李煜婷,金宜英,劉富強 (清華大學環(huán)境學院,北京 100084)

20世紀末,國內(nèi)外研究者開始利用空氣管理模型ISCST3、APC3、AERMOD、CMAQ等模型對環(huán)境介質(zhì)中的二英類物質(zhì)影響程度和范圍進行了預(yù)測和分析[1-7].這些研究都采用第一代空氣管理模型進行研究,模擬值與實測值大致處在同一數(shù)量級別.21世紀初,隨著第二代空氣模型問世,國外一些研究者對不同大氣擴散模型模擬結(jié)果進行了比較分析.Trinh Hoa等[3]采用AERMOD結(jié)合地理統(tǒng)計學模型對美國密西根州的陶氏化學化工焚燒廠周邊土壤中的二英類物質(zhì)污染進行了模擬.Trinh等[8]還比較了分別采用ISCST3和AERMOD兩種大氣擴散模型預(yù)測焚燒廠二英類物質(zhì)沉降量的準確性,得出結(jié)論和其他研究者相似：AERMOD模擬計算的干沉降下風向煙羽范圍較窄,沉降量較多.綜合國內(nèi)外研究,研究者們多采用第一代空氣管理模型ISCST3進行模擬.但ISCST3模型氣相離散參數(shù)設(shè)置和擴散條件的不確定性導(dǎo)致模擬結(jié)果和實測值之間偏差較大[5].第二代空氣管理模型對垂直非均勻邊界層進行了特殊處理,實現(xiàn)了參數(shù)連續(xù)化,因而模擬結(jié)果優(yōu)于ISCST3.目前,國內(nèi)未見研究者用第二代空氣管理模型AERMOD對我國焚燒廠周邊二英類物質(zhì)擴散和遷移影響進行模擬的報道.盡管國內(nèi)外已開展AERMOD模型應(yīng)用于二英類物質(zhì)擴散的研究[9-11],但由于AERMOD空氣擴散模型只是針對常規(guī)污染物質(zhì)(TSP、SO2、NOx)擴散和遷移性質(zhì)進行模擬開發(fā),而二英類物質(zhì)化合物特性有別于常規(guī)污染物質(zhì),因此AERMOD模型用于二英類物質(zhì)排放擴散遷移模擬還存在一定局限性.

1 研究方法

1.1AERMOD模型介紹

1.1.1AERMOD模型特點 AERMOD模型由美國國家環(huán)保局聯(lián)合美國氣象學會共同開發(fā),該模型系統(tǒng)包括大氣擴散模型、氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理器和地形數(shù)據(jù)預(yù)處理器3部分.作為一個能完全替代第一代空氣管理模型ISCST3的穩(wěn)態(tài)煙羽擴散模式,具有以下特點：①可基于大氣邊界層數(shù)據(jù)特征模擬點源、面源、體源等排放出的污染物在短期(小時平均、日平均)、長期(年平均)的濃度分布,適用于農(nóng)村或城市地區(qū)、簡單或復(fù)雜地形;②按空氣湍流結(jié)構(gòu)和尺度的概念,湍流擴散由參數(shù)化方程給出,穩(wěn)定度用連續(xù)參數(shù)表示;③中等浮力通量對流條件采用非正態(tài)的PDF模式;④考慮了對流條件下浮力煙羽和混合層的相互作用;⑤考慮了高度尺度對流場結(jié)構(gòu)及湍動能的影響.

1.1.2 AERMOD模型數(shù)據(jù)輸入 (1)氣象參數(shù)實例分析中采用北京市2008年全年逐日4次地面氣象觀測,其中包括風向、風速、氣壓、溫度、相對濕度、總云量和低云量.該氣象站與某城市生活垃圾焚燒廠排氣筒的直線距離約為3.6km,可較好反映污染源所在地的低空氣象參數(shù);該垃圾焚燒廠所在地2008年主導(dǎo)風向為西北(NW),全年年均風速為2m/s,靜風頻率(風速小于0.5m/s)為3.1%.AERMOD所需的高空氣象資料由中尺度氣象模式MM5模擬生成.

(2)地形參數(shù)

模型采用的地形參數(shù)來源于北京市所在區(qū)域1：250000地形格柵文件,經(jīng)Arcinfo坐標及地理投影轉(zhuǎn)換,生成模型所需的數(shù)字高程文件.輸出地理高程文件時,以焚燒廠煙囪為中心,按照500m×500m網(wǎng)格進行讀數(shù),預(yù)測接收點網(wǎng)格分辨率為10km×10km,共計2601個網(wǎng)格點.

污染源數(shù)據(jù)采用北京市某城市生活垃圾焚燒廠的實際排放參數(shù),具體見表1.

表1 某城市生活垃圾焚燒廠實際排放參數(shù)Table 1 The municipal waste incineration plant emission parameter

1.2.3 兩種情景模式設(shè)計 根據(jù)以上研究參數(shù)設(shè)置,為便于比較分析,本研究分2種情景模式對參數(shù)進行設(shè)置：

大明路的整治的主要目標包括：“路平”、“優(yōu)化交通功能”、“桿線地下工程”、“綠化景觀改造”和“海綿城市建設(shè)”等。

兩種情景模式進行以下參數(shù)設(shè)置：

表2 兩種情景模式氣-固分配參數(shù)Table 2 Gas-particle partition parameter in the two model scenario

表3 輸入模型的TSP和PM10沉降系數(shù)Table 3 TSP and PM10deposition coefficient of the model input

1.3 監(jiān)測布點設(shè)置方案

1.3.1 環(huán)境空氣采樣點設(shè)置 根據(jù)模型初步預(yù)測結(jié)果重點監(jiān)測焚燒廠煙囪排放口周邊5km內(nèi)的區(qū)域,同時考慮歷年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù),風頻較高風向選取下風向做重點監(jiān)測.大氣監(jiān)測布點距離見表4,采樣點分布如圖1所示.

表4 大氣監(jiān)測布點情況表Table 4 Observed simple sites in the atmosphere

圖1 環(huán)境大氣中二英類物質(zhì)采樣布點示意Fig.1 Map of sampling sites in the atmosphere

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)測結(jié)果

2.1.1 最大落地濃度 圖2可以看出,相同的氣象和地形條件,不同氣-固分配比例和顆粒物粒徑分布,最大落地點濃度分布呈現(xiàn)相似性,同時也存在較明顯的差異.不同的二英類物質(zhì)氣-固分配比例,TSP和PM10濃度擴散分布表現(xiàn)出相似趨勢,即下風向濃度梯度最大,并且最大落地點濃度皆出現(xiàn)在下風向(NW320°)上.年均最大落地點濃度為 2.57×10-3～6.88× 10-3ng/m3,遠遠小于歐盟規(guī)定的0.1ngTEQ/m3的二英類物質(zhì)排放限值.

表5可以看出,2種情景模式中,最大落地點濃度出現(xiàn)方位相同,顆粒物的粒徑分布影響較顯著,細顆粒物(PM10)出現(xiàn)在距離焚燒源550～600m左右,粗顆粒物(TSP)出現(xiàn)在距離焚燒源350m左右.表明,細顆粒物(PM10)比粗顆粒物(TSP)更容易遠距離擴散.氣-固分配系數(shù)對顆粒物的落地點濃度影響不大.

表 6可以看出,以5.0×10-4,1.0×10-3,3.0×10-3,5.0×10-3ng/m3為濃度線,二英類物質(zhì)完全吸附在顆粒物上TSP(100%)落地點和PM10(100%)落地點與80%固相-20%氣相的顆粒物TSP(80%+20%)和 PM10(80%+20%)擴散距離比較,不同氣-固分配和顆粒物粒徑分布設(shè)置對顆粒物的遷移距離影響不大,細顆粒物(PM10)比粗顆粒物(TSP)擴散距離略遠.

圖2 2種情景模式中二英最大落地點濃度分布Fig.2 The max-landing point concentration distribution of PCDD/Fs in the two model scenario

表5 年均最大落地點濃度統(tǒng)計Table 5 Average max-landing point concentration

表6 達到濃度線時顆粒物的遷移距離Table 6 Particle migration distance to limited concentration

圖3 下風向二英類物質(zhì)濃度隨距離分布Fig.3 PCDD/Fs concentration distribution in the downwind with the distance

由圖3可見,TSP和PM10濃度曲線出現(xiàn)部分重合,二英類物質(zhì)落地點濃度為5.0×10-4ng/m3后濃度基本保持恒定不變,出現(xiàn)點范圍在據(jù)煙囪出口3000～3400m左右.TSP濃度分布曲線出現(xiàn)了3個峰值,分別在距離焚燒源400,1100,1600m附近,PM10在距離焚燒源500m處出現(xiàn)一個峰值.TSP濃度始終大于PM10的落地點濃度.

其可能的原因是：(1)TSP中的細顆粒物部分在大氣擴散過程中冷卻凝聚成粗顆粒物,分別在400,1100,1600m附近聚集沉降到地面.(2)PM10中細顆粒物較多,在大氣擴散過程中只在500m左右有一次明顯的冷卻凝聚成粗顆粒物沉降到地面的現(xiàn)象,所以只出現(xiàn)一個峰值.TSP含有比PM10更多比例的粗顆粒物,因此出現(xiàn)3個峰.(3)TSP的沉降趨勢比PM10要強.

比較2種情景模式模擬結(jié)果得出,TSP(100%)與TSP(80%+20%)濃度分布曲線基本重合,PM10(100%)和PM10(80%+20%)濃度曲線完全重合,表明100%和80%的氣-固分配設(shè)置對二英類物質(zhì)濃度擴散影響不大;TSP(100%)與PM10(100%),TSP(80%+20%)與 PM10(80%+20%)濃度曲線始終是TSP大于PM10,說明顆粒物的粒徑分布系數(shù)對二英類物質(zhì)濃度擴散影響較大,并且粗顆粒物的沉降強度大于細顆粒.

2.1.3 模擬濃度值與實測濃度值比較 表7可以看出,2種情景模式濃度模擬值之間相差不大,處于同一數(shù)量級,相對差比值為0～0.164.模擬值和實測值相對差比值為0.01～0.89,其中B點、H點模擬值和實測值相差較大,分別為0.89和0.81.PM10模擬濃度值比TSP模擬濃度值更接近于測量值,說明PM10作為二英類物質(zhì)在模擬中的載體更能反映真實的二英類物質(zhì)擴散規(guī)律.

表7 模擬濃度值與實測濃度值比較統(tǒng)計(pg I-TEQ/m3)Table7 Comparison between the predicted value and the observed value(pg I-TEQ/m3)

2.2 參數(shù)的不確定性分析

模型的計算方法、假設(shè)條件和設(shè)定的參數(shù)對模擬結(jié)果會產(chǎn)生誤差.為了量化誤差程度,本研究對輸入模型的參數(shù)：氣-固分配比例以及顆粒物粒徑分布比進行不確定性計算,分析固態(tài)分配系數(shù)每變化±20%和顆粒物粒徑分配系數(shù)每變動±10%對結(jié)果產(chǎn)生的不確定性,利用Freeman[20]不確定性分析公式解析其不確定性,結(jié)果見圖4.

由圖4可見,9個模擬采樣點固態(tài)分配系數(shù)和細顆粒物粒徑分配系數(shù)平均總不確定性分別為21.94%和12.43%,由此顯示由輸入?yún)?shù)對結(jié)果造成的影響較大.

圖4 參數(shù)的不確定性分析結(jié)果Fig.4 Uncertainty analysis of parameters

本研究存在模擬參數(shù)的缺乏和不精準問題,使得模擬結(jié)果有一定偏差.輸入源強參數(shù)以及氣象條件存在一定不確定性,如煙囪出口的二英排放源強以及24h氣象條件.我國氣象監(jiān)測站每6h統(tǒng)計一次地面氣象數(shù)據(jù),輸入模型前需要用軟件進行差值成連續(xù)24h氣象數(shù)據(jù).本研究用一個實例進行模擬值和實測值的比較,比較結(jié)果是否具有普適性還有待進一步研究.

3 結(jié)論

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