AERMOD在高原山地城市大气预测中的应用——以某电厂为例

邓 聪，邱 飞，王 健，向 峰，邰 娟

(云南省环境监测中心站，云南 昆明 650034)



AERMOD在高原山地城市大气预测中的应用
——以某电厂为例

邓 聪，邱 飞，王 健，向 峰，邰 娟

(云南省环境监测中心站，云南 昆明 650034)

采用AERMOD对位于高原山地城市的某电厂点源及面源所排放的SO2及氟化物进行了预测，结果显示： SO2和氟化物对农作物的影响均很小，需在冬季时减小排放； AERMOD能较好地对高原山地城市污染物扩散进行预测模拟，模型预测的浓度分布能够反映出气象场变化以及项目所在地地形条件等对大气污染物迁移和扩散的影响；研究区域内氟化物小时平均浓度和日均浓度分别超过《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准值的3.40倍和1.41倍，出现在北部厂界处。

高原山地城市；大气预测；扩散规律；AERMOD应用；电厂

0 前言

工业发展在带来巨大经济效益的同时，也给人类和环境带来了巨大的挑战，传统的经济发展模式使我国绝大多数工业城市以高污染、高能耗、粗放型经营模式为主[1-2]。随着环保意识的加强，环保措施的实施，大多数工业企业搬离城市主要居住区，减轻了城市环境负担，但是因此形成了以工业园区为中心的重污染区域[3]。高原山地城市由于其本身的地理位置及特征，如低气压、高海拔等[4-7]，使得污染物在此种地形条件下具有不同于平坦地形的特殊扩散规律。开展高原山地城市污染物扩散研究以及浓度的预测十分必要，准确模拟污染物扩散规律与预测污染物浓度对保护环境具有重要意义。

空气质量模型作为一种重要的工具被用于评估城市空气质量、为污染控制战略以及决策制定提供支持。AERMOD[8]是由美国国家环保局联合美国气象学会组建法规模式改善委员会(AERMIC)开发。AERMOD模式可分为三个模块，即AERMOD扩散模式、AERMET气象预处理和AEMMAP地形预处理模块。AERMOD可以处理点源、面源、体源的污染物扩散，它可以计算地面源、高架源、平坦、复杂地形下和城市边界层的污染物扩散。AERMOD运用了行星边界层(PBL)湍流结构及理论，考虑了建筑物下洗现象，考虑了对流条件下浮力烟羽和混合层顶的相互作用，并且中等浮力通量对流条件采用非正态的PDF模式。AERMOD作为美国EPA规定的新一代法规模型，被列入我国《HJ 2.2-2008环境影响评价技术导则 大气环境》推荐模型之一。国内外学者做了很多相关研究。Mark D. Gibso[9]等运用其对PM2.5、NOx、和SO2进行了模拟，结果显示对SO2模拟结果与观测值吻合较好，对NOx和PM2.5的模拟一致性较差，原因可能是不同地形和天气因素对模型模拟结果有影响。Dmitry Tartakovsky[10]等运用AERMOD和CALPUFF对位于以色列北部一个年产300万t的采石场的TSP进行了对比研究，结果表明，在较大范围天气和地形条件下AERMOD的模拟结果与实测值有较好一致性且好于CALPUFF模型。Ashok Kumar[11]等利用该模型预测了俄亥俄州1990年的1、3和24h的平均浓度，并对数据进行了统计分析与模型验证，其结果表明，AERMOD模型对短时间尺度(1h和3h)的平均浓度模拟结果偏差较大，对相对长时间尺度(24h)的平均浓度的模拟偏差较小，效果较好。Kanyanee Seangkiatiyuth[12]等运用AERMOD模式对位于曼谷东北方向约108km山区的4个水泥厂在干湿两季NO2排放的实际值和模型预测值进行了对比，发现旱季NO2的模拟值与测量值吻合较好，原因可能是由于预计存在湿沉降等问题，研究还发现在1～5km范围的模型预测值与测量值有较好一致性。国内一些学者也进行过大量研究。李冰晶[13]等利用AERMOD2.2中的线源模式模拟了兰州大学校园附近两条主干道汽车尾气中碳氢化合物(NMHC)和NOx对兰州大学校园的年均贡献值，结果表明兰州大学受NOx污染较严重，NMHC污染较轻。丁峰[14]等对AERMOD模式进行了介绍，结合宁波市北仑区域大气环境影响评价, 对AREMOD进行了模式验证，结果表明，在采用适当的模型参数时, 预测值与实际监测值具有较好的一致性， SO2、NO2日均最高浓度预测准确率分别达到64.3%和85.7%。最后结合实际工作, 提出AERMOD模式的优缺点以及应用中的不便与解决方案。

大多数关于AERMOD的研究均为平坦或者简单地形条件，鲜有AERMOD在复杂地形或高原山地城市的应用研究。本文采用AERMOD对某电厂点源和面源进行模拟研究，旨在为AERMOD在高原山地城市的应用积累基础数据。

1 材料与方法

1.1 地理位置及气象条件

研究区域位于云南省弥勒县巡检司镇，距弥勒县城89km，属北亚热带季风气候，由于地势高差悬殊，气候具有明显的地域差异和垂直变化，形成了亚热带与温带共存的立体气候区，是典型的高原山地城市。范围为以主导风向(南)为主轴，以厂址中心点为中心，边长5km，评价面积共25km2的区域，图1为电厂所在位置及点源面源所在位置和所选取的关心点，关心点为电厂影响范围内的自然村落，也是该区域人群较为集中的地方。AERMOD模拟所需地形参数按云南地形格栅(Grid)文件生成模型所需的数字高程(Dem)文件，其中经AEMAP处理的范围为8km×6km。

研究区域距离弥勒县城已超过50km，无法使用弥勒县气象数据，污染气象条件依据开远市气象站2011年地面气象观测资料，该气象站地理位置东经103.25°，北纬23.7°，气象站距离拟建项目厂址约20km，两地受相同气候系统的影响和控制，其常规气象资料可以反映拟建项目区域的基本气候特征，因而可以直接使用该气象站提供的2011年全年逐日的风向、风速、气温、总云量、低云量资料。图2为所研究区域四季风级玫瑰图，可以看出该区域SSE、S、SSW风频之和为42.4%>30%，结合该区域常年气象统计结果，确定该区域主导风向为南风(S)。高空气象资料采用蒙自气象观测数据，网格点地理位置东经103.297°，北纬23.38°，网格点距离本拟建项目厂址约56.7km，两地受相同气候系统的影响和控制，其气象资料可以反映拟建项目区域的高空气象特征。

1.2 源强参数

电厂有135MW机组作为黄磷尾气综合利用热电联产。产生废气的车间和工段主要有磷炉、洗涤塔、循环流化床锅炉等，总废气量914282.8 Nm3/h。废气中的主要污染物质有磷、烟尘、SO2、氟化物、CO、砷等。黄磷炉气按90%回收利用，用于焦炭干燥、磷矿干燥以及净化后作为电厂锅炉辅助能源。电厂锅炉燃烧后排放废气污染物主要有烟尘、SO2、NOx。工程磷炉主厂房每台电炉设1根安保火炬烟囱，靠电炉后方(即厂房后部)；靠渣池正中的为出渣废气烟囱；烘干厂房设置一根废气烟囱，排放原料磷矿和焦炭烘干所产生的烟气；精制区域设两根放空管道，主要为磷精制时产生的水蒸气，基本不含污染物；泥磷蒸馏设2根烟囱。根据工程分析结果，拟建工程污染物源强参数列于表1、表2。

表1 点源参数清单

表2 矩形面源参数清单

2 结果与分析

2.1 关心点预测结果

关心点的环境空气浓度预测结果见表3和表4。从表3可以看出各关心点SO2小时浓度、日平均浓度最大值及年平均浓度均符合《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准要求。关心点小时最大落地浓度叠加背景值后最大值为0.05881mg/m3，占标率为11.76%，出现在老街；关心点日均浓度叠加背景值后最大值为0.01926mg/m3，占标率为12.84%，出现在帮粮寨；关心点年均浓度(未叠加背景值)最大值为0.00209mg/m3，占标率为3.48%，出现在螺丝地。

表3 SO2浓度预测结果

从表4可以看出，各关心点氟化物小时浓度、日平均浓度最大值及年平均浓度均符合《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准要求，关心点小时浓度(未叠加背景值)最大值为0.01408mg/m3，占标率为70.42%，出现在帮粮寨；关心点日均浓度叠加背景值后最大值为0.00136mg/m3，占标率为19.45%，出现在螺丝地；关心点年均浓度(未叠加背景值)最大值为0.00008mg/m3，占标率为3.0%，出现在帮粮寨。

表4 氟化物浓度预测结果

2.2 模拟区域浓度分布

2.2.1 小时浓度

由图3和图4可以看出SO2、氟化物的小时最大落地浓度叠加背景值后分别为0.21211mg/m3，0.08807mg/m3，占标率分别为44.42%，440.37%。其中SO2的小时最大落地浓度符合《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准要求，而氟化物的小时最大落地浓度超出《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准值的3.40倍，出现在北部厂界处。

2.2.2 日平均浓度

SO2、氟化物日平均最大落地浓度叠加背景值后分别为0.04939mg/m3、0.01684mg/m3，占标率分别为32.99%、240.56%。其中SO2日均最大落地浓度符合《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准值的要求，氟化物的日均最大落地浓度超出《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准值的1.41倍，均出现在北部厂界处。

2.2.3 年平均浓度

SO2、氟化物年平均浓度最大贡献值分别为0.00344mg/m3、0.00223mg/m3，占标率分别为5.74%、79.58%。SO2、氟化物年均最大落地浓度均符合《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准要求。

2.3 SO2、氟化物对农作物的影响

根据植物对SO2的耐受能力将农作物分为敏感、中等敏感和抗性3种不同类型，分别制定了浓度限值。厂址周围主要分布低短灌木和旱地农作物，没有发现国家保护的珍稀动植物分布。根据《GB9137-88保护农作物的大气污染物最高允许浓度》、厂址地区的气候特点，主要受项目影响的是北风时厂址西南面的农田，主要种植旱地农作物。根据预测，关心点小时最大落地浓度叠加背景值后最大值为0.21211mg/m3，占标率为44.42%，出现在余大田，说明在厂址南面种植农作物，中等敏感作物、敏感作物SO2的1h平均浓度均未超标，因此，可以认为，在正常排放情况下，SO2对农作物的影响可以接受。

大气中的氟化物以气态氟化氢(HF)、颗粒态、以气态形式吸附在其他颗粒物上等3种形式存在，其中以HF的毒性最大。氟化氢对阔叶植物的伤害症状，一般是叶缘或叶片顶部出现坏死区，坏死区有明显的有色边缘。植物对大气氟化物有积累的特性，随着植物在氟化物中暴露时间的增加而逐渐增加。厂址周边农作物受影响的主要是北风或东北风时厂址西南面的农田，出现最大浓度时可能对小麦生产造成影响。根据气象分析，出现北风或东北风主要是在冬季，不是农作物种植季节，对农作物影响不大。工程必须加强落实环保措施减少氟化物的排放，同时合理设计生产周期，避免在出现北风或东北风时排放的氟化物加重对周边蔬菜氟含量的影响。

3 结论与建议

(1)项目所在区域年均风速2m/s，风向为南风，有利于污染物的扩散迁移，主要环境关心点分布在厂区西面和西南面。污染物排放量不大，经预测各种气象条件正常排放情况下对环境的影响较小，但无组织排放对厂区附近环境有较大影响。SO2和氟化物对农作物的影响均很小，需在冬季时减小排放。

(2)AERMOD能较好地对高原山地城市污染物扩散进行预测模拟，模型预测的浓度分布能够反映出气象场变化以及项目所在地地形条件等对大气污染物迁移和扩散的影响。5个关心点中SO2小时最大落地浓度叠加背景值后最大值为0.05881mg/m3，出现在老街；日均浓度叠加背景值后最大值为0.01926mg/m3，出现在帮粮寨；年均浓度(未叠加背景值)最大值为0.00209 mg/m3，出现在螺丝地。氟化物小时浓度(未叠加背景值)最大值为0.01408mg/m3，出现在帮粮寨；关心点日均浓度叠加背景值后最大值为0.00136mg/m3，出现在螺丝地；年均浓度(未叠加背景值)最大值为0.00008mg/m3，出现在帮粮寨。

(3)研究区域内氟化物小时平均浓度和日均浓度分别超过《GB3095-2012环境空气质量标准》中的二级标准值的3.40倍和1.41倍，出现在北部厂界处。

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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

邓聪(1967-)，男，汉族，云南昆明人，硕士，高级工程师，2002年赴意大利研修，主要从事环境监测研究。

X87

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1673-9655(2016)06-0113-06