AERMOD大氣預(yù)測模型在醫(yī)化園區(qū)惡臭環(huán)境影響中的預(yù)警應(yīng)用

陳 琳，陳 英，宋華豐，程 吉

（1.浙江省臺(tái)州市椒江區(qū)氣象局，浙江 臺(tái)州318000；2.三捷環(huán)境工程咨詢（杭州）有限公司，浙江 杭州310012）

1 引言

作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，醫(yī)藥化工業(yè)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，但同時(shí)醫(yī)藥化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中往往對(duì)外排放了大量有機(jī)廢氣以及H2S、NH3等刺激性惡臭廢氣，對(duì)周圍環(huán)境和居民的身體健康造成極其不利的影響。研究表明，惡臭不僅能使人產(chǎn)生不愉快的感覺，還能通過人類的嗅覺系統(tǒng)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激性作用，使中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生障礙和發(fā)生病變，引起急性病、慢性病甚至死亡［1］。惡臭已被列為當(dāng)今世界7種典型公害之一，成為世界各國人民廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題［2］。

近幾年，由于城市化的快速推進(jìn)，城區(qū)不斷向外擴(kuò)張，導(dǎo)致城市居住區(qū)與某醫(yī)化園區(qū)的距離越來越近，隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，城區(qū)居民對(duì)該園區(qū)產(chǎn)生的惡臭污染投訴也越來越多，嚴(yán)重制約了醫(yī)化園區(qū)的健康成長和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展壯大。惡臭廢氣的污染給當(dāng)?shù)鼐用瘛⒄紟砹撕艽罄_，如何預(yù)警醫(yī)化園區(qū)惡臭對(duì)城區(qū)居民的影響，增強(qiáng)政府管理部門對(duì)園區(qū)惡臭廢氣的管理能力從而做好惡臭預(yù)防控制工作成為當(dāng)?shù)卣芾聿块T的重要議題。本文嘗試?yán)肁ERMOD大氣擴(kuò)散預(yù)測模型并結(jié)合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，模擬該園區(qū)產(chǎn)生的惡臭廢氣對(duì)城區(qū)的影響，對(duì)不利氣象條件進(jìn)行預(yù)警，取得了較好的效果。

2 惡臭預(yù)警基本原理

2.1 AERMOD 模型介紹及預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

AERMOD模型為美國環(huán)保局聯(lián)合美國氣象學(xué)會(huì)組建法規(guī)模式改善委員會(huì)（AERMIC）開發(fā)的新一代大氣污染擴(kuò)散模型，也是我國環(huán)保部2008年12月31日發(fā)布的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》（HJ2.2－2008）中推薦的穩(wěn)態(tài)大氣擴(kuò)散模式，AERMOD將最新的大氣邊界層和大氣擴(kuò)散理論應(yīng)用到了空氣污染擴(kuò)散模 式［3～6］。 美 國 EPA 在 Prairie Grass、Indianapolis、Kincaid、Tracy等地進(jìn)行示蹤試驗(yàn)及在Kincaid、Lovett、Westvaco、Martins Creek、Baldwin、Clifty等電廠地區(qū)連續(xù)布點(diǎn)監(jiān)測1年監(jiān)測SO2質(zhì)量濃度分布，結(jié)果均顯示：AERMOD模擬取得了較理想的結(jié)果［7］。國內(nèi)長期的環(huán)評(píng)預(yù)測實(shí)踐也表明，AERMOD大氣擴(kuò)散模型對(duì)小尺度范圍內(nèi)的大氣污染預(yù)測有較好的模擬結(jié)果。

本預(yù)警系統(tǒng)以AERMOD模型為核心，并用AERMET整合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)醫(yī)化園區(qū)的惡臭廢氣擴(kuò)散進(jìn)行模擬預(yù)測，系統(tǒng)基本的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 惡臭預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.2 惡臭排放源分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該醫(yī)化園區(qū)共有26家企業(yè)，其中有7家已經(jīng)關(guān)停，剩余企業(yè)分布于長約3km的狹長地帶。各企業(yè)排放的具有惡臭性質(zhì)的廢氣共有34種之多，包括NH3、三乙胺、苯等強(qiáng)刺激性氣體。本次研究選定其中嗅閾濃度最大的叔丁醇作為基準(zhǔn)物質(zhì)，賦予權(quán)重因子為1，同時(shí)將其他惡臭污染因子根據(jù)不同的嗅閾濃度，按照公式（1）賦予權(quán)重因子。

式中：Wi為第i種惡臭廢氣的源強(qiáng)權(quán)重因子；C叔丁醇嗅閾為叔丁醇嗅閾濃度，μg/m3；Ci嗅閾為第i種惡臭廢氣嗅閾濃度，μg/m3；各惡臭廢氣的嗅閾濃度均來自O(shè)SHA、EPA等機(jī)構(gòu)官方網(wǎng)站。每個(gè)企業(yè)的等效排放源強(qiáng)按照式（2）計(jì)算：

式中：Wi為該企業(yè)第i種惡臭因子的源強(qiáng)權(quán)重因子；Ei為該企業(yè)第i種惡臭因子排放速率，g/s；i為第i種惡臭因子，總共有n個(gè)惡臭因子。n為該企業(yè)擁有的惡臭因子數(shù)。

由于該醫(yī)化園區(qū)內(nèi)各企業(yè)惡臭廢氣排放源強(qiáng)情況復(fù)雜多變，本次研究將每一個(gè)制藥企業(yè)的排放源等效為一個(gè)以環(huán)境溫度排放的15m高煙囪點(diǎn)源。

2.3 惡臭影響等級(jí)分析

人體對(duì)惡臭的感知會(huì)由于每個(gè)個(gè)體的身體狀況、嗅閾靈敏度等因素而具有較大的主觀性，本次研究采用相對(duì)濃度法分析惡臭影響等級(jí)，即假定園區(qū)排放源強(qiáng)不變，城區(qū)所受到的惡臭影響只與當(dāng)時(shí)的氣象條件有關(guān)，在此條件下利用城區(qū)環(huán)境敏感點(diǎn)感受到的不同惡臭等級(jí)時(shí)的歷史氣象數(shù)據(jù)分析醫(yī)化園區(qū)的惡臭濃度影響，其濃度值作為惡臭影響等級(jí)分類依據(jù)。本次研究以城區(qū)某學(xué)校為惡臭監(jiān)測點(diǎn)，共進(jìn)行了連續(xù)20個(gè)月的惡臭監(jiān)測（通過監(jiān)測者的鼻子聞來確定惡臭等級(jí)）。

該監(jiān)測點(diǎn)共記錄輕微臭氣、可感覺臭氣、臭氣和較強(qiáng)臭氣4個(gè)等級(jí)，利用歷史氣象數(shù)據(jù)通過AERMOD模擬惡臭監(jiān)測點(diǎn)濃度。4種監(jiān)測等級(jí)惡臭濃度平均值及90%置信區(qū)間見表1。

表1 惡臭監(jiān)測敏感點(diǎn)一覽

通過以上分析，并根據(jù)適當(dāng)保守原則，將本預(yù)警系統(tǒng)每小時(shí)惡臭影響等級(jí)設(shè)定為無臭（0～5000），可感覺惡臭（5000～10000），惡臭（10000～15000）及較強(qiáng)惡臭（＞15000）共4個(gè)等級(jí)。

3 氣象數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)分析

3.1 氣象數(shù)據(jù)分析

本預(yù)警系統(tǒng)預(yù)報(bào)氣象數(shù)據(jù)采用WRF氣象模型模擬的未來48h內(nèi)3h間隔ocf格式數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)參數(shù)包括時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向、干球溫度、氣壓、濕度、云量。為滿足AERMOD大氣預(yù)測模型1h頻次氣象數(shù)據(jù)要求，本系統(tǒng)采用線性插值法對(duì)3h頻次數(shù)據(jù)實(shí)行插值。

地表土地利用類型會(huì)影響到大氣的感通熱量、混合層高度等行星邊際層參數(shù)，進(jìn)而影響廢氣在大氣中的擴(kuò)散傳播。本次研究以醫(yī)化園區(qū)內(nèi)廢氣排放量最大的某制藥廠為中心，半徑5km的范圍內(nèi)分析項(xiàng)目所在地的地表類型，整個(gè)范圍以30度為一個(gè)區(qū)域，共劃分12個(gè)區(qū)域分別統(tǒng)計(jì)地表類型（按照USGS分類方法學(xué)進(jìn)行分類），并計(jì)算包括太陽反照率、鮑文率以及地表粗糙度等土地利用參數(shù)。

3.2 地形數(shù)據(jù)分析

該醫(yī)化園區(qū)位于城區(qū)東北方向，園區(qū)西邊有太和山、小白云山、楓山等復(fù)雜地形，對(duì)惡臭的空氣污染擴(kuò)散產(chǎn)生一定的阻擋作用。本次研究充分考慮復(fù)雜地形對(duì)空氣擴(kuò)散的影響，采用90m精度的DEM數(shù)據(jù)對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行分析。

4 預(yù)報(bào)結(jié)果分析與討論

本系統(tǒng)投入試運(yùn)行后，原城區(qū)惡臭監(jiān)測點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)測城區(qū)惡臭等級(jí)，并將其監(jiān)測情況（共1個(gè)月）與本系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖2。

圖2 預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比

從圖2中可以看出，本預(yù)警系統(tǒng)總體惡臭發(fā)生預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度達(dá)到67.7%。在4月30日這天，系統(tǒng)利用當(dāng)天的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)分析預(yù)報(bào)出5月1日氣象擴(kuò)散條件極為不利，城區(qū)將受到醫(yī)化園區(qū)惡臭廢氣的嚴(yán)重影響。5月1日的氣象條件和氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)較符合，而城區(qū)監(jiān)測點(diǎn)也果然監(jiān)測到強(qiáng)烈的惡臭廢氣，本預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮了很好的作用，即利用AERMOD大氣擴(kuò)散模型整合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來分析未來24h當(dāng)?shù)貧庀髼l件對(duì)醫(yī)化園區(qū)惡臭廢氣擴(kuò)散的影響，并對(duì)不利氣象條件進(jìn)行預(yù)警，讓政府管理部門及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，減緩惡臭廢氣對(duì)城區(qū)的影響。

而5月31d中共有7次預(yù)警系統(tǒng)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確，預(yù)報(bào)顯示會(huì)對(duì)城區(qū)產(chǎn)生臭味影響，而實(shí)際監(jiān)測處并未監(jiān)測到惡臭發(fā)生，另外本預(yù)警系統(tǒng)有3次預(yù)報(bào)結(jié)果比實(shí)測惡臭等級(jí)更為嚴(yán)重，在沒有準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的7d中，其中有6d預(yù)報(bào)顯示惡臭發(fā)生于夜間8點(diǎn)至次日早上8點(diǎn)，其中5月21日預(yù)報(bào)顯示白天有惡臭發(fā)生，而實(shí)際未發(fā)生。導(dǎo)致系統(tǒng)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確的原因有多種，其中系統(tǒng)在惡臭濃度等級(jí)分析時(shí)取值較為保守導(dǎo)致預(yù)測的結(jié)果也較為保守。另外引起預(yù)警系統(tǒng)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確的潛在因素主要還有以下幾個(gè)方面：（1）惡臭廢氣源強(qiáng)不確定。由于醫(yī)化園區(qū)企業(yè)多，生產(chǎn)工況變化大，源強(qiáng)復(fù)雜，部分企業(yè)存在夜間加大生產(chǎn)情況，而本預(yù)警系統(tǒng)假定醫(yī)化園區(qū)廢氣24h平均排放，污染排放源排放狀況的波動(dòng)可能直接導(dǎo)致本系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果的偏離；（2）氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用WRF氣象模型預(yù)報(bào)結(jié)果，盡管現(xiàn)代短期氣象預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，但其仍具有不準(zhǔn)確的特點(diǎn)，氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的誤差也可能造成本系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果偏離實(shí)際；（3）AERMOD大氣擴(kuò)散模型本身的計(jì)算偏差。盡管AERMOD是比較成熟的、準(zhǔn)確度較高的近距離大氣擴(kuò)散模型，但是由于本醫(yī)化園區(qū)位于海邊，當(dāng)?shù)厝菀资艿胶ｊ戯L(fēng)影響，在特定時(shí)段可能形成局部復(fù)雜風(fēng)場，對(duì)AERMOD準(zhǔn)確預(yù)報(bào)造成干擾。（4）惡臭監(jiān)測難度大、主觀性較強(qiáng)，不同個(gè)體對(duì)不同氣體的臭味感受不同，也給系統(tǒng)的惡臭等級(jí)設(shè)定和后續(xù)判定增加了難度。

5 結(jié)語

工業(yè)園區(qū)惡臭廢氣的影響預(yù)警預(yù)報(bào)是當(dāng)前環(huán)境管理工作中的一個(gè)難點(diǎn)，本惡臭預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)技術(shù)以及環(huán)境大氣擴(kuò)散模型技術(shù)，對(duì)此進(jìn)行了大膽嘗試，系統(tǒng)試運(yùn)行一個(gè)月顯示了較高的準(zhǔn)確度。除了加強(qiáng)惡臭預(yù)警，政府還投入了大量人力和財(cái)力，加快醫(yī)化園區(qū)企業(yè)的整治工作，關(guān)停或退出部分設(shè)備老舊落后、排污嚴(yán)重的企業(yè)，對(duì)部分企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從源頭上控制惡臭的發(fā)生，力爭2013年底椒江主城區(qū)基本告別惡臭。

針對(duì)本系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行過程中的不足之處，今后可在以下幾個(gè)方面繼續(xù)研究改進(jìn)：加強(qiáng)對(duì)廢氣源強(qiáng)的調(diào)查；提高氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以嘗試在醫(yī)化園區(qū)設(shè)立氣象觀測站；嘗試使用其他擴(kuò)散模型如適合復(fù)雜風(fēng)場條件的CALPUFF模型等。本系統(tǒng)的應(yīng)用使醫(yī)化園區(qū)及當(dāng)?shù)丨h(huán)境管理部門可以提前24h獲取大氣擴(kuò)散條件信息，預(yù)測未來24h園區(qū)廢氣對(duì)城區(qū)影響程度，從而提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，有效控制惡臭廢氣污染對(duì)城區(qū)的影響，大大提升了管理部門對(duì)大氣環(huán)境的管理能力，對(duì)營造和諧社會(huì)具有重大意義。

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