AERMOD 模型在土壤環境影響預測中的應用

吳波

（南京博環環保有限公司，南京 210037）

我國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染較重，耕地土壤環境質量堪憂，工礦業廢棄地土壤環境問題突出。工業企業排放廢氣中的特征污染物，如揮發性有機物、重金屬、二噁英等會隨大氣擴散、遷移，并通過大氣的沉降作用進入土壤，造成土壤污染。工業企業造成土壤污染主要方式包括大氣沉降、地面漫流、垂直入滲三種方式，其中大氣沉降已經被認為是區域土壤污染的重要來源。揮發性有機物大氣沉降主要是指大氣物質的自然沉降，分為干沉降與濕沉降[1]。干沉降是大氣中污染物清除的主要過程之一，直接影響空氣中污染物的濃度和空氣質量狀況的時空分布[2]。大氣干沉降是指在沒有降水的情況下，大氣物質受重力、紊流、熱力、慣性以及靜電的作用，降入到地面或水面的過程。大氣濕沉降是指大氣物質隨降水（雨、雪、冰雹）等降入地面或水面的過程。

《環境影響評價技術導則土壤環境（試行）》（HJ 964—2018）[3]（以下簡稱“土壤導則”）已于2019 年7 月1 日實施。該導則中提出了土壤環境影響預測的基本方法，對于以大氣沉降為主的影響預測過程，需要確定并估算大氣沉積量，其對于研究工業企業建設期間、運行期間、退役后對土壤影響情況有著重要的意義。土壤導則中對于沉積量的計算要求參照HJ 2.2《環境影響評價技術導則——大氣環境》[4]（以下簡稱“大氣導則”）。

AERMOD 是目前國際上最成熟、最先進的空氣質量模型之一。作為大氣導則的推薦模型之一，AERMOD 模型是一個穩態煙羽擴散模式，可基于大氣邊界層數據特征模擬多種排放源（點源、面源和體源）排放污染物的濃度分布情況[5-7]。AERMOD 模型系統由AERMET（氣象預處理模塊）、AERMAP（地形前處理器）和AERMOD（大氣擴散預測模塊）三部分組成[8]，集成了大氣沉積量的計算過程，包括干沉積率、濕沉積率、總沉積率的計算。

文中以某市化學品生產項目為例，對化工企業生產過程中的有機廢氣干濕沉降對土壤環境的影響進行研究，為氣體污染物擴散沉降對土壤環境影響評價、科研等提供參考和借鑒。

1 AERMOD 模型中沉降算法[9]

1.1 干沉積的計算方法

AERMOD 模型沉降算法基于美國ANL實驗室的研究。干沉降的計算公式為：

式中：Fd為干沉積量，μg/(m2·s)；χd為參照高度Zr（Zr=Z0+1 m，Z0為下墊面粗糙度的長度，m）處的濃度，μg/m3；vd為沉降速度，m/s；。

對于沉降速度的計算，氣態干沉積沉降速度計算公式為：

式中：Ra為空氣動力學阻力，s/m；Rb為片流層阻力，s/m；Rc為近地面阻力，s/m。

式（2）中Ra、Rb、Rc的計算及確定公式為：

式中：k 為卡曼常數（無量綱，0.4）；u*為摩擦速率，m/s；L 為莫寧-奧布霍夫長度。

式中：Da為空氣中的擴散系數（m2/s）；υ 為空氣運動黏度，υ≈0.1505×10-4m2/s。

式中：LAIr為綠葉面積指數（無量綱）；Rs為空氣運動黏度，Rs≈0.1505×10-4m2/s；Rm為葉肉抗性；Rcut為表層阻力；Rac為植被冠層的空氣阻力；Rg為地面吸收能力。

1.2 氣態濕沉積的計算方法

濕沉降的計算公式為：

式中：Fwg為氣態濕沉積量；Cl為液相污染物濃度；Mw為污染物分子量；r 為降水量。

式中：fsat為飽和度分數（無量綱）；C1sat為飽和液相中污染物濃度。

式中：ρg為空氣中氣態污染物濃度；R 為氣體常數；Lw為降雨中液態水的含量，Lw=r0.889/13.28 g/m3；Ta為環境溫度；H 為亨利常數。

式中：fsat為飽和度分數（無量綱）；tres為邊界層雨滴停留時間；tabs為雨滴飽和時間；Z 為煙羽高度或混合層高度（取兩者大值）；vfall為降水下降速度，vfall=3.75r0.111m/s；a 為雨滴半徑，a=r0.232/18.11 cm；fg為氣側擴散增強因子（無量綱），fg=80a+1；v 為氣體分子速度，v=50 000 cm/s；αs為粘著系數，αs=0.01；Dw為液相分子擴散系數，cm2/s；fl為液體擴散增強因子（雨滴直徑小于0.01 cm，取值1.0；雨滴直徑在 0.01～0.05 cm，取值 2.6；雨滴直徑大于0.05 cm，取值20.0）。

AERMOD 模型中總沉積量即干沉積量與濕沉積量之和。

2 項目基本情況介紹

某企業生產多元醇及油酸甘油脂，工藝有組織廢氣為甲苯、甲酸。其車間設置一套冷凝+二級活性炭吸附系統處理該項目產生的廢氣。各工段反應釜均密閉，產生廢氣通過管道收集至車間尾氣總管，進入尾氣處理系統進行處理，達標后通過15 m 高1#排氣筒排放。無組織廢氣主要為生產車間及儲罐區未收集的甲苯廢氣，廢氣排放情況（見表1）。

3 模型中各項參數選擇

3.1 地面及高空氣象數據

地面氣象資料中（見表2），風向、風速、溫度等原始地面氣象觀測數據來源于國家氣象局，云量數據來源于國家環境保護環境影響評價數值模擬重點實驗室的衛星觀測總云量（Cloud Total Amount Retrieved by Satellite，CTAS）。為保證模型所需輸入數據的連續性，對于觀測數據中存在個別小時風向、風速、溫度等觀測數據缺失的時段，采用線性插值方式予以補充。對于低云量的缺失（低云量主要影響氣象統計分析，不參與模型計算），采用總云量代替的方式予以補充。

高空氣象資料是采用大氣環境影響評價數值模式WRF 模擬生成（見表3）。模式計算過程中，把全國共劃分為189×159 個網格，分辨率為27 km×27 km。模式采用的原始數據有地形高度、土地利用、陸地-水體標志、植被組成等數據，數據源主要為美國的USGS 數據。模式采用美國國家環境預報中心（NCEP）的再分析數據作為模型輸入場和邊界場。

表1 某企業廢氣排放情況Tab.1 Organized exhaust emission of an enterprise

表2 地面氣象數據基本信息情況Tab.2 Basic information of ground meteorological data

表3 高空氣象數據情況Tab.3 High altitude meteorological data

3.2 地形數據

地形數據來自http://srtm.csi.cgiar.org/網站提供的高程數據。分辨率為3 arc，約為90 m。地形如圖1 所示。

圖1 項目所在區域地形概況Fig.1 Terrain data of project site

3.3 氣態沉降的各項參數

根據AERMOD 模型中干沉積的計算公式，主要需要確定的參數為：Da（空氣中的擴散系數（m2/s））、LAIr（綠葉面積指數，根據地面類型及不同季節情況確定），其他參數中Rm、Rac、Rg均可通過地面氣象文件中數據（相對濕度、溫度、降水率等數據）進行計算，Rcut需要提供單個葉面反彈阻力Rcl進行計算。

根據AERMOD 模型中濕沉積的計算公式，主要需要確定的參數為：分子量（Mw）、液相分子擴散系數（Dw），其余參數可通過地面氣象數據中數據進行計算（降水量r 取自地面氣象數據文件）。

氣體干濕沉降的各項參數參照ANL/ER/TR-01/003[10]中數據，具體見表4。

3.4 預測方案

預測區域為項目排氣筒中心2 km×2 km 的矩形區域，預測網格設置為100 m×100 m，預測氣體沉降中甲苯的年均總沉積量、年均濕沉積量、年均干沉積量，其中干濕沉積量的計算均不考慮干清除及濕清除。預測甲苯沉積量并疊加本底濃度后（該區域土壤中未檢出甲苯）是否滿足GB 36600—2018《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準》[11]表1 中第二類用地標準篩選值的要求。預測方法采用土壤導則附錄E 中單位質量土壤中某種物質增量公式計算，不考慮經過淋溶及徑流排出的量[3]。

表4 氣態沉降各項參數情況Tab.4 Parameters of gaseous settlement

4 預測結果及對比情況

預測結果表明：在項目2 km 范圍內，甲苯年均最大總沉積量為2.57 g/m2，最小總沉積量為0.009 g/m2，平均總沉積量為0.061 g/m2；最大干沉積量為2.55 g/m2，最小干沉積量為 0.009 g/m2，平均干沉積量為0.059 g/m2；最大濕沉積量為0.027 g/m2，最小濕沉積量為0.0005 g/m2，平均濕沉積量為0.0016 g/m2。

三種沉積量隨距離的分布如圖2 所示。選擇項目所在位置為橫向的網格作為代表，沿橫向（X 軸線）三種沉積量對比分布如圖3 所示。

該區域內甲苯干沉積量占總沉積量的 97%～99%，濕沉降對總沉積量的貢獻值很小。甲苯在有機物中具有一定代表性，其擴散系數、單個葉面反彈阻力、亨利常數等數據在ANL/ER/TR-01/003[10]中屬中間偏上。AERMOD 模型確定參數中空氣、水中的擴散系數與沉積量是正比關系，通過對甲苯有機廢氣沉積量的計算，基本可以反映揮發性有機物在該區域的沉降情況，該區域揮發性有機物質的沉降主要為干沉降（占95%以上）。通過對干沉積計算過程的數據進行分析，預測過程（365 天）中每天計算得到的Ra、Rb、Rc、vd的情況見表5。

表5 干沉降計算結果情況Tab.5 Calculation results of dry settlement

由圖4 和表5 中的數據可以看出，甲苯在該區域干沉降過程的沉降速度范圍為0.0003～0.0033 m/s，平均沉降速度為0.0016 m/s。由圖5 可以看出，干沉降速度具有明顯的日變化特征，一般在中午前后出現最大值。

圖2 三種沉積量分布Fig.2 Distribution of three kinds of deposition: a) total annual deposition; b) annual average dry deposition;c) annual average wet deposition

選擇采用AERMOD 模型計算得出的年平均總沉積量為0.061 g/m2，評價范圍內面積為400 萬平方米，5、10、20 年沉積量分別為1220、2440、4880 kg。該區域土壤容重為2.6×103kg/m3，評價土壤深度按照表層土0.2 m，此區域土壤總質量為2.08×109kg。則區域5、10、20 年單位質量土壤中甲苯預測值（現狀值為未檢出）為0.000 59、0.001 17、0.002 35 g/kg，滿足GB 36600—2018《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準》[11]表1 中第二類用地標準篩選值的要求（1.2 g/kg）。按此情況大氣沉降約600 年方可達到篩選值，可見該企業甲苯大氣沉降對周圍土壤環境影響比較小。

圖3 代表性網格三種沉積量對比分布Fig.3 Comparison and distribution of three kinds of deposition in representative grid

圖4 氣體沉降速度年分布Fig.4 Annual distribution of gas settlement speed

圖5 每天氣體沉降速度隨小時變化曲線Fig.5 Change curve of daily gas settlement speed with hour

5 結論

1）使用大氣導則中推薦的AERMOD 模型對土壤中氣態物質的干沉降及濕沉積量進行了計算分析，為以大氣沉降為主、氣態物質的土壤環境影響預測提供了參考及計算思路。

2）選取某企業甲苯有機廢氣的大氣沉降進行大氣污染物沉積量計算，計算結果表明：該區域內甲苯干沉降量占總沉降量的97%～99%，濕沉降對總沉降量的貢獻值很小，甲苯在該區域干沉降過程沉降速度范圍為0.0003～0.0033 m/s，平均沉降速度為0.0016 m/s。干沉降速度具有明顯的日變化特征，一般在中午前后出現最大值。根據AERMOD 模型中干沉降及濕沉降的計算公式，選取甲苯作為揮發性有機物代表分析其大氣沉降的規律，具有一定的代表性。

3）采用AERMOD 模型進行大氣沉降的計算，地面氣象數據作為預測的基礎數據，尤其是濕沉降的計算涉及到逐時降雨量、相對濕度等地面氣象資料，相關數據獲取難度較大。通過分析可知，濕沉降在揮發性有機物大氣沉降量中占比較小，可以不考慮濕沉降，以干沉降作為總沉降量的代表。