基于SCREEN3模型的大气环境防护距离确定技术方法研究
王栋成 王静 曹洁 董旭光
（山东省气候中心，济南，250031）
摘要：结合环境影响评价技术导则-大气环境（HJ2.2-2008）等的有关规定，对基于SCREEN3模型的大气环境防护距离确定技术方法进行研究，对比分析了现行的卫生防护距离和HJ2.2-2008规定的环境防护距离确定方法的差异，进一步探讨了大气环境防护距离确定可能存在的问题与技术解决方案，对环境评价与保护工作有很重要的指导意义。
关键词：大气环境防护距离、SCREEN3模型、卫生防护距离
1 引言
在《环境影响评价技术导则 大气环境HJ/T 2.2-200□》（报批稿）[1]中，对“环境防护距离”进行了规定。2008年9月4日国家环境部也在环发〔2008〕82号“关于进一步加强生物质发电项目环境影响评价管理工作的通知”中正式提出了“环境防护距离”的评价要求。例如：在“生物质发电项目环境影响评价文件审查的技术要点”“一、生活垃圾焚烧发电类项目”中规定“6、环境防护距离：根据正常工况下产生恶臭污染物（氨、硫化氢、甲硫醇、臭气等）无组织排放源强计算的结果并适当考虑环境风险评价结论，提出合理的环境防护距离，作为项目与周围居民区以及学校、医院等公共设施的控制间距，作为规划控制的依据。新改扩建项目环境防护距离不得小于300m。”在“二、农林生物质直接燃烧和气化发电类项目”中规定“6、恶臭防护距离：按照其恶臭污染物（氨、硫化氢、甲硫醇、臭气等）无组织排放源强确定合理的防护距离。”在“三、垃圾填埋气发电及沼气发电类项目”中规定“5、恶臭防护距离：按照其恶臭污染物（氨、硫化氢、甲硫醇、臭气等）无组织排放源强确定合理的防护距离。”
因此，在今后的环境影响评价工作中，将不再要求进行卫生防护距离的评价，而是要求进行环境防护距离的评价。基于这一重大变化，本文自环境影响评价理论、技术与实践角度，对SCREEN3模型大气环境防护距离确定方法进行深入研究，对比分析卫生防护距离和环境防护距离确定方法的差异及优缺点，进一步研究环境防护距离确定可能存在的技术问题并提出解决方案和建议。
2 现行的卫生防护距离规定、常见确定方法简析 2.1卫生防护距离规定
《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T13201-91）7.2 节“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与TJ36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。”[2] 在卫生防护距离内不得设置经常居住的房屋，并应绿化。
2.2 卫生防护距离常见确定方法
现行确定卫生防护距离的方法主要有两种：一是根据GB/T13201-91中的计算公式进行计算，简称“计算公式法”。二是根据各行业单独制定的行业卫生防护距离标准确定，简称“行业标准法”。[3] 2.2.1计算公式法
GB/T13201-91中的卫生防护距离计算公式如下：
QCCm?1A?BLC?0.25r20.50?L
3
D式中：Qc为有害气体无组织排放量可以达到的控制水平（kg/h）；Cm为标准浓度限值（mg/m）；L为所需卫生防护距离（m）；r为有害气体无组织排放源所在生产单元的等效半径（m），根据该生产单元占地面积（m）计算，r=(S/π)；A、B、C、D为卫生防护距离计算系数（无因次），根据建设项目所在地区近五年平均风速及工业企业大气污染源构成类别确定。[2]
2.2.2行业标准法
针对GB/T13201-91经常出现计算值偏大的问题，国家先后制定了30几个行业的工业企业卫生防护距离标准，其各自详细内容可在中华人民共和国卫生部网站及卫生部旧网站中的“卫生标准”栏目中调阅。本文在4.2节表2中也列举了《石油化工企业卫生防护距离（SH3093-1999）》中的部分内容。
2
0.5
3 环境防护距离的有关规定和确定技术方法探讨 3.1 环境防护距离的有关规定
[3]、[4]、[5]、[6]
综合《环境影响评价技术导则 大气环境（报批稿）》（HJ/T 2.2-200□）和相关文献，对环境防护距离的规定主要包括：
（1）环境防护距离：为保护人群健康，预防环境风险，在无组织排放源所在的生产单元（装置区、生产区、车间或工段）以外所设置的环境防护区域。根据对无组织排放源的环境影响预测结果，按环境质量要求分析其达标距离，并结合风险评价中半致死浓度范围，综合确定必要的环境防护距离。环境防护距离一般不低于环境达标距离及半致死浓度范围。
（2）大气环境防护距离：为保护人群健康，减少正常排放条件下大气污染物对居住区的环境影响，在污染源与居住区之间设置的环境防护区域。
（3）在环境防护距离内不应有人群长期居住。
可见，环境防护距离的确定应涵盖大气环境防护距离和环境风险半致死浓度范围，对后者我们将另文讨论，本文仅针对无组织排放源确定大气环境防护距离进行研究。
3.2 环境防护距离确定技术方法探讨 3.2.1 SCREEN3模式系统理论
SCREEN3是基于ISC3模型的估算模式，鉴于其最新的版本AERSCREEN估算模式（基于AERMOD模型）美国环保局法规模式中心尚未公布，目前的研究、计算和大气导则报批稿也都以SCREEN3来进行和规定。“对于面源，AERMOD在ISC3的基础上增加了一些实用的内容。面源形状的输入参数除正方形和矩形外，还可以输入圆形和多边形。多边形可允许多至接近于圆的20个边。圆形应输入圆心位置和半径。”[4]可见AERMOD模型中面源处理功能被增强，AERMOD模型中对于面源模式与ISC3模型是基本一致的。 SCREEN3采用了单源高斯烟羽扩散模式，适合模拟小尺度范围内流场一致的气态污染物的传输与扩散[6]，可用于模拟点源、面源、线源、体源、逆温、海岸线等的下风向轴线上的最大浓度。由于默认选项为城市复杂地形、所有气象组合（A～B～C～D～E～F各稳定度和风速自1.0m/s～20.0m/s），SCREEN3模式（或未来的AERSCREEN）估算的地面浓度大于等于采用ISC3模型（或未来的AERMOD模式）用全部气象数据和地形数据计算的浓度，因此计算结果是保守的。
C?Q2?U?y?z22?(z?He)(z?He))]?exp[?()]? ?exp[?(222?z2?z?k?{exp[n?1?(2nh?He?z)2?2z2]?exp[?(2nh?He?z)2?2z2]?
exp[?(2nh?He?z)2?2z2]?exp[?(2nh?He?z)2?2z2]}}
式中，C为接受点的污染物落地质量浓度（mg/m3）；Q为污染源排放强度（g/s）；U为排气筒出口处的风速（m/s）；?y、?z分别为y和z方向扩散参数（m）；z为接受点离地面的高度（m）；He为排气筒有效高度（m）；h为混合层高度（m）；k为烟羽从地面到混合层之间的反射次数，一般≤4。 面源模式则是通过把每个面源单元简化为一个“等效点源”，用点源公式来计算面源造成的污染浓度，或者通过面源积分的方法得到全部面源造成的浓度分布。
3.2.2 环境防护距离确定技术要点
（1）采用的评价标准：应遵循GB3095-1996中的1小时浓度标准或TJ36-79中居住区最高容许浓度1次浓度标准的规定。如无小时标准执行日均标准。有厂界排放浓度标准的，大气环境影响预测结果应首先满足GB16297-1996、GB14554-93等规定的厂界浓度排放标准。如预测结果在厂界监控点处（以标准规定为准）出现超标，必须要求工程采取可靠的环境保护治理措施以削减排放源强。最终计算大气环境防护距离的污染物排放源强应采用削减后的源强。
（2）大气环境防护距离确定方法：采用推荐模式（SCREEN3或AERSCREEN）计算各无组织源的环境空气质量最远达标距离，计算出的环境防护距离是以污染源中心点为起点的控制距离，并结合厂区平面布置图，确定控制距离范围，超出厂界以外的范围，即为建设项目大气环境防护区域。
（3）大气环境防护距离计算参数确定：①模型为SCREEN3模型（VERSION DATED 96043）或未来的AERSCREEN，计算参数默认值采用了城市地面、测风高度10m、考虑所有风向与所有气象组合的方式。②计算点默认值为离源中心10m到5000m，在100m内间隔采用10m，100m以上采用50m。计算点相对源基底高均为0。③当无组织源排放多种污染物时，应分别计算各自的防护距离，并按计算结果的最大值确定其大气环境防护距离。④对属于同一生产单元（生产区、车间或工段）的无组织排放源，应合并作为单一面源计算并确定其大气环境防护距离。⑤如果有多个无组织排放面源，对每一个面源分别计算各自的防护距离，画出各自的控制区，这些控制区合并组成项目的防护控制区域。⑥对于非矩形面源，要折算成面积相等、形状相近的矩形面源（但不应将全部非矩形面源都折算成正方形面源，除非形状上接近正方形），且要求面源的长、短边长比值不能超过10：1，超出这个限制的宜分成多个面源。
（4）计算结果取级规定：如超标距离大于2000m，应先削减排放源强，才能计算环境防护距离。如超标距离在2000m内，防护距离按以下原则取级：在 10～50 m内的，取50m；在60～100 m内的，取100m；在100～1000m内的，级差为100m；超过1000 m的，级差为200 m；最大2500m。
4 环境防护距离和卫生防护距离确定方法对比
4.1环境防护距离SCREEN3模型法和卫生防护距离确定两种方法对比
对于没有行业卫生防护距离标准的项目，分别采用SCREEN3模型法计算环境防护距离和计算公式法计算卫生防护距离，对比结果详见表1。
对于有行业卫生防护距离标准的项目，采用SCREEN3模型法计算环境防护距离和行业标准法确定的卫生防护距离，对比结果详见表2。
环境防护距离和卫生防护距离计算结果均分别给出了初始计算值（即最远超标点离面源中心距离）、最终执行评价值（即按规定级差取整后的防护距离），例如：表1之2、某60万t/a纯碱工程的环境防护距离计算值为1100m，按规定级差取整后的环境防护距离为1200m。
由表1可见： （1）对于卫生防护距离计算公式法和环境防护距离SCREEN3模型法，两者共同的难点均是无组织源强的确定是否科学准确。
（2）在差异方面，前者的计算输入参数要多当地近5年平均风速、工业企业大气污染源构成类别等2项，而不必输入无组织排放有效源高参数；而后者的计算输入参数则要特别注意无组织排放面源的长度、宽度、有效源高等。卫生防护距离计算公式法中，无组织排放等效半径是假设生产单元占地为圆形面积计算的，而实际上大多数的工业无组织排放面源为矩形甚至长条形，导致计算结果并不合理。例如：表1之
20.5
6、某垃圾填埋工程面源面积75000m，无组织排放圆形等效半径r=(75000/3.14159)=154.5m，卫生防护距离计算公式法得到的结果是130m、取整数级后为200m；如按等面积正方形（边长273.9m）计算环境防护距离结果则为200m、取整数级后也为200m；但按面源实际长500m、宽150m采用SCREEN3模型法计算的环境防护距离结果则为300m、取整数级后也为300m。这也从另一方面可以看出SCREEN3模型法计算环境防护距离要求明确面源的长度、宽度是符合实际的，更加科学合理。
由表2可见：
行业标准法中，当近5年平均风速小于2.0m/s时，卫生防护距离明显分类结果偏大。而采用SCREEN3模型法计算的环境防护距离最大仅相当于近5年平均风速2.0～4.0m/s时的卫生防护距离。说明行业标准法的结果还是偏保守的，SCREEN3模型法的结果是较为客观科学的。
表1 环境防护距离SCREEN3模型法和卫生防护距离计算公式法对比 无组织排放面源
项目名称
污染因子
标准(mg/m3)
源强
面积(m2)
源高(m)
计算结果对比（m） 计算公式法 卫生防护 距离
SCREEN3模型法环境防护距离
行业标准卫生防护距离
(kg/h) 或面源长宽
1、某5万t/a电解
铝工程 2、某60万t/a纯碱工程
3、某油库工程
F
0.02 GB3095-1996
0.2 TJ36-79 2.0 参考 0.2 前苏联GH245-71
0.04 TJ36-79 0.01 TJ36-79
0.55
41924 446×94 240000 600×400 300000 600×500 540 27×20 7200 240×30 75000 500×150
25
651-700 1.8m/s，Ⅰ类 1471-1500 3.7m/s，Ⅰ类 202-300 4.1m/s，Ⅲ类 545-600 1.4m/s，Ⅱ类 581-600 2.5m/s，Ⅰ类 130-200 2.3m/s，Ⅱ类
0-0 1100-1200
0-0 350-400
400-400
300-300
无
NH3 非甲烷总烃 醋酸
24.0 15 无
76.92 10 无
4、某PTA工程 2.36 5 无
5、某纤维工程 CS2 0.689 14 无
6、某垃圾填埋工程 H2S
0.0995 1 无
注:①对卫生防护距离计算公式法，按是否同时有排放相同污染物的排气筒及排放量是否大于最高允许排放速率的1/3考虑了工业企业大气污染源构成分为三类: Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。其具体类别规定见GB/T13201-91之7.4节。 ②无组织排放源的源高，是指考虑了烟气抬升的有效源高。
表2 环境防护距离SCREEN3模型法和卫生防护距离行业标准法对比
石油化工企业卫生防护距离（SH3093-1999） 类 型
工厂类别及规模(104t/a) >800 乙烯≥30 ≤60 涤纶 >20≤60 合成氨≥30
二 装置分类
装置(设施)名称
酸性水汽
污染源数据
无组织排放面源 源强(kg/h)
H2S
0.01 0.02 TJ36-79 3.0 前苏联 GH245-71
C8H10
0.30 3.0 TJ36-79 0.2 TJ36-79
0.5 0.7 90.0 12.2 4.1 3.62
酚类
面积(m2) 18000 3600 16100 50000 10100 1250
源高(m) 10 3-5 5 5 5 5
当地近五年平均风速
(m/s)
<2.0
2.0~4.0
>4.0
污染因子
标准(mg/m)
3
SCREEN3模型法 环境防护距离(m) 850-900 750-800
600-600
650-700 0 500-500
炼油
一
提、硫磺回收
1200 800 700
化工
乙烯（SM技术）
900 600 500 乙烯
合纤
一
氧化装置 合成
900 900 700
甲醇
化肥
一 氨、尿素
700 600 500 NH3
注：①因石油化工企业卫生防护距离（SH3093-1999）中无组织排放面源仅有面积，无长度、宽度数据，表中在用SCREEN3模型法对比计算环境防护距离时，对无组织排放面源按等面积的正方形或近圆形进行处理,虽不合理但与卫生防护距离计算时的等效半径圆形有较好的可比性，且源高是指考虑了烟气抬升的有效源高，仅为研究。
②鉴于行业标准法对无组织排放源的确定并不十分关注，要想得到较为客观的无组织排放源强也有困难，我们特别对比典型企业无组织排放量统计值，这些值是通过实地污染源调查、环评资料以及环境监测所得地面浓度反推获得，详见SH3093-1999。
4.2环境防护距离与卫生防护距离的综合异同分析
4.2.1确定方法可操作性：环境防护距离SCREEN3模型法计算简单易行，卫生防护距离计算公式法操作较复杂，卫生防护距离行业标准法查表简单易操作。
4.2.2计算判别依据：（1）环境防护距离SCREEN3模型法包括：①无组织排放源强；②无组织排放面源的长度、宽度和有效源高；③环境质量标准浓度限值（GB 3095与TJ36小时、一次浓度值或日均浓度值）；④计算结果取整规定（见3.2.2节）。（2）卫生防护距离计算公式法包括：①无组织排放源强；②无组织排放源的面积或等效半径；③环境质量标准浓度限值（GB 3095与TJ36小时或一次浓度值）；④工程所
