逐時變化源強在大氣擴散模型AERMOD中的應用

＊程吉 吳成志 張怡悅

（三捷環境工程咨詢（杭州）有限公司 浙江 310012）

1.前言

堆場作業起塵是各類建設項目中常見的一類無組織粉塵排放源，廣泛存在于碼頭、火電、礦山等項目中，也是此類項目在大氣環境影響評價過程中重點關注的污染物排放源之一。一般而言，堆場的揚塵排放源強與風速密切相關，同時也與堆場防塵措施有關[1]。當風速較大時，堆場揚塵源強排放量較大；當風速較小時，揚塵排放量相應會變小[2]。

通過利用擴散模型對堆場作業揚塵排放的污染物在大氣中的擴散進行模擬，可以評估揚塵源對空氣中顆粒物濃度分布的影響。AERMOD模型是《環境影響評價技術導則-大氣環境》（HJ 2.2）中的推薦模型，已經在我國的大氣環境影響評價及研究中廣泛應用[3-5]，包括煙囪高度合理性論證、二噁英擴散遷移、土壤沉積影響、火電超低排放影響、大氣環境防護距離等[6-13]。在項目的大氣環境影響預測實踐中，通常使用穩定工況下的平均源強。但是，對于堆場源而言，平均源強無法反映出此類源的源強隨著外界環境風速的變化而變化的特點。本文嘗試了一種逐時變化源強的設置方式，通過基準年逐時風速計算每小時變化的堆場源強，并采用AERMOD進行擴散模擬計算，評估該種處理方式與平均源強處理方式的結果差異。

2.研究方法與數據

(1)源強數據及處理

某擬建礦石中轉碼頭項目，吞吐量為3000萬噸/年鐵礦石，其中進港1500萬噸/年，中轉出港1500萬噸/年，碼頭后方包含一個礦石散貨堆場，共設置4臺堆取料機，每臺堆取料機最大操作能力為7000t/h，項目主要排放污染物為堆取料過程排放的總懸浮顆粒物（TSP），且經實驗得到堆場作業揚塵的粒度分布中粒徑小于100μm的質量百分數為9.6%，擬采用AERMOD模型模擬堆場揚塵對周邊大氣環境的影響。

根據《港口建設項目環境影響評價規范》（JTS105-1-2011)，煤炭、礦石裝卸作業起塵量可按下式計算：

式中，Q—作業起塵量，kg；α—貨物類型起塵調節系數；β—作業方式系數，裝（卸）船時取1，取料時取2；H—作業落差，m；ω2—水分作用系數，與散貨性質有關，取0.40～0.45；ω0—水分作用效果的臨界值，即含水率高于此值時水分作用效果增加不明顯，與散貨性質有關，礦石取5%；ω—含水率，%；Y—作業量，t；v2—作業起塵量達到最大起塵量50%時的風速，m/s；一般散貨取16m/s；U—風速，m/s。

本項目在計算起塵量時，貨物類型起塵調節系數按照JTS105-1-2011中表4.3.3的礦粉類取1.6；作業方式系數按取料時取2，作業落差取1m，水分作用系數取0.45，含水率取6.5%，風速分別采用基準年當地氣象站平均風速和基準年當地氣象站逐時風速進行起塵量計算。

①采用年平均風速進行源強計算

項目所在地氣象站基準年全年平均風速為5.14m/s，考慮到采用防風抑塵網對風速的影響以及多堆修正，修正后的風速為3.2m/s。單臺取料機按7000t/h作業能力計算，則根據公式（1）計可以得到堆場源的起塵量，再考慮到起塵中TSP的質量分數，得到單臺取料機排放TSP的源強為42.9kg/h。正常操作條件下同時兩臺取料機運行，則最大小時排放速率為85.8kg/h。年取料量按1500萬噸/年計，則TSP年排放量為91.94t/a。

②采用逐時風速進行逐時源強計算

采用項目所在地氣象站基準年逐時風速進行源強計算，基準年逐時風速最小為0.40m/s，最大為13.8m/s。經過防風抑塵網對風速的削減以及多堆修正后，最小風速為0.25m/s，最大風速為8.60m/s。單臺取料機按7000t/h作業能力計算，根據公式（1）及起塵中的粒度分布，計算得到最小風速和最大風速對應的單臺取料機排放TSP源強分別為20.92kg/h和148.7kg/h，不同風速下的取料機TSP排放速率見表1。年取料量按1500萬噸/年計，由于無法確定1500萬噸取料量實際取料時段分布情況，將取料時段在全年8760個小時平均分布進行逐時計算，計算得到TSP年排放量為98.61t/a。

表1 不同風速下取料機TSP排放源強

根據以上計算可知，從短期排放速率來看，采用逐時風速的方式進行源強計算，最小風速下的小時排放速率為采用年平均風速的排放速率的48.8%；最大風速下的排放速率為年平均風速的排放速率的346.6%。從長期排放量來看，采用逐時風速計算的年排放量為采用年平均風速計算的年排放量的107.2%。說明這兩種方法計算出的長期排放量相差不大，但在表征短期排放速率時會有較大差異。

圖1 不同風速下對應取料機顆粒物排放速率

(2)模擬方法及情景設置

本研究采用AERMOD模型對上述堆場起塵源進行了基準年全年的擴散模擬，模型參數設置如下：堆場采用面源方式，堆場面源的長寬為1100m×400m，面源排放高度取堆場防風網高度18m。在堆場廠界外10km×10km范圍內設置網格間距為100m的受體點和若干敏感點，考慮實際地形，地面氣象數據采用項目所在地氣象站基準年的氣象數據。

本研究共設置2個情景：情景1的源強采用年平均風速計算得到的堆場作業起塵TSP排放源強，針對全年各小時的風速，堆場面源的排放速率均為同一個速率；情景2的源強采用逐時風速計算得到的堆場作業起塵TSP排放逐時變化源強，通過編輯小時變化排放速率文件輸入AERMOD模型，使基準年每個小時的風速均有對應風速下的排放速率，各小時排放速率匯總見圖2。

圖2 全年逐時變化排放速率分布

3.模型預測結果分析

(1)全年時段結果對比

分別采用AERMOD對兩種情景進行基準年全年的模擬，并對結果進行差異性分析對比，如表2和表3所示。其中差值=逐時變化源強結果-年平均風速源強結果，負值代表逐時變化源強結果小于年平均風速源強結果；差值百分比=差值/年平均風速源強結果，代表差值與年平均風速源強預測結果的比例關系。

表2和表3的預測結果表明，各敏感點最大日均濃度采用逐時變化源強預測的結果比采用年平均風速源強預測結果偏小42.89%～51.21%，網格點最大值的最大日均濃度采用逐時變化源強預測的結果比采用年平均風速源強預測結果偏小26.14%；各敏感點年均濃度采用逐時變化源強預測的結果比采用年平均風速源強預測結果偏小16.98%～36.27%，網格點最大值的年均濃度采用逐時變化源強預測的結果比采用年平均風速源強預測結果偏小7.75%。

表2 最大日均濃度預測結果（μg/m3）

表3 年均濃度預測結果（μg/m3）

(2)典型日結果對比(風速大、風速小)

為了探究在風速大于年平均風速及風速小于年平均風速的情況下，采用以上兩種方法對揚塵源的模擬結果的影響，本研究分別在基準年中選取了風速大于年平均風速的一天（7月23日）和風速小于年平均風速的一天（7月29日）作為典型日，模擬用不同計算方法得到的源強在典型日對周邊環境影響，模擬結果見表4和表5。結果表明：在風速大于年平均風速的情況下，各敏感點日均濃度結果中，采用逐時變化源強預測的結果比采用年平均風速源強預測的結果大68.42%～88.89%，預測結果的最大日均濃度結果中，采用逐時變化源強預測的結果比采用年平均風速源強預測的結果大23.28%；在風速小于年平均風速的情況下，各敏感點日均濃度結果中，采用逐時變化源強預測的結果比采用年平均風速源強預測的結果小47.09%～50.97%，預測結果的最大日均濃度結果中，采用逐時變化源強預測的結果比采用年平均風速源強預測的結果小40.97%。

表4 典型日（風速大于年均值）平均濃度預測結果（μg/m3）

表5 典型日（風速小于年均值）平均濃度預測結果（μg/m3）

這主要是因為，在一般情況下，風速較大時有利于大氣污染物擴散，風速較小則不利于大氣污染物擴散。采用年平均風速源強時，全年所有風速對應同一個風速計算出的源強，當實際風速低于用于計算源強的風速時，模型預測用的源強大于實際起塵量，則采用年平均風速源強預測的結果將比實際影響更大；當實際風速高于用于計算源強的風速時，模型預測用的源強小于實際起塵量，則采用年平均風速源強預測的結果將比實際影響偏小。而采用逐時風速計算的源強時，由于預測用的源強是隨風速而變化的，風速小時源強小，風速大時源強大，可動態反應實際堆場起塵量隨風速的變化，如表6所示。

表6 不同計算方法下預測結果分析匯總

4.結論

本研究采用年平均風速和逐時變化風速兩種不同方法對堆場的作業起塵排放源強進行了計算，采用逐時變化風速計算的小時排放速率為采用年平均風速計算的小時排放速率的48.8%～346.6%，但采用逐時變化風速計算的年排放量為采用年平均風速計算的年排放量的107.2%。兩種方法計算的源強，短期速率相差較大，而長期排放量差異較小。

用AERMOD大氣質量模型對兩種計算方法下的源強進行模擬，預測結果表明，兩種情景下，不論是全年最大日均濃度還是年均濃度差，采用逐時變化風速計算源強預測的結果均顯著小于采用年平均風速源強進行預測的結果；典型日分析表明，當風速大于年均風速時，采用逐時變化風速計算源強預測的結果比采用年平均風速源強預測的結果大；當風速小于年均風速時，采用逐時變化風速計算源強預測的結果比采用年平均風速源強預測的結果小。