气象条件对点源排放二噁英模拟的影响规律研究*

王 超 陈 彤 王 奇 李 敏 岑可法 陆胜勇 李晓东

(浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310027)

气象条件对点源排放二噁英模拟的影响规律研究*

王 超 陈 彤 王 奇 李 敏 岑可法 陆胜勇 李晓东#

(浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310027)

为了对点源排放的固相颗粒物上二噁英大气扩散规律进行认识，选择周边为复杂地形的杭州某危险废物处置设施为研究对象。使用AERMOD模型，人为设置一系列风速、风向条件，并假定二噁英均在PM2.5上，进而分析PM2.5上二噁英在这些设定的气象条件下的扩散规律，从而认识其扩散规律。结果显示：(1)风速风向对最大落地浓度、最大落地浓度点距离排放源的距离(简称最大落地点距离)的影响较大，而地貌的不同也会有一定影响。(2)3.0m/s的风速时最大落地点距离达到最大(约800m)，5.0m/s的风速时最大落地浓度达到最大。(3)地形的改变对最大落地点距离的影响有限。(4)在特定风速情况下，沿风向方向，二噁英落地浓度会出现双峰现象。

二噁英类污染物 大气扩散模拟AERMOD气象条件

自从垃圾焚烧过程中发现二噁英以来[1]，二噁英就受到了全球范围的关注。随着我国生活垃圾、危险废物、医疗废物的焚烧处理处置设施的日益普遍，处理处置设施排放的二噁英对周边环境的影响日益受到关注。二噁英是几类结构和理化性质类似的氯代多环芳香化合物的总称，是一类持久性有机污染物，包括多氯代二苯并_对_二噁英(PCDDs)和多氯代二苯并呋喃(PCDFs)，统称为PCDD/Fs。二噁英物质的氯原子取代位置不同，各异构体会表现不同的理化性质和毒性，其中以2，3，7，8平面位置取代的17种二噁英异构体是有毒的。

二噁英是以各种燃烧和生产一些有机氯产品过程中产生的副产品的形式进入环境中[2_4]，主要有3种形式(烟气、飞灰和底渣[5])，其中大气迁移被认为是导致二噁英全球范围内扩散最主要传输途径[6_7]。然而，二噁英不仅存在于排放出来的烟气、飞灰中，在经过了沉降迁移后，二噁英可以存在于许多环境介质中，如土壤、植被、水体、微生物等[8_13]。而人体会通过饮水、摄食等方式摄入这些介质，同时也将摄入二噁英，从而对人体健康造成潜在危害[14]。由于其危害性，关于二噁英造成的人体健康危害的研究被广泛开展[15_19]。

XU等[20]使用2002_2005年的实际气象数据，使用大气扩散模型计算二噁英沉降量，并和实际采样的土壤样品的逐年变化数据进行比较。MA等[21]69_77使用2002_2007年实际气象数据模拟了杭州某焚烧处置设施的健康风险，重点观察了高斯扩散模型在不同风速条件和大气稳定度情况下的二噁英的落地浓度和落地距离的变化。由于这些研究使用的是实际气象条件，在研究二噁英落地浓度和沉降情况时，结果会随着实际气象因素的变化而变化，没有普遍的规律性。本研究选择处于复杂地形的杭州某危险废物处置设施为研究对象，采用人为设置气象参数的方法来探究二噁英的扩散规律，重点关注PM2.5上附着的二噁英的扩散规律，为政府制定危险废物处置设施周边的安全防护距离设定时提供一定的参考依据。

1 研究方法

1.1 模型介绍

评估二噁英对人体的长期影响时，采用模拟的方法是一种较经济和便捷的方法[22_24]，[25]25_33。在不同的研究中采用了不同的模型，如SCREEN、ISC和AERMOD模型。PATEL等[26]比较了SCREEN和ISC模型在水银模拟过程中的表现，认为ISC模型更好，而SCREEN模型的模拟结果更保守。在对ISC和AERMOD模型效果评估的研究中发现，AERMOD模型在处理复杂地形方面的计算结果较ISC模型结果好[27]。综上所述，本研究选择采用AERMOD模型进行二噁英大气扩散的模拟。AERMOD模型是美国环境保护署(USEPA)在1991提出的新大气管理模型，以替代当时较流行的ISC模型，是由USEPA和美国气象学会(AMS)合作的成果。它是一个稳态烟羽扩散模式，可用于模拟多种类型排放源排放污染物的浓度分布。AERMOD模型包括AERMET气象预处理模式和AERMAP地形预处理模式。AERMET气象预处理模式需要基于两种输入数据，即探空数据和地面气象数据；AERMAP地形预处理模式则是生成AERMOD模型需要的地形高程信息。

1.2 研究区域

由于二噁英的危害性，在国内建设危险废物处置设施时，普遍选择周边居民较少，四面环山的盆地、丘陵等地区，这些地区大多属于复杂地形。本研究采用处于复杂地形的杭州某危险废物处置设施周边的地形数据进行模拟。如图1所示，当地地处平原地区，周边有200～300 m的山峦造成地面起伏，危险废物处置设施(即星型位置的点源)位于两处山峦之间，地形起伏高于烟囱顶端。根据《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ 2.2_2008)，当地形高度高于烟囱高度时属于复杂地形，在模型计算过程中勾选复杂地形计算选项。根据当地实际地貌情况，考虑到点源的右下角是山地的特点，将以排放源为中心，从正南方到南偏西60°的扇形区域的地貌设置为针叶森林，其他区域的地貌设置为城市。

图1 研究区域的俯视等高线图Fig.1 Contour map of study area

1.3 网格划分

本研究选择近源区域(距离点源3 km内)作为研究的主要区域，网格划分采用极坐标，以排放源为中心，以10°为间隔做辐射线，分割圆形区域。根据USEPA建议[28]3_52，以排放源为中心，将3 km范围内的辐射线以100 m为半径做同心圆，辐射线的交点即为受体点，之后每做一个同心圆半径增加100 m，分别与辐射线相交，直到研究范围的边界。总共得到1 080个受体点(见图2中黑色散点)。

图2 受体点示意图Fig.2 Map of receptors

1.4 排放源信息

AERMOD模型模拟排放源的输入信息如表1所示。其中，海拔高度、烟囱高度为实地调查得到；烟气出口温度、速度为危险废物处置设施实际运行过程中的烟气排放参数；烟气排放速率是根据AERMOD模型的特点而选择的，即在其他条件不变的情况下，只变动烟气排放速率的不同计算结果之间存在比例关系，即案例1的大气浓度/案例1的排放速率=案例2的大气浓度/案例2的排放速率[28]3_59。也就是说，排放源浓度的变化会成比例反映在所有受体的浓度变化上，从而选择1 g/s可方便计算。

表1 排放源信息

根据报道，大气中二噁英主要分布于固相颗粒中，而在固相颗粒中，小颗粒中的二噁英占大多数[29_32]。同时，PM2.5更容易进入人的呼吸系统，对人的健康造成危害。文献指出，小粒径颗粒物的扩散情况类似，在缺乏实际粒径信息的情况下，可将部分小粒径颗粒物归为一类考虑[28]3_11。本研究中由于没有实际测量的粒径信息，故假定二噁英均在PM2.5上。

1.5 气象条件

PASQUILL[33]提出了大气稳定度分级方法。而大气稳定度等级在污染物扩散沉降过程中有很大的影响，其中风速和太阳辐射等级决定了大气稳定度。混合高度在污染物沉降过程中有巨大影响，特别是低速风速的情况下[34]。MA等[21]72_73研究了混合高度在各种大气稳定度等级下随风速的变化，并观察了二噁英最大落地浓度在风速变化时的变化情况，但研究仅限于小于3.0 m/s的风速。本研究采用当地实际的高空数据，并对地面气象数据中的风速、风向进行了人为设置，选择了0°、90°、180°、270°4个风向，风速从1.0 m/s到15.0 m/s不连续分布。其他气象因素的设置分别为气压为1 000 hPa，温度为25 ℃，相对湿度50%，总云量和低云量均为零。为了考虑颗粒物上二噁英在空气中分布最恶劣的情况，降雨数据设置为缺失，避免干湿削减，以确保颗粒物上二噁英在大气中的浓度处于保守高估状态。

1.6 扩散规律的表征

根据确定防护距离和评估居民健康的需求，选择模拟结果中的一些指标作为扩散规律的表征手段，主要包括二噁英的最大落地浓度、最大落地浓度点距离排放源的距离(简称最大落地点距离)、最大沉降量、最大沉降点距离排放源的距离(简称最大沉降点距离)。这些指标可表征单次模拟结果中高落地浓度点、高沉降点的基本信息，是确定防护距离、反映扩散规律的重要参考指标。

2 结 果

模拟结果如表2所示。在所有方向上，所关注的参数呈现一定的规律性。

当风速小于3.0 m/s时，总体上二噁英的最大落地点距离随风速增大而增大；当风速为3.0 m/s时，最大落地点距离达到最大(约800 m)，之后逐渐减小。AFZALI等[25]25_33使用AERMOD模型研究Pb、As、Cd和Hg扩散过程中发现：其风向玫瑰图中风频较高的是>4～7、>7～11 m/s的风速，这两种风速组分别占主导风向南东南方向风频的35%、45%；模拟结果显示，在这样的风速组合下，重金属的最大落地点距离在500 m内。这和本研究发现的结果一致，即在4.0 m/s以上风速时，二噁英的最大落地点距离将会小于500 m。

当风速小于5.0 m/s时，二噁英的最大落地浓度随风速增大而增大；当风速为5.0 m/s时，最大落地质量浓度达到最大(约2.9 μg/m3)，之后逐渐减小。

二噁英的最大沉降点距离的变化规律基本与最大落地点距离一致。二噁英的最大沉降量随风速增大而增大，并未出现其他关注参数的转折情况。

其中，较特殊的是180°风向的模拟结果，当风速为3.0 m/s时，二噁英的最大落地点距离达到最大，为600 m，和另外3个方向得到的结论基本一致，但是略小。本研究考虑了可能造成这个情况的因素：(1)风速变化间隔过大。在180°方向上，最大落地点距离的最大值出现在模拟风速之间，而不是正好是3.0 m/s。(2)地形影响。由于180°的风向使得污染物向北扩散，虽然排放源周边四面环山，但是不排除北方特别的地势对模型产生了一定的影响。(3)地貌影响。180°方向上恰存在森林地貌。本研究进而对部分因素进行了进一步的研究分析。

表2 模拟结果概要

3 分 析

为研究模拟的风速间隔对模拟的影响，本研究在180°风向上增加了2个模拟风速(2.5、3.5 m/s)。由图3可见：(1)当风速为2.5 m/s时，二噁英的最大落地点距离为300 m，最大落地质量浓度为1.51 μg/m3；在900 m处出现了第2个峰值，质量浓度为1.41 μg/m3，较最大落地浓度略低。第1个峰值位于山峰的迎风面，第2个峰值则为山峰的背风面。(2)当风速为3.5 m/s时，二噁英的最大落地点距离为500 m，最大落地质量浓度为2.54 μg/m3，未出现双峰的现象。

图3 风速为2.5、3.5 m/s时二噁英质量浓度随距离的变化Fig.3 Variation of dioxin concentration with distances under the wind speed of 2.5，3.5 m/s

在其他风向上，同样为2.5 m/s风速下，二噁英落地浓度中也存在明显的双峰现象。MOKHTAR等[35]使用了5年的气象数据研究重金属和一些常规污染，在模拟过程中发现，当平均风速为2.36 m/s时，年均最大落地浓度处在1 km左右的位置。这和本研究发现的第2个峰值的位置接近，这可能因为本研究的风速相对单一造成的，实际中的模拟会在主导风向上叠加多种风速的模拟结果。

为考虑地形的影响，对风向为180°、风速为3.0 m/s的案例增加平坦地形(即不考虑地形数据)模拟计算。由图4可见，平坦地形的二噁英最大落地点距离仍然为600 m，但最大落地质量浓度由实际地形的2.07 μg/m3增加到2.70 μg/m3。对其他风向上的点进一步进行平坦地形的模拟计算发现，最大落地浓度均略微提高，而最大落地点距离均不变。最大落地浓度在不考虑地形的情况下增加可能是由于不考虑海拔高度后，烟囱的相对高度降低产生的结果。

图4 180°风向、3.0 m/s风速时不同地形下二噁英质量浓度随距离变化Fig.4 Variation of dioxin concentration with distances under the wind speed of 3.0 m/s and wind direction of 180°

为研究地貌对模拟结果的影响，本研究将地貌统一设置为城市。经模拟，最大落地质量浓度为1.85 μg/m3，最大落地点距离为800 m。由此可见，地貌对最大落地点距离的影响较为明显，同时对最大落地浓度也有一定的影响。

4 结论与展望

(1) 风速风向对最大落地浓度、最大落地点距离的影响较大，而地貌的不同也会有一定影响。

(2) 在本研究的地形条件下，3.0 m/s的风速时最大落地点距离达到最大(约800 m)，5.0 m/s的风速时最大落地浓度达到最大。

(3) 地形的改变对最大落地点距离的影响有限。

(4) 在特定风速情况下，沿风向方向，二噁英落地浓度会出现双峰现象。

(5) 本研究没有展开高空数据对最大落地点距离和最大落地浓度影响的研究，后续研究可以进一步考虑。同时，可将气相二噁英的扩散纳入其中，并考察多种不同的地貌特征对最大落地浓度、最大落地点距离等参数的影响。

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Studyoftheinfluenceofmeteorologicalconditiontomodelingthetransformationofdioxinemittedbypointsource

WANGChao，CHENTong，WANGQi，LIMin，CENKefa，LUShengyong，LIXiaodong.

(CollegeofEnergyEngineering，ZhejiangUniversity，HangzhouZhejiang310027)

To study the atmospheric transport of particle phase dioxin emitted by point source，this paper selected a point source surrounded by complex terrain in Hangzhou to research and analyze the pattern of the transformation of particle phase dioxin by using AERMOD with a series of artificial meteorological conditions (wind speed and wind direction) and assuming the diameter of particle with dioxin was 2.5 μm. The result showed：(1) wind speed and wind direction affected the transport of dioxin seriously, and the land use type showed some influence on it. (2) The the distance from the maximum concentration receptor to the source reached its maximum，800 m，when the wind speed reached 3.0 m/s，while the concentration of receptor reached its maximum when the wind speed reached 5.0 m/s. (3) Terrain showed little influence to the distance from the maximum dioxin concentration receptor to the source. (4) Under certain wind speed, the concentration of dioxin on the ground along the wind direction could have double peaks.

dioxin; atmosphere dispersion; AERMOD; meteorological condition

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.016

2015_10_09)

王 超，男，1990年生，博士研究生，研究方向为大气扩散模拟。#

。

*环保公益性行业科研项目(No.201209022)。