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复杂地形大气扩散模式在环境影响评价中的应用 王栋成 1 王勃 2 王磊 1 邱粲 1 1. 山东省气候中心， 济南 250031; 2 山东省建设项目环境审核受理中心， 济南 250013 摘要 基于 HJ2. 2 － 2008 环境影响评价技术导则 － 大气环境 对复杂地形大气扩散模式的规定， 对比研究 AERMOD、 CALPUFF、 ADMS 模式在流场模拟、 地形处理思路和浓度预测方法等方面的异同， 系统地提出了复杂地形条件下大气 环境影响评价的技术要点， 结合案例分析三模式预测的区域最大落地浓度及分布的差异， 进一步探讨复杂地形大气环 境影响评价存在的问题及解决方案， 对做好大气环境影响评价工作具有重要的指导意义。 关键词 复杂地形; 大气扩散模式; 环境影响评价; CALPUFF; AERMOD; ADMS APPLICATION OF COMPLEX TERRAIN ATMOSPHERIC DISPERSION MODEL IN ENVIRONMENTAL IMPACT ASSESSMENT Wang Dongcheng1Wang Bo2Wang Lei1Qiu Can1 1. Shandong Climate Center，Jinan 250031， China; 2. Shandong Environmental Audits and Reception Center of Construction Projects， Jinan 250013， China AbstractBased on the provisions of complex terrain atmospheric dispersion model in “The Guidelines for Environmental Impact Assessment-Atmospheric Environment” HJ2. 2 － 2008 ，this paper compares three models，AERMOD，CALPUFF and ADMS，in the aspects of flow field simulation，terrain analysis and concentration forecast and systematically suggests the key techniques of atmospheric environmental impact assessment under the complex terrain conditions. Furthermore，it analyzes the different results of the regional maximum ground-level concentration and distribution gained by these three models and discusses the problems and solutions during the process of assessment，which has a great significance of guiding the work of atmospheric environment impact assessment. Keywordscomplex terrain; dispersion model; environment impact assessment; CALPUFF; AERMOD; ADMS 0引言 一般来说， 简单地形和复杂地形是地理学上的概 念， 而 HJ2. 2 － 2008环境影响评价技术导则 － 大气 环境 ［ 1］中规定的是环境简单地形或环境复杂地形 “ 距污染源中心点 5 km 内的地形高度 不含建筑物 等于 或 超 过 排 气 筒 高 度 时， 定 义 为 复 杂 地 形 ” 。 HJ2. 2 － 2008 推荐的进一步预测模式 AERMOD［ 2］、 CALPUFF［ 3］、 ADMS［ 4］模式系统为目前国际主流的环 境质量预测模式， 均可进行复杂地形条件下的浓度预 测。但 HJ2. 2 － 2008 并没有对地形数据精度提出具 体要求， 也没有对各进一步预测模式复杂地形条件下 需要调查和评价内容以及环境影响评价技术要点做 详细规定。因此， 本文从环评实际出发， 对复杂地形 流场模拟、 地形处理和浓度预测方法进行研究， 提出 复杂地形条件下大气环评的技术要点， 结合案例进一 步探讨存在的问题及解决方案。 1复杂地形大气扩散模式的最新理论与浓度预测模式 1. 1地形与大气流场模拟 地形对大气污染物输送扩散的影响可描述为 2 个方面 1 大尺度地形起伏会导致近地面一定高度 的气流场 包括温度场、 风场、 湍流特征等 不同， 进 而影响污染物在水平和垂直方向的输送和扩散; 地形 对大尺度气流场影响的模拟， 可先利用中尺度气象模 式 如 MM5、 WRF 模拟较大区域受地形影响的网格 格点 如 27 km 27 km 的长期逐小时地面和高空气 象要素诊断场， 再用气象预处理模块 如 AERMET、 CALMET 等 将这些格点气象要素及其相对应的行星 边界层参数， 一并传输给 AERMOD 或 CALPUFF 和 ADMS 作为浓度预测计算的初始条件。2 小尺度下 复杂地形的起伏可能导致烟羽传输、 扩散过程中受山 98 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 体的阻挡， 水平方向烟羽将直接撞击到山体地形上并 被迫分流绕过山体， 垂直方向烟羽将沿山体地形表面 向上抬升并向前传输扩散， 进而导致污染物落地浓度 的变化。AERMOD、 CALPUFF、 ADMS 的小尺度地形 处理方案虽采用了不同的复杂地形扩散模型， 但模拟 思路基本一致， 均假定烟羽随障碍物周围的流场分 层， 且低层绕山体流过、 高层则爬越山体。 1. 2AERMOD 模式烟羽落地浓度的计算 AERMOD 模式中 AERMAP 地形预处理模块， 使 用网格 化 地 形 数 据 计 算 各 预 测 点 的 地 形 高 度 尺 度 ［ 5］。利用流线分层高度， AERMOD 将地形对污染 物浓度的影响视为两种极端情况水平型烟羽和流过 地形型烟羽组合， 使平坦简单地形或不同程度复杂地 形的影响， 都在同一个模式中计算 ［ 5］。应用于稳定 或对流条件下的浓度通用计算公式见式 1 CT{ xr， yr， zr} fCc， s{ xr， yr， zr} 1 － f Cc， s{ xr， yr， zp} 1 式中CT{ xr， yr， zr} 受体点的总浓度值; Cc， s{ xr， yr， zr} 水平型烟羽贡献的浓度 下 标 c，s 为 对 流 或 稳 定 条 件 ; Cc， s{ xr， yr， zp} 流过型烟羽贡献的浓度; f 两种烟羽状态的权重函数， 当 f 1 则按简单地形处 理。 1. 3CALPUFF 模式对烟团落地浓度的计算 CALPUFF 模式中 TERREL 地形数据预处理器对 地形数据进行网格场化、 极坐标网格化转换。基于复 杂地形扩散模式 CTDMPLUS的 CALPUFF 复杂地 形模块， 则利用网格镶嵌手段模拟小尺度的复杂地形 对地面污染物浓度的影响。主要包括 3 个步骤 ［ 5］ 1 在 CALMET 模块中根据大尺度地形调整风场; 在 对大尺度风场几乎没有影响的条件下， 精确地模拟烟 团和地形的相互作用; 2 对烟团 PUFF 和地形的相 互作用进行简化处理 包括大尺度、 小尺度地形特 征 ; 3 对次网格尺度复杂地形采用流线分层高度估 算烟团撞到山体的污染物的偏离变化， 采用烟羽路径 系数调整方法和所谓的应力调整方法对地形引起的 烟团高度变化、 烟团碰撞山体过程、 扩散参数增大效 应进行简单的参数调整等。 1. 4ADMS 模式对烟羽落地浓度的计算 ADMS 一般利用 FLOWSTAR 模式， 根据小尺度 复杂地形， 用线性化的动量和连续方程分析解法计算 复杂地形上空的流场和湍流场。ADMS 引用了分流 层高 度， 并 定 义 Froude 数 Fr 当 Fr ≥ 1， 则 应 用 FLOWSTAR 模式计算流场; 当 Fr 50500 ～ 1000 3 应根据评价区域 尤其是距排气筒 5 km 范 围 地形特征 主要依据实地调查并定性描述 、 地形 参数 主要依据精确数据的获取并定量描述 ， 分析 大尺度复杂地形对流场的影响， 和小尺度复杂地形对 污染物扩散的影响。 4 复杂地形的地形示意图是环境影响报告书的 基本附图之一， 复杂地形数据输入文件是基本附件之 一。应同时给出数字高程地形图或三维网格图、 等高 线图以及卫星遥感图等， 浓度分布图均应叠加到地形 图上表述， 并结合预测结果分析污染物扩散和浓度分 布受地形影响的特征与规律。 5 除预测范围内各网格点的地理坐标、 海拔高 度、 地形高度尺度外， 还应给出各环境敏感区、 区域最 大浓度点、 场界受体计算点、 其他关心点以及各污染 源点的地形数据值， 并列表、 绘图精确表述。 09 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 6 结合地形复杂性、 污染源及环境敏感区的布 局， 应在预计受复杂地形或复杂风场影响落地浓度最 大的区域适当增加环境空气质量监测点的设置， 以反 映环境敏感区的空气质量现状和建设项目最大影响。 7 复杂地形是选址、 总图、 排气筒高度和建设项目 大气环境可行性论证必须考虑的关键和不利条件。必 须进行科学、 客观的定量与定性评价， 并针对不利或制 约因素提出减缓或避免不利影响的优化方案。应以计 算结果确定项目的大气环境防护距离或卫生防护距 离， 各行业卫生防护距离标准不适用于复杂地形。 8 在复杂地形区域的建设项目， 应比简单平坦 地形区域采取更为严格的污染治理措施或更高的排 放高度。可考虑采取的措施包括 a. 另选厂址， 避免 在山脚、 山谷地带设置污染源排放口;b. 优化总平 面布置， 改变排气筒与复杂山体位置， 避免复杂风场、 背风 涡 下 洗 等 影 响; c.提 高 排 气 筒 高 度， 或 设 置 GGH， 避免复杂地形对污染物排放、 输送和扩散的影 响; d. 合理规划建设规模及污染物排放量或采取更 为严格的污染治理措施， 进一步削减有组织、 无组织 排放源强， 避免出现受地形影响的高浓度污染。 9 若浓度预测结果超标区域位于环境敏感区、 超标范围大、 超标严重等， 而又不能采取有效措施使 项目实施后的大气环境可接受的， 则项目不可行; 若 超标区域仅在山体一定高度上非环境敏感区， 应根据 超标范围、 程度、 概率、 持续时间等， 结合污染控制措 施改进方案的可行性结论， 综合判断项目实施后的大 气环境可接受程度。 10 复杂地形条件下最终的浓度计算方案， 应是 在满足国家有关烟囱高度标准的前提下， 且各环境敏 感区的浓度均能达标的条件下进行浓度预测。此时， 污染物排放、 输送与扩散虽还可能受复杂地形的影 响， 但这一影响的程度和范围均不会导致建设项目的 污染物排放及其环境影响超过可接受的程度。 3案例分析 3. 1基础参数和预测方案 某拟建锅炉烟囱污染源各参数见表 2。评价工 作等级为二级， 评价范围为 50 km 50 km， 预测范围 确定为 61 km 61 km DEM 数据分辨率 90 m ， 预测 范围网格区域内地形等高线分布见图 1; 预测因子以 SO2为例; 预测方案， 分别采用 CALPUFF、 AERMOD、 表 2某拟建工程锅炉烟囱污染源参数 污染源 名称 X 坐标 / km Y 坐标 / km 海拔高 度 /m 烟囱高 度 /m 出口烟 温 /℃ 出口烟 速 / m s － 1 内径 / m 排放源强 / g s － 1 SO2NO2PM10 锅炉烟囱561. 42163999. 2652202404421. 437. 5166. 4105. 534. 4 图 1预测范围内地形等高线图 ADMS 模式 预测水平格距分别为 250，250，953 m 进行复杂地形条件下的各网格点、 区域最大地面浓度 点的 SO2全年小时、 日均、 年均浓度计算。CALPUFF 采用 2 个地面气象站资料 1 号于厂址北 9 km， 2 号 于厂址东南 14 km 和预测范围内高空气象探测资料 模拟格点 31 km 31 km 的 2008 年8 784 h逐时数据 AERMOD 采用 1 号气象站和厂址附近 1 个高空模拟 格点数据; ADMS 只采用 1 号站地面气象数据。1 号、 2 号站 2008 年最多风向均为 ESESESSE， 而根据 CALMET 模拟的复杂地形风场， 在近地面层 10 m 风向以 W、 ESE 最 多， 随 高 度 的 升 高 SSWSW WSW 风向出现频率占主导。 3. 2区域小时、 日均、 年均最大地面质量浓度对比 SO2的小时、 日均、 年均浓度预测结果见表 3。3 个模型预测 SO2区域年均浓度分布见图 2 ～ 图 4。由 表 3 和图 2 ～ 图 4 可见 小时浓度 AERMOD 预测值最 大， 其次是 CALPUFF， ADMS 预测值最小; 日均浓度 CALPUFF 预测值最大， 其次是 AERMOD， ADMS 的预 19 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 测值最小; 年均浓度 AERMOD 预测值最大， 其次是 CALPUFF， ADMS 的预测值最小。各模型的预测最大 值出现的位置、 日期和对应的典型小时、 日气象条件 各不相同。 表 3SO2小时、 日均、 年均质量浓度预测结果前 10 个最大值对比 mg/m3 序号 区域小时最大质量浓度区域日均最大质量浓度区域年均最大质量浓度 CALPUFFAERMODADMSCALPUFFAERMODADMSCALPUFFAERMODADMS 10. 17200. 41080. 10070. 02600. 01830. 00910. 001140. 001460. 00050 20. 16420. 19370. 09580. 02550. 01360. 00890. 001130. 001450. 00049 30. 16150. 14770. 09490. 02510. 01160. 00880. 001130. 001450. 00049 40. 16100. 12850. 09020. 02450. 01040. 00880. 001120. 001420. 00048 50. 15170. 12730. 08960. 02380. 00910. 00870. 001110. 001400. 00048 60. 15050. 12080. 08900. 02350. 00810. 00860. 001110. 001400. 00048 70. 14990. 11480. 08690. 02320. 00800. 00850. 001090. 001390. 00047 80. 14420. 11270. 08630. 02290. 00760. 00840. 001090. 001380. 00047 90. 14180. 10780. 08460. 02280. 00750. 00830. 001080. 001380. 00047 100. 13870. 10440. 08370. 02260. 00690. 00820. 001080. 001370. 00047 均值0. 15360. 15690. 09020. 02400. 01010. 00860. 001110. 001410. 00048 图 2CALPUFF 模型预测 SO 2区域年均浓度分布 图 3AERMOD 模型预测 SO 2区域年均浓度分布 图 4ADMS 模型预测 SO2 区域年均浓度分布 从 年 均 浓 度 分 布 来 看， CALPUFF 的 结 果 与 AERMOD 和 ADMS 差别较大， 而后两者差异相对较 小。这与 CALPUFF 模式考虑风向和风速随高度的变 化、 考虑大尺度复杂地形风场调整、 考虑复杂地形烟 羽路径系数调整等有关。AERMOD 和 ADMS 均假定 风向不随高度变化而只考虑风速随高度变化、 不考虑 复杂风场而只考虑复杂地形条件下的水平型烟羽和 流过地形型烟羽。而 ADMS 利用 FLOWSTAR 模式计 算小尺度复杂地形上空的流场和湍流场也使其浓度 结果和分布与 AERMOD 有明显差异。 4复杂地形大气环境影响评价存在的问题与解决方案 1 不同的地形数据精度对预测评价范围内风场 模拟结果的影响较大， 对浓度结果影响也非常显著。 29 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 虽然从 SRTM 网站上获取的精度为 90 m 的地形数据 基本可以满足日常环评需求， 但对于具体评价工作应 明确要求规范统一的地形数据精度取值标准。 2 不同模式的复杂地形、 风场处理方案对浓度 预测值和分布规律影响非常显著， 应当对 CALPUFF、 AERMOD、 ADMS 模式原理和评价方法进一步研究， 并根据试验验证提出明确的推荐优选模式， 找到最接 近于客观真实情况的、 利于统一评价要求的复杂地形 浓度预测模式。 3 不同的预测模式在复杂地形、 复杂风场条件 下的浓度预测结果， 往往会出现一定频率、 一定范围 的超标现象， 应明确规定超标率对判定大气环境影响 可接受程度的具体量化判别指标。 5结语 复杂地形条件下大气扩散理论与浓度预测模式 的新进展， 为环境影响评价实践提供了很好的基础。 进一步预测模式 AERMOD、 CALPUFF、 ADMS 均可进 行复杂地形浓度预测， 但预测值和浓度分布规律差异 显著。应当对各模式原理和评价方法进一步研究并 验证， 以明确推荐优选模式统一评价。 参考文献 ［1 ］ HJ2. 2 － 2008 环境影响评价技术导则 － 大气环境［S］ . ［2 ］ 国家环保总局环境工程评估中心环境质量模拟重点实验室. 大 气预测软件系统 AERMOD 简要用户使用手册 Version090401 ［K］ . 2009. ［3 ］ Joseph S Scire. A user’ s guide for the CALPUFF dispersion model Version5 ［K］ ， 2000. 01. ［4 ］ 剑桥环境研究公司 CERC . ADMS － 环评 ADMS － EIA 大气 质量评价系统用户手册， 中文版［K］ . 2002. ［5 ］ 俎铁林. 空气质量模式 在法规中的应用［M］ . 北京 中国标准 出版社， 2005. ［6 ］ 丁峰， 李时蓓. 从技术复核角度谈环评报告中大气预测部分的 编写［J］ . 环境影响评价动态， 2008， 64 1 /2 1- 9. ［7 ］ 环境保护部环境工程评估中心. 环境影响评价技术方法 2010 年版［M］ . 北京 中国环境科学出版社， 2010. 作者通信处王栋成250031济南市天桥区无影山路 12 号 山东省 气候中心 电话 0531 81603629 E- mailhjpj2008 126. com 2010 － 05 － 14 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 环境工程编辑部网站新域名开通公告 尊敬的各位作者、 读者、 广告客户 你们好， 环境工程编辑部精心设计维护的新主页目前已经开通， 网址为 www. ic-mag. com 或 www. gyjz. cn， 原网址 www. hjgc. com. cn 停止使用。新平台将工业建筑杂志社有限公司旗下的环境工程 、 工业建筑 、 钢结构 三本精品期刊进行了整合。 并已于 2010 年 10 月底正式开通。 新开通的 环境工程 网站主页采用了全新的信息提供方式， 主要包括 “期刊信息 ” 、 “行业信息 ” 、 “投稿指南” 、 “订阅方式” 、 “ 广告刊登 ” 、 “读者留言 ” 、 “在线文章 ” 、 “企业园地” 等栏目。其中 ， “期刊信息” 和 “行业信息” 栏目为您直接获取环境工程 编 辑部发布的实时信息和国内外环境工程行业的最新动态提供方便 ; “在线文章” 栏目为您提供近几年环境工程 涉及多个行业 领域的部分优秀文章的免费下载服务， 为您投稿和参考文献提供有限服务 。“企业园地” 栏目将展示环境工程 广告客户的相 关信息， 免费为环境工程 期刊广告客户进行进一步的， 跨媒体介质的宣传推介 。“读者留言” 栏目设置了专门的留言板使各位 作者、 读者、 广告客户针对环境工程的意见和建议能够直接、 及时地反映到编辑部并得以改正和改进。通过新主页你也可以直接 获得最新最权威的关于投稿、 订阅、 刊登广告及查询稿件进展的途径。 环境工程 杂志的持续发展和进步离不开广大作者、 读者和广告客户以及广大环保科技工作者的大力支持和帮助。在此， 我们表示最诚挚的谢意。希望 环境工程 新主页能够给国内外环境工程领域的各位朋友带来更多的信息和便利， 也希望各位朋 友们能够相互转告， 让 环境工程 杂志更好地发挥学术交流的平台作用， 更好地为国内外环境工程领域科技工作者们服务。 在新的一年里， 我们坚信， 环境工程 期刊有广大环保科技工作者的关心和支持， 有广大作者、 读者的厚爱， 有编辑部全体员 工的努力， 一定会更上一层楼。 祝工作在环保战线上的各位同仁以及广大读者新年快乐， 万事如意 环境工程 编辑部 2010 年 12 月 22 日 39 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期