4、大气环境影响评价方法：大气扩散模型（AERMOD、CALPUFF等）、气象与地形数据处理、预测参数选取及评价等级判定
大气环境影响评价是环评工程技术的核心环节，其本质是通过数学手段模拟污染物在大气中的输送、扩散与沉降过程，从而定量预测项目建设对周边环境空气质量的影响程度。本章围绕《环境影响评价技术导则 大气环境》（HJ 2.2-2018）展开，重点讲解主流大气扩散模型（AERMOD、CALPUFF）的适用条件、气象与地形数据的处理流程、预测参数的选取原则，以及评价等级判定的完整逻辑。掌握本章内容，是独立完成大气环境影响预测章节的前提。
4.1 大气扩散模型的核心原理与适用条件
大气扩散模型是基于流体力学和湍流扩散理论，描述污染物从排放源到受体的时空分布规律的数学工具。在环评实践中，模型的选择直接决定了预测结果的合理性与可信度。目前国内应用最广泛的是AERMOD和CALPUFF两种模型，二者在理论框架、适用场景和数据需求上存在显著差异。
4.1.1 AERMOD模型
AERMOD是由美国环保署（US EPA）开发的新一代稳态烟羽扩散模型，已被HJ 2.2-2018推荐为一级、二级评价的默认模型。其核心原理是假设污染物在水平方向呈高斯分布，在垂直方向考虑地形和混合层的影响。AERMOD采用“分层”方法处理边界层湍流，能够模拟对流和稳定条件下的扩散过程。
- 适用条件：评价范围≤50km，地形平坦或简单（地形高差≤模型适用阈值），污染源类型包括点源、面源、体源和线源。
- 数据需求：需要至少连续1年的逐时地面气象数据（风速、风向、温度、云量）和高空气象数据（探空数据），以及DEM数字高程数据。
- 输出结果：可输出逐时、日均、年均浓度，支持多种受体网格设置。
4.1.2 CALPUFF模型
CALPUFF是一种非稳态拉格朗日烟团扩散模型，能够模拟时空变化的流场和气象条件。其优势在于处理复杂地形（如山谷、海岸线）和长距离输送（50~300km）问题。CALPUFF由CALMET气象模块和CALPUFF扩散模块组成，需要更精细的气象场诊断。
- 适用条件：评价范围＞50km，复杂地形（如山区、水域交界），或存在静风、熏烟等特殊气象条件。
- 数据需求：需要中尺度气象模拟数据（如MM5/WRF输出）或更多地面气象站数据，以及三维地形数据。
- 输出结果：支持痕量物质、干湿沉降、能见度等特殊输出。
| 对比维度 | AERMOD | CALPUFF |
|---|---|---|
| 模型类型 | 稳态高斯烟羽 | 非稳态拉格朗日烟团 |
| 适用距离 | ≤50km | 50~300km |
| 地形要求 | 平坦或简单地形 | 复杂地形、海岸线 |
| 气象数据 | 单站地面+高空 | 多站或中尺度气象场 |
| 计算时间 | 较快 | 较慢 |
| 环评适用等级 | 一级、二级 | 一级（复杂条件） |
4.2 气象与地形数据处理流程
气象和地形数据是模型预测的“燃料”，其质量直接决定预测结果的可靠性。HJ 2.2-2018要求使用近3年内的至少连续1年气象数据，且需经过严格的预处理和质量控制。
4.2.1 气象数据处理（AERMET）
AERMET是AERMOD的气象预处理模块，其功能是将原始气象观测数据转化为模型所需的边界层参数（如摩擦速度、莫宁-奥布霍夫长度、混合层高度）。处理流程包括：
- 数据收集：获取项目所在地附近气象站（一般要求半径50km内）的逐时地面观测数据（风速、风向、温度、云量、气压）和每日两次的探空数据（00时、12时）。
- 数据质量控制：检查数据完整性、异常值剔除（如风速＞40m/s、风向缺失等），对缺失数据进行插补或替换。
- 参数计算：AERMET通过计算地表热通量、动量通量等，生成包含摩擦速度、对流速度尺度、混合层高度等参数的PFL（Profile）和SFC（Surface）文件。
- 地表参数设定：需根据项目周边土地利用类型（城市/乡村、植被覆盖）设定反照率、波文比、地表粗糙度等参数。
4.2.2 地形数据处理（AERMAP）
AERMAP是AERMOD的地形预处理模块，其核心功能是利用DEM数据计算每个受体点和污染源点的地形高程，并据此修正烟羽中心线高度。处理步骤：
- DEM数据获取：从地理空间数据云或USGS下载SRTM 90m或30m分辨率数据，覆盖评价范围外扩5km。
- 地形文件生成：AERMAP读取DEM数据，生成包含每个网格点高程的TERR地形文件。
- 受体点高程插值：对用户定义的每个离散受体点或网格受体点，自动插值计算其地面高程。
- 源高程修正：对于位于山体或谷底的污染源，AERMAP会修正烟羽抬升高度，避免低估地面浓度。
4.3 预测参数选取与评价等级判定
预测参数的选取是模型应用中最体现“工程师经验”的环节。参数选取不当，即使模型运行成功，其结果也可能偏离实际。
4.3.1 关键预测参数
| 参数类别 | 具体参数 | 选取要点 |
|---|---|---|
| 污染源参数 | 源强（g/s）、排气筒高度（m）、出口内径（m）、出口烟气温度（K）、出口流速（m/s） | 源强取正常工况下的最大排放速率；烟气温度与流速影响烟羽抬升，需核实设计值 |
| 气象参数 | 风速、风向、温度、云量、混合层高度 | 采用近3年连续1年逐时数据；注意静风（≤0.5m/s）频率过高时需考虑CALPUFF |
| 地形参数 | DEM分辨率、受体点高程 | 复杂地形建议30m分辨率；受体点应覆盖评价范围及关心点 |
| 化学转化参数 | SO₂→SO₄²⁻转化率、NOₓ→NO₂转化率 | 一般取0.5~2%/h；若项目位于光化学活跃区域，需结合臭氧浓度调整 |
| 沉降参数 | 干沉降速率、湿沉降系数 | 颗粒物PM₁₀/PM₂.₅需考虑干沉降；SO₂、NOₓ可考虑湿沉降 |
4.3.2 评价等级判定方法
根据HJ 2.2-2018，评价等级判定采用“估算模式”计算各污染物的最大地面空气质量浓度占标率Pi：
Pi = (Ci / C0i) × 100%
其中：
Ci —— 采用估算模式计算出的第i个污染物的最大1h地面空气质量浓度（μg/m³）；
C0i —— 第i个污染物的环境空气质量浓度标准（μg/m³），一般取GB 3095-2012中1h平均浓度二级标准限值。判定规则如下：
- 一级评价：Pmax ≥ 10% 或 D10% ≥ 5km（D10%为占标率≥10%对应的最远距离）。
- 二级评价：1% ≤ Pmax < 10%，且 D10% < 5km。
- 三级评价：Pmax < 1%。
对于电力、钢铁、石化等重点行业，即使Pmax＜1%，若项目位于环境空气质量不达标区，也应适当提高评价等级。
项目背景：某2×660MW燃煤电厂拟建于华北平原，地形平坦，评价范围20km。主要污染物为SO₂、NOₓ、PM₁₀、PM₂.₅。
关键参数：烟囱高度210m，烟气温度358K，SO₂排放速率120g/s，NOₓ排放速率180g/s，PM₁₀排放速率30g/s。
判定过程：采用AERSCREEN估算模式计算，得到SO₂最大1h浓度Ci=85.6μg/m³，C0i=500μg/m³，Pi=17.1%＞10%；NOₓ最大1h浓度Ci=128.4μg/m³（折算为NO₂），C0i=200μg/m³，Pi=64.2%＞10%。因此Pmax=64.2%≥10%，判定为一级评价。
后续工作：需采用AERMOD进行进一步预测，并开展大气环境防护距离计算、环境质量影响预测及污染控制措施论证。
复盘经验：高架源（烟囱高度＞200m）虽然有利于污染物扩散，但NOₓ的占标率往往成为控制性因素。在判定等级时，应同时计算所有污染物的Pi值，取最大值作为Pmax。
4.4 常见误区与总结复盘
在多年教学和评审实践中，以下误区反复出现，需要特别注意：
- 误区一：模型选择“一刀切”。部分环评人员无论项目大小一律使用AERMOD，忽略了CALPUFF在复杂风场和长距离输送中的优势。建议根据评价等级、地形条件和气象特征综合判断。
- 误区二：气象数据“将就使用”。使用非代表性年份数据或气象站距离过远，导致预测结果偏差。应优先选择项目所在地近3年中最不利的气象条件。
- 误区三：忽略化学转化。对于NOₓ排放，若直接以NOₓ浓度与NO₂标准比较，会低估环境影响。应按照导则要求，将NOₓ的20%~50%转化为NO₂后再进行占标率计算。
- 误区四：地形数据分辨率不足。在山区项目中使用90m分辨率DEM，可能遗漏关键地形特征（如峡谷、山脊），导致烟羽抬升计算错误。