大气估算模式AERSCREEN与SCREEN3对比研析

吴成志 程吉

大气估算模式AERSCREEN与SCREEN3对比研析

吴成志 程吉

SCREEN3作为大气导则推荐的估算模式在大气环境影响评价中得到了广泛应用。新一代的估算模式AERSCREEN在气象数据处理、地形数据处理以及建筑物下洗等方面做了较多改进。通过不同预测情境下的案例比较，研究了这些参数对预测结果的影响，结果显示：AERSCREEN较SCREEN3得到的结果更为科学；建筑物下洗对污染物浓度影响很大，在AERSCREEN中尤为明显；AERSCREEN计算得到的大气环境防护距离比SCREEN3偏保守。

大气估算模式；AERSCREEN；SCREEN3

《环境影响评价技术导则 大气环境》推出以来，SCREEN3作为导则推荐的估算模式已经被广泛应用于大气环境评价等级和评价范围的确定中，为国内环评从业者提供了很大便利。SCREEN3是美国环境环保署1995年推出的基于ISC3预测模式的筛选模式，2011年4月，美国环保署发布了新的基于AERMOD预测模式的筛选模式AERSCREEN，用于替代原来的SCREEN3。探讨比较AERSCREEN和SCREEN3在不同情境下的预测结果，可以为今后有关项目的预测评估提供新的思路和方法，推动大气环境影响预测评估技术的进步。

AERSCREEN与SCREEN3模式

SCREEN3是一种单源高斯烟羽扩散模式，适合于模拟小尺度范围内流场一致的气态污染物的传输与扩散。SCREEN3模式中嵌入了多种气象组合条件，包括各种大气稳定度和风速组合，用户可根据情况进行选择。SCREEN3可模拟计算点源、火炬源、面源、体源等污染源的落地浓度，并可考虑建筑物下洗、熏烟等情况下的最大落地浓度。

AERSCREEN则耦合了AERMOD计算内核（09292以后版本），与SCREEN3相比，AERSCREEN在气象数据处理、建筑物下洗参数处理、地形数据处理等方面做出了较大改进。

AERSCREEN模型计算机理

AERSCREEN是基于AERMOD计算核心的筛选模式。AERSCREEN主要由两部分组成：MAKEMET程序和AERSCREEN主程序。其中MAKEMET程序主要用于产生模型后续运行所需的气象参数，并可以考虑项目点周边的地表利用情况。而AERSCREEN主程序则耦合了AERMOD计算内核（09292以后版本，09292之前版本不可用）作为主要计算核心，并将MAKEMET生成的气象数据文件作为AERMOD的气象输入参数；同时程序还充分考虑建筑物下洗效应，利用BPIPPRM程序计算源的建筑物下洗参数；另外，AERSCREEN也利用AERMAP程序生成源和各受体点的海拔，从而在计算浓度时考虑复杂地形对污染物扩散的影响。

AERSCREEN可计算点源、雨帽源、水平源、矩形面源、圆形面源、火炬源、体源等污染源的1-hr平均落地浓度，并可进一步转化得到最大3-hr平均、8-hr平均、24-hr平均和年均浓度。

AERSCREEN相对SCREEN3改良之处

AERSCREEN相对SCREEN3的主要改良之处有以下几点：

1. 计算内核：AERSCREEN的计算内核是AERMOD（09292以后版本），并在计算时通过MAKEMET程序生成气象数据文件，利用AERMAP生成源和受体点的海拔高度，而且通过BPIPPRM程序充分考虑建筑物下洗效应。SCREEN3计算核心不是AERMOD，在建筑物下洗、气象参数、地形等方面考虑较粗糙。

＞＞估算模式AERSCREEN可以快捷方便地评估建设项目对周边环境的影响程度

2. 建筑物下洗效应：AERSCREEN更充分地考虑了建筑物下洗对浓度分布的影响，除了常规的建筑物尺寸外，还需要输入三个参数：建筑物长边与正北夹角、烟囱与建筑物中心点连线与正北夹角、烟囱与建筑物中心点距离。AERSCREEN利用这些参数运行BPIPPRM程序后得到下洗参数，并应用到模式的计算中。SCREEN3模式则采用ISC模式建筑物下洗算法，只考虑了建筑物的高度、宽度、长度来计算建筑物下洗情况下的污染物落地浓度，其模拟结果准确性较差。

3. 气象参数：AERSCREEN利用MAKEMET程序生成地表和高空气象文件，还充分考虑了地表参数的影响，提供了三种不同的地表参数处理方式供选择：一是用户自定义地表参数——地表反照率、波文率、粗糙度；二是通过土地利用类型、气候类型、不同季节生成地表参数；三是使用AERSURFACE输出文件或AERMET的第3步输入文件。MAKEMET根据地表参数并结合环境最高温度、最低温度、最小风速及风速计高度生成可用于AERMOD模型的地表和高空气象文件，AERMOD再使用这个地表和高空气象文件计算污染物的落地浓度。而SCREEN3则只提供了不同的大气稳定度和风速组合，用户不能输入地表参数，程序会确定“最不利”气象条件，并计算得出污染物落地浓度，其模拟计算的代表性较差。

4. 地形：AERSCREEN可利用AERMAP程序处理复杂地形高程，生成各排放源和受体的海拔高度，进而充分考虑地形对污染物扩散的影响。SCREEN3预测过程中可考虑地形高度和离地受体高度。在复杂地形条件下，烟气扩散会受到地形影响，AERSCREEN改善了复杂地形条件下的模拟计算，其结果更贴近实际情况。

5. 源类型：与SCREEN3相比，AERSCREEN除了点源、面源、火炬源、体源外，增加了水平源、雨帽源，面源也分为矩形面源和圆形面源两类。

6. 输出浓度：AERSCREEN提供了转化因子，可以根据计算得到的1-hr平均浓度计算得到最大3-hr平均、8-hr平均、24-hr平均和年均浓度。SCREEN3则只有在最不利气象条件下距离源一定距离处的浓度分布。

AERSCREEN和SCREEN3对比分析

本案例为某工厂烟囱，其SO2排放量为3.6 g/s，烟囱高38 m、内径1.2 m，烟气温度80 ℃，边上厂房高20 m、长300 m、宽90 m。受体范围为100～25 000 m，工厂位于山区丘陵地带。

气象参数

AERSCREEN采用的计算内核 为AERMOD_EPA_11103版 本，AERSCREEN和SCREEN3参数设置见表1，计算结果见图1。

AERSCREEN计算得到的最高落地浓度为71.308 μg/m3，占标率为14.26 %；而SCREEN3计算得到的最高落地浓度为43.28 μg/m3，占标率为8.66 %。根据现行导则，AERSCREEN得到的结果其浓度最大占标率超过10 %，需要进行进一步的模式计算，而SCREEN3得到结果则只需进行三级评价，相比较下可知AERSCREEN所得结果较为保守。伯鑫等在不考虑建筑物下洗、熏烟，环境温度根据项目当地气象场最高温度和最低温度条件下，研究比较了SCREEN3、AERSCREEN、AERMOD的 预 测 结 果， 发 现AERSCREEN结果最为保守，并认为AERSCREEN能较好地捕捉最不利气象条件。由计算结果还可以看到，在距离4 500 m内，AERSCREEN计算所得浓度高于SCREEN3；而在4 500 m以外，SCREEN3计算所得浓度高于AERSCREEN。

表1 AERSCREEN和SCREEN3气象参数设置对比

气象参数对污染物扩散影响很大。AERSCREEN地表和高空气象文件充分考虑了地表参数，并结合了环境最高温度、最低温度、最小风速及风速计高度，所得结果较为保守，相比SCREEN3具有更强的代表性。

建筑物下洗

AERSCREEN和SCREEN3除建筑物下洗外的相关参数设置同表1，建筑物下洗参数中AERSCREEN使用在AERMOD由同一个建筑生成的BPIP Inp文件，而SCREEN3中则是直接输入建筑物长宽高（300 m× 90 m×20 m）。

表2 AERSCREEN和SCREEN3计算无组织面源扩散浓度对比

在考虑了建筑物下洗后，AERSCREEN计算结果显示，污染物的落地浓度大大增加，最大值出现在距离282 m处，达到了566.12 μg/m3，是不考虑建筑下洗情况下最大浓度的7.9倍。随着距离的增大，建筑下洗的影响渐渐减弱，距离大于8 400 m后，建筑物下洗对污染扩散的影响基本消除。

在考虑了建筑物下洗后，SCREEN3计算所得落地浓度最大值出现在距离200 m处，最大值为75.99 μg/m3，是不考虑建筑物下洗情况下最大浓度的1.75倍。当距离大于900 m后，两者所得计算结果一致，建筑物下洗对扩散的影响基本消除。

建筑物下洗对排放源（包括点源、加帽点源、水平点源、火炬源）污染物扩散的影响较大。在考虑了建筑物下洗的影响后，AERSCREEN计算所得受体点浓度要远远高于忽略建筑物下洗的情况，且下洗效应影响的距离较SCREEN3更远。

图1 气象数参数对预测结果的影响

大气环境防护距离

采用AERSCREEN和SCREEN3模式，分别对某项目的无组织排放源进行计算，排放源参数如下：面源长20 m，宽10 m，排放高度为8 m，SO2排放速率为0.5 g/s。AERSCREEN和SCREEN3设置为城市区域性质，其余参数同表1，运行结果见表2。

SO2小时平均浓度的二级标准为500 μg/m3，由AERSCREEN计算得到的大气环境防护距离为400 m，而由SCREEN3计算得到的大气环境防护距离为200 m。AERSCREEN计算结果较SCREEN3保守。

估算模式可以方便快捷地给出建设项目的环境影响程度。AERSCREEN和SCREEN3在 不 同情景下的应用及其结果对比显示，AERSCREEN较SCREEN3得到的结果更为保守；建筑物下洗对污染物浓度影响很大，在AERSCREEN中尤为明显；AERSCREEN可以更好地反映出项目的实际情况，比目前国内实行的SCREEN3模式更加科学，也能较好地解决目前大气环评中估算模式SCREEN3计算得到的浓度结果比精算模式AERMOD的浓度结果低的问题。

吴成志、程吉，三捷环境工程咨询有限公司。