芻議大氣污染源參數敏感性在規劃環評中的應用

＊王虎 徐巍 曹振紅 褚珣 趙磊 喬寶考

（1.北京神州瑞霖環境技術研究院有限公司 北京 100089 2.南堡環境監管中心 河北 063000 3.北京國環清華環境工程設計研究院 北京 100084）

1.研究背景

《規劃環境影響評價技術導則總綱》（HJ130-2019）雖然增加了對情景設置的內容和要求，但多情景的設置也無法根本解決污染源參數的不確定性問題。筆者基于以往工作經驗，提出在規劃環評階段，以區域污染源參數敏感性研究成果指導入園企業的排污設計。區域污染源參數敏感性研究成果，不僅可以對未來工業園區建設項目的污染源參數設計提供參考，還可以利用研究過程中各情境預測結果作為擬入園建設項目空氣污染預測結果準確性判斷的參考，為決策者限制重污染排放項目入園提供科學依據。本文以華北地區某化工園區為例，研究區域大氣污染點源參數與最大落地濃度的相關性。

2.預測模型者簡

2018年生態環境部頒布的《環境影響評價技術導則大氣導則》將國際上主流的AERMOD模型、ADMS模型及CALPUFF模型等空氣質量預測模型作為國家法規模型[1]。

其中CALPUFF是一種三維非穩態拉格朗日擴散模式，能較好地處理長距離污染物輸送，能模擬一些非穩態情況（靜小風、熏煙、地形效應等），適用于粗糙或復雜地形情況下的模擬。基于CALPUFF對研究范圍、氣象條件和地表條件有更廣泛的適應性，因此本次研究采用CALPUFF模型進行預測。

3.參數選取

模型參數對環境空氣預測結果的影響有著很大的不同。針對模型預測參數的敏感性分析，總結關鍵的參數變化對預測結果的影響規律，能夠讓工程設計人員更加合理的選用合理的設計參數，可以讓主管部門快速判斷建設項目是否合理可行。

在煙氣高空排放對環境空氣影響的預測評價中，區域地形、土地利用類型、氣象條件、煙囪設計參數都對預測結果有較大影響。在工業園區規劃環境影響評價中，園區的位置基本已經確定，短期內區域地形，土地利用類型和氣象條件不會發生較大變化，本次研究不考慮地表和氣象條件對煙氣高空排放預測結果的影響，僅考慮煙囪設計參數對預測結果的影響，即煙囪幾何高度（H）、煙囪出口內徑（d）、出口煙氣流速（v）、出口煙氣溫度（T）和污染物源強（Q）。

4.研究方法

(1)參數敏感性分析

參數敏感性分析是分析和研究因參數的變化引起計算模型輸出結果變動的程度。參數敏感性分析就是在輸入參數當中，找出敏感性較強的，減少由于人為選擇參數不當造成的誤差，為快速調試模型和技術評估提供依據[2]。

正交試驗方法是一種處理多因素試驗的科學試驗方法。正交試驗采用規格化的正交表，合理安排試驗，只需做較少的試驗就能判斷出較好的條件。用正交試驗法分析參數敏感性，是為了減少計算量、提高計算的準確度。簡單的統計分析正交試驗的結果，就可以對試驗結果全面、系統地掌握，以便做出正確的判斷[3]。

(2)數據處理

極差分析法的定義是對正交試驗法得出的試驗結果進行分析的方法。極差分析法的優點是對試驗結果作少量計算就能直接比較出最優的各因子水平組合結構最佳操作條件。正交實驗完成后，通常需要進行極差分析確定各個參數的敏感性排序。

回歸分析法的定義是用一個或一組隨機變量，估計預測另一個或一組隨機變量所建立的數學模型及統計分析。回歸分析法是解決各變量間非確定性關系的方法。回歸分析法尋找諸變量之間所服從的數學模型或統計關系，并確定做出這種統計關系時的準確度。本研究運用回歸分析法分析單個參數與預測結果的相關性。

本次研究利用Python語言編程的for循環語句，批量輸入模型參數，進行模型運算，在確保參數輸入正確的同時，大大提高了工作效率。

5.參數敏感性分析

本研究以規劃區域的氣象參數和擬建重點項目污染源參數數據為基礎，參數因素水平值在允許的范圍內等步長變化。將各實驗情境下的參數值輸入進CALPUFF模型系統中進行模擬計算，對計算結果進行參數敏感性分析和趨勢性分析。

(1)園區自然條件

案例園區地處河北沖積平原，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫13.4℃，極端最高氣溫42.7℃（2002年7月15日），極端最低氣溫-21.9℃（1985年12月8日），年平均日照2608.9h，多年平均風速2.4m/s，最高風頻為SSW，靜風頻率為16%。

(2)設計參數范圍

①煙囪幾何高度

綜合考慮國內現行污染物排放標準和園區典型項目設計參數，本次研究選擇煙囪高度的取值范圍為15m～220m。

②煙囪出口內徑和出口煙氣流速

本次研究為簡化實驗方案，忽略煙囪內徑與煙氣流速的關聯性，將兩者作為獨立的因素分別考慮。煙囪內徑范圍根據煙囪高度范圍極值對應的典型煙囪內徑確定，取值范圍為0.5m～10m；綜合考慮有關工程設計、防火設計、環保設計等規范和標準的要求，確定出口煙氣流速取值范圍為5m/s～25m/s。

③出口煙氣溫度

本次研究區域擬發展產業主要有精細化工、機械裝備制造和服裝紡織，點源出口煙氣溫度偏低，本次研究出口煙氣溫度取值范圍為10℃～100℃。

④污染因子和污染物源強

根據大氣污染物的存在狀態，大氣污染物可分為：氣溶膠態污染物和氣態污染物。氣溶膠態污染物主要為顆粒污染物，氣態污染物主要為含硫化合物、碳的氧化物、含氮化合物、碳氫化合物、鹵素化合物。綜合考慮園區行業排放的大氣污染因子，本次研究選擇以SO2為代表進行研究分析。

目前，為堅決打贏藍天保衛戰，持續開展大氣污染防治行動計劃，華北多地實行超低排放，電廠SO2的排放濃度已限制在35mg/m3以下，其排放速率已經較低。結合工程實踐經驗，本次研究SO2的源強取值范圍為0.5kg/h～9kg/h。

(3)正交試驗設計

本課題設置煙囪幾何高度（H）、煙囪出口內徑（d）、出口煙氣流速（v）、出口煙氣溫度（T）和污染物源強（Q）總共5個因素，考慮每個因素可取值范圍較大，均設置10個水平，理論上須進行10萬次試驗。為減少不必要的工作，提高試驗效率，使用Allpairs正交設計算法進行正交實驗設計，最終得到127個組合，具體實驗情景見下表。

表1 正交試驗結果一覽表

(4)參數敏感性分析

為突顯不同試驗組合結果的差異性，本次研究的預測結果采取小時最大落地濃度。根據附表中各參數極差計算結果可以看出，輸入參數對污染物濃度的影響大小分別為：煙囪出口內徑（d）＞出口煙氣流速（v）＞污染物源強（Q）＞煙囪幾何高度（H）＞出口煙氣溫度（T），即煙囪出口內徑對小時最大落地濃度的影響最大，其次為出口煙氣流速和污染物源強。

根據正交試驗結論可知，煙囪出口內徑、出口煙氣流速和污染物源強三個參數的敏感性極差最大，所以煙囪出口污染物排放濃度是決定最大落地濃度的最關鍵因素。

(5)單參數趨勢性分析

分別將煙氣高空排放參數（H、d、v、T、Q）作為獨立影響因子進行回歸性分析，利用Excel軟件的趨勢性分析確定參數變化與預測結果的回歸性方程，分析案例園區煙氣高空排放參數變化對環境空氣預測結果影響規律。

①煙囪幾何高度（H）

煙囪幾何高度取值范圍為15m～220m，以5m為步長，設置三種情景進行模型運算。

根據以上三個情景分析可知，當煙囪污染物排放濃度（C）較大時（情景一），煙囪幾何高度較低范圍對預測結果影響較大，隨著煙囪幾何高度增加影響逐步減小，在本次研究中煙囪幾何高度大于85m后，煙囪幾何高度的增加對預測結果影響很小。

圖1 煙囪幾何高度在情景一下與預測結果的趨勢線分析

②煙囪出口內徑（d）

煙囪出口內徑設置范圍為0.5m～10m，以1.06m為步長，設置三種情景進行模型運算。

根據以上三個情景分析可知，當污染物源強和出口煙氣流速一定時，煙囪出口內徑與煙囪污染物排放濃度（C）呈冪函數關系，當煙囪出口內徑較小時，其變化對煙囪污染物排放濃度影響較大，隨著煙囪出口內徑增大，對煙囪污染物排放濃度影響隨之減小。煙囪污染物排放濃度是預測結果的關鍵因素，為線性正相關，因此煙囪出口內徑與預測結果也呈現冪函數關系。

圖2 煙囪出口內徑在情景二下與預測結果的趨勢線分析

③出口煙氣流速（v）

出口煙氣流速取值范圍設置為5m/s～25m/s，以2.22m/s為步長，設置三種情景進行模型運算。

根據以上三個情景分析可知，當出口煙氣流速較小范圍時參數變化對預測結果影響較大，隨著出口煙氣流速增加影響逐步減小，在本次研究中出口煙氣流速大于16.1m/s后，參數變大對預測結果影響很小。該趨勢在情景二下，最為明顯。

圖3 出口煙氣流速在情景二下與預測結果的趨勢線分析

④出口煙氣溫度（T）

出口煙氣溫度取值范圍設置為10℃～100℃，以10℃為步長，設置三種情景進行模型運算。

根據以上三個情景分析可知，出口煙氣溫度對預測結果影響較小，整改取值范圍最大落地濃度運算結果變化范圍在5～20μg/m3之間。

(6)污染物源強(Q)

污染物源強取值范圍設置為0.5kg/h～9kg/h，以0.94kg/h為步長，設置三種情景進行模型運算。

根據其他因子確定的情景分析可知，污染物源強與預測結果呈線性正相關，具有較強的敏感性，因此園區管理部門可以通過等比削減高空排放源，減小對中遠距離敏感點的影響。

6.結論

本次研究僅在案例園區自然環境條件下進行點源參數敏感性分析，結論不具有普適性，但可為園區設計煙氣高空排放方案提供參考，可為園區管理者定性判斷煙氣高空排放參數合理性提供依據。綜合前文論述分析，本次研究可以得出如下結論：

（1）案例園區煙囪高空排放參數對污染物濃度的影響大小順序為：煙囪出口內徑（d）＞出口煙氣流速（v）＞污染物源強（Q）＞煙囪幾何高度（H）＞出口煙氣溫度（T）；

（2）在案例園區自然條件下，煙囪幾何高度較低范圍（＜85m）對預測結果影響較大，隨著煙囪幾何高度增加影響逐步減小。

（3）在案例園區自然條件下，當煙囪出口內徑較小時（＜3.7m），其變化對煙囪污染物排放濃度影響較大，隨著煙囪出口內徑增大，對煙囪污染物排放濃度影響隨之減小。

（4）在案例園區自然條件下，當出口煙氣流速較小范圍時（＜16.1m/s），參數變化對預測結果影響較大，隨著出口煙氣流速增加影響逐步減小。

（5）在案例園區自然條件下，出口煙氣溫度對預測結果影響較小。

（6）在案例園區自然條件下，污染物源強與預測結果呈線性正相關，具有較強的敏感性。

本次研究僅基于案例園區的自然環境下進行預測分析，成果對案例園區管理有一定的指導作用。由于氣象條件和園區周邊土地利用類型的不斷變化，不同環境空氣質量預測模型機理不同，具體擬建項目污染物高空排放的預測結果與本次研究結論可能存在沖突，因此本次研究成果不作為園區擬建項目污染物高空排放可行性的判斷依據。