城市大气扩散模型与一般环评模式的对比分析

ＡＤＭＳ一城市大气扩散模型与一般环评模式的对比分析

王辉

本溪市环境科学研究所本溪１１７０２１

摘要ＡＤＭｓ一城市大气扩散模型是由剑桥环境研究咨询有限公司研制开发的一套实用

模型。该模型适用于复杂地形条件下的大气环评。本文应用本溪市２００２年的Ｓ０２（二氧化硫）

大气环境监测资料、污染源排放清单资料和气象资料以及ＡＤＭ江城市大气扩散模型和一般的

高斯模式分别模拟计算了本溪市２００２年Ｓ０２日均浓度及年均浓度，并与实际监测浓度值进行

了对比分析。同时分别计算了两种方法的相关系数和符合指数。模拟结果表明：在本溪地区应

用ＡＤＭＳ—城市大气扩散模型所得结果比一般的环评模型所得结果要好。

‘关键字环评ＡＤＭＳ模式模拟计算相关系数

ＴｈｅＣｏｍｐａｒｉｓｏｎＢｅｔｗｅｅｎＡＤＭＳ－ｕｒｂａｎａｎｄＧａｕｓｓｉａｎＭｏｄｅｌ

ＷａｎｇＨｕｉ

ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｓｃｉｅｎｃｅｉｎＢｅｎｘｉＢｅｎｘｉｌ１７０２１

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＣｏｎｓｕｌｔａｎｔｓＡＤＭＳ—ｕｒｂａｎｗａｓｐｒａｃｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＣａｍｂｒｉｄｇｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅａｔｈｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂｏｔｈ

ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗｉｔｈＳ０２Ｌ吐ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｔＯｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｒｒａｉｎｗｅｒｅＡＤＭＳ－ｕｒｂａｎａｎｄＧａｕｓｓｉａｎｍｏｄｅｌｕｓｅｄｔＯｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅａｎｎｕａｌ

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ＫｅｙｗｏｒｄｓＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＩｍｐａｃｔＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＡＤＭＳ—ｕｒｂａｎＭｏｄｅｆｉｎｇＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ

一．引言

在环评工作中，一般常用导则推荐的大气扩散模型进行污染物落地浓度计算，在地形平坦地区，其结果是可信的。但在复杂地形地区（如本溪），用这样的模型显然是不合适的。本溪市是一座四周被山区包围的山城，其自然资源丰富，经济发展潜力很大。近几年，随着振兴东北老工业基地战略的实施，本溪市的经济得到高速发展，随之而来的大气污染源和污染物排放量也不断增多，而复杂的地形和气象条件又加剧了污染的可能性。在这种形势下，为更好地反映环境污染变化趋势，为环境管理决策提供及时、准确、全面的环境质量信息，使本溪市的大气环评预测工作与国际接轨，我们利用ＡＤＭＳ一城市大气扩散模型开展了本溪市的大气环评工作。这里我们将ＡＤＭＳ一城市大气扩散模型与一般环评模式的预测结果进行了比较。

一般来说，环评中使用的大气扩散模式按时间变化可分为诊断模式与演变模式两大类：按空间尺度分类可分为局地尺度模式、城市尺度模式和长距离模式等；按时间尺度分类可分为短期平均模式和长期平均模式ｌ¨。

这里应用ＡＤＭＳ一城市大气扩散模型及一般的高斯模式分别模拟计算了本溪市２００２年Ｓ０２日均浓度及年均浓度，并与实际浓度监测值进行了对比分析。

＝．扩散模式

（一）一般的高斯扩散模式

高斯扩散模式是在烟云浓度符合正态分布的假设条件下求得的，也可以在平稳、均匀湍流的假设下由扩散统计理论推导而得。这种模式在理论上最为简单、使用最为广泛。高斯模式是许多应用模式系统的最基础的模块单元，对于不同的排放源类型或不同的条件，可以对高斯模式进行相应的修正。高斯模式有两个最基本的形式，一个是高架点源无界空间连续排放扩散模式，另一个是瞬时排放扩散模式。

对于高架连续点源，若把坐标原点取在排放点正下方的地面上，Ｘ轴的正向指向平均风方向，Ｙ轴在水平面上垂直于Ｘ轴，Ｚ轴垂直向上延伸，则高斯模式的基本形式是：

。吨粥以，．（去Ｈ耕ｘｐ［一簪Ｈ一掣２］】㈩高架点源的地面浓度是：

ｃ（ｘ，ｙ，Ｏ，Ｈｅ）２南ｅｘｐ【一可ｙ２ｌ旧ｕＯ＂

卧昵——Ｙ和ｚ方向的扩散系数，ｍ；

Ｕ——污染源排放口的乎苟风速，ｍ／ｓ：

Ｑ——源强，ｍｇ／ｓ：

风——烟囱的有效源高度。、，仃，Ｉ２０＂一篆】：：０仃：Ｉ㈣式中，Ｃ——污染源下风向任一点（工，Ｙ，ｚ）的污染物浓度，ｍｇ／ｍ３：（二）ＡＤＭ蝴市大气扩散模型

ＡＤＭｐ城市模型是由剑桥环境研究咨询有限公司研制出来的，是经过科学设计的先进而实用的模拟工具。它可以准确地计算各类污染物的浓度，并对市区内空气质量的超标程度进行评价。在制定当前或者未来的防治空气污染战略方案时，都可以使用这种模型。英国７０多家地方机构在进行空气质量管理规划时，应用这种模型进行空气质量的评价。此外，美国和亚洲的很多地区也在使用这种模型。ＡＤＭ洲市模型属典型的新一代大气扩散模型，在不同条件下，它采用不同的计算模式：

１．ＰＤＦ模式

在不稳定条件下，对低浮力烟羽采用ｗｅｉｌ（１９８４）嘲的ＰＤＦ模式计算地面浓度，即：

ｃ－舞、／２ｎｔｒｙ‘Ｉ２Ｉ仃ｙＪｌｅ蚋等］２］

ｆ（ａｖｘｌ“）机０驯５Ｇｌ，）ｌ坨

仃＝｛１．６一乃≮２乃ｚｉ（＾＜０．１）（Ｂ＞０．１，ｕ／ｗ?≥２）

（，．＞０．１，ｕ／ｗ。＜２）㈩（４）ｌ０．８Ｆ２乃ｚ乃匀

式中，Ｃ’——地面横风向积分浓度，由下式确定：

’丁２屙：ｅＸｌ一玄Ｉ＋蔗麟ｐＩ一玄Ｉ譬２箍－－－｜：ｅｄ一番］＋最ｅｘ《一菱］

ｃ＝ｏ心硝ｘＩ／３（Ｆ４／３ｚｉ）ｅｘｐ［刁Ｉ－Ｙ尹－Ｙｐ２］

１７＂ｙ＝１．６—７３五２７３ｚｌ㈣∞’２．小风对流尺度模式在不稳定条件下，对高浮力烟羽采用ｂｒｉｇｇｓ（１９８５）的小风对流尺度模式，即：当ｚ＜ＩＯＦ／衍：（６）

当ｚ≥ＩＯＦ／版３：

ｃ勘删ｅｘ《－ｃ≯Ｈ丢降］２］

仃ｙ＝０．６ｘ．ｚｌ（７）

３．Ｌｏｆｔ模式

对近中性条件下的高浮力烟羽，采用Ｗｅｉｌ（１９９１）的Ｌｏｆｔ模式，即：

仁彘【ｌ＿州刚ｅｘｐ【－１２（挚２】‘（８）

√２兀ｚｆ仃ｙ“Ｄｙ

仃ｙ２ｆ１．６Ｆｕ３ｘ２，３Ｕ－Ｉ（Ｌ＞ｏ或Ｌ＜Ｏ，且ｕ／ｗ?≥２）

（Ｌ＜ｏ，且ｗ．＜２）１０．８，ｌ，３工２，３ｕ一１

三．模式中源参数的选取

（一）源参数的选取

利用本溪市２００２年大气污染物排放清单，将高度大于１５ｍ的烟囱作为点源处理；１５ｍ以下的工业源按面源处理，民用排放源也做面源处理。

（二）高斯模式中口，和口：的选取

根据本溪地区的地形特征和气象特征，中性层结时口ｙ和口：的表达式如下：

仃。＝０．１８６８ｘＯ?９１３８

仃．＝０．３６５３ｘｏ?８３１９

非中性层结时按参考文献３选取。

（三）烟囱出口处平均Ｕ的选取中性层结时ｕ的表达式如下

脚．啪厂

非中性层结时其中的风指数按文献３选取。

（四）风的选取

Ｈｅ＝ＨＢ＋△Ｊ｝ｌ

式中，日ｓ——烟囱的几何高度：

△Ｊｌ——烟气抬升高度，有关幽的计算法见参考文献３。

四，计算结果分析

（一）计算结果

本文用上述两种模型计算了５个监测点（溪湖、彩屯、发电厂、大峪、东明）２００２年逐日的ＳＯ：平均浓度值。表１给出了各点位用逐日的Ｓ０２平均浓度值计算得到的Ｓ０２年均浓度值和对应的实测浓度年均值。

表１高斯模式

计算值（ｍｇ／ｍａ）

Ｏ．０７５０．０６９０．０９７０．０２１０．０７２

＼型

溪湖彩屯发电厂大峪东明

不同模式ｓ０２年均浓度计算值及实测年均值

ＡＤＭＳ

实测值

误差（％）

１１．２６．９７．４１２．９ｌＯ．３

监测点＼

误差（％）

—２３．４－２０．７１９．７—３２．２一１７．２

计算值

（ｍｇ／ｍ３）

０．１０９０．０９３０．０８７０．０３５０．０９６

样本数

（ｍｇ／ｍ３）

０．０９８０．０８７０．０８ｌＯ．０３１０．０８７

４８４８４８４８４８

由表ｌ可知：用一般高斯模型计算时，除发电厂点位外，其余各点位地面浓度年均值均小于相应的监测值，而用ＡＤＭＳ模型计算时，各点位的计算值均大于监测均值。但相比较而言，ＡＤＭＳ模型的误差绝对值较小。

（二）模式的统计学比较

一般来说，模式预测性能的好坏可以用模式的估算值Ｐ与实测值Ｄ之间的相关程度来检验。但Ｐ与Ｏ之间显著相关并不一定意味着它们的期望值Ｐ与Ｏ之间很好地吻合。Ｗｉｌｌｍｏｔｔｌ４１建议采用符合指数ｄ并结合系统均方误差ＭＳＥｓ与非系统均方误差ＭＳＥｕ来判断模式预测性能的好坏。

符合指数ｄ定义如下：

∑（毋一ｑｒ

ｄ＝１一－圭生————＝‘

Ⅳ

（９）

∑ｌ矧＋俐

式中，Ⅳ——观测样本总数，巧和研分别为：

巧＝毋－Ｏ

’

Ｏｉ’＝Ｄｉ—Ｄ

知道系统误差与非系统误差各自所占的百分份额是很重要的。一个好的模型，其系统均方误差

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应趋向于零，而非系统误差应趋向于均方差。系统均方差与非系统均方误差分别由下述两式给出：

ＭＳＥｓ＝Ⅳ一∑（丘－０ｉ）２（１０）

ｉ＝ｌ

Ⅳ

ＭＳＥｕ＝Ⅳ一∑（只一丘）２（１１）

式中，Ｐ＝ａ＋ｂＯｉ，ａ和ｂ分别表示Ｐ和０相关直线的截距和斜率。

表２给出了４个监测点Ｓ０２的模拟计算值与实测值的统计比较结果。

表２ｓ０：浓度模拟计算值与实测值统计结果

项目计算平均值（ｍｇ／ｍ３）相关系数符合指数系统均方差非系统均方差高斯模式０．０６７０．６ｌ０．５８９．０２０Ｅ．０４６．５９Ｅ．０４实用模式０．０８４０．６８０．７４６．３７５Ｅ．０４５．６８Ｅ．０４

由表２可知：与高斯模型相比，ＡＤＭＳ模型的相关系数ｒ和符合指数ｄ均较大，分别为０．６８和０．７４，而一般高斯模式分别为０．６ｌ和０．５８。另外，ＡＤＭＳ模型的非系统均方差也比高斯模式小。说明在本溪地区用ＡＤＭＳ模型预测地面Ｓ０２浓度比用一般的高斯模式效果好。

五．结论

（１）用一般高斯模型计算时，除发电厂点位外，其余各点位地面浓度年均值均小于相应的监测值，而用ＡＤＭＳ模型计算时，各点位的计算值均大于监测均值。但相比较而言，ＡＤＭＳ模型的误差绝对值较小。

（２）计算表明：ＡＤＭＳ模型的相关系数ｒ和符合指数ｄ均较大，分别为０．６８和０．７４，而一般高斯模式分别为Ｏ．６１和０．５８。另外，ＡＤＭＳ模型的非系统均方差比高斯模式小。说明在本溪地区用ＡＤＭＳ模型预测地面Ｓ０２浓度比用一般的高斯模式效果好。

（３）在ＡＤＭＳ模式系统中使用了ＰＤＦ模式、小风对流尺度模式和Ｌｏｆｔ模式，针对不同条件，可以较好地模拟计算该地区的地面污染物浓度。

（４）ＡＤＭＳ大气扩散模型具有真实可靠、直观形象、快速灵活等特点，是环评工作较为理想的应用软件。ＡＤＭＳ模型应用了边界层高度和Ｍｍｎｉｎ．Ｏｂｕｋｈｏｖ长度的边界层结构参数最新物理知识，摒弃“导则”中Ｐａｓｑｕｉｌｌ不确切定义所带来的弊端。

（５）模型内嵌街道窄谷模型、化学反应模块、气象预处理器，使用了非高斯垂直剖面、复杂地形和建筑物周围的流动和扩散，可同时模拟评价相关联的点、面、线和体污染源的集合。

参考文献

１．蒋维楣，孙鉴泞，曹文俊等．空气污染气象学教程．北京：气象出版社，２００４

２．ＷｅｉｌＪ．Ｃ．ａｎｄＢｒｏｗｅｒＲ…ＰＡｎｕｐｄａｔｅｘｉＧａｕｓｓｉａｎｐｌｕｍｅｍｏｄｅｌｆｏｒｔａｌｌｓｔａｃｋｓ．ＬＡｉｒｐｏｌｌｕｔ．ＣｏｎｔｒｏｌＡｓｓ．，

１９８４，（３４）：８１８～８２７

３．ＨＪ／Ｔ２．１～２．３—９３．环境影响评价技术导则．北京：中国环境科学出版社，１９９４

４．ＷｉｌｌｍｏｔｔＣＪ．．ＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆＡｍｅｒｉｃａｎ．ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，１９８６，６３：１３０９～１３１３