基于修正A值法核算成都市季節(jié)大氣環(huán)境容量

王涵瑾 王源程 倪長健

(成都信息工程學(xué)院，四川 成都 610225)

引言

大氣環(huán)境容量是指在某個地區(qū)某個階段內(nèi)，能滿足大氣環(huán)境質(zhì)量標準，大氣環(huán)境所能承納的最大的大氣污染物負荷總量。作為制約中國經(jīng)濟發(fā)展的重要環(huán)境因素之一，大氣環(huán)境容量核算不僅是實現(xiàn)目標總量向容量總量管理過渡的關(guān)鍵，也是區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局、污染物排放總量控制及有關(guān)環(huán)保政策的制定的重要依據(jù)。大氣環(huán)境容量估算的基本方法主要有A－P 值法以及多源模式加數(shù)學(xué)規(guī)劃法［1］。A 值法是基于箱模式發(fā)展起來的一種預(yù)測模型，適用大的區(qū)域范圍，具有簡便、實用性強等特點［2－5］。多源模式相較于A 值法，不僅需要詳細的氣象資料和污染源資料，還需要進行參數(shù)驗證，但其能定量描述污染源與環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系［1，6］。歐陽曉光［7］提出了多種修正A 值的算法，以合理確定A 值。英國劍橋環(huán)境研究中心［8］開發(fā)了ADMS－urban 大氣擴散模型，肖楊［9］基于ADMS－Urban 和線性規(guī)劃模型，結(jié)合虛擬點源法測算出北京市通州區(qū)SO2的大氣環(huán)境容量遠大于年排放量。匡耀求［10］應(yīng)用A 值法計算了珠江三角洲二氧化硫的環(huán)境容量，劉彥［11］等則應(yīng)用A 值法測算了景德鎮(zhèn)的SO2大氣環(huán)境容量，王娟［12］采用A 值法、P 法和S法對山西汾西縣進行大氣環(huán)境容量核定、污染分析，張軍［13］也以箱模型為基本模型推導(dǎo)出的宏觀總量控制A值法來估算了西安市大氣環(huán)境容量。

作為我國西部重要的科技、商貿(mào)、金融中心和交通、通信樞紐，成都市獨有的氣候特征使得成都市極易發(fā)生大氣污染。近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展加快，四川盆地已經(jīng)連同京津冀、長三角和珠三角成為我國第四大灰霾的高發(fā)區(qū)，大氣污染防治的形勢十分嚴峻。在此背景下，研究成都地區(qū)不同季節(jié)各污染物大氣環(huán)境容量的季節(jié)變化特征，對促進成都市大氣環(huán)境容量的科學(xué)合理利用具有重要意義。由于成都市總面積達12121，區(qū)域范圍廣，不適用于多源模式，因此，本文選取A 值法對成都市大氣環(huán)境容量進行核算。同時，根據(jù)成都市近年來的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，PM10、PM2.5、SO2和NO2這4 項污染物已成為造成空氣污染的主要污染物，因此本文將計算上述四者污染物的環(huán)境容量，為其排放提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

按照一般環(huán)境評價的要求，本文選取了成都市2010－2012年的地面常規(guī)氣象觀測資料及溫江站探空資料來進行大氣環(huán)境容量的核算。

1.2 控制區(qū)確定

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)劃分原則與技術(shù)方法》(GJ14－1996)等法律及標準的規(guī)定，一類環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)是指自然保護區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和其他需要特殊保護的地區(qū)，同時規(guī)定其面積不得小于4 平方公里。因此，本文將下列風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護區(qū)等地區(qū)定為本研究中的一類功能區(qū)(表1)，其余城區(qū)、居住區(qū)和工業(yè)區(qū)等劃為二類功能區(qū)。將成都市進行功能區(qū)劃分后，一類功能區(qū)總面積為2404.91km2，二類功能區(qū)總面積為9716.09km2，一類功能區(qū)約占成都市總面積的20%。在成都市的14 個一類功能區(qū)中，面積達到100.00km2的功能區(qū)有11 個，其中面積最大的為龍溪－虹口國家級自然保護區(qū)，達到了427.00km2;而最小的黃龍溪鎮(zhèn)面積僅為5.00km2(表1)。

表1 成都市一類功能區(qū)概況

1.3 大氣環(huán)境容量估算方法

在國家環(huán)保局頒布的《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法》(GB/T 13201－91)中，是以箱模型為基本模型推導(dǎo)出的宏觀總量控制值法來進行大氣污染物排放總量的測算。該模型假設(shè)城市上空的大氣層為一個箱體，且污染物濃度在混合層內(nèi)處處相等，整個城市具有相同的面源強度qa，考慮到干、濕沉降及化學(xué)衰變因素，則箱體中污染物平均質(zhì)量濃度為:

式中:qa為污染物排放量，mg·g－3·s－1;為平均風(fēng)速，m/s;Hi為污染物可到達的高度，取不同氣象條件下的混合層厚度，m;Cb為大氣污染物本底質(zhì)量濃度，mg/m3;ud為干沉降速度，m/s;R 為降水率;Δx為箱內(nèi)順風(fēng)長度，m;Tc為污染物轉(zhuǎn)化時間常數(shù)，Tc=T1/2/0.693，wr為污染物半衰期;為清洗比，無量綱量，一般取值1.9×10－5。

若取C=Cs，Cs為大氣污染物濃度的標準限值，考慮Cb≠0，城市面積為S，km2;其等效直徑為Δx=2則在控制周期T 時間內(nèi)，整個城市內(nèi)允許排放的污染物總量為Qa=qs·S·T;若時間取為一年，得污染物總量為:

式中，Qa的單位為104t/a;VE為通風(fēng)量，m2/s;R為年降水量，mm;Cs為污染物年平均濃度的標準限值，mg/m3，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095－2012)的規(guī)定，一類功能區(qū)中SO2、NO2、PM10、PM2.5的年平均濃度限值分別為0.02、0.04、0.04、0.015mg/m3;二類功能區(qū)中SO2、NO2、PM10、PM2.5的年平均濃度限值分別為0.06、0.04、0.07、0.035mg/m3;uw為濕沉降速率，m/s。公式(2)中右邊第一項為輸送擴散清除項，即Qa1=A(Cs－Cb)(其中VE/2)，第二項為干沉降清除項，第三項為濕沉降清除項，第四項為化學(xué)轉(zhuǎn)化清除項。

1.4 季節(jié)A 值計算

受制于熱力動力因素的綜合作用，不同季節(jié)混合層高度存在較大差異。將平均混合層高度視為各時刻混合層高度倒數(shù)的平均，其計算公式為

混合層內(nèi)平均風(fēng)速的計算公式如下:

式中，u1、u2分別為距離地面Z1、Z2高度處平均風(fēng)速，m/s;P 為風(fēng)速高度指數(shù)。

混合層高度內(nèi)平均風(fēng)速積分求解方法為:

式中，u10為10m 高度處平均風(fēng)速，m/s;當(dāng)時取為6m/s。

根據(jù)上述公式，即可求得研究區(qū)混合層高度內(nèi)各月的平均風(fēng)速。

根據(jù)《城市大氣污染物總量控制方法手冊》中的說明，在計算季平均通風(fēng)系數(shù)時，箱模式理論中的通風(fēng)系數(shù)的平均值應(yīng)該以各月通風(fēng)系數(shù)倒數(shù)平均后再取倒數(shù)，即:

式中，ui－1、ui、ui+1為季節(jié)內(nèi)3 個月混合層高度內(nèi)的平均風(fēng)速，m/s;Hi－1、Hi、Hi+1為季節(jié)內(nèi)3 個月的混合層高度，m。

在對研究區(qū)進行季節(jié)大氣環(huán)境容量計算前，需要重新計算地理區(qū)域性總量控制系數(shù)A。針對季節(jié)大氣環(huán)境容量，將作如下修正:

式中，?i為各季對應(yīng)系數(shù)，取一年為365 天，?1、?2分別代表春、夏季，春、夏季天數(shù)同為92 天，則?1=?2=0.79488;秋季天數(shù)為91 天，則?3=0.78624;冬季天數(shù)為90 天，則?4=0.77760。成都市季節(jié)通風(fēng)量及修正A 值計算結(jié)果如表2 所示。

表2 成都市通風(fēng)系數(shù)及A 值

2 成都市季節(jié)大氣環(huán)境容量

2.1 季節(jié)基本大氣環(huán)境容量(輸送擴散清除項)

由于成都市進行了功能區(qū)區(qū)劃，且全市統(tǒng)一取定標準濃度限值，公式(2)中的第一項變?yōu)?

式中，A 為重新計算的季節(jié)值(見表2)。本底值濃度是指環(huán)境要素在未受污染影響的情況下，其化學(xué)元素的正常含量，以及環(huán)境中能量分布的正常值。研究區(qū)內(nèi)取值為:一類控制區(qū)本底值取為一級基本濃度限值的20%，二類控制區(qū)本底值取為一級基本濃度限值的50%。成都PM10、PM2.5、SO2、NO24 個主要污染物因子的季節(jié)基本環(huán)境容量，如表3 所示。

表3 成都市季節(jié)基本大氣環(huán)境容量 104t/季

2.2 季節(jié)干沉降清除項

根據(jù)公式(2)中的第二項，年干沉積清除量為:

計算季節(jié)干沉積時，公式變?yōu)?

式中，?i為各季對應(yīng)系數(shù)。由于同一地區(qū)同一污染物的干沉降速率差值較小，故在計算同一污染物不用季節(jié)的干沉降速率時，按照干沉降速率相等來進行近似處理，其值均近似等于年干沉降速率。其中SO2、PM10、NO2的年均干沉降速率分別為0.35、0.44、0.07cm/s［14］。由于PM2.5成分比較復(fù)雜，同時考慮成都地區(qū)二次硝酸鹽/硫酸鹽為其主要貢獻因子［15］，因此采用和的干沉降速度作為PM2.5的年均干沉降速率，取值均為0.25cm/s。成都市PM10、PM2.5、SO2、NO24 個主要污染物因子的季均干沉降清除量，如表4 所示。

表4 成都市季節(jié)干沉降清除量 104t/季

2.3 季節(jié)濕沉降清除項

對于公式(2)中第三項濕沉降清除項的計算，則需分為顆粒物濕沉降清除量和氣態(tài)污染物濕沉降清除量兩項。在計算季節(jié)濕沉降時，其中，顆粒物的計算公式為:

式中，uw=wr·R，wr為清洗比，無量綱量，取值1.9×10－5;R 為每季度平均降水量，mm/q。

氣態(tài)污染物的計算公式為:

Kw為濕沉降速率，Kw=aRb。其中R 為每小時平均降水量，mm/h;a、b 是與季節(jié)有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)，SO2濕沉降率經(jīng)驗常數(shù)冬季a、b 取值分別為0.009 和0.700，夏季為0.140 和0.120，春季和秋季相同，為0.036 和0.530。同時，NO2的濕沉降率為SO2的1/4［16］。

成都市PM10、PM2.5、SO2、NO24 個主要污染物因子的季均濕沉降清除量，如表5 所示。

表5 成都市季節(jié)濕沉降清除量 104t/季

2.4 季節(jié)化學(xué)轉(zhuǎn)化清除項

由于顆粒物不考慮化學(xué)清除項，此項只需求得SO2、NO2的化學(xué)轉(zhuǎn)化清除量。公式(2)中的第四項，年化學(xué)轉(zhuǎn)化清除項為:

在計算季節(jié)化學(xué)轉(zhuǎn)化時，公式變?yōu)?

式中，Hi為研究區(qū)不同季節(jié)大氣混合層高度，m。T1/2為污染物半衰期，其中T1/2(SO2)= 105s，T1/2(NO2)=7.2×105s，。成都市SO2、NO2的化學(xué)轉(zhuǎn)化清除量見表6。

表6 研究區(qū)各市各季節(jié)化學(xué)轉(zhuǎn)化清除量 104t/季

2.5 成都市季節(jié)大氣環(huán)境容量

綜合上述四項清除項(基本環(huán)境容量、干沉積清除項、濕沉積清除項、化學(xué)轉(zhuǎn)化清除項)，得出成都市PM10、PM2.5、SO2、NO2的季節(jié)大氣環(huán)境容量(表7)。

表7 成都市季節(jié)大氣環(huán)境容量量 104t/季

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)成都市2010－2012年氣象觀測資料，重新計算了地理區(qū)域性總量控制系數(shù)A，對成都市主要污染物的季節(jié)環(huán)境容量進行了核算。研究發(fā)現(xiàn):①成都四季A 值分別為1.01、1.28、0.46、0.38;②成都市各污染物均為夏季環(huán)境容量最大，冬季環(huán)境容量最小，各污染物的夏季環(huán)境容量均約為冬季的5 倍以上，其中SO2的夏季環(huán)境容量達到了冬季的13 倍;③季節(jié)間大氣環(huán)境容量的差別主要源于濕沉降在年內(nèi)分布的不均勻，其次通風(fēng)量季節(jié)間的不同也是其中一個重要誘因。

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