第五章大气环境影响预测与评价

第五章大气环境影响预测与评价

第一节大气环境影响预测方法与内容概述

大气环境影响预测，即正确推断各种条件下污染物浓度分布及其随时间的变化，是大气环境影响评价所要解决的核心问题。通常采用模式预测法即大气扩散模式进行大气环境影响预测。所谓大气扩散模式，就是以大气扩散理论和实验研究结果为基础，将各种污染源、气象条件和下垫面条件模式化，从而描述污染物在大气中输送、扩散、转化的数学模式。 按经典的划分法，数学方法可分三大类：第一类是基于Taylor理论的“统计理论”；第二类是假设湍流通量正比于平均梯度的所谓“梯度理论”；第三类是基于量纲分析的“相似理论”。

上述方法通常都是需要进行数值计算，因此，在工程上尚未达到普遍应用的地步。但是三大理论中的有关内容，却经常在工程中应用。例如，利用“统计理论”确定扩散参数或利用“相似理论”确定参数化公式中的相似参数等。

主要的大气扩散模式有高斯模式、赫一帕斯奎尔模式、萨顿模式等。在工程和环评实践中最普遍应用是基于统计理论而建立起来的正态模式(即Gauss模式)。正态扩散模式的前提是假定污染物在空间的概率密度是正态分布，概率密度的标准差亦即扩散参数通常用“统计理论”方法或其他经验方法确定。正态扩散模式之所以一直被应用，主要因为它有以下优点：①物理上比较直观，其最基本的数学表达式可从普通的概率统计教科书或常用的数学手册中查到；②模式直接以初等数学形式表达，便于分析各物理量之间的关系和数学推演，易于掌握和计算；③对于平原地区、下风距离在10km以内的低架源，预测结果和实测值比较接近；④对于其他复杂问题(例如，高架源、复杂地形、沉积、化学反应等问题)，对模式进行适当修正后，许多结果仍可应用。但是在应用时应当注意，常用的正态羽扩散模式实质上已假定流场是定常，不随时间变化的；同时在空问是均匀的。均匀意味着：平均风速、扩散参数随下风距离的变化关系到处都一样，在空间是常值。这一条件加上正态分布的前提，限制了正态扩散模式的应用与发展。但是，在实践中，当高斯模式条件不能满足时，通常采用对作为基础的高斯模式加以完善、修正而演变的各种模式来计算大气污染物的浓度。

环评中，应按排放特征、地形条件等正确选用相关模式。按照不同时间各种尺度的大气湍涡的作用和扩散的物理图像，通常把大气扩散分为“连续点源扩散”和“相对扩散”，对不同的扩散，采用不同的大气扩散模式进行计算。对连续点源扩散，各种尺度的湍涡同时参与扩散过程，扩散速度和范围以峰值浓度轴线为坐标轴，通常用高斯烟羽模式进行计算；对于烟团扩散，各种尺度的湍涡在扩散各个阶段起着不同作用，扩散速率是相对于烟团中心而言，是烟团运行时间或距离的函数，通常采用烟团模式进行计算。对点源、面源、线源、体源，分别选用点源、面源、线源、体源大气扩散模式；对平坦地形，选用平坦地形大气扩散模式；对复杂地形，选用复杂地形大气扩散模式，山区则采用山区地形修正模式。

环评实践中，通常采用法规大气扩散模式。所谓法规大气扩散模式是指由政府部门颁布实施、在工程上普遍应用的大气扩散模式。这种模式通常是用初等数学形式表达，其中需要给定的输入参数，可由常规气象参数、物理常数或经验数据求出。例如，我国已颁布的《大气污染物排放标准》、《环境影响评价技术导则——大气环境》中推荐的模式以及美国EPA所推荐的一系列关于大气扩散方面的模式都属于法规大气扩散模式。作为第一代的现有法规大气扩散模式基本上都属于正态模式类型。

影响预测的主要目的是为评价提供可靠和定量的基础数据和测量成果。具体的有以下几点：

(1)了解建设项目建成后对大气环境质量影响的程度和范围。

(2)比较各种建设方案对大气环境质量的影响。

(3)给出各类或各个污染源对评价区域污染物浓度的贡献。

(4)优化城市或区域的污染源布局以及对其实行总量控制。

为达到以上目的，应以图、表、文字反映工程的大气环境影响的预测结果，其主要预测内容应当包括：

◆代表性气象条件下的最大落地浓度及距源距离：

◆不利气象条件下的大气环境影响及浓度分布；

◆对保护目标或敏感点的影响；

◆对评价区域大气环境质量的变化及影响；

*对国家实施总量控制的因子，提出总量控制建议指标；

◆进行无组织排放浓度影响预测，计算卫生防护距离。第二节大气环境影响预测模式应用条件

一、有风点源正态羽扩散模式

基于统计理论而发展起来的高斯模式，其基本假设是：污染物的浓度在Y和z方向的分布是正态的(双正态假设)。此外，还满足以下假设条件：有风；同一稳定度；连续性条件；污染物浓度不随时间变化；污染物满足“被动性”和“保守性”；平坦地形；全反射；在x方向，平流输送远大于湍流扩散。上述假设条件下的大气扩散模式又称一般气象条件下的大气扩散模式。它适合于平稳均匀流场，即开阔平坦地形的小尺度扩散。复杂地形和其他气象条件下的扩散模式，则大多是根据基本模式进行必要的修正获得。

二、静小风模式

定性分析可知，静风污染具有各向同性和近距离污染特点。而小风污染具有风向多变和近距离污染的特点，因此必须考虑在顺风方向(x方向)的扩散，对于静小风，有积分烟团模式、简化的积分烟团模式、360。均匀分布模式等。

三、封闭性扩散与熏烟模式

1．封闭性扩散

在上部逆温层存在时的扩散(或者说限制在混合层以内的扩散)称为“封闭性”扩散。定性分析可知，在近距离内，烟流的垂直扩散尚未达到逆温层底，它的扩散未受逆温影响，在这个距离内可用一般的高斯扩散公式；在离源充分远后，污染物在地面和上部逆温间经过多反射浓度可以认为在Z方向趋于均匀。在散图像上，封闭性扩散可分为正态区、过渡区、均匀区三个不同区域。

2．熏烟型扩散

清晨，伴随着辐射逆温自下而上消退，当逆温消退到烟流顶部时的污染，称为熏烟(或漫烟)污染。由于这时的温度层结为上稳下不稳，最初聚集在逆温中

的污染物迅速向地面扩散，形成高浓度污染。因此，确定这种情况下地面浓度及 其出现距离，是实际工作中最关心的问题。

不难看出，对一固定时刻，“熏烟型”扩散模式就是“定格”的封闭性扩散， 因而其浓度计算公式在形式上与封闭型差不多。

3．海岸线熏烟模式

如果评价项目设置在沿海或大面积水域附近，还应计算海岸线熏烟地面浓度的最大值和分布值。风由水面向陆地时，来自水面上的稳定空气被较暖的陆地表面加热后，将形成一个自岸边向陆地逐渐增厚的混合层(即热力内边界层)，当处于稳定大气中的烟羽进入这一混合层后，同样会出现高浓度污染，这种状况通常称为海岸线熏烟，计算这一浓度cf(mg/m3。)最大值和分布值的模式，其形式与式(5．10)的相同。

四、颗粒物扩散模式

颗粒物扩散因要考虑重力沉降而不满足“被动性”条件，不能直接应用气态污染物扩散模

式，但可通过对高斯模式的修正进行计算。

常用的颗粒物扩散模式，主要有“源损耗”模式、“部分反射模式”和“倾斜烟云模式”。“源损耗”模式主要是对源强进行修正，“部分反射模式”主要是对物质反射量进行修正，二者在实际环评中应用不多。环评中主要应用HJ/T2.2—93推荐的倾斜烟云模式。“倾斜烟云模式”认为，由于颗粒的重力沉降作用，烟羽的轴线将产生倾斜，有效源高将降低，必须对有效源高进行修正。有风时的倾斜烟云模式为：

五、非正常排放扩散模式

采用烟团模式，浓度随时间变化，HJ／T 2.2—93推荐的模式如下：

1．有风情况(Ulo≥1.5 m/s)

2．小风(1.5 m/s>Ulo≥0.5 m/s)和静风(U10

六、多源排放模式

如果需要评价的点源数多于一个，计算地面浓度时应将各个源对接受点浓度的贡献进行叠加。在评价区内选一原点，以平均风的上风方为正x轴，评价区内任一地面点(X，Y)的浓度Cn可按下式计算：

七、山区大气扩散模式山区的大气扩散有着不同于平原地区的特点，适用于平坦地形的大气扩散模式不能直接用于山区大气污染物浓度计算。同时，很明显，由于地形的影响，山区的大气扩散以及污染物浓度分布，受污染与地形之间的相对高度、相对位置等影响很大。因此，在讨论山区大气扩散模式时，除要加以适当的地形修正外，还一定要注意计算点的具体位置。 ’

目前主要的山区扩散模式有：狭谷模式、箱模式、艾根模式、“NOAA”模式、“EPA”模式等。

狭谷模式主要用于讨论污染源位于狭谷中时的大气扩散。模式为：

“NOAA,模式、

八、面源扩散模式

主要的面源扩散模式有后退点源模式(或称虚点源模式)、窄烟云模式(或称ATDL模式)、箱模式等。前者主要用于计算小面源，后二者主要用于较大面源。我们仅介绍后退点源模式和箱模式。

所谓后退点源模式，是先假定面源排放的污染物都集中于面源中心，然后向上风向“后退”一个距离Xo，变成一个虚点源，使点源排放的污染物经Xo距离扩散后与面源具有相同的扩散幅。因此，后退点源模式在形式上与点源扩散模式完全一样，只不过在查算横向扩散参数时需加上距离Xo。因此，后退点源模式实质上是将面源计算转化为点源计算，故其核心问题是确定向上风向后退的距离x。点源排放的污染物在经过Xo距离扩散后与面源具有相同的扩散帽，则有a=4.3Qy，由此定出x。

所谓箱模式，是想像一个由面源四边和混合层高度组成的箱子。箱内污染物的浓度变化是由于质量在箱内输入输出引起的，因而箱内污染物平均浓度为

若为无限长线源，风向与其呈正交，则线源造成的地面浓度由下式计算：

对于无限长线源，若风向与线源平行，此时因只有上风向的线源才对计算点的浓度有贡献， 浓度与顺风向位置无关。

对于公路、铁路等典型线源，可选用相应“环评技术导则”或“技术规范推荐的公式，其实质也是点源叠加的方法。

十、日平均浓度计算

计算日平均浓度方法有保证率法、典型日法、换算法等。通常采用典型日法。

典型日法是利用典型日的气象条件计算日平均浓度，即根据典型目的逐时气象条件，利用扩散模式求得小时平均浓度，然后求其24 h的平均值：

不言而喻，在气象资料的选取上，典型日一定要“典型”，必要时，应取多个“典型日”，如，可选现状监测中的一天或几天，与风玫瑰相似的一天或几天，对保护目标影响严重的一天或几天，初步估算污染严重的几天等；必须给出典型逐时的风向、风速、大气稳定度；所取典型日的每曰小时数必满足GB 3095—1996中对l h平均浓度统计数据有效l生规定。 十一、长期平均浓度计算

长期平均浓度计算，通常采用联合频率法。即对于年、季、期长期平均浓度的计算，按气象站观测的逐时风向、风速和大气稳定度资料，统计出年、季、期时段内风向、风速、大气稳定度联合频率，乘以相应气象条件下各污染源的小时平均浓度值，即得相应各点的年、季、期平均浓度：

十二、模式参数选取

1．风速U(m／s)

风速u为排气筒出口处风速。

2．大气扩散参数

3．取样时间订正

4．有效源高He(m)

造成烟云抬升的原因有二：由于烟气在烟囱内向上运动具有的动量使它离开烟囱后继续上升，称为动力抬升；由于烟气温度比周围空气高，密度较小，因浮力而上升，称为热力抬升。 烟云抬升过程大致经历以下几个阶段，即喷出阶段、浮升阶段、瓦解阶段和变平阶段，即最后达到烟流抬升高度Ah的终极抬升阶段。

喷出阶段。烟气在自身具有的初始动量(由出口速度提供)作用下垂直向上喷射。此时，内部流动相对比较规则，边缘上烟气和周围空气的湍流交换尚未发展，因此烟流轮廓清晰，内部基本维持原来状态。动力抬升一般维持至烟囱口径lO倍左右水平距离的范围。

浮升阶段。烟气排放烟囱口后，由于烟气温度与出口环境气温之差造成的浮力加速度的作用，由其造成的烟气上升速度不久便超过动力上升速度并使烟流继续上升而进入浮力抬升阶段。这时，烟流体增大，烟流内外温差和浮力继续使烟流抬升，随着烟流内外的速度切变作用的加入，使更多的空气参与混合，即烟流边缘的卷夹过程加剧，产生边缘湍流活动带。尽管如此，在烟流抬升的这一阶段，浮力抬升起主导作用，由速度切变造成的自生湍流是导致烟气与周围空气混合的主要因素，环境湍流的作用还较弱。但持续的混合过程会使烟流体内外的温差不断减小，上升速度减缓，烟流开始趋向变平而转入抬升的下一阶段。观测表明， 这一阶段是热烟流抬升的主要阶段。

瓦解阶段。至浮升阶段的后期，烟流上升速度逐渐减缓，由速度切变造成的自生湍流变得很弱。可是，另一方面，随着烟流体的不断增大，至相当于大气湍流的惯性次区湍涡尺度，越来越多的尺度与之相当的大气湍涡参与混合，环境湍流的作用明显增强并逐渐达到占主导优势的地步。当烟流体增大到环境湍流含能湍涡尺度时，环境湍流的作用急剧增大，环境湍涡大量卷入烟流体，使其自身结构在短时间内瓦解，烟气原先的动力抬升和热力抬升的性质消失，烟流的抬升基本停止。显然，这个阶段通常也是较短的。

变平阶段。以大气中大湍涡为代表的环境湍流起主导作用，使烟流体继续散开胀大，抬升完全停止，烟流渐渐变平。此时，烟流达到终极抬升高度并以此计算实际的烟流抬升高度AH。

分析抬升过程可知，影响其抬升的因子可归纳为三类：一是烟气体本身的性质。烟气的出口速度越大，烟温越高，抬升越高。二是周围大气的性质。环境风速u越大，气温越高，湍流强度，越强，抬升越低；烟气所处气层的温度层结也是影响抬升的重要因子，稳定层结

抑制烟流的浮升，不稳定层结促进浮升，但湍流交换活跃，过快的混合对抬升不利。三是下垫面地形及粗糙度的影响。

烟气抬升公式，有几十个之多。较著名的有霍兰德公式、康凯维公式、摩西和卡森公式、TVA公式等，它们都有自己的适用范围和条件。在一般环境影响评-价中，可采用lIJ／'l

2．2—93推荐的公式。

(1)有风时，中性和不稳定条件，建议按下式计算烟气抬升高度AH(m)

(3)静风和小风(U10

5．源强Q(mg／s)

计算源强方法有物料衡算、实测、资料复用和类比调查等方法。

此公式适用于产生饱和蒸汽的锅炉燃煤量的计算。若是过热蒸汽则不适用。

第三节卫生防护距离

对于无组织排放，特别是有害物质的无组织排放，工业企业应采取合理的生产工艺流程，加强生产管理与设备维护，最大限度地减少无组织排放。《大气污染物综合排放标准》(GB 16297--1996)对于无组织方式排放的废气，规定了无组织排放的监控点及相应的监控浓度限值。

为了保护大气环境和人群健康，应当设置卫生防护距离。无组织排放的有害气体进入呼吸带大气层时，其浓度如超过GB 3095—1996规定的环境空气浓度限值与TJ 36—79规定的居住区容许浓度限值，则无组织排放源所在的生产单元(生产区、车间或工段)与居住区之间应设置卫生防护距离。

确定卫生防护距离通常采用国家规定和无组织排放量计算法。国家对一些工厂企业，根据其生产规模、气象条件等，规定了卫生防护距离。如对水泥厂，在《水泥厂卫生防护距离标准》(GB 18068—2000)规定了水泥厂卫生防护距离：

工业企业大气污染源构成分为三类：

I类：与无组织排放源共存的排放同种有害气体的排气筒的排放量，大于标准规定的允许排放量的1／3者。

II类：与无组织排放源共存的排放同种有害气体的排气筒的排放量，小于标准规定的允许排放量的1／3，或虽无排放同种大气污染的排气筒共存，但无组织排放的有害物质的容许浓度指标是按急性反应指标确定者。

Ill类：无排放同种有害物质的排气筒与无组织排放源共存，且无组织排放的有害物质的容许浓度是按慢性反应指标确定者。

Q取同类企业中生产工艺流程合理，生产管理与设备维护处于先进水平的工业企业，在正常运行时的无组织排放量。当按式(5．41)计算的L值在两级之间时，取偏宽的一级。 无组织排放多种有害气体的工业企业，按Q/Cm的最大值计算其所需卫生防护距离；但当按两种或两种以上的有害气体的Q／C。值计算的卫生防护距离在同一级别时，该类工业企业的卫生防护距离级别应提高一级。

地处复杂地形条件下的工业企业所需卫生防护距离，应由建设单位主管部门与建设项目所在省、市、自治区的卫生与环境保护主管部门，根据环境影响评价报告书共同确定。 级差规定：卫生防护距离在100m以内时，级差为50m；超过100m，但小于l 000 m时，级差为100 m；超过l 000 m以上时，级差为200 m。

对于划选的卫生防护距离，要详细调查卫生防护距离内的人居情况及保护目标情况，提出并落实搬迁或具体的环境保护措施，提出限制发展的明确要求。