Aermod模型在港口大气颗粒物污染预测中的应用

谢 蓉, 韩旭东

(中海环境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

随着《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ 2.2—2018)的制定和实施，Aermod棋型作为环境影响评价过程中对大气环境进行一级评价和二级评价的推荐模型，适于对大气污染物污染程度和污染范围进行定量评估和预测分析。Aermod模型主要基于地面气象站提供的整年逐小时的气象参数、高空探测气象参数、地形数据及污染物源强数据等,模拟点源、面源、线源和体源的污染物浓度分布范围及其对周边敏感点的影响程度，适用于局地空间尺度(小于等于50 km)复杂或简单地形下的模拟分析。本文以湖北黄石港棋盘洲作业区的颗粒物污染为研究对象，选取项目附近地面气象站的气象数据、邻近的高空探测数据和作业区货物吞吐量的预测结果为基础数据，利用Aermod模型对颗粒物的浓度分布进行定量预测和评估分析，为港口大气污染治理政策的制定提供理论依据和指导方向。

1 Aermod模型

1.1 模型概述

Aermod模型是由美国气象协会和美国环保署联合开发的大气模拟预测法规模式，参照HJ 2.2—2018的技术要求，以美国环境保护局(Environmental Protection Agency，EPA)发布的模型Aerscreen、Aermet和Aermod为模型内核，具有气象数据插值、气象数据统计分析、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)地图交互式操作、三维动画显示和远程批处理等功能，兼容全球的气象和地形数据处理，结果可直接导入Excel报告。该模型是HJ 2.2—2018推荐的模型之一。

Aermod模型是一种稳态的高斯烟羽模型，其假设:在稳定的边界层内，污染物在垂直方向和水平方向上的分布都遵循标准的高斯分布；在对流层内，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双高斯概率密度函数分布。整个大气模型系统包含大气环境评价所需的所有模式和分析处理工具，包括Aerscreen估算模式模块、大气环境防护距离模块、气象数据预处理模块、核心计算Aermod模式模块、气象数据统计分析超标分析模块和数据图形专业化处理模块。该模型既可应用于多个、多种排放源(包括点源、面源和体源)的模拟和预测中，又可应用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等多种排放扩散情形下的模拟和预测中[1]。

1.2 模型运行参数

模型运行参数主要包括污染源数据、地形数据(复杂、简单)和气象数据(地面数据、高空探测数据)等3种，通过对原始数据进行处理和格式调整，可制作出符合Aermod模型运行需求的数据格式，进而作下一步的运算处理。以面源为例：

1) 污染源参数包括面源的面积、排放率、排放高度、角度和方向等；

2) 气象参数包括边界层参数(如风速、风向、温度、总云量和低云量等)和高空探测数据(如气压、离地高度和干球温度等)；

3) 地形参数一般表现为项目所在地附近的地形起伏特征，通过不同地理位置的高程数据体现，同时可根据项目所在地附近的土地利用类型进行划分，分别对应不同的参数选择进行简化处理。

1.3 输出结果

考虑到气象数据是整年逐小时的数据，在进行模型输出时，既可选择性地输出年均气象条件下的污染物浓度分布特征，又可输出日均气象条件和小时气象条件下的污染物浓度分布情况；在输出污染物浓度分布结果时，既可考虑最大落地浓度的分布情况(对应的是所有网格点的最大落地浓度，这是最不利的情况)，又可选择某个网格点的最大落地浓度对应的典型日/小时的气象数据，污染物分布会明显反映出气象数据的分布规律，直观地表现出气象条件对污染物扩散的影响。由此，根据预测结果绘制出评价范围内的污染物浓度分布图，并考虑评价范围内敏感点的浓度值和达标情况，若出现超标情况，需计算出超标倍数，绘制出超标区域，以对需采取的防尘抑尘措施提出有针对性的整改方向。

2 Aermod模型在港口大气环境影响预测中的应用

2.1 项目简介

黄石港是国家一类开放口岸和全国内河主要港口之一，位于湖北省黄石市，其中棋盘洲港区是黄石港重点发展的港区，由棋盘洲作业区和火山作业区组成。棋盘洲作业区位于苇源河口至李家下洲，以矿建材料、金属矿石、煤炭和非金属矿石等大宗散货，以及件杂货、集装箱装运输为主，同时为建设黄石沿江经济走廊、棋盘洲物流园区、西塞山电厂和承接从城区转移出来的散货装卸提供服务。本文以棋盘洲作业区为研究对象，由于该作业区内的煤炭、金属矿石、矿建材料和非金属矿石等均能产生粉尘污染，其源强与装卸、储存、转运方式和气象条件等因素密切相关，因此选取颗粒物污染(TSP、PM10和PM2.5)作为评价因子。

2.2 大气污染源分析方法和源强

2.2.1 粉尘污染分析方法

粉尘主要来源于煤炭、矿石等，主要起尘点是货物装卸、运输和堆放的场所，起尘量与风速、含水率和货物物料的粒径等有关。结合棋盘洲作业区的货物吞吐量估算粉尘产生量，鉴于存在较多的不确定因素，估算高、低2种方案，其中：高方案为无任何防尘措施时的起尘量；低方案为采取综合防尘措施之后的起尘量。

1) 由于目前对静态堆场粉尘起尘量的研究较少，本文中的静态堆场粉尘起尘量的计算式及其参数选用修正后的秦皇岛装卸、堆放货物的起尘和扩散规律的研究成果。

Q1=α·(vi-v0)2.56·e-0.47W·fi

(1)

2) 动态(装卸作业)粉尘起尘量根据《港口建设项目环境影响评价规范》(JTS 105-1—2011)[2]推荐的计算式测算，有

Q2=αβHew2(w0-w)Y/[1+e0.25(v2-U)]

(2)

式(2)中：α为货物类型起尘调节系数，见表1；β为作业方式系数，装堆(船)时β=1，取料时β=2；H为作业落差，m；U为风速，多堆堆场的表面风速取单堆堆场的89%，m/s；Q2为作业起尘量，kg；w2为水分作用系数，与散货性质有关，取0.40～0.45；w0为水分作用效果的临界值，含水率高于该值时水分作用增大不明显，与散货性质有关，煤炭的w0值取7%，矿石的w0值取5%；w为含水率,%；Y为作业量,t；v2为作业起尘量达到最大起尘量50%时的风速，与粒径分布和颗粒物密度有关，一般散货取16 m/s。

表1 货物类型起尘调节系数

2.2.2 污染物源强

棋盘洲作业区2020年大气污染物源强预测见表2。

表2 棋盘洲作业区2020年大气污染物源强预测单位：t/a

作业区名称TSPPM10PM2.5无抑尘措施综合抑尘措施无抑尘措施综合抑尘措施无抑尘措施综合抑尘措施棋盘洲作业区21.55 5.95 10.77 2.97 7.372.11注:无抑尘措施的工况为未采取洒水、防风网等环保设施;综合抑尘措施的工况为通过洒水提高货物含水率,并设置防风网等除尘设施

2.3 气象数据

气象数据参照棋盘洲作业区附近的蕲春站2016年的气象信息资料。根据收集到的气象资料：全年月平均气温最高出现在8月份，最低出现在1月份；月均风速最大值为1.8 m/s，出现在5月份和7月份；月均风速最小值为1.1 m/s，出现在12月份；主导风向为东南偏东至东南偏南，频率为33.3%。

2.4 预测方案

2.4.1 预测模式

预测模式选用HJ 2.2—2018中推荐的Aermod模式。

2.4.2 预测内容

1) 根据黄石港棋盘洲作业区的实际情况进行预测，预测污染物包括TSP、PM10和PM2.5；

2) 预测年份为2020年；

3) 项目所在区域地形复杂，考虑复杂地形，对污染物扩散情况进行预测分析；

4) 主要预测TSP、PM10和PM2.5的年均和日均最大落地浓度贡献值及其分布，评估超标区域内敏感点分布情况。

2.5 预测结果

在无抑尘措施工况下，棋盘洲作业区TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地浓度均超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)表1和表2中的二级标准限值(TSP、PM10和PM2.5的浓度标准值分别为300 μg/m3、150 μg/m3和75 μg/m3，最大占标率分别为396.32%、396.32%和634.05%)；TSP、PM10和PM2.5的年均最大落地浓度均超过评价标准(TSP、PM10和PM2.5的浓度标准值分别为200 μg/m3、70 μg/m3和35 μg/m3，最大占标率分别为141.53%、202.17%和323.46%)。

采取综合抑尘措施之后，棋盘洲作业区TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地浓度均超过评价标准(TSP、PM10和PM2.5的最大占标率分别为118.63%、118.63%和189.80%)，超标区域在作业区范围内；TSP、PM10和PM2.5的年均最大落地浓度均达到评价标准;TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地浓度和年均最大落地浓度在厂界处均达到评价标准。具体情况见表3和图1～图12。

表3 棋盘作业区TSP、PM10和PM2.5日均最大落地浓度和平均最大落地浓度预测情况

图1 2020年棋盘洲作业区无抑尘措施时PM2.5年均最大落地浓度分布预测结果图2 2020年棋盘洲作业区采取综合抑尘措施后PM2.5年均最大落地浓度分布预测结果

图3 2020年棋盘洲作业区无抑尘措施时PM10年均最大落地浓度分布预测结果图4 2020年棋盘洲作业区采取综合抑尘措施后PM10年均最大落地浓度分布预测结果

图5 2020年棋盘洲作业区无抑尘措施时TSP年均最大落地浓度分布预测结果 图6 2020年棋盘洲作业区采取综合抑尘措施后TSP年均最大落地浓度分布预测结果

图7 2020年棋盘洲作业区无抑尘措施时PM2.5日均最大落地浓度分布预测结果 图8 2020年棋盘洲作业区采取综合抑尘措施后PM2.5日均最大落地浓度分布预测结果

图9 2020年棋盘洲作业区无抑尘措施时PM10日均最大落地浓度分布预测结果 图10 2020年棋盘洲作业区采取综合抑尘措施后PM10日均最大落地浓度分布预测结果

图11 2020年棋盘洲作业区无抑尘措施时TSP日均最大落地浓度分布预测结果 图12 2020年棋盘洲作业区采取综合抑尘措施后TSP日均最大落地浓度分布预测结果

3 结 语

由Aermod模型预测的结果可知:在无抑尘措施工况下，棋盘洲作业区TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地浓度均超过GB 3095—2012的日均二级标准，TSP、PM10和PM2.5的年均最大落地浓度均超过相应的年均二级标准；采取综合抑尘措施之后，棋盘洲作业区TSP、PM10和PM2.5的日均最大落地浓度和年均最大落地浓度明显降低，且在厂界处均达标。由此可知，在港口货物吞吐期间采取综合抑尘措施(提高含水率、防风网等)可有效降低颗粒物浓度，保证厂界处的污染物浓度达到相应的环境空气质量标准。

总体上看，在棋盘洲作业区对煤炭、矿石等大宗散货进行装卸和堆场堆存过程中采取降尘抑尘措施是非常有必要的，能有效降低起尘量，尽量将不利影响控制在厂界范围内，保证作业区周边敏感点不受影响。同时，对粉尘治理的关键环节是抑尘，在未产生粉尘之前采取有效的防范措施[3]，如在装卸过程采取全过程抑尘措施，在堆场堆存过程中采用密封筒仓等方式减少粉尘排放，可确保区域环境的空气质量满足环境功能区的要求。