大气估算模式AERSCREEN、SCREEN3气体扩散规律简析

臧传利，丁 峰，徐玉凤，肖微炜，王少峰

(1.江苏南大环保科技有限公司，江苏 南京 210046；2.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；3.国家有机毒物污染控制与资源化工程技术研究中心,江苏 南京 210046)

1 引言

SCREEN3是基于ISC3模型的环境空气质量估算模式，由美国环境保护局1995年推出，该模型通过计算不同风速和稳定度组合气象条件下污染源在其下风向轴线地面浓度，进而估算各类污染源影响最大时的不利气象条件和高浓度值出现的地点(区)[1]。该模式为HJ 2. 2—2008《环境影响评价技术导则 大气环境》 推荐的大气环境影响评价等级估算模式，利用该模式估算污染物的最大地面浓度占标率，进而确定评价工作分级及评价范围。

2011年3月美国环境保护局正式发布了新一代估算模式AERSCREEN，取代 SCREEN3 作为空气质量模型的估算模式，该模式基于AERMOD模式，可考虑复杂地形计算以及温度变化的影响，比SCREEN3能更好地反映最不利的气象条件及浓度结果[2]。

本文通过案例设计，研究对比AERSCREEN 与SCREEN3 估算模式的点源计算结果中污染物扩散规律，分析差异，并提出应用建议。

2 估算模式SCREEN3及AERSCREEN对比分析

2.1 SCREEN3估算模式

SCREEN3 采用了单源高斯烟羽扩散模式，适合模拟小尺度范围内流场一致的气态污染物的传输与扩散，可计算点源、火炬源、面源和体源的最大地面浓度，以及下洗和岸边熏烟等特殊条件下的最大地面浓度。该模式中嵌入了多种预设的气象组合条件，包括一些最不利的气象条件，故该经估算模式计算出的是某一污染源对环境空气质量的最大影响程度和影响范围的保守的计算结果[1,3，4]。SCREEN3模式基本公式见公式(1)[3]。

(1)

式(1)中：x— 浓度，g/m3；Q— 排放速率，g/s，us— 排气筒出口风速，m/s；σy— y方向扩散参数，mσz— z方向扩散参数，m；zr— 接受点离地高度，m；He— 排气筒有效高度，m；h— 混合层高度，m；k— 烟羽从地面到混合层之间的反射次数，一般小于等于4。

2.2 AERSCREEN估算模式

AERSCREEN耦合了AERMOD计算内核，与SCREEN3相比，AERSCREEN在气象数据处理、建筑物下洗参数处理、地形数据处理等方面做出了较大改进，AERSCREEN可计算点源、雨帽源、水平源、矩形面源、圆形面源、火炬源、体源等污染源的1-hr平均落地浓度，并可进一步转化得到最大3-hr平均、8-hr平均、24-hr平均和年均浓度[4,5]。

(2)

2.3 两种估算模式特点对比

SCREEN3、AERSCREEN特点对比分析如表1所示。[1,3～7]

2 典型案例设置

2.1 不同温度、排放高度废气扩散规律对比分析

2.1.1 污染源参数

本次研究分析主要关注落地浓度的相对大小，在不考虑污染物扩散过程的衰减时，污染物源强参数只是一个相对量，因此案例设置不考虑具体污染物名称。设置的案例排放情景见表2，以240 m、80 m、15 m高烟囱代表高、中和低架源，烟囱出口烟气温度分别为120 ℃、20 ℃，案例测算主要对比不同高度排放的不同温度污染物落地浓度，分析计算结果主要关注最大落地浓度相对大小。

表1 SCREEN3、AERSCREEN特点对比

表2 污染源强参数

3.1.2 模式系统参数、气象参数、地表参数

SCREEN3、AERSCREEN两种模式系统参数、气象参数、地表参数等参数按保守选取，运行不考虑建筑下洗、熏烟等情况，参数选取情况如表3所示。

表3 SCREEN3、AERSCREEN模式各参数设置对比

3.1.3 结果与讨论

按表2案例情景模型，采用AERSCREEN、SCREEN3估算，最大落地浓度分析对比结果见表4，下风向轴线浓度分析见图1。

表4 不同温度、排放高度测算结果对比

在农村气象场的条件下，AERSCREEN及SCREEN3模型测算结果分析如下。

(1)最大落地浓度结果分析：①高温烟气，对于高架源、中架源，AERSCREEN估算的最大落地浓度及距离均大于SCREEN3模式估算的浓度，而低架源则相反；②低温烟气，AERSCREEN模式预测的最大落地浓度大于SCREEN3模式，但出现距离均小于SCREEN3模式，与烟囱高度无关。

图1 AERSCREEN、SCREN3模式下风向轴线浓度对比图(图中AER-AERSCREEN，SC-SCREEN3，下同)

(2)下风向轴线浓度结果分析：①两种估算模式下，下风向预测浓度的表现趋势一致，均表现为先增后降，随着距离增大，两模型估算浓度越来越接近；②对于高温烟气，两种估算模式，烟气扩散规律差异不大；②低温烟气，距烟囱近距离内，两种模式最大落地浓度差异极大，AERSCREEN估算结果均大于SCREEN3模式，最大差距高达上百倍，且随烟囱高度的降低，差异越大。

研究表明，在烟气出口速度一定的条件下，烟气的抬升高度主要取决于排气筒的高度、烟气与环境的温差、烟气的热释放率的大小[8]。烟气出口温度越高的增加，烟羽抬升高度越高，烟囱高度对扩散稀释污染物以及降低污染物的落地浓度起着重要作用，高烟囱所造成的地面污染物浓度，总是比相同排放强度的低烟囱所造成的浓度低[9，10]。

根据同类研究及两种模式测算结果，两模式对于高温烟气模拟结果较为一致；但因低架源、低温烟气不利于扩散，因SCREEN3模式内置气象条件为13组风速和6组稳定度组合而成的54组气象条件情景，环境温度仅为当地的年均温度，而AERSCREEN气象调节组合为300～400组，并且环境温度为当地最低气温至最高气温之间的变量，故从测算结果看，AERSCREEN模型更能捕捉最不利的气象条件及浓度结果，可以更好地反映出项目的实际情况。

3.2 农村、城市选项废气扩散规律对比分析

3.2.1 污染源参数

如前文所述，案例设置不考虑具体污染物名称。农村、城市选项废气扩散规律对比分析研究案例情景见表5，案例测算主要对比不同高度排放、不同温度污染物在模型中城市、农村选项的测算结果，相关参数除城市、农村选项不一致外，其余均与表3一致。

表5 污染源强参数

3.2.3 结果与讨论

按表5案例情景，采用AERSCREEN、SCREEN3估算，最大落地浓度分析对比结果见表6，下风向轴线浓度分析见图2、图3。

表6 城市、农村选项测算结果对比

图2 高源AEESCREEN、SCREEN3不同温度、农村、城市情形下风向浓度对比

图3 低源AEESCREEN、SCREEN3不同温度、农村、城市情形下风向浓度对比

在城市、农村两种不同的气象场：

(1)最大落地浓度：①对于高温烟气，AERSCREEN模型、城市、农村选项预测结果无差异；SCREEN3模型结果，高源情况下，城市选项预测结果低于农村，低源情况则相反。②低温烟气，AERSCREEN模型、高源，城市选预测结果小于农村选项，低源则相反；SCREEN3模型，高源，城市选项预测结果小于农村选项，低源则相反。

(2)下风向轴线浓度扩散：①两种估算模式下，下风向预测浓度的表现趋势一致，均表现为先增后降，随着距离增大，两模型估算浓度越来越接近；②对于低源、高温烟气，SCREEN3模式估算结果高于AERSCREEN模式，且SCREEN3估算结果显示，城市情形下烟气污染更严重；③低源、低温条件下，两者模式计算结果显示，扩散规律一致，城市情形条件下，烟气更不利于扩散，最大落地浓度也较农村条件下更大，且扩散距离小。

估算结果表明，低温不利于烟气扩散，两模型均显示，高源农村地区扩散条件差，低源情况下，城市条件扩散差。即对于低源、低温的排放的污染物，城市选项预测的结果更大。根据两个案例对比，预测最大浓度的差异主要由于模型间差异造成的，如前文所述，AERSCREEN模型更能捕捉最不利的气象条件及浓度结果，可以更好地反映出项目的实际情况。

4 结论及建议

(1)针对低、中、高架点源的估算，AERSCREEN估算模式的计算结果较SCREEN3估算模式的计算结果大，低温烟气差异更大，即AERSCEEN结果属于最保守的预测结果；低温、低源状况下，两模式估算结果显示，城市区域更不利烟气扩散。AERSCREEN可更好地反映项目的实际情况。因SCREEN3估算模式的浓度结果存在比较精算模型AERMOD的浓度结果低的问题[4]，AERSCREEN模型内嵌了AERMOD，利用该模式进行大气评价等级估算，可进一步解决上述问题。

(2)利用AERSCREEN进行大气环境影响评价中，应重点关注低矮点源的估算结果，综合考虑模型内嵌地形参数、地表参数、烟气温度、环境温度等的影响，科学确定评价等级。