吳成志 程吉

大氣估算模式AERSCREEN與SCREEN3對(duì)比研析

吳成志 程吉

SCREEN3作為大氣導(dǎo)則推薦的估算模式在大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用。新一代的估算模式AERSCREEN在氣象數(shù)據(jù)處理、地形數(shù)據(jù)處理以及建筑物下洗等方面做了較多改進(jìn)。通過不同預(yù)測(cè)情境下的案例比較，研究了這些參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，結(jié)果顯示：AERSCREEN較SCREEN3得到的結(jié)果更為科學(xué)；建筑物下洗對(duì)污染物濃度影響很大，在AERSCREEN中尤為明顯；AERSCREEN計(jì)算得到的大氣環(huán)境防護(hù)距離比SCREEN3偏保守。

大氣估算模式；AERSCREEN；SCREEN3

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》推出以來，SCREEN3作為導(dǎo)則推薦的估算模式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)和評(píng)價(jià)范圍的確定中，為國內(nèi)環(huán)評(píng)從業(yè)者提供了很大便利。SCREEN3是美國環(huán)境環(huán)保署1995年推出的基于ISC3預(yù)測(cè)模式的篩選模式，2011年4月，美國環(huán)保署發(fā)布了新的基于AERMOD預(yù)測(cè)模式的篩選模式AERSCREEN，用于替代原來的SCREEN3。探討比較AERSCREEN和SCREEN3在不同情境下的預(yù)測(cè)結(jié)果，可以為今后有關(guān)項(xiàng)目的預(yù)測(cè)評(píng)估提供新的思路和方法，推動(dòng)大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù)的進(jìn)步。

AERSCREEN與SCREEN3模式

SCREEN3是一種單源高斯煙羽擴(kuò)散模式，適合于模擬小尺度范圍內(nèi)流場(chǎng)一致的氣態(tài)污染物的傳輸與擴(kuò)散。SCREEN3模式中嵌入了多種氣象組合條件，包括各種大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速組合，用戶可根據(jù)情況進(jìn)行選擇。SCREEN3可模擬計(jì)算點(diǎn)源、火炬源、面源、體源等污染源的落地濃度，并可考慮建筑物下洗、熏煙等情況下的最大落地濃度。

AERSCREEN則耦合了AERMOD計(jì)算內(nèi)核（09292以后版本），與SCREEN3相比，AERSCREEN在氣象數(shù)據(jù)處理、建筑物下洗參數(shù)處理、地形數(shù)據(jù)處理等方面做出了較大改進(jìn)。

AERSCREEN模型計(jì)算機(jī)理

AERSCREEN是基于AERMOD計(jì)算核心的篩選模式。AERSCREEN主要由兩部分組成：MAKEMET程序和AERSCREEN主程序。其中MAKEMET程序主要用于產(chǎn)生模型后續(xù)運(yùn)行所需的氣象參數(shù)，并可以考慮項(xiàng)目點(diǎn)周邊的地表利用情況。而AERSCREEN主程序則耦合了AERMOD計(jì)算內(nèi)核（09292以后版本，09292之前版本不可用）作為主要計(jì)算核心，并將MAKEMET生成的氣象數(shù)據(jù)文件作為AERMOD的氣象輸入?yún)?shù)；同時(shí)程序還充分考慮建筑物下洗效應(yīng)，利用BPIPPRM程序計(jì)算源的建筑物下洗參數(shù)；另外，AERSCREEN也利用AERMAP程序生成源和各受體點(diǎn)的海拔，從而在計(jì)算濃度時(shí)考慮復(fù)雜地形對(duì)污染物擴(kuò)散的影響。

AERSCREEN可計(jì)算點(diǎn)源、雨帽源、水平源、矩形面源、圓形面源、火炬源、體源等污染源的1-hr平均落地濃度，并可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到最大3-hr平均、8-hr平均、24-hr平均和年均濃度。

AERSCREEN相對(duì)SCREEN3改良之處

AERSCREEN相對(duì)SCREEN3的主要改良之處有以下幾點(diǎn)：

1. 計(jì)算內(nèi)核：AERSCREEN的計(jì)算內(nèi)核是AERMOD（09292以后版本），并在計(jì)算時(shí)通過MAKEMET程序生成氣象數(shù)據(jù)文件，利用AERMAP生成源和受體點(diǎn)的海拔高度，而且通過BPIPPRM程序充分考慮建筑物下洗效應(yīng)。SCREEN3計(jì)算核心不是AERMOD，在建筑物下洗、氣象參數(shù)、地形等方面考慮較粗糙。

＞＞估算模式AERSCREEN可以快捷方便地評(píng)估建設(shè)項(xiàng)目對(duì)周邊環(huán)境的影響程度

2. 建筑物下洗效應(yīng)：AERSCREEN更充分地考慮了建筑物下洗對(duì)濃度分布的影響，除了常規(guī)的建筑物尺寸外，還需要輸入三個(gè)參數(shù)：建筑物長邊與正北夾角、煙囪與建筑物中心點(diǎn)連線與正北夾角、煙囪與建筑物中心點(diǎn)距離。AERSCREEN利用這些參數(shù)運(yùn)行BPIPPRM程序后得到下洗參數(shù)，并應(yīng)用到模式的計(jì)算中。SCREEN3模式則采用ISC模式建筑物下洗算法，只考慮了建筑物的高度、寬度、長度來計(jì)算建筑物下洗情況下的污染物落地濃度，其模擬結(jié)果準(zhǔn)確性較差。

3. 氣象參數(shù)：AERSCREEN利用MAKEMET程序生成地表和高空氣象文件，還充分考慮了地表參數(shù)的影響，提供了三種不同的地表參數(shù)處理方式供選擇：一是用戶自定義地表參數(shù)——地表反照率、波文率、粗糙度；二是通過土地利用類型、氣候類型、不同季節(jié)生成地表參數(shù)；三是使用AERSURFACE輸出文件或AERMET的第3步輸入文件。MAKEMET根據(jù)地表參數(shù)并結(jié)合環(huán)境最高溫度、最低溫度、最小風(fēng)速及風(fēng)速計(jì)高度生成可用于AERMOD模型的地表和高空氣象文件，AERMOD再使用這個(gè)地表和高空氣象文件計(jì)算污染物的落地濃度。而SCREEN3則只提供了不同的大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速組合，用戶不能輸入地表參數(shù)，程序會(huì)確定“最不利”氣象條件，并計(jì)算得出污染物落地濃度，其模擬計(jì)算的代表性較差。

4. 地形：AERSCREEN可利用AERMAP程序處理復(fù)雜地形高程，生成各排放源和受體的海拔高度，進(jìn)而充分考慮地形對(duì)污染物擴(kuò)散的影響。SCREEN3預(yù)測(cè)過程中可考慮地形高度和離地受體高度。在復(fù)雜地形條件下，煙氣擴(kuò)散會(huì)受到地形影響，AERSCREEN改善了復(fù)雜地形條件下的模擬計(jì)算，其結(jié)果更貼近實(shí)際情況。

5. 源類型：與SCREEN3相比，AERSCREEN除了點(diǎn)源、面源、火炬源、體源外，增加了水平源、雨帽源，面源也分為矩形面源和圓形面源兩類。

6. 輸出濃度：AERSCREEN提供了轉(zhuǎn)化因子，可以根據(jù)計(jì)算得到的1-hr平均濃度計(jì)算得到最大3-hr平均、8-hr平均、24-hr平均和年均濃度。SCREEN3則只有在最不利氣象條件下距離源一定距離處的濃度分布。

AERSCREEN和SCREEN3對(duì)比分析

本案例為某工廠煙囪，其SO2排放量為3.6 g/s，煙囪高38 m、內(nèi)徑1.2 m，煙氣溫度80 ℃，邊上廠房高20 m、長300 m、寬90 m。受體范圍為100～25 000 m，工廠位于山區(qū)丘陵地帶。

氣象參數(shù)

AERSCREEN采用的計(jì)算內(nèi)核 為AERMOD_EPA_11103版 本，AERSCREEN和SCREEN3參數(shù)設(shè)置見表1，計(jì)算結(jié)果見圖1。

AERSCREEN計(jì)算得到的最高落地濃度為71.308 μg/m3，占標(biāo)率為14.26 %；而SCREEN3計(jì)算得到的最高落地濃度為43.28 μg/m3，占標(biāo)率為8.66 %。根據(jù)現(xiàn)行導(dǎo)則，AERSCREEN得到的結(jié)果其濃度最大占標(biāo)率超過10 %，需要進(jìn)行進(jìn)一步的模式計(jì)算，而SCREEN3得到結(jié)果則只需進(jìn)行三級(jí)評(píng)價(jià)，相比較下可知AERSCREEN所得結(jié)果較為保守。伯鑫等在不考慮建筑物下洗、熏煙，環(huán)境溫度根據(jù)項(xiàng)目當(dāng)?shù)貧庀髨?chǎng)最高溫度和最低溫度條件下，研究比較了SCREEN3、AERSCREEN、AERMOD的 預(yù) 測(cè) 結(jié) 果， 發(fā) 現(xiàn)AERSCREEN結(jié)果最為保守，并認(rèn)為AERSCREEN能較好地捕捉最不利氣象條件。由計(jì)算結(jié)果還可以看到，在距離4 500 m內(nèi)，AERSCREEN計(jì)算所得濃度高于SCREEN3；而在4 500 m以外，SCREEN3計(jì)算所得濃度高于AERSCREEN。

表1 AERSCREEN和SCREEN3氣象參數(shù)設(shè)置對(duì)比

氣象參數(shù)對(duì)污染物擴(kuò)散影響很大。AERSCREEN地表和高空氣象文件充分考慮了地表參數(shù)，并結(jié)合了環(huán)境最高溫度、最低溫度、最小風(fēng)速及風(fēng)速計(jì)高度，所得結(jié)果較為保守，相比SCREEN3具有更強(qiáng)的代表性。

建筑物下洗

AERSCREEN和SCREEN3除建筑物下洗外的相關(guān)參數(shù)設(shè)置同表1，建筑物下洗參數(shù)中AERSCREEN使用在AERMOD由同一個(gè)建筑生成的BPIP Inp文件，而SCREEN3中則是直接輸入建筑物長寬高（300 m× 90 m×20 m）。

表2 AERSCREEN和SCREEN3計(jì)算無組織面源擴(kuò)散濃度對(duì)比

在考慮了建筑物下洗后，AERSCREEN計(jì)算結(jié)果顯示，污染物的落地濃度大大增加，最大值出現(xiàn)在距離282 m處，達(dá)到了566.12 μg/m3，是不考慮建筑下洗情況下最大濃度的7.9倍。隨著距離的增大，建筑下洗的影響漸漸減弱，距離大于8 400 m后，建筑物下洗對(duì)污染擴(kuò)散的影響基本消除。

在考慮了建筑物下洗后，SCREEN3計(jì)算所得落地濃度最大值出現(xiàn)在距離200 m處，最大值為75.99 μg/m3，是不考慮建筑物下洗情況下最大濃度的1.75倍。當(dāng)距離大于900 m后，兩者所得計(jì)算結(jié)果一致，建筑物下洗對(duì)擴(kuò)散的影響基本消除。

建筑物下洗對(duì)排放源（包括點(diǎn)源、加帽點(diǎn)源、水平點(diǎn)源、火炬源）污染物擴(kuò)散的影響較大。在考慮了建筑物下洗的影響后，AERSCREEN計(jì)算所得受體點(diǎn)濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于忽略建筑物下洗的情況，且下洗效應(yīng)影響的距離較SCREEN3更遠(yuǎn)。

圖1 氣象數(shù)參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響

大氣環(huán)境防護(hù)距離

采用AERSCREEN和SCREEN3模式，分別對(duì)某項(xiàng)目的無組織排放源進(jìn)行計(jì)算，排放源參數(shù)如下：面源長20 m，寬10 m，排放高度為8 m，SO2排放速率為0.5 g/s。AERSCREEN和SCREEN3設(shè)置為城市區(qū)域性質(zhì)，其余參數(shù)同表1，運(yùn)行結(jié)果見表2。

SO2小時(shí)平均濃度的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為500 μg/m3，由AERSCREEN計(jì)算得到的大氣環(huán)境防護(hù)距離為400 m，而由SCREEN3計(jì)算得到的大氣環(huán)境防護(hù)距離為200 m。AERSCREEN計(jì)算結(jié)果較SCREEN3保守。

估算模式可以方便快捷地給出建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響程度。AERSCREEN和SCREEN3在 不 同情景下的應(yīng)用及其結(jié)果對(duì)比顯示，AERSCREEN較SCREEN3得到的結(jié)果更為保守；建筑物下洗對(duì)污染物濃度影響很大，在AERSCREEN中尤為明顯；AERSCREEN可以更好地反映出項(xiàng)目的實(shí)際情況，比目前國內(nèi)實(shí)行的SCREEN3模式更加科學(xué)，也能較好地解決目前大氣環(huán)評(píng)中估算模式SCREEN3計(jì)算得到的濃度結(jié)果比精算模式AERMOD的濃度結(jié)果低的問題。

吳成志、程吉，三捷環(huán)境工程咨詢有限公司。