1. 引言
近年来，随着工业的进步，我国突发性环境污染事故频发 [1]。通常该类事故会带来严重的环境影响，并危害民众生命健康。本着预防性原则，做好突发性环境风险事故影响预测意义重大。在工业突发性环境风险中，由于储存体发生腐蚀、断裂等因素造成的危险化学品及有害污染物泄漏是比较常见的风险事故类型，这些事故泄漏的有害污染物浓度高，且泄漏后会迅速扩散，造成大范围的危险区域，为此这类风险事故是工业突发性环境污染事故的关注焦点。泄漏风险事故环境影响评价的研究方法很多，均以模型预测为主。目前，研究危险气体泄漏的风险模型有高斯模型、CHARM、SLAB模型等。有研究表明高斯扩散模型在研究物质泄漏后果分析中应用较多，但高斯模型主要适用于较轻气体的预测。SLAB模型则多见用于液化气体、H2S、甲烷等气体泄漏事故的模拟预测中 [2] [3] [4]。这些模型以平坦地形为研究对象，但是由于很多工业企业建设在较为崎岖的山地、丘陵的低洼地，使用平坦地形模拟会影响模拟结果的准确性。CHARM模型是针对复杂地形的风险预测模型 [5]，但同高斯模型、SLAB模型一样，仅模拟某一气象条件下的风险扩散结果，不能真实反映一个地方的实际情况。
风险预测模型也是一种空气扩散模式，考虑到目前应用较多的空气质量模型AERMOD，该模型以当地地形为基础，可模拟真实气象条件下工业污染源对大气环境的影响 [6] [7]，曾有研究利用AERMOD选取出不利于风险扩散的气象条件 [8]。本文拟引用大气预测模型AERMOD，以某有色金属冶炼厂为例，计算复杂地形及真实气象条件下的风险事故的环境影响，并与SLAB模拟结果作对比分析。该研究结果将对风险模型预测的改进及工业企业制定应急预案有一定的借鉴意义。
2. 模型条件及参数
2.1. 事故源项分析
某锌冶炼企业生产规模10万t/a锌锭，副产硫酸9.7万t/a。企业周边5 km范围有8个村庄和2个小学，环境风险保护目标较敏感。
二氧化硫为中间产物，主要是沸腾炉车间产生后立即随生产流程进入制酸，不单独储存，仅有生产流程中的在线量，本例中净化进口前冶炼系统管道及炉体的体积约为4000 m3，计算得出的SO2在线量为992 kg。这里管道压力117,825 Pa，发生泄漏管道中SO2体积比为5.13% (多余量转化为了SO3)。根据估算，该管道SO2发生泄漏的风险参数如下表1所示。
Table 1. The calculation parameters of risk leakage
表1. 风险泄漏计算参数
2.2. AERMOD和SLAB模型参数
SLAB模型适用于平坦地形下重质气体排放的扩散模拟，可以处理的排放类型包括地面水平挥发池、抬升水平喷射、烟囱或抬升垂直喷射以及瞬时体源，其可以模拟多组气象条件 [9]，但不适用于真是条件下监测的实时气象数据输入。SLAB模型主要参数包括：泄漏类型、泄漏物质属性、泄漏参数、气象数据等。对模拟结果影响较大的参数包括气象参数及地面粗糙度 [10] [11]。经模型验证，最不利气象条件 [12] 参数(见表2)下，其风险影响范围最大，这组参数在国内各种风险环境影响评价工作中得到了认可。地面粗燥度参数在SLAB模型中也是简化处理过的，通常取评价中间点周边3 km最主要地面特征参数。
Table 2. The calculation parameters for SLAB model and AERMOD model
表2. SLAB模型和AERMOD模型主要参数表
AERMOD模型适用于真实地形和实时气象数据条件下的大气扩散模拟，可以将风场和复杂地形 [13] [14] 扩散相结合，其可以模拟各种地面及高架的点、面、线源和体源污染物的大气扩散。AERMOD模型是一种稳态烟羽模型，在稳定边界层中，模型在垂直和水平方向的浓度分布采用的是高斯分布；在对流边界层中，水平分布也是高斯分布，垂直分布则采用的是双高斯概率密度函数。AERMOD模型主要参数包括：地面气象数据、高空气象数据、地表粗糙度 [15]、地形数据等。对模拟结果影响最大的是气象数据和地形数据。气象数据需要收集当地气象部门某一年的地面逐时气象数据和高空数据。如果当地没有高空数据，也可利用MM5 [16] 气象模型(MM5是由美国大气研究中心(NCAR)和美国滨州大学(PSU)联合研制发展起来的中尺度数值预报模式，已被广泛应用于各种中尺度现象的研究)提供的模拟数据。地形数据为国内通用的DEM数据(90 m分辨率)。
本项目利用SLAB模型的最不利气象条件模拟结果和AERMOD模型预测作对比。
3. 预测结果及评价
3.1. AERMOD模拟结果
1) 预测浓度达到不同毒性终点浓度的最大影响范围
由AERMOD预测结果可知，SO2浓度达到大气毒性终点浓度2级(2 mg/m3)的最大影响范围距离为2000~15,000 m，达到大气毒性终点浓度1级(79 mg/m3)的最大影响范围约为600 m，预测SO2浓度达到不同毒性终点浓度的最大影响范围见图1 (这里给出了10 km × 10 km范围预测结果)。由图可见，SO2风险扩散情况的走势与地形高程(见图2)相关。
Figure 1. SO2 concentration distribution (10 km × 10 km)
图1. SO2浓度分布图(10 km × 10 km)
Figure 2. Topographic elevation (10 km × 10 km)
图2. 地形高程(10 km × 10 km)
2) 各关心点的风险浓度情况
由于采用了具体的地形数据，并考虑关心点位置，AERMOD给出了各关心点的预测结果。参考上图(绿色方块为关心点)，风险影响最大的关心点浓度为19.5 mg/m3，持续时间按照烟团存在时间约30 min，计算出该关心点的大气伤害概率为零。
3.2. SLAB模拟结果
1) 预测浓度达到不同毒性终点浓度的最大影响范围
经预测，在最不利气象条件(F类稳定度，1.5 m/s风速，温度25℃，相对湿度50%)下，SO2浓度达到大气毒性终点浓度2级(2 mg/m3)的最大影响范围约为3059 m，到达时间47 min。达到大气毒性终点浓度1级(79 mg/m3)的最大影响范围约为564 m，到达时间12 min，主要风险受体为厂区内员工，预测SO2浓度达到不同毒性终点浓度的最大影响范围见下图3。
Figure 3. The impact range under the most unfavorable meteorological conditions (SLAB model)
图3. 最不利气象条件下的影响范围(SLAB模型)
2) 各关心点的风险浓度情况
评价范围内有10个关心点，根据预测可知，所有关心点均在大气毒性终点浓度2级的范围外，但大部分关心点位于大气毒性终点浓度1级的影响范围内。当最不利气象条件时(风向按照最近关心点为正下风向选取)，对下风向最近的关心点的浓度为3.6 mg/m3。持续时间按照烟团存在时间30 min，计算出该关心点的大气伤害概率为零。
3.3. 结果对比分析
基于AERMOD复杂地形模块的风险预测影响范围在高浓度区(大气毒性终点浓度1级)情况下与SLAB模型接近，均在600 m左右。在低浓度区(大气毒性终点浓度2级)情况下其影响距离不等，变化范围较大，且部分地区范围小于SLAB模型结果。这主要是受距离厂址周边地形的影响，距离厂址较近的地区，地形相对平坦，两种模型计算出的影响距离接近，这说明AERMOD模型用于突发性环境风险事件的模拟是有一定可靠性的。另外，距离厂址较远的地区，由于地形变化较大，AERMOD和SLAB呈现出不同的结果，AERMOD模拟结果更直观。
SLAB对关心点的最大预测浓度仅为3.6 mg/m3，小于真实气象条件下AERMOD对关心点的最大浓度19.5 mg/m3。这是因为AERMOD模拟结果的前提是2018年某小时真实气象条件下的结果，虽然该时刻不一定发生风险泄漏事故，但其结果一定是此次风险事故的最大影响情况。本着从最不利角度考虑风险事故的影响，AERMOD模拟结果仍然是值得推荐的。
4. 结论
本文利用空气质量模型AERMOD的大气预测模块，以某有色金属冶炼企业为例，建立了复杂地形高浓度SO2气体泄漏的风险扩散模型分析方法。由AERMOD预测结果可知，SO2浓度达到大气毒性终点浓度2级的最大影响范围距离为2000~15,000 m，达到大气毒性终点浓度1级的最大影响范围约为600 m。同时，本文给出了SLAB模型的模拟结果，经预测，在最不利气象条件达到大气毒性终点浓度2级最大影响范围约为3059 m，达到大气毒性终点浓度1级的最大影响范围约为564 m。
通过与SLAB模型进行对比分析发现，基于AERMOD的复杂地形模块的风险预测影响范围在高浓度区与SLAB模型接近，在低浓度区情况下其影响距离变化范围较大，距离不等。这主要是受距离厂址周边地形的影响，距离厂址较近的地区，地形相对平坦，模拟结果相近；距离厂址较远的地区，由于地形变化较大，AERMOD和SLAB呈现出不同的结果，AERMOD模拟结果更直观。另外，AERMOD可以给出真实气象条件下最大影响，符合最不利角度风险事故分析原则。本文建立的风险模型是一种值得推荐的复杂地形风险预测方法，可为相关研究提供科学依据。