逐时变化源强在大气扩散模型AERMOD中的应用

＊程吉 吴成志 张怡悦

（三捷环境工程咨询（杭州）有限公司 浙江 310012）

1.前言

堆场作业起尘是各类建设项目中常见的一类无组织粉尘排放源，广泛存在于码头、火电、矿山等项目中，也是此类项目在大气环境影响评价过程中重点关注的污染物排放源之一。一般而言，堆场的扬尘排放源强与风速密切相关，同时也与堆场防尘措施有关[1]。当风速较大时，堆场扬尘源强排放量较大；当风速较小时，扬尘排放量相应会变小[2]。

通过利用扩散模型对堆场作业扬尘排放的污染物在大气中的扩散进行模拟，可以评估扬尘源对空气中颗粒物浓度分布的影响。AERMOD模型是《环境影响评价技术导则-大气环境》（HJ 2.2）中的推荐模型，已经在我国的大气环境影响评价及研究中广泛应用[3-5]，包括烟囱高度合理性论证、二噁英扩散迁移、土壤沉积影响、火电超低排放影响、大气环境防护距离等[6-13]。在项目的大气环境影响预测实践中，通常使用稳定工况下的平均源强。但是，对于堆场源而言，平均源强无法反映出此类源的源强随着外界环境风速的变化而变化的特点。本文尝试了一种逐时变化源强的设置方式，通过基准年逐时风速计算每小时变化的堆场源强，并采用AERMOD进行扩散模拟计算，评估该种处理方式与平均源强处理方式的结果差异。

2.研究方法与数据

(1)源强数据及处理

某拟建矿石中转码头项目，吞吐量为3000万吨/年铁矿石，其中进港1500万吨/年，中转出港1500万吨/年，码头后方包含一个矿石散货堆场，共设置4台堆取料机，每台堆取料机最大操作能力为7000t/h，项目主要排放污染物为堆取料过程排放的总悬浮颗粒物（TSP），且经实验得到堆场作业扬尘的粒度分布中粒径小于100μm的质量百分数为9.6%，拟采用AERMOD模型模拟堆场扬尘对周边大气环境的影响。

根据《港口建设项目环境影响评价规范》（JTS105-1-2011)，煤炭、矿石装卸作业起尘量可按下式计算：

式中，Q—作业起尘量，kg；α—货物类型起尘调节系数；β—作业方式系数，装（卸）船时取1，取料时取2；H—作业落差，m；ω2—水分作用系数，与散货性质有关，取0.40～0.45；ω0—水分作用效果的临界值，即含水率高于此值时水分作用效果增加不明显，与散货性质有关，矿石取5%；ω—含水率，%；Y—作业量，t；v2—作业起尘量达到最大起尘量50%时的风速，m/s；一般散货取16m/s；U—风速，m/s。

本项目在计算起尘量时，货物类型起尘调节系数按照JTS105-1-2011中表4.3.3的矿粉类取1.6；作业方式系数按取料时取2，作业落差取1m，水分作用系数取0.45，含水率取6.5%，风速分别采用基准年当地气象站平均风速和基准年当地气象站逐时风速进行起尘量计算。

①采用年平均风速进行源强计算

项目所在地气象站基准年全年平均风速为5.14m/s，考虑到采用防风抑尘网对风速的影响以及多堆修正，修正后的风速为3.2m/s。单台取料机按7000t/h作业能力计算，则根据公式（1）计可以得到堆场源的起尘量，再考虑到起尘中TSP的质量分数，得到单台取料机排放TSP的源强为42.9kg/h。正常操作条件下同时两台取料机运行，则最大小时排放速率为85.8kg/h。年取料量按1500万吨/年计，则TSP年排放量为91.94t/a。

②采用逐时风速进行逐时源强计算

采用项目所在地气象站基准年逐时风速进行源强计算，基准年逐时风速最小为0.40m/s，最大为13.8m/s。经过防风抑尘网对风速的削减以及多堆修正后，最小风速为0.25m/s，最大风速为8.60m/s。单台取料机按7000t/h作业能力计算，根据公式（1）及起尘中的粒度分布，计算得到最小风速和最大风速对应的单台取料机排放TSP源强分别为20.92kg/h和148.7kg/h，不同风速下的取料机TSP排放速率见表1。年取料量按1500万吨/年计，由于无法确定1500万吨取料量实际取料时段分布情况，将取料时段在全年8760个小时平均分布进行逐时计算，计算得到TSP年排放量为98.61t/a。

表1 不同风速下取料机TSP排放源强

根据以上计算可知，从短期排放速率来看，采用逐时风速的方式进行源强计算，最小风速下的小时排放速率为采用年平均风速的排放速率的48.8%；最大风速下的排放速率为年平均风速的排放速率的346.6%。从长期排放量来看，采用逐时风速计算的年排放量为采用年平均风速计算的年排放量的107.2%。说明这两种方法计算出的长期排放量相差不大，但在表征短期排放速率时会有较大差异。

图1 不同风速下对应取料机颗粒物排放速率

(2)模拟方法及情景设置

本研究采用AERMOD模型对上述堆场起尘源进行了基准年全年的扩散模拟，模型参数设置如下：堆场采用面源方式，堆场面源的长宽为1100m×400m，面源排放高度取堆场防风网高度18m。在堆场厂界外10km×10km范围内设置网格间距为100m的受体点和若干敏感点，考虑实际地形，地面气象数据采用项目所在地气象站基准年的气象数据。

本研究共设置2个情景：情景1的源强采用年平均风速计算得到的堆场作业起尘TSP排放源强，针对全年各小时的风速，堆场面源的排放速率均为同一个速率；情景2的源强采用逐时风速计算得到的堆场作业起尘TSP排放逐时变化源强，通过编辑小时变化排放速率文件输入AERMOD模型，使基准年每个小时的风速均有对应风速下的排放速率，各小时排放速率汇总见图2。

图2 全年逐时变化排放速率分布

3.模型预测结果分析

(1)全年时段结果对比

分别采用AERMOD对两种情景进行基准年全年的模拟，并对结果进行差异性分析对比，如表2和表3所示。其中差值=逐时变化源强结果-年平均风速源强结果，负值代表逐时变化源强结果小于年平均风速源强结果；差值百分比=差值/年平均风速源强结果，代表差值与年平均风速源强预测结果的比例关系。

表2和表3的预测结果表明，各敏感点最大日均浓度采用逐时变化源强预测的结果比采用年平均风速源强预测结果偏小42.89%～51.21%，网格点最大值的最大日均浓度采用逐时变化源强预测的结果比采用年平均风速源强预测结果偏小26.14%；各敏感点年均浓度采用逐时变化源强预测的结果比采用年平均风速源强预测结果偏小16.98%～36.27%，网格点最大值的年均浓度采用逐时变化源强预测的结果比采用年平均风速源强预测结果偏小7.75%。

表2 最大日均浓度预测结果（µg/m3）

表3 年均浓度预测结果（µg/m3）

(2)典型日结果对比(风速大、风速小)

为了探究在风速大于年平均风速及风速小于年平均风速的情况下，采用以上两种方法对扬尘源的模拟结果的影响，本研究分别在基准年中选取了风速大于年平均风速的一天（7月23日）和风速小于年平均风速的一天（7月29日）作为典型日，模拟用不同计算方法得到的源强在典型日对周边环境影响，模拟结果见表4和表5。结果表明：在风速大于年平均风速的情况下，各敏感点日均浓度结果中，采用逐时变化源强预测的结果比采用年平均风速源强预测的结果大68.42%～88.89%，预测结果的最大日均浓度结果中，采用逐时变化源强预测的结果比采用年平均风速源强预测的结果大23.28%；在风速小于年平均风速的情况下，各敏感点日均浓度结果中，采用逐时变化源强预测的结果比采用年平均风速源强预测的结果小47.09%～50.97%，预测结果的最大日均浓度结果中，采用逐时变化源强预测的结果比采用年平均风速源强预测的结果小40.97%。

表4 典型日（风速大于年均值）平均浓度预测结果（µg/m3）

表5 典型日（风速小于年均值）平均浓度预测结果（µg/m3）

这主要是因为，在一般情况下，风速较大时有利于大气污染物扩散，风速较小则不利于大气污染物扩散。采用年平均风速源强时，全年所有风速对应同一个风速计算出的源强，当实际风速低于用于计算源强的风速时，模型预测用的源强大于实际起尘量，则采用年平均风速源强预测的结果将比实际影响更大；当实际风速高于用于计算源强的风速时，模型预测用的源强小于实际起尘量，则采用年平均风速源强预测的结果将比实际影响偏小。而采用逐时风速计算的源强时，由于预测用的源强是随风速而变化的，风速小时源强小，风速大时源强大，可动态反应实际堆场起尘量随风速的变化，如表6所示。

表6 不同计算方法下预测结果分析汇总

4.结论

本研究采用年平均风速和逐时变化风速两种不同方法对堆场的作业起尘排放源强进行了计算，采用逐时变化风速计算的小时排放速率为采用年平均风速计算的小时排放速率的48.8%～346.6%，但采用逐时变化风速计算的年排放量为采用年平均风速计算的年排放量的107.2%。两种方法计算的源强，短期速率相差较大，而长期排放量差异较小。

用AERMOD大气质量模型对两种计算方法下的源强进行模拟，预测结果表明，两种情景下，不论是全年最大日均浓度还是年均浓度差，采用逐时变化风速计算源强预测的结果均显著小于采用年平均风速源强进行预测的结果；典型日分析表明，当风速大于年均风速时，采用逐时变化风速计算源强预测的结果比采用年平均风速源强预测的结果大；当风速小于年均风速时，采用逐时变化风速计算源强预测的结果比采用年平均风速源强预测的结果小。