針對大尺度區域的大氣環境容量綜合估算方法

錢躍東,王勤耕(南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210046)

針對大尺度區域的大氣環境容量綜合估算方法

錢躍東,王勤耕*(南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210046)

針對大尺度區域的特點,提出了將箱模型法、模擬法與線性規劃法相結合的大氣環境容量估算方法.其基本思路是將大尺度區域劃分為一系列小區域,將真實污染源簡化為源單元,基于線性規劃法尋求區域最大容量及其優化配置方案.采用箱模型以保證源單元尺度的環境質量要求,采用模擬法以考慮二次污染對前體物環境容量的制約,將箱模型容量與模擬法容量作為規劃法的約束條件.新方法使3種傳統方法相互取長補短,其顯著特征表現為:兼顧了污染源的局地性和區域性的影響;兼顧了污染物的一次影響和二次影響;大氣環境容量的規劃布局具有區域優化特征.應用新方法對我國東南沿海某區域進行了大氣環境容量的評估試驗,結果表明該方法合理可行.

大尺度區域；大氣環境容量；線性規劃法；箱模型；模擬法；環境規劃

近年來,針對大尺度區域的發展戰略規劃及環境評價日益得到重視.大氣環境容量(AEC)評估是開展上述工作的重要基礎.特別是對于區域產業布局、污染物排放總量控制及有關環保政策的制定等工作來說,大氣環境容量往往是不可缺少的決策依據.相對于中小尺度的城市或工業開發區,大尺度區域具有以下特征:空間尺度大,一般在幾百 km以上,下墊面和氣象條件復雜;排放源多樣,分布不均,且數量眾多;大氣污染具有區域性和復合性,特別是城市群區域,二次污染過程不可忽略[1-2].上述特征對大氣環境容量評估提出了特別的要求和挑戰.

目前常用的大氣環境容量估算方法主要有箱模型法(或 A-P值法)、模擬法、線性規劃法等[3-5].它們各有優缺點,均不能很好地滿足大尺度區域的應用需求.如箱模型法在城市、工業集聚區等地區得到了較多應用[6-9],主要適用于尺度較小的區域.模擬法在大氣環境容量評估工作中得到了廣泛的應用[10-11],相比箱模型法,其輸入要求高、計算量大.另外,在容量的區域配置方面,模擬法一般采用等比例或平方比例削減技術,不具有區域優化特性[4,10].線性規劃法可以像模擬法一樣較細致地反映“排放源-受體”的響應關系,同時可以在區域上對環境容量進行優化配置,因此得到了十分廣泛的應用[5,9,12,13].但該方法由于受到線性響應關系的制約,一般不能處理非線性過程顯著的二次污染問題.

針對大尺度區域,本研究提出了一種將線性規劃法與箱模型法、模擬法有機地結合起來的計算方法,使其相互取長補短,以解決上述單一方法應用于大尺度區域時所遇到的困難.

1 研究方法

1.1 基本思路與技術路線

某種污染物的大氣環境容量是指所研究的區域內,在保證生態環境質量滿足一定目標的前提下,所能容納的污染物最大排放量.本研究的基本思路是將大尺度區域劃分為一系列小區域,將真實污染源簡化為源單元;基于線性規劃法尋求區域最大容量及優化配置方案;采用箱模型以保證源單元尺度的環境質量要求,采用模擬法以考慮二次污染對前體物環境容量的制約;將箱模型容量與模擬法容量作為規劃法的約束條件.上述思路的總體技術路線如圖1所示.

圖1 針對大尺度區域的大氣環境容量估算技術路線Fig.1 Technical route of the AEC estimation method for large-scale region

1.1.1 源單元的劃分 線性規劃法的一個重要基礎就是建立“源-受體”之間排污量與環境質量的響應關系.對于大尺度區域來說,由于污染源眾多,不確定性大,源-受體的響應關系難以建立在真實的排放源基礎上.為此,本研究將大尺度區域劃分為一系列小區域.為便于資料收集與分析,上述小區域通常為某級別的行政區或工業區.對于任一小區域,將類型相同、排放高度相近的排放源合并為一個源單元.此外,將區域內一些排放高度高、排放量大、影響范圍廣的工業點源,如大型火電廠等,作為獨立的源單元.

1.1.2 與箱模型法的結合 在大尺度區域下,將一個源單元近似等同于一個點源是合理可行的,但不能保證源單元內部的環境質量.為保證局地空氣質量滿足一定的要求,本研究在源單元尺度上采用空氣質量箱模型,估算該源單元在滿足箱內污染物濃度限值時的允許排放量,以下稱之為箱模型容量.將每個源單元的箱模型容量作為規劃模型的一種約束條件.

1.1.3 與模擬法的結合 對于大尺度區域來說,二次污染不可忽略,此時,“源-受體”響應關系往往是非線性的.為了在線性規劃模型中考慮二次污染對區域環境容量的制約,本研究將常規的模擬法與線性規劃法相結合.模擬法的實質是基于空氣質量模式的多方案模擬,在二次污染因子滿足一定環境目標的前提下,得到各排放源相應前體污染物的允許排放量,在此基礎上得到全區域的某前體物的允許排放量,以下稱之為模擬法容量.將模擬法得到的各源的某(前體)污染物的允許排放量作為線性規劃法的一種約束條件.

1.2 模型與計算方法

依據 2.1所述思路與技術路線,本研究的容量估算模型總體上是基于線性規劃模型,其目標函數為區域所能容納的污染物的最大排放量,約束條件包括環境質量約束、基于經濟技術等條件的排污量約束、基于箱模型容量的排污量約束、基于模擬法容量的排污量約束等.該模型的基本形式如下:

式(1)為目標函數.Qi表示源單元的污染物排放量,N為源單元總數.PENALTY表示罰函數,其定義見式(2).x表示罰函數的系數,其值反映罰函數在目標函數中的比重.引入罰函數的意義將在下文中進一步介紹.

式(2)為罰函數.Ckj為控制點j的濃度松弛變量(即控制點j的濃度允許超標量).之所以要引入松弛變量,主要是因為對環境質量約束來說,常規的“硬約束”具有明顯的不經濟性,即可能由于局部控制點的制約導致整個地區環境容量顯著下降,同時也使削減費用大幅上升.王勤耕等[14]提出了基于約束條件影響價格調整目標值的方法,但該方法的計算結果具有一定的不確定性.本研究通過引入松弛變量,定義了一個反映區域少數點超標水平的罰函數,并將其加入目標函數中進行最小化.wj表示控制點 j的權重,在不區分控制點重要性的情形下,一般統一取值為1.

式(3)為區域一次污染的環境質量約束,其中fij為源i對環境控制點j的響應關系(即濃度傳輸系數),Caj為控制點 j的背景濃度,Csj為控制點 j的環境質量目標.K為控制點的個數.環境控制點包括人口集中區、生態敏感區和可能的地面濃度高值區.本研究中采用法規級空氣質量模式CALPUFF[15]計算源-受體的響應關系.環境質量控制目標主要基于污染物的年均濃度標準,對于缺乏法規標準的污染因子,可參照國內外相關研究成果.

式(4)為依據源單元i具體的經濟、技術和管理等條件提出的排放量上下界約束,Qimin和Qimax分別表示源單元i在給定條件下可能的最小和最大排放量.該約束條件可以有效保證容量規劃方案的現實可行性.

式(5)為基于箱模型法的排污量約束,以此保證源單元尺度的環境質量滿足一定的控制目標.考慮到重點源的地理位置可能與一般的源單元(區域)相重合,而箱模型容量的約束應考慮箱體所在區域內的所有污染源.為此,用h表示箱體編號(h=1,2,…,H; H≤N,H為箱體總數),用i∈h表示源單元i位于箱體h內.Ah表示箱體h的箱模型環境容量.在忽略干濕沉積和化學衰變的情形下,箱體h的某污染物的大氣環境容量為[16]:

式中:Ah的單位為 104t/a;Csh為環境質量目標,mg/m3;Cah為背景濃度,mg/m3;VE為混合層通風系數,m2/s;S為區域面積,km2.

式(7)為基于模擬法容量的排污量約束,以此保證區域二次污染滿足一定的控制目標.Mi表示各源的模擬法容量.目前較嚴重的二次污染因子主要包括酸沉降、二次氣溶膠粒子、臭氧(O3)等,其前體物包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、氨(NH3)、揮發性有機化合物(VOC)等[17].本研究重點關注 O3污染對 NOx和VOC排放的制約、細顆粒物(PM2.5)和酸雨污染對 SO2排放的制約.為此,采用 US EPA 研制的Models-3/CMAQ[18,19]對區域二次污染物濃度分布進行模擬.根據各源對環境控制點濃度的貢獻率,按等比例對各源單元的排放量進行多方案調整,直到滿足環境目標.這時各源單元的允許排放量為模擬法容量Mi.

式(8)為各控制點的松弛變量的上下界約束,Ckjmin和Ckjmax分別表示控制點j的環境質量允許的最小和最大超標量,實用中最小值一般取0.

2 應用案例

2.1 案例概況

為了檢驗新方法的合理性和可行性,本研究針對我國東南沿海某區域,進行了大氣環境容量的評估試驗.該區域總面積約14.6萬km2,包括13個地級市.該區域空氣質量總體優良,首要污染物為可吸入顆粒物,SO2和NO2濃度相對較低.酸雨污染相對嚴重,個別地區出現細顆粒物及O3超標現象.本研究重點針對SO2、NO2、PM10和VOC4種污染物進行環境容量評估,除考慮一次污染物的影響外,還考慮酸沉降、臭氧與PM2.5等二次污染對于上述有關前體污染物排放的制約.

以2007年為基準年調研區域污染源、環境空氣質量以及氣象等資料.根據 2.1節的技術路線對源單元進行劃分,區域共有重點源 20個,一般源單元24個.選取環境質量控制點58個.為從嚴控制,取各污染因子相應標準限值的 75%作為環境質量控制目標.

2.2 結果與討論

根據技術路線,首先可得到各源單元的模擬法容量及其所屬區域的箱模型容量.這兩種容量作為線性規劃法的約束條件進入規劃計算,便可以得到最終的區域環境容量估算結果,同時得到各源單元的允許排放量.為簡化起見,本文僅以SO2和 NO2兩個污染因子為例,對計算結果進行討論,PM10、VOC有類似結果,不再贅述.

考慮到實際工作中主要基于行政區開展產業規劃和污染物總量控制,對各源單元的規劃容量按13個市級行政區進行分類匯總,表1和表2分別為SO2和NO2匯總后的結果.

表1 SO2環境容量及環境承載率Table 1 Environmental capacities and environmental bearing- ratios of SO2

表2 NO2環境容量及環境承載率Table 2 Environmental capacities and environmental bearing-ratios of NO2

表中“規劃容量”即為最終的容量估算結果,“箱模型容量”和“模擬法容量”作為規劃容量計算的兩種約束條件,也就是說,規劃法容量將不會大于這兩種容量.“制約因素”反映了容量估算結果主要受到何種因素的制約:若規劃容量等于箱模型容量,則說明主要受局地污染的影響;若規劃容量等于模擬法容量,則主要受某種二次污染的影響(其中包括 O3對于 NOx排放的限制,酸沉降和細顆粒物污染對于SO2的限制);若規劃容量顯著小于上述兩種容量,則說明主要受一次污染跨區域輸送的影響.表1和表2還給出了基準年(2007)各地區環境容量的利用程度(本研究稱之為環境承載率,定義為污染物的排放量與環境容量的比值).

從計算結果可以看出,由于大尺度區域中空氣污染具有明顯的區域性和復合性,大氣環境容量受到多種因素的制約,具體來說,既有源單元尺度的局地影響,也有大尺度的跨區域影響;既有一次污染的直接影響,也有二次污染的間接影響.比如,對SO2來說,地區2的SO2容量主要受到區域細顆粒物污染的制約,地區 3的容量主要受源單元尺度的SO2直接污染的制約,地區4的容量則主要受SO2跨區域輸送的制約,地區10的SO2容量則主要受到區域酸沉降的制約. 對于 NO2來說,地區 3的容量主要受源單元尺度直接污染的制約,地區7的容量主要受跨區域輸送的制約,其它多數地區 NO2的排放則主要受區域性臭氧污染的制約.由此可見,本研究提出的方法可以較全面地考慮大尺度區域下多種污染因素對于環境容量的制約.另外,從環境承載率的評估結果可以看出,不同地區環境容量的利用程度有較大差別,有一些地區的排放量已經接近甚至超過環境容量,應引起有關方面的關注,結合制約環境容量的主要因素,加強環境污染的綜合整治.

本研究提出的方法在實際應用中應關注以下問題:首先,箱模型法環境容量的計算結果往往具有較大的不確定性,除了混合層高度及通風系數的影響以外,污染源分布及排放高度也有很大影響,比如,位于區域邊緣的高架點源,一般僅對箱內污染產生部分影響.對此,必要時可以采用王勤耕等提出的改進的箱模型法[20].其次,由于受到計算工作量的限制,模擬法容量估算只能是有限方案的比選,這在一定程度上會增加結果的不確定性,為此,實際應用中應開展盡可能多的情景模擬.不過,該問題的根本解決可能需要依賴于非線性規劃或準線性規劃[21]的應用研究.另外,環境控制目標是環境容量估算的重要基礎,限于當前的認識水平和研究能力,缺乏對污染因子累積性影響的足夠關注,有待于今后進一步的加強.

3 結語

本文針對大尺度區域的大氣環境容量評估問題,提出了將傳統的線性規劃法、箱模型法和模擬法有機結合的評估方法.該方法充分考慮了大尺度區域下空氣污染的區域性和復合性特征,同時兼顧了多種因素對于大氣環境容量的制約,有效克服了傳統單一方法所遇到的困難.案例研究結果表明,該方法合理可行,具有較好的推廣應用前景.

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An integrated method of atmospheric environmental capacity estimation for large-scale region.

QIAN Yue-dong, WANG Qin-geng*(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210046, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：504～509

According to the features of large-scale regions, a new method was proposed to estimate the atmospheric environmental capacity (AEC), which combines the traditional box-model method, simulation method and linear programming method. The basic idea of the new method is that: the large-scale region is divided into a series of small sub-regions, and pollution sources are classified into different source units. The linear programming method searches the maximum capacity and optimal allocation of the AEC. The box-model method ensures the local air quality in sub-regions meet certain targets. The simulation method limits precursor emissions which cause secondary pollution in the regional scale. Results from the last two methods act as restrictions of the linear programming method. The integrated method makes the three traditional methods to be complementary, and therefore has three significant merits: First, it considers both local and regional influences of pollution sources. Second, it considers both direct and secondary effects of the pollutants. Finally, it can give optimal schemes for the AEC allocation over different sub-regions. A case study conducted for a region in southeast China indicates that the new method is reasonable and feasible.

large-scale region；atmospheric environmental capacity；linear programming method；box-model；simulation method；environmental planning

X823

A

1000-6923(2011)03-0504-06

2010-07-16

國家“863”項目(2006AA06A307);環境保護部課題“海西經濟區重點產業發展戰略環境評價”

* 責任作者, 教授, Wangqg@nju.edu.cn

錢躍東(1985-),男,浙江上虞人,南京大學環境學院碩士研究生,主要從事大氣環境容量與承載力的研究.