新一代大气污染估算模式AERSCREEN对比分析研究.pdf

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新一代大气污染估算模式 AERSCREEN 对比分析研究 * 伯鑫 1 傅银银 2 丁峰 3 刘梦 4 徐楠 5 刘加刚 1 1. 北京京诚嘉宇环境科技有限公司,北京 100053;2. 智联绿洲科技发展 北京 有限公司,北京 100125; 3. 环境保护部环境工程评估中心,北京 100012;4. 久泰能源 北京 有限公司,北京 100032; 5. 北京交运通达环境科技发展有限公司,北京 100013 摘要 HJ 2. 22008 环境影响评价技术导则 大气环境 规定大气环评工作采用估算模式 SCREEN3 来确定评价等 级, 而进一 步 预 测 模 式 AERMOD 的 实 际 预 测 结 果 与 SCREEN3 的 估 算 结 果 并 不 完 全 一 致。新 一 代 估 算 模 式 AERSCREEN 耦合了 AERMOD 的相关内核 AERMOD、 AERMAP、 BPIPPRM , 能快速计算污染源在最不利的气象条件 下的浓度结果。为了解不同估算模式的差异, 采用平坦地形、 不同下垫面、 不同污染源参数条件下的案例, 对比估算模 式 AERSCREEN 与 SCREEN3 的计算结果, 并分析估算模式与 AERMOD 预测结果的一致性。 关键词 估算模式;AERSCREEN;空气污染;模型分析 COMPARISON AND ANALYSIS OF THE NEW GENERATION ESTIMATION MODEL AERSCREEN Bo Xin1Fu Yinyin2Ding Feng3Liu Meng4Xu Nan5Liu Jiagang1 1. CERI Eco Technology Co. , Ltd,Beijing 100053,China;2. Oasis Science and Technology Development Beijing Co. , Ltd,Beijing 100125,China;3. Appraisal Center for Environment & Engineering,Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012,China;4. Jiutai Energy Co. ,Ltd,Beijing 100032,China;5. Jiaoyun Tongda Environment Technology Development Co. ,Ltd,Beijing 100013,China AbstractAccording to“Guidelines for Environmental Impact Assessment-Atmospheric Environment” HJ2. 22008 ,the first step of atmospheric EIA is to determine the working grade of atmospheric EIA by a screening model. However,the results of the prediction model AERMOD were not consistent with the results of the previous screening model of SCREEN3 due to the differences in the data processing and degrees of complexity of applied diffusion theory.Including the relevant kernel of AERMOD,AERMAP,BPIPPR in AERMOD modeling system,the new generation estimation model AERSCREEN has the ability to predict the concentration results under the undesirable meteorological conditions quickly.To investigate the perance of different screening models,a comparison of the results by AERMOD,AERSCREEN and SCREEN3 of several scenarios of various underlying surfaces and source parameters has been conducted for the flat terrain. Keywordsestimation model;AERSCREEN;model analysis;air pollution * 国家科技支撑计划课题 2008BAI62B05 。 0引言 HJ 2. 22008环境影响评价技术导则 大气环 境 规定了大气环境影响评价等级的确定方法为采 用估算模式 SCREEN3 计算, 根据污染物的最大地面 浓度占标率等估算结果, 按评价工作分级判据进行分 级并确定评价范围 [1]。此外, 作为 HJ 2. 22008 中 推荐的进一步预测模式 AERMOD 在国内外得到了广 泛的应用, 并开展了大量的研究工作。但由于进一步 预测模式 AERMOD 与估算模式 SCREEN3 在气象数 据处理、 地形地表参数的取值及扩散理论方面有一定 差别, AERMOD 的实际预测结果与 SCREEN3 估算结 果并不完全一致 [2- 8]。 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 作为美国空 17 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 气质量模型的估算模式, 该模式耦合了 AERMOD 的 相关内核 AERMOD、 AERMAP、 BPIPPRM [9- 13], 能快 速计算并捕捉到最不利的气象条件及浓度结果。 该文介绍了 AERSCREEN 的特点, 分析了新老估 算模式的差异, 通过在平坦地形、 不同下垫面、 不同污 染源参数条件下的案例设计, 对比 AERSCREEN 与 SCREEN3 估算模式的计算结果, 分析估 算 模 式与 AERMOD 预测结果的相符性, 并提出了模型应用的 建议。 1大气估算模式 AERSCREEN 1. 1AERSCREEN 模式系统 AERSCREEN 是基于美国环保局空气质量预测 模 型 AERMOD 的 空 气 质 量 估 算 模 型。 由 于 AERSCREEN 估 算 浓 度 扩 散 的 程 序 采 用 的 是 AERMOD 内核 [14], 所估算的结果更符合 AERMOD 预 测结果, 可用于预测工作前期的等级估算和范围确定 等工作 [15- 18]。 图 1 AERCSREEN 估算模式框架 AERSCREEN 模 型 主 要 包 括 两 部 分1 MAKEMET 程序, 生成输入到 AERMOD 模型的不利 气象条件组合文件。2 AERSCREEN 命令提示符界 面程 序。 其 中 AERSCREEN 界 面 程 序 不 仅 调 用 MAKEMET 程序生成不利气象条件组合文件, 还可调 用 AERMOD 模式中的 AERMAP 程序 处理地形 、 BPIPPRM 程 序 处 理 建 筑 物 下 洗 ,通 过 调 用 AERMOD 模型的筛选选项, 结合 MAKEMET 程序生 成不利气象条件组合文件来计算最不利气象条件下 的污染物浓度, 见图 1。AERSCREEN 模型可计算最 不利气象条件下的平均时间浓度 1 h 平均、 3 h 平 均、 8 h 平均、 日平均以及年平均 。AERSCREEN 程 序目前仅限于模拟单个点源、 矩形面源、 圆形面源、 火 炬源、 体源等。 1. 2MAKEMET 程序系统 MAKEMET 程序采取了 AERMOD 的气象预处理 内核 AERMET 的相关边界层公式, 根据地表参数、 环 境温度、 最小风速等信息, 生成估算所需的不利条件 气象条件组合。采用 AERMET 子程序来生成不利气 象条件, 每个不利气象条件组合包括摩擦速度 u* , 莫宁 - 奥布霍夫长度 L 、 机械混合层高度 Zim 、 对 流混合层高度 Zic 根据对流速度 w* 生成 。 稳定的情况下, 机械混合层高度 Zim 是通过摩 擦速度 u* 计算得出的, Zim 相关参数 u* 乘以初始 计算值 用于机械混合层高度 Zim 的平滑校正, 以 此产生不利气象条件组合。MAKEMET 最终生成的 地面气象数据和高空气象数据也能被 AERMOD 读取 运行。 1. 3AERSCREEN 与 SCREEN3 对比分析 HJ2. 22008 推荐的估算模式 SCREEN3 由美国 环境保护局于 20 世纪 90 年代发布, 该模式采用了单 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, 该模式嵌入了所有可 能发生的气象条件组合, 可模拟点源、 面源、 体源、 火 炬源在不同组合气象条件下, 下风向轴线上的地面环 境空气质量浓度 [19- 20]。 新一代估算模式 AERSCREEN 与 SCREEN3 的三 大重要区别 1 建筑物下洗处理方式不同, AERSCREEN 充分 利 用 了 PRIME 算 法 Schulman 2000 的 优 点, AERSCREEN 调 用 BPIPPRM 程 序 来 输 出 AERMOD 筛选模式运行所需的建筑物下洗数据。而 SCREEN3 采用的算法为大气回流空腔公式 Hosker 1984 和 ISC 模式建筑下洗算法。 2 气象参数处理方式不同, AERSCREEN 提供 3 个气象筛选选项 ①用户自定义正午反照率、 伯恩比、 地表粗糙度; ②通过不同季节、 不同土地利用类型来 生成地表参数; ③可使用 AERSURFACE 的输出文件 或 AERMET 第 3 阶段的输入文件, 来生成地表参数。 AERSCREEN 可自定义当地最低和最高环境温度 计 算中 温 度 为 最 低 至 最 高 温 度 之 间 的 变 量 。 而 SCREEN3 仅利用内置的 54 种气象组合, 无法定义地 表参数, 环境温度仅定义为当地的年平均温度, 生成 的不利气象条件代表性较差。 3 地形处理方式不同, AERSCREEN 具有复杂地 形和平坦地形运行的两种选项, 可调用 AERMAP 来 27 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 处理 复 杂 地 形 高 程 文 件 DEM 或 NED ,生 成 AERMOD 筛选选项所需要的文件。而 SCREEN3 无 法利用 DEM 或 NED 文件, 需手动输入各坐标点的高 程, 处理复杂地形案例较差。 2典型案例设置 2. 1污染源参数 设置的 4 种代表性的污染源排放情景见表 1, 因 为排放的源强与污染物落地浓度成正比, 不考虑扩散 过程的衰减时, 源强参数只是一个相对量, 因此笔者 不考虑具体的污染物名称, 研究分析计算结果时, 只 需要关注落地浓度的相对大小。 表 1源强排放参数 案例源类型 排放源强 / g. s - 1 烟囱高 / m 烟囱内 径 /m 出口烟 气温度 / ℃ 烟气出口 速度 / ms - 1 1高架源- 110024010. 612025 2高架源- 210012010. 412014 3中架源100802. 212014 4低架源100151. 61203 2. 2气象参数选取 考虑到 SCREEN3、 AERSCREEN 估算模式运行 有农村和城市两种选择方式, 预测模式 AERMOD 分 别采用农村和城市两种气象条件进行计算分析。 其中典型农村气象场采用国内某平原农村地区 2008 年全年逐日逐次地面气象观测数据。全年年均 风速为 2. 6 m/s, 最大风速达 13. 9 m/s, 静风频率 风 速 < 0. 5 m/s 为 0. 8 。预测中所需高空数据采用 中尺度大气数值模式 MM5 模拟生成对应逐日 2 次模 拟探空数据。 典型城市气象场采用国内某平原城市地区 2007 年全年逐日逐次地面气象观测数据。全年年均风速 为 2. 3 m/s, 最大风速达 10. 6 m/s, 静风频率 风速 < 0. 5 m/s 为 3. 5 。预测中所需高空数据采用中 尺度数值模式 MM5 模拟生成对应逐日 2 次模拟探空 数据。 由于 SCREEN3、 AERSCREEN 模拟污染源的浓 度均分布在下风向轴线上, 为更好的分析新老估算模 式与 AERMOD 预测结果的吻合性, 案例中的气象场 风向均设定为一个风向 风向统一为西风 。风速采 用案例当地的实际风速。 2. 3模式系统参数及地表参数 AERMOD 预测中的有关参数进行保守选取, 即 不考虑化学转化、 扩散过程的衰减、 干湿沉降、 建筑物 下洗等影响。详细参数见表 2。 表 2AERMOD、 AERSCREEN 模式地表参数 季节 农村城市 Albedo Bowen Ratio Surface Roughness Albedo Bowen Ratio Surface Roughness 冬季 12, 1, 2 月0. 61. 50. 010. 351. 5 1 春季 3, 4, 5 月0. 140. 30. 030. 14 11 夏季 6, 7, 8 月0. 20. 50. 20. 16 21 秋季 9, 10, 11 月 0. 180. 70. 050. 1821 估算模式 AERSCREEN 进行保守选取, 运行不考 虑建筑物下洗、 熏烟等情况, 环境温度参数根据要求 输入当地气象场资料的最高温度和最低温度, 地表参 数与 AERMOD 相同, 见表 2。 估算模式 SCREEN3 进行保守选取, 运行不考虑 建筑物下洗、 熏烟等情况, 环境温度采用当地气象场 资料的年平均温度。 2. 4预测点位及输出 估算模式 SCREEN3、 AERSCREEN 模拟污染源 下风向轴线上 25 km 范围内地面小时污染物质量浓 度。预测模式 AERMOD 模拟污染源下风向轴线上 风向统一为西风 25 km 范围内地面小时污染物质 量浓度, 间距设置为 100 m。 3结果分析 3. 1地面最大浓度分析 分别采用 AERSCREEN、 SCREEN3、 AERMOD 模 式计算不同设计案例在农村、 城市地区的地面最大浓 度, 对比结果见表 3、 表 4。 表 3典型农村案例结果 情景设置模式 最大浓度 / μg m - 3 最大浓度 距离 /m 温度 / ℃ 风速 / m s - 1 15mSCREEN3 AERSCREEN AERMOD 3 418 6 475 4 549 194 125 200 14 7 3. 4 10. 0 7. 0 6. 3 80mSCREEN3 AERSCREEN AERMOD 235 532 199 1 025 1 250 1 265 14 12 27. 6 1. 0 0. 5 0. 7 120mSCREEN3 AERSCREEN AERMOD 38 77 34 1 338 2 950 2 530 14 12 14. 7 2. 5 0. 5 1. 0 240mSCREEN3 AERSCREEN AERMOD 23 47 16 1 481 3 950 4 686 14 12 20. 3 3. 0 0. 5 0. 8 对于农村气象场和城市气象场 15 m 高的低架 源, AERMOD 和 AERSCREEN 的 最 大 浓 度 均 大 于 SCREEN3, 且 AERSCREEN 估 算 的 最 大 浓 度 大 于 AERMOD 的预测浓度, 说明在此情景下, 估算模式 SCREEN3 未能捕捉 AERMOD 最不利的气象条件及 浓度结果, 而估算模式 AERSCREEN 的结果为最保守 37 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 表 4典型城市案例结果 情景设置模式 最大浓度 / μg m - 3 最大浓度 距离 /m 温度 / ℃ 风速 / m s - 1 15mSCREEN3 AERSCREEN AERMOD 5 023 7 630 7 454 70 75 50 6. 8 32 3. 4 10. 0 5. 0 7. 7 80mSCREEN3 AERSCREEN AERMOD 204 276 128 3 315 1 400 400 6. 8 4 28 1. 0 0. 5 3. 0 120mSCREEN3 AERSCREEN AERMOD 45 46 27 10 873 3 750 2 000 6. 8 4 15 1. 0 0. 5 0. 5 240mSCREEN3 AERSCREEN AERMOD 16 25 14 24 013 2 625 2 786 6. 8 32 20 1. 0 0. 5 0. 8 的预测结果。 对于农村气象场和城市气象场中架源和高架源, SCREEN3 和 AERSCREEN 的 最 大 浓 度 均 大 于 AERMOD, 且 AERSCREEN 估算的结果最大, 说明估算 模式 AERSCREEN 计算结果属于最保守的预测结果。 3. 2下风向轴线浓度分析 从图 2图 9 不同案例下风向浓度趋势图可以 看出 SCREEN3 和 AERSCREEN 模拟农村和城市案 例 15, 80 m 高度源强的污染浓度趋势均与 AERMOD 模拟结果的趋势较为一致, 但其他高度情况下, 趋势 存在较大偏差。SCREEN3 未能捕捉农村案例 15 m 低架源的最大影响浓度, AERSCREEN 估算农村和城 市案例的最大浓度发生位置与 AERMOD 预测的位置 结果较为接近。 总 体 而 言,虽 然 城 市 和 农 村 趋 势 图 显 示 SCREEN3 比 AERSCREEN 更接近 AERMOD 的结果, 但 AERSCREEN 在轴线的不同距离上估算浓度基本 大于 AERMOD, 而 SCREEN3 在某些距离内出现了估 算浓度小于 AERMOD 情况, SCREEN3 未能捕捉到某 些距离内的最不利气象条件。 图 2典型农村案例 15 m 源强对比结果 图 3典型农村案例 80 m 源强对比结果 图 4典型农村案例 120 m 源强对比结果 47 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 图 5典型农村案例 240 m 源强对比结果 图 6典型城市案例 15 m 源强对比结果 图 7典型城市案例 80 m 源强对比结果 图 8典型城市案例 120 m 源强对比结果 这主要是由于 SCREEN3 模式内置气象条件为 13 组风速和 6 种稳定度组合而成的 54 组气象条件 情 景 [20],环 境 温 度 仅 为 当 地 的 年 均 温 度;而 AERSCREEN 根据不同的地表参数数值, 气象条件组 合为 300 ~ 400 组气象条件 [14], 并且环境温度为当地 最低气温至最高气温之间的变量。虽然 AERSCREEN 57 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 图 9典型城市案例 240 m 源强对比结果 生成某些不利气象组合条件可能出现的概率极低, 导 致 AERSCREEN 估 算结 果总 体 上 大 于 AERMOD 和 SCREEN3 的 结 果,但 作 为 新 一 代 估 算 模 式, AERSCREEN 比 SCREEN3 能更好的反映 AERMOD 最 不利的气象条件及浓度结果, 也更符合环境影响评 价技术导则 大气环境 评价等级确定要求。 4结论和建议 1 从农村和城市案例结果来看, 针对低、 中、 高 架点源的估算, 新一代估算模式 AERSCREEN 的计算 结果均属于最保守的预测结果。SCREEN3 估算 15m 低架源的最大影响浓度时, 则未能包含 AERMOD 预 测的最大影响浓度。 这主 要是由于 AERSCREEN 不 利 气 象 条 件 为 300 ~ 400 组合, 并且环境温度为当地最低气温至最 高气温之间的变量; 而 SCREEN3 模式内置气象条件 为 54 组, 环境温度仅为当地的年均温度, AERSCREEN 能较好的捕捉最不利的气象条件。此外 AERSCREEN 耦合了 AERMOD 的相关 内核, 在 扩 散 理 论 方 面 与 AERMOD 较为一致, 而 AERMOD 与 SCREEN3 估算模 式在扩散理论等方面存在一定的差别。 2 在大气环境影响评价中, 应重点关注低矮点 源的估算结果。在实际项目评价范围和等级确定过 程中, 若进一步预测模式 AERMOD 预测结果超过估 算模式的估算结果时, 建议根据预测结果、 监测数据、 项目规模、 环保措施等情况, 适当的调整评价范围甚 至评价等级。 参考文献 [1]国家环境保护部. 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Environmental Protection Agency,Research Triangle Park, 2008 1- 30. 下转第 99 页 67 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 度、 合理的施肥提高农产品产量被认为是一种可持 续、 安全、 经济的方案, 值得继续深入研究。 3结论 以含钛高炉渣和硫酸铵作为原料, 采用加热法制 备复合 肥 料, 炉 渣 中 Ti、 Mg、 Fe 的 溶 出 率 分 别 为 84 、 88 和 75 , 肥料中可被植物有效利用的元素 有氮、 硅、 硫、 钙、 镁、 铁和钛, 兼有速效成分和缓释长 效成分, 均可被植物有效利用。 施用该固态复合肥的大豆与对照组的大豆相比, 其产量、 百粒重和叶片的叶绿素含量明显增加; 生育 期缩短了2 d; 籽粒的氮、 磷和钾含量显著增加, 蛋白 质和淀粉含量增加。施用该固态复合肥并未导致钒 和铬等重金属元素在大豆体内的富集。 参考文献 [1]Wang H,Yang H,Xue X X. Preparation of V-doped titanium- bearing blast furnace slag and its antibacterial activity to mildew [J]. Advan Mater Res,2010,136 S1 252- 255. [2]Aydin I, Uzun F.Potential decrease of grass tetany risk in rangelands combining N and K fertilization with MgO treatments [J]. European Journal of Agronomy,2008,29 1 33- 37. [3]Vong P C,Nguyen C,Guckert A. Fertilizer sulphur uptake and transations in soil as affected by plant species and soil type [J]. European Journal of Agronomy,2007,2735- 43. 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