丁峰等AERMOD在国内环境影响评价中的实例验证与应用 AERMOD在国内环境影响评价中的实例验证与应用 丁峰李时蓓蔡芳 (国家环境保护总局环境工程评估中心,北京100012) 摘要 AERMOD是美国环保局推出的新一代空气质量模式系统,它由AERMET(气象数据预处理器)、AERMAPCI ̄fi5数据预处理 器)和AERMOD(大气扩散模型)3部分组成。结合宁波市北仑区域大气环境影响评价,对该模式系统进行模式验证,并应用于实际预测评 价。验证结果表明,在采用适当的模型参数时,该系统预测值与实际监测值具有很好的一致性,802、N02日均最高浓度预测准确率分别达 到64.3 和85.7 。最后结合实际预测评价工作,提出AERMOD模式系统在国内环境影响评价工作中的优势及不足。 关键词 大气污染 AERMOD 模式系统 环境影响评价 Validation and application of AERMOD for environmental impact assessment in China Ding Feng,Li Shibei,Cai Fang.(Appraisal Center for Environmental Engineering,State EPA。Beijing 100012) Abstract:The AMS/EPA Regulatory Model(AERMOD)is a new air quality dispersion modeling system avail— able from the U.S.Environmenta1 Protection Agency(EPA).The AERMOD system consists of AERMOD(the air dispersion mode1),AERMET(the meteoro1ogica1 data preprocessor)and AERMAP(the terrain data preprocessor). The validation of this modeling system for environmental impact assessment(EIA)in China was illustrated by its ap— plication in the EIA of Beilun District,Ningbo.With proper selections of the model parameters,the model predictions were fairly close to the actual air pollutant concentrations measured at the 1 5 monitoring stations;for daily maximum concentrations of SO2 and NO2,the predict accuracy of 64.3 and 85.7 was demonstrated.Some general com— ments on the advantages and shortcomings/solutions of the AERMOD model system for EIA in China were also presented. Keywords: Air pollution AERMOD Mode1 system EIA AERMOD由美国环保局联合美国气象学会组 界层廓线数据可以直接由输入的现场观测数据确 建法规模式改善委员会(AERMIC)开发。该模式系 定,也可以由输入的NWS(国家气象局)的常规气象 统以扩散统计理论为出发点,假设污染物的浓度分 资料生成。尺度参数和边界层廓线数据经过设于 布在一定程度上服从高斯分布。它可用于多种排放 AERMOD模式系统中的界面进入AERMOD模型 源(包括点源、面源和体源)的排放,也适用于乡村环 后,给出相似参数,同时对边界层廓线数据进行内 境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架 插。最后,将平均风速、湍流量、温度梯度(dT/dz) 源等多种排放扩散情形的模拟和预测。2006年美 及边界层廓线等数据输入扩散模式,并计算出浓度。 国环保局正式将AERMOD模式系统替代原有的 1.2 基本计算公式 ISC3模式,并将其列为法规模式。2007年,国家环 AERMOD模型在考虑地形(包括地面障碍物)对 境保护总局公布的《环境影响评价技术导则大气环 污染物浓度分布的影响时,使用了分界流线的概念, 境(征求意见稿)》(HJ/T 2.2—2。0×)将该模式列 即将扩散流场分为两层的结构,下层的流场保持水平 入推荐模式清单H]。 绕过障碍物,而上层的流场则抬升越过障碍物。任一 网点的浓度值就是这两种烟羽浓度加权之后的和。 1 AERMOD模式系统简介 假定一网格点(z,Y,z)在平坦地形上(即不考 虑地形影响时)的质量浓度为c( ,Y,z)(即水平烟 1.1 组成及原理 羽的质量浓度表达式),则考虑地形(或障碍物)影响 AERMOD模式系统包括AERMOD(大气扩散 的总质量浓度C (-一,,Y,z)公式为: 模型)、AERMET(气象数据预处理器)和AERMAP C,(z,Y,2)一f・c(x,Y,2)+(1一l厂)c(x,Y,2) (地形数据预处理器)。AERMET的尺度参数和边 (1) 第一作者:丁峰,男,1978年生,硕士,工程师,主要从事大气环境质量模拟及相关应用方面的研究。 ・ 953 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 环境污染与防治 第29卷第12期2007年12月 式中:_厂为两种烟羽状态的权函数。_厂可表示为: 1993年8月21日至9月10日和1993年12月6日 厂一0.5(1+ ) (2) 至25日进行的两季高空探测资料,根据探测资料统 fHc ( , , )d 计得到冬夏两季高空风速风向变化趋势,生成0~ 0一 }————~l (3) 1 000 m共22层高空气象资料,其中包括各层温度、 J c( ÷v, )d 0 风向及平均风速等数据。最后结合逐日气象参数, 式中:H 为分界流线高度,m。 按AERMET参数输入格式生成高空逐层气象输入 c(x, ,z)的一般形式为: 文件。 n AERMOD所需近地面参数(正午地面反照率 c(x, , )一 p ( , )P。( , ) (4) Albedo、白天Bowen率及地面粗糙度)按一年四季 式中:Q为污染源排放率,g/s;“为有效风速,m/s; 进行选取。 P 、P 分别为水平方向和垂直方向浓度分布的概率 2.1.2地形参数 分布函数。 模型采用的地形参数来源于宁波地区1: 2 AERMOD模型验证 250 000地形格栅(Grid)文件,经Arc/Info坐标及地 理投影转换,生成模型所需的数字高程(Dem)文件, 虽然国家环境保护总局已经计划向国内引入 其中经AERMAP处理的范围为6O km×4O km。 AERMOD,并且国内已有部分学者将该模型与中国 输出地理高程文件按100 m×100 m网格进行 现行大气导则推荐模型进行对比,证明AERMOD 读数,预测接收点网格分辨率为1 kmx 1 km,共计 较现行大气导则模型更能反映污染物的实际扩散规 2 501个网格点。此外,还将输出14个现状监测点, 律l2]。但由于目前该模式系统在国内并没有得到较 1个在线监测点及各污染源点的地形数据。 广泛的应用,为验证它的可靠性、合理性及实用性, 2.1.3污染源参数 并确定其预报准确率,在将它应用于推广之前进行 污染源参数采用2004年北仑区及邻近镇海区现 模型的实例验证。 状污染源布局及排放参数,数据来源以统计年鉴及现 考虑到空气中PM 。的污染源来源较广,除工业 状排污申报资料为主。其中低于15 m的点源按面源 源外,还受背景浓度、地面扬尘、建筑施工、交通源及 处理,生活面源排放根据能源消耗进行折算。现状不 其他来源的影响,而实例验证地区尚未进行大气中 同排放高度(H)污染物排放量统计见表1。 TSP的来源分析研究,本次应用实例中模型验证因 2.2 预测值与现状监测值之间的比较 子选定为SO 及NO。,不对PM 。浓度进行验证。 本次验证采用的现状监测点数据为宁波市环 2.1 模型实例验证参数的选取 境监测中心站在北仑区进行的秋季(2003年1 1 2.1.1气象参数 月)和春季(2004年3月)两季现状环境空气质量 实例地面气象资料采用宁波北仑气象站1993 监测结果,全区共设置14个监测点,基本上囊括北 2002年共10年的地面逐日4次气象资料,其中包括 仑整个区域。模型验证将分别比较各监测点的预 温度、风速、风向、总云量和低云量。按AERMET参 测值与现状监测值。由于现状监测时没有相对应 数输入格式生成近地面逐时气象输入文件。 的地面及高空气象资料,模型验证中的气象参数采 由于目前在国内大部分地区难以取得逐日多层 用北仑区2000 2002年3年同期气象数据,取预 高空探空气象观测资料,本实例应用中采用的高空 测日均最高值与现状监测的日均最高值进行比较 探空数据参考浙江省环境保护科学设计研究院于 分析,验证结果见表2。 表1 不同排放高度污染物排放量及百分比 Table 1 Emission of SO2 and NO2 from sources of four elevations ・ 954 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 丁峰等AERMOD在国内环境影响评价中的实例验证与应用 由表2可得,SO 预测值与监测值的比值在 0.50~2.O0的频率为64.3 ,比值大于2.O0的频 率为28.6 ,比值小于0.50的频率为7.1 ;NO 预测值与监测值的比值在0.50~2.O0的频率为 85.7 ,比值大于2.O0的频率为0 ,比值小于 0.50的频率为14.3 。从预测结果来看,NO 的验 证结果优于SO ,预测值相当于实际监测值的23 ~95 ,其中主要原因为预测结果未考虑各点的背 景浓度及局部小污染源排放的影响;而SO。的预测 监测值/( g・m。) 结果部分点位出现预测值大于监测值,其中原因除 图1 监测值与预测值的对比分析 Fig.1 The Q_Q plot of predicted vs.observed 模型本身系统误差外,也和污染源参数及实际监测 concentrations for SO2 and NO2 环境相关。验证结果说明,预测评价所采用的 AERMOD模式系统对于研究区域的污染扩散模拟 3预测模拟实例分析 具有较好的实用性和可信度。 采用模型验证时的计算参数,分别模拟北仑区 2.3 预测值与在线监测点监测值之间的比较 域SO 与NO。地面日均浓度分布,并绘制成浓度图 所采用的在线监测数据来自北仑区在线监测点 (见图2和图3,SO 、NO 浓度单位为ffg/m。)。 2004年1月19 Et 0时至2004年5月12 Et 23时逐 时监测数据,共计2 760条记录,剔出所有监测数据 异常的时段(监测结果<0)243条记录,计算出每天 g 的日平均值,共得到113个日均浓度值。 谴 将SO。及NO。的监测值及预测值分别从大到 _置 小进行排列,进行Q—Q比较分析,绘制成图1。从 . 。 怔 图1可以看出,对于在线监测点,预测值比监测值相 对偏小,SO 的验证结果优于NO 。对比预测值与 605 6】5 625 635 645 655 665 监测值的Et均浓度前10个数据,两者比值均在0.7 东西向距离/km ~0.9,说明评价时采用Et均最高浓度进行分析具有 图2地面SO 浓度图 较好的实用性和可信度。 Fig.2 Ground level concentration contour of SO2 ・ 955 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 环境污染与防治 第29卷 第12期 2007年12月 别计算了不同源高污染源对地面污染物浓度的最大 贡献率,计算结果见表3。 暑 地面SO。的浓度主要来源于北仑区高架源的 连星 排放,北仑区高架点源对地面浓度的最大贡献率平 均值达到81.60%,而100 m以下的污染源对地面 浓度的影响不超过10 。镇海区对北仑区的污染 ‘_T 怔 影响也十分明显,日均浓度的最大贡献率平均值达 到51.44%,部分关心点影响超过80%。 地面NOz的浓度同样主要来源于北仑区高架 图3地面NO2浓度图 Fig.3 Ground level concentration contour of NO2 源的排放,北仑区高架点源对地面浓度的最大贡献 率平均值达到85.01 ,100 m以下污染源对地面 浓度的影响也不超过10 。镇海区污染源对北仑 区NO 的污染影响也十分明显,日均浓度的最大贡 3.1 地面浓度模拟结果 由图2可见,北仑区地面SO。日均浓度分布在 4~90 g/m。,区域平均27.0 g/m。。工业及居住 献率平均值达到46.43 ,其中在江南工贸区,镇海 区污染源的影响最大达到91.71 。 由于北仑区经济发展的特殊性,该地区污染源 区内SO 日均浓度最高值在40~80 g/m。,相当于 环境空气质量二级标准(日均值小于150 g/m。)的 26.7 ~53.3 。说明模拟区域现状SO。环境质 量较好,且有一定的环境容量。 分布以高架源占绝对优势,高架源对地面污染物浓 度贡献率占有较高的比例。但参考表1及表3的计 算结果也应注意到,北仑区源高小于50 m的低架 由图3可见,北仑区地面NO。日均浓度分布在 5~7O g/m。,平均值为23.9 g/m。。工业及居住 区内NO 日均浓度最高值在20~70 g/m。,相当 源排放量仅占区域排放量的0.65 (SO )和0.31% (NO ),但在相对不利的气象条件下,低架源对地面 于环境空气质量二级标准(日均值小于120 g/m。) 的16.7 ~58.3 。模拟区域现状NO 环境质量 SO 浓度影响却占到3.06 ~16.74 ,对NO2浓 度贡献率也在2.08 ~16.86 。而对于一般城镇 低架源的排放量比例大多超过北仑区,相应的低架 源对地面浓度的贡献率也更大。污染源消减仍应以 地面中低架源为主。 较好,且有一定的环境容量。 3.2 不同源高污染源对浓度贡献率分析 结合对不同源高污染物排放量的统计结果,分 表3 不同源高污染源对地面浓度的最大贡献率 Table 3 Maximum contributions to the ground level concentrations from sources of four elevations ・ 956 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 丁 峰等 AERMOD在国内环境影响评价中的实例验证与应用 4模型应用的优缺点 4.1 模型在应用方面的优点 4.1.1 输入输出简洁明了 用于控制AERMET及AERMOD运行的Inp 参数文件语法简洁,相关控制参数简单明了。其中 涉及到模型计算参数的选择精炼规范,避免了用户 使用时主观因素的影响。 4.1.2输出文件和格式灵活多样,便于制图 该模型能按用户需要,一次计算同时输出多种 格式和要求的文件,如输出小时浓度、日均、季均、年 均不同保证率的浓度值,以及不同污染源的影响值、 预测区各点最大浓度值等等。若配合相关软件(如 Excel、Surfer和Arcview等),后期分析制图会更方 便和快捷。 4.2 应用中的不便及解决方案 4.2.1部分气象资料获取不易 根据模型要求AERMET须输入与地面观测数 据同步的高空气象参数,否则对预测结果会有一定 的影响。但目前国内各城市的高空探空数据非常缺 乏,各气象部门所能提供的同步气象观测的探空数 据很少,即使有部分探空数据,也很难得到全年的实 测数据。 目前国家环境保护总局环境质量模拟重点实验 室正在着手利用高性能集群计算机及MM5气象模 拟系统模拟全国范围内30 km×30 km分辨率的 5 000 in以下逐日探空气象数据,若该项工作实施 成功,将能解决国内大气预测探空气象数据不足的 问题,极大地推动AERM0D模式系统在我国环境 影响评价工作中的应用。 4.2.2 没有Windows用户熟悉的窗口式界面 目前笔者使用的AERMOD模式系统为美国 EPA网站推出的DOS版本的免费软件,该版本对 于部分熟悉Windows的用户可能会造成模式系统 难以应用的印象。但根据笔者的使用经验,一旦掌 握模式系统的基本语法后,现有的DOS版本还是非 常容易上手的。此外,由于AERMOD模式系统本 身属于开放源代码式的共享程序,预计今后随着该 模式系统应用的推广,面向Windows用户的中文版 本也将很快开发面世。 5 结 语 在提供AERMOD模式系统必须的计算参数 后,AERMOD在中国的实例验证及应用取得了较 好的效果。模型验证显示系统预测值与监测值具有 很好的一致性,模型成功应用于国内区域环境影响 预测,得到了较好的预测及分析结果。 参考文献 [1] 国家环境保护总局.}{J/T 2.2—2()(]×环境影响评价技术导 则——大气环境(征求意见稿)[s/()I .2007—02—25.http://www. sepa.gov.cn/info/gw/bgth/200702/W020070227304407081429.paf. 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