美國國家環(huán)保局聯(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)。AERMOD模式可分為三個模塊，即AERMOD擴(kuò)散模式、AERMET氣象預(yù)處理和AEMMAP地形預(yù)處理模塊。AERMOD可以處理點源、面源、體源的污染物擴(kuò)散，它可以計算地面源、高架源、平坦、復(fù)雜地形下和城市邊界層的污染物擴(kuò)散。AERMOD運用了行星邊界層(PBL)湍流結(jié)構(gòu)及理論，考慮了建筑物下洗現(xiàn)象，考慮了對流條件下浮力煙羽和混合層頂?shù)南嗷プ饔茫⑶抑械雀×ν繉α鳁l件采用非正態(tài)的PDF模式。AERMOD作為美國EPA規(guī)定的新一代法規(guī)模型，被列入我國《HJ 2.2-2008環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》推薦模型之一。國內(nèi)外學(xué)者做了很多相關(guān)研究。Mark D. Gibso[9]等運用其對PM2.5、NOx、和SO2進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示對SO2模擬結(jié)果與觀測值吻合較好，對NOx和PM2.5的模擬一致性較差，原因可能是不同地形和天氣因素對模型模擬結(jié)果有影響。Dmitry Tartakovsky[10]等運用AERMOD和CALPUFF對位于以色列北部一個年產(chǎn)300萬t的采石場的TSP進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明，在較大范圍天氣和地形條件下AERMOD的模擬結(jié)果與實測值有較好一致性且好于CALPUFF模型。Ashok Kumar[11]等利用該模型預(yù)測了俄亥俄州1990年的1、3和24h的平均濃度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析與模型驗證，其結(jié)果表明，AERMOD模型對短時間尺度(1h和3h)的平均濃度模擬結(jié)果偏差較大，對相對長時間尺度(24h)的平均濃度的模擬偏差較小，效果較好。Kanyanee Seangkiatiyuth[12]等運用AERMOD模式對位于曼谷東北方向約108km山區(qū)的4個水泥廠在干濕兩季NO2排放的實際值和模型預(yù)測值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)旱季NO2的模擬值與測量值吻合較好，原因可能是由于預(yù)計存在濕沉降等問題，研究還發(fā)現(xiàn)在1～5km范圍的模型預(yù)測值與測量值有較好一致性。國內(nèi)一些學(xué)者也進(jìn)行過大量研究。李冰晶[13]等利用AERMOD2.2中的線源模式模擬了蘭州大學(xué)校園附近兩條主干道汽車尾氣中碳?xì)浠衔?NMHC)和NOx對蘭州大學(xué)校園的年均貢獻(xiàn)值，結(jié)果表明蘭州大學(xué)受NOx污染較嚴(yán)重，NMHC污染較輕。丁峰[14]等對AERMOD模式進(jìn)行了介紹，結(jié)合寧波市北侖區(qū)域大氣環(huán)境影響評價, 對AREMOD進(jìn)行了模式驗證，結(jié)果表明，在采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛥?shù)時, 預(yù)測值與實際監(jiān)測值具有較好的一致性， SO2、NO2日均最高濃度預(yù)測準(zhǔn)確率分別達(dá)到64.3%和85.7%。最后結(jié)合實際工作, 提出AERMOD模式的優(yōu)缺點以及應(yīng)用中的不便與解決方案。

大多數(shù)關(guān)于AERMOD的研究均為平坦或者簡單地形條件，鮮有AERMOD在復(fù)雜地形或高原山地城市的應(yīng)用研究。本文采用AERMOD對某電廠點源和面源進(jìn)行模擬研究，旨在為AERMOD在高原山地城市的應(yīng)用積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 地理位置及氣象條件

研究區(qū)域位于云南省彌勒縣巡檢司鎮(zhèn)，距彌勒縣城89km，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，由于地勢高差懸殊，氣候具有明顯的地域差異和垂直變化，形成了亞熱帶與溫帶共存的立體氣候區(qū)，是典型的高原山地城市。范圍為以主導(dǎo)風(fēng)向(南)為主軸，以廠址中心點為中心，邊長5km，評價面積共25km2的區(qū)域，圖1為電廠所在位置及點源面源所在位置和所選取的關(guān)心點，關(guān)心點為電廠影響范圍內(nèi)的自然村落，也是該區(qū)域人群較為集中的地方。AERMOD模擬所需地形參數(shù)按云南地形格柵(Grid)文件生成模型所需的數(shù)字高程(Dem)文件，其中經(jīng)AEMAP處理的范圍為8km×6km。

研究區(qū)域距離彌勒縣城已超過50km，無法使用彌勒縣氣象數(shù)據(jù)，污染氣象條件依據(jù)開遠(yuǎn)市氣象站2011年地面氣象觀測資料，該氣象站地理位置東經(jīng)103.25°，北緯23.7°，氣象站距離擬建項目廠址約20km，兩地受相同氣候系統(tǒng)的影響和控制，其常規(guī)氣象資料可以反映擬建項目區(qū)域的基本氣候特征，因而可以直接使用該氣象站提供的2011年全年逐日的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、總云量、低云量資料。圖2為所研究區(qū)域四季風(fēng)級玫瑰圖，可以看出該區(qū)域SSE、S、SSW風(fēng)頻之和為42.4%>30%，結(jié)合該區(qū)域常年氣象統(tǒng)計結(jié)果，確定該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)(S)。高空氣象資料采用蒙自氣象觀測數(shù)據(jù)，網(wǎng)格點地理位置東經(jīng)103.297°，北緯23.38°，網(wǎng)格點距離本擬建項目廠址約56.7km，兩地受相同氣候系統(tǒng)的影響和控制，其氣象資料可以反映擬建項目區(qū)域的高空氣象特征。

1.2 源強(qiáng)參數(shù)

電廠有135MW機(jī)組作為黃磷尾氣綜合利用熱電聯(lián)產(chǎn)。產(chǎn)生廢氣的車間和工段主要有磷爐、洗滌塔、循環(huán)流化床鍋爐等，總廢氣量914282.8 Nm3/h。廢氣中的主要污染物質(zhì)有磷、煙塵、SO2、氟化物、CO、砷等。黃磷爐氣按90%回收利用，用于焦炭干燥、磷礦干燥以及凈化后作為電廠鍋爐輔助能源。電廠鍋爐燃燒后排放廢氣污染物主要有煙塵、SO2、NOx。工程磷爐主廠房每臺電爐設(shè)1根安?；鹁鏌焽?，靠電爐后方(即廠房后部)；靠渣池正中的為出渣廢氣煙囪；烘干廠房設(shè)置一根廢氣煙囪，排放原料磷礦和焦炭烘干所產(chǎn)生的煙氣；精制區(qū)域設(shè)兩根放空管道，主要為磷精制時產(chǎn)生的水蒸氣，基本不含污染物；泥磷蒸餾設(shè)2根煙囪。根據(jù)工程分析結(jié)果，擬建工程污染物源強(qiáng)參數(shù)列于表1、表2。

表1 點源參數(shù)清單

表2 矩形面源參數(shù)清單

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)心點預(yù)測結(jié)果

關(guān)心點的環(huán)境空氣濃度預(yù)測結(jié)果見表3和表4。從表3可以看出各關(guān)心點SO2小時濃度、日平均濃度最大值及年平均濃度均符合《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)要求。關(guān)心點小時最大落地濃度疊加背景值后最大值為0.05881mg/m3，占標(biāo)率為11.76%，出現(xiàn)在老街；關(guān)心點日均濃度疊加背景值后最大值為0.01926mg/m3，占標(biāo)率為12.84%，出現(xiàn)在幫糧寨；關(guān)心點年均濃度(未疊加背景值)最大值為0.00209mg/m3，占標(biāo)率為3.48%，出現(xiàn)在螺絲地。

表3 SO2濃度預(yù)測結(jié)果

從表4可以看出，各關(guān)心點氟化物小時濃度、日平均濃度最大值及年平均濃度均符合《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)要求，關(guān)心點小時濃度(未疊加背景值)最大值為0.01408mg/m3，占標(biāo)率為70.42%，出現(xiàn)在幫糧寨；關(guān)心點日均濃度疊加背景值后最大值為0.00136mg/m3，占標(biāo)率為19.45%，出現(xiàn)在螺絲地；關(guān)心點年均濃度(未疊加背景值)最大值為0.00008mg/m3，占標(biāo)率為3.0%，出現(xiàn)在幫糧寨。

表4 氟化物濃度預(yù)測結(jié)果

2.2 模擬區(qū)域濃度分布

2.2.1 小時濃度

由圖3和圖4可以看出SO2、氟化物的小時最大落地濃度疊加背景值后分別為0.21211mg/m3，0.08807mg/m3，占標(biāo)率分別為44.42%，440.37%。其中SO2的小時最大落地濃度符合《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)要求，而氟化物的小時最大落地濃度超出《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)值的3.40倍，出現(xiàn)在北部廠界處。

2.2.2 日平均濃度

SO2、氟化物日平均最大落地濃度疊加背景值后分別為0.04939mg/m3、0.01684mg/m3，占標(biāo)率分別為32.99%、240.56%。其中SO2日均最大落地濃度符合《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)值的要求，氟化物的日均最大落地濃度超出《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)值的1.41倍，均出現(xiàn)在北部廠界處。

2.2.3 年平均濃度

SO2、氟化物年平均濃度最大貢獻(xiàn)值分別為0.00344mg/m3、0.00223mg/m3，占標(biāo)率分別為5.74%、79.58%。SO2、氟化物年均最大落地濃度均符合《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 SO2、氟化物對農(nóng)作物的影響

根據(jù)植物對SO2的耐受能力將農(nóng)作物分為敏感、中等敏感和抗性3種不同類型，分別制定了濃度限值。廠址周圍主要分布低短灌木和旱地農(nóng)作物，沒有發(fā)現(xiàn)國家保護(hù)的珍稀動植物分布。根據(jù)《GB9137-88保護(hù)農(nóng)作物的大氣污染物最高允許濃度》、廠址地區(qū)的氣候特點，主要受項目影響的是北風(fēng)時廠址西南面的農(nóng)田，主要種植旱地農(nóng)作物。根據(jù)預(yù)測，關(guān)心點小時最大落地濃度疊加背景值后最大值為0.21211mg/m3，占標(biāo)率為44.42%，出現(xiàn)在余大田，說明在廠址南面種植農(nóng)作物，中等敏感作物、敏感作物SO2的1h平均濃度均未超標(biāo)，因此，可以認(rèn)為，在正常排放情況下，SO2對農(nóng)作物的影響可以接受。

大氣中的氟化物以氣態(tài)氟化氫(HF)、顆粒態(tài)、以氣態(tài)形式吸附在其他顆粒物上等3種形式存在，其中以HF的毒性最大。氟化氫對闊葉植物的傷害癥狀，一般是葉緣或葉片頂部出現(xiàn)壞死區(qū)，壞死區(qū)有明顯的有色邊緣。植物對大氣氟化物有積累的特性，隨著植物在氟化物中暴露時間的增加而逐漸增加。廠址周邊農(nóng)作物受影響的主要是北風(fēng)或東北風(fēng)時廠址西南面的農(nóng)田，出現(xiàn)最大濃度時可能對小麥生產(chǎn)造成影響。根據(jù)氣象分析，出現(xiàn)北風(fēng)或東北風(fēng)主要是在冬季，不是農(nóng)作物種植季節(jié)，對農(nóng)作物影響不大。工程必須加強(qiáng)落實環(huán)保措施減少氟化物的排放，同時合理設(shè)計生產(chǎn)周期，避免在出現(xiàn)北風(fēng)或東北風(fēng)時排放的氟化物加重對周邊蔬菜氟含量的影響。

3 結(jié)論與建議

(1)項目所在區(qū)域年均風(fēng)速2m/s，風(fēng)向為南風(fēng)，有利于污染物的擴(kuò)散遷移，主要環(huán)境關(guān)心點分布在廠區(qū)西面和西南面。污染物排放量不大，經(jīng)預(yù)測各種氣象條件正常排放情況下對環(huán)境的影響較小，但無組織排放對廠區(qū)附近環(huán)境有較大影響。SO2和氟化物對農(nóng)作物的影響均很小，需在冬季時減小排放。

(2)AERMOD能較好地對高原山地城市污染物擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測模擬，模型預(yù)測的濃度分布能夠反映出氣象場變化以及項目所在地地形條件等對大氣污染物遷移和擴(kuò)散的影響。5個關(guān)心點中SO2小時最大落地濃度疊加背景值后最大值為0.05881mg/m3，出現(xiàn)在老街；日均濃度疊加背景值后最大值為0.01926mg/m3，出現(xiàn)在幫糧寨；年均濃度(未疊加背景值)最大值為0.00209 mg/m3，出現(xiàn)在螺絲地。氟化物小時濃度(未疊加背景值)最大值為0.01408mg/m3，出現(xiàn)在幫糧寨；關(guān)心點日均濃度疊加背景值后最大值為0.00136mg/m3，出現(xiàn)在螺絲地；年均濃度(未疊加背景值)最大值為0.00008mg/m3，出現(xiàn)在幫糧寨。

(3)研究區(qū)域內(nèi)氟化物小時平均濃度和日均濃度分別超過《GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)值的3.40倍和1.41倍，出現(xiàn)在北部廠界處。

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Application of AERMOD on Atmospheric Prediction in a Plateau Mountain City-A Case Study of a Power Plant

DENG Cong, QIU Fei, WANG Jian, XIANG Feng, TAI Juan

(Yunnan Environmental Monitoring Center, Kunming Yunnan 650034,China)

Plateau mountain city with its unique geographical environment and complex terrain conditions makes pollutant diffusion different from flat terrain. Sulfur dioxide and fluoride emission from point and surface sources were predicted using AERMOD in a power plant that situated in a plateau mountain city. The results showed that the impacts of sulfur dioxide and fluoride on crops were little. However, the emissions should be reduced in winter. The predicted hourly and daily concentrations of fluoride exceeded 3.40 and 1.41 times of the second class standard values of national air quality standard. The sites of high concentrations occurred in the north border of the plant.

plateau mountain city; atmospheric prediction; diffusion discipline; AERMOD; power plant

2016-06-20

鄧聰(1967-)，男，漢族，云南昆明人，碩士，高級工程師，2002年赴意大利研修，主要從事環(huán)境監(jiān)測研究。

X87

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1673-9655(2016)06-0113-06