Aermod模型在港口大氣顆粒物污染預測中的應用

謝 蓉, 韓旭東

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

隨著《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2018)的制定和實施，Aermod棋型作為環(huán)境影響評價過程中對大氣環(huán)境進行一級評價和二級評價的推薦模型，適于對大氣污染物污染程度和污染范圍進行定量評估和預測分析。Aermod模型主要基于地面氣象站提供的整年逐小時的氣象參數(shù)、高空探測氣象參數(shù)、地形數(shù)據(jù)及污染物源強數(shù)據(jù)等,模擬點源、面源、線源和體源的污染物濃度分布范圍及其對周邊敏感點的影響程度，適用于局地空間尺度(小于等于50 km)復雜或簡單地形下的模擬分析。本文以湖北黃石港棋盤洲作業(yè)區(qū)的顆粒物污染為研究對象，選取項目附近地面氣象站的氣象數(shù)據(jù)、鄰近的高空探測數(shù)據(jù)和作業(yè)區(qū)貨物吞吐量的預測結果為基礎數(shù)據(jù)，利用Aermod模型對顆粒物的濃度分布進行定量預測和評估分析，為港口大氣污染治理政策的制定提供理論依據(jù)和指導方向。

1 Aermod模型

1.1 模型概述

Aermod模型是由美國氣象協(xié)會和美國環(huán)保署聯(lián)合開發(fā)的大氣模擬預測法規(guī)模式，參照HJ 2.2—2018的技術要求，以美國環(huán)境保護局(Environmental Protection Agency，EPA)發(fā)布的模型Aerscreen、Aermet和Aermod為模型內(nèi)核，具有氣象數(shù)據(jù)插值、氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)地圖交互式操作、三維動畫顯示和遠程批處理等功能，兼容全球的氣象和地形數(shù)據(jù)處理，結果可直接導入Excel報告。該模型是HJ 2.2—2018推薦的模型之一。

Aermod模型是一種穩(wěn)態(tài)的高斯煙羽模型，其假設:在穩(wěn)定的邊界層內(nèi)，污染物在垂直方向和水平方向上的分布都遵循標準的高斯分布；在對流層內(nèi)，污染物在水平方向上的分布依然遵循高斯分布，但在垂直方向上的分布遵循雙高斯概率密度函數(shù)分布。整個大氣模型系統(tǒng)包含大氣環(huán)境評價所需的所有模式和分析處理工具，包括Aerscreen估算模式模塊、大氣環(huán)境防護距離模塊、氣象數(shù)據(jù)預處理模塊、核心計算Aermod模式模塊、氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析超標分析模塊和數(shù)據(jù)圖形專業(yè)化處理模塊。該模型既可應用于多個、多種排放源(包括點源、面源和體源)的模擬和預測中，又可應用于鄉(xiāng)村環(huán)境和城市環(huán)境、平坦地形和復雜地形、地面源和高架源等多種排放擴散情形下的模擬和預測中[1]。

1.2 模型運行參數(shù)

模型運行參數(shù)主要包括污染源數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)(復雜、簡單)和氣象數(shù)據(jù)(地面數(shù)據(jù)、高空探測數(shù)據(jù))等3種，通過對原始數(shù)據(jù)進行處理和格式調(diào)整，可制作出符合Aermod模型運行需求的數(shù)據(jù)格式，進而作下一步的運算處理。以面源為例：

1) 污染源參數(shù)包括面源的面積、排放率、排放高度、角度和方向等；

2) 氣象參數(shù)包括邊界層參數(shù)(如風速、風向、溫度、總云量和低云量等)和高空探測數(shù)據(jù)(如氣壓、離地高度和干球溫度等)；

3) 地形參數(shù)一般表現(xiàn)為項目所在地附近的地形起伏特征，通過不同地理位置的高程數(shù)據(jù)體現(xiàn)，同時可根據(jù)項目所在地附近的土地利用類型進行劃分，分別對應不同的參數(shù)選擇進行簡化處理。

1.3 輸出結果

考慮到氣象數(shù)據(jù)是整年逐小時的數(shù)據(jù)，在進行模型輸出時，既可選擇性地輸出年均氣象條件下的污染物濃度分布特征，又可輸出日均氣象條件和小時氣象條件下的污染物濃度分布情況；在輸出污染物濃度分布結果時，既可考慮最大落地濃度的分布情況(對應的是所有網(wǎng)格點的最大落地濃度，這是最不利的情況)，又可選擇某個網(wǎng)格點的最大落地濃度對應的典型日/小時的氣象數(shù)據(jù)，污染物分布會明顯反映出氣象數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，直觀地表現(xiàn)出氣象條件對污染物擴散的影響。由此，根據(jù)預測結果繪制出評價范圍內(nèi)的污染物濃度分布圖，并考慮評價范圍內(nèi)敏感點的濃度值和達標情況，若出現(xiàn)超標情況，需計算出超標倍數(shù)，繪制出超標區(qū)域，以對需采取的防塵抑塵措施提出有針對性的整改方向。

2 Aermod模型在港口大氣環(huán)境影響預測中的應用

2.1 項目簡介

黃石港是國家一類開放口岸和全國內(nèi)河主要港口之一，位于湖北省黃石市，其中棋盤洲港區(qū)是黃石港重點發(fā)展的港區(qū)，由棋盤洲作業(yè)區(qū)和火山作業(yè)區(qū)組成。棋盤洲作業(yè)區(qū)位于葦源河口至李家下洲，以礦建材料、金屬礦石、煤炭和非金屬礦石等大宗散貨，以及件雜貨、集裝箱裝運輸為主，同時為建設黃石沿江經(jīng)濟走廊、棋盤洲物流園區(qū)、西塞山電廠和承接從城區(qū)轉移出來的散貨裝卸提供服務。本文以棋盤洲作業(yè)區(qū)為研究對象，由于該作業(yè)區(qū)內(nèi)的煤炭、金屬礦石、礦建材料和非金屬礦石等均能產(chǎn)生粉塵污染，其源強與裝卸、儲存、轉運方式和氣象條件等因素密切相關，因此選取顆粒物污染(TSP、PM10和PM2.5)作為評價因子。

2.2 大氣污染源分析方法和源強

2.2.1 粉塵污染分析方法

粉塵主要來源于煤炭、礦石等，主要起塵點是貨物裝卸、運輸和堆放的場所，起塵量與風速、含水率和貨物物料的粒徑等有關。結合棋盤洲作業(yè)區(qū)的貨物吞吐量估算粉塵產(chǎn)生量，鑒于存在較多的不確定因素，估算高、低2種方案，其中：高方案為無任何防塵措施時的起塵量；低方案為采取綜合防塵措施之后的起塵量。

1) 由于目前對靜態(tài)堆場粉塵起塵量的研究較少，本文中的靜態(tài)堆場粉塵起塵量的計算式及其參數(shù)選用修正后的秦皇島裝卸、堆放貨物的起塵和擴散規(guī)律的研究成果。

Q1=α·(vi-v0)2.56·e-0.47W·fi

(1)

2) 動態(tài)(裝卸作業(yè))粉塵起塵量根據(jù)《港口建設項目環(huán)境影響評價規(guī)范》(JTS 105-1—2011)[2]推薦的計算式測算，有

Q2=αβHew2(w0-w)Y/[1+e0.25(v2-U)]

(2)

式(2)中：α為貨物類型起塵調(diào)節(jié)系數(shù)，見表1；β為作業(yè)方式系數(shù)，裝堆(船)時β=1，取料時β=2；H為作業(yè)落差，m；U為風速，多堆堆場的表面風速取單堆堆場的89%，m/s；Q2為作業(yè)起塵量，kg；w2為水分作用系數(shù)，與散貨性質(zhì)有關，取0.40～0.45；w0為水分作用效果的臨界值，含水率高于該值時水分作用增大不明顯，與散貨性質(zhì)有關，煤炭的w0值取7%，礦石的w0值取5%；w為含水率,%；Y為作業(yè)量,t；v2為作業(yè)起塵量達到最大起塵量50%時的風速，與粒徑分布和顆粒物密度有關，一般散貨取16 m/s。

表1 貨物類型起塵調(diào)節(jié)系數(shù)

2.2.2 污染物源強

棋盤洲作業(yè)區(qū)2020年大氣污染物源強預測見表2。

表2 棋盤洲作業(yè)區(qū)2020年大氣污染物源強預測單位：t/a

作業(yè)區(qū)名稱TSPPM10PM2.5無抑塵措施綜合抑塵措施無抑塵措施綜合抑塵措施無抑塵措施綜合抑塵措施棋盤洲作業(yè)區(qū)21.55 5.95 10.77 2.97 7.372.11注:無抑塵措施的工況為未采取灑水、防風網(wǎng)等環(huán)保設施;綜合抑塵措施的工況為通過灑水提高貨物含水率,并設置防風網(wǎng)等除塵設施

2.3 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)參照棋盤洲作業(yè)區(qū)附近的蘄春站2016年的氣象信息資料。根據(jù)收集到的氣象資料：全年月平均氣溫最高出現(xiàn)在8月份，最低出現(xiàn)在1月份；月均風速最大值為1.8 m/s，出現(xiàn)在5月份和7月份；月均風速最小值為1.1 m/s，出現(xiàn)在12月份；主導風向為東南偏東至東南偏南，頻率為33.3%。

2.4 預測方案

2.4.1 預測模式

預測模式選用HJ 2.2—2018中推薦的Aermod模式。

2.4.2 預測內(nèi)容

1) 根據(jù)黃石港棋盤洲作業(yè)區(qū)的實際情況進行預測，預測污染物包括TSP、PM10和PM2.5；

2) 預測年份為2020年；

3) 項目所在區(qū)域地形復雜，考慮復雜地形，對污染物擴散情況進行預測分析；

4) 主要預測TSP、PM10和PM2.5的年均和日均最大落地濃度貢獻值及其分布，評估超標區(qū)域內(nèi)敏感點分布情況。

2.5 預測結果

在無抑塵措施工況下，棋盤洲作業(yè)區(qū)TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地濃度均超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)表1和表2中的二級標準限值(TSP、PM10和PM2.5的濃度標準值分別為300 μg/m3、150 μg/m3和75 μg/m3，最大占標率分別為396.32%、396.32%和634.05%)；TSP、PM10和PM2.5的年均最大落地濃度均超過評價標準(TSP、PM10和PM2.5的濃度標準值分別為200 μg/m3、70 μg/m3和35 μg/m3，最大占標率分別為141.53%、202.17%和323.46%)。

采取綜合抑塵措施之后，棋盤洲作業(yè)區(qū)TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地濃度均超過評價標準(TSP、PM10和PM2.5的最大占標率分別為118.63%、118.63%和189.80%)，超標區(qū)域在作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)；TSP、PM10和PM2.5的年均最大落地濃度均達到評價標準;TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地濃度和年均最大落地濃度在廠界處均達到評價標準。具體情況見表3和圖1～圖12。

表3 棋盤作業(yè)區(qū)TSP、PM10和PM2.5日均最大落地濃度和平均最大落地濃度預測情況

圖1 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)無抑塵措施時PM2.5年均最大落地濃度分布預測結果圖2 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)采取綜合抑塵措施后PM2.5年均最大落地濃度分布預測結果

圖3 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)無抑塵措施時PM10年均最大落地濃度分布預測結果圖4 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)采取綜合抑塵措施后PM10年均最大落地濃度分布預測結果

圖5 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)無抑塵措施時TSP年均最大落地濃度分布預測結果 圖6 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)采取綜合抑塵措施后TSP年均最大落地濃度分布預測結果

圖7 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)無抑塵措施時PM2.5日均最大落地濃度分布預測結果 圖8 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)采取綜合抑塵措施后PM2.5日均最大落地濃度分布預測結果

圖9 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)無抑塵措施時PM10日均最大落地濃度分布預測結果 圖10 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)采取綜合抑塵措施后PM10日均最大落地濃度分布預測結果

圖11 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)無抑塵措施時TSP日均最大落地濃度分布預測結果 圖12 2020年棋盤洲作業(yè)區(qū)采取綜合抑塵措施后TSP日均最大落地濃度分布預測結果

3 結 語

由Aermod模型預測的結果可知:在無抑塵措施工況下，棋盤洲作業(yè)區(qū)TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地濃度均超過GB 3095—2012的日均二級標準，TSP、PM10和PM2.5的年均最大落地濃度均超過相應的年均二級標準；采取綜合抑塵措施之后，棋盤洲作業(yè)區(qū)TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地濃度和年均最大落地濃度明顯降低，且在廠界處均達標。由此可知，在港口貨物吞吐期間采取綜合抑塵措施(提高含水率、防風網(wǎng)等)可有效降低顆粒物濃度，保證廠界處的污染物濃度達到相應的環(huán)境空氣質(zhì)量標準。

總體上看，在棋盤洲作業(yè)區(qū)對煤炭、礦石等大宗散貨進行裝卸和堆場堆存過程中采取降塵抑塵措施是非常有必要的，能有效降低起塵量，盡量將不利影響控制在廠界范圍內(nèi)，保證作業(yè)區(qū)周邊敏感點不受影響。同時，對粉塵治理的關鍵環(huán)節(jié)是抑塵，在未產(chǎn)生粉塵之前采取有效的防范措施[3]，如在裝卸過程采取全過程抑塵措施，在堆場堆存過程中采用密封筒倉等方式減少粉塵排放，可確保區(qū)域環(huán)境的空氣質(zhì)量滿足環(huán)境功能區(qū)的要求。