多尺度大氣環境容量核算方法研究進展*

2021-12-28 03:20:38孟曉杰柴瑩瑩于華通

環境污染與防治 2021年12期

孟曉杰柴瑩瑩于華通

(1.中國環境科學研究院，區域生態過程與功能評估重點實驗室，北京 100020；2.北京尚云環境有限公司，北京102208)

經濟社會的快速發展和能源消費量的迅速增長，使得大氣環境質量受到影響并得到社會的廣泛關注。將各類開發活動限制在資源環境承載能力之內，形成人與自然和諧發展的良好態勢，是當前我國環境管理工作的重要要求。因此，準確核算大氣環境容量，對支撐國家和地方環境管理部門制定科學合理的污染物削減方案和環境空氣管理政策，促進社會經濟可持續發展具有重要影響[1-2]。大氣環境容量一般指在一個特定區域內，一定的氣象、自然邊界及排放源結構條件下，在滿足該區域大氣環境質量目標前提下，所允許的區域大氣污染物最大排放量[3]67。自19世紀60年代日本為了應對日益嚴重的環境污染問題而提出大氣環境容量的概念以來[4]，其核算方法經過發展，逐步形成了A值法[5]、線性規劃法[6]、模擬法[7-9]等幾大方法體系。

現有的大氣環境容量的研究綜述大多側重于方法總結和歸納。其中，李海晶[3]68-70和許艷玲等[10]1838-1839均對A值法、線性規劃法、模擬法等不同核算方法的研究進展、主要特點、適用范圍、優點和不足等方面進行了總結和歸納；劉娜等[11]則綜述了等比例削減法、基于環境質量目標的分配方法等的基本原理、應用條件、優缺點和適用范圍。這些研究綜述的關注重點是不同大氣環境容量核算方法的主要進展和適用情況，對于不同模型涉及到的關鍵參數的設置和取值缺少系統的梳理和對比分析，對于各模型在不同空間尺度應用的適用性也缺乏對比研究。而模型在不同空間尺度的適用性及其關鍵參數取值的合理性，將直接影響大氣環境容量計算結果的準確性。本研究通過梳理和總結A值法、線性規劃法、模擬法等典型大氣環境容量核算方法的關鍵參數的研究成果及不同方法在不同空間尺度的典型應用，篩選出各研究方法的關鍵參數及合理取值，給出各方法適宜空間尺度適用性，為各方法在不同尺度中的廣泛應用提供指引，推進大氣環境容量核算的應用與發展。

1 A值法

A值法基于箱式模型，可根據研究區域環境空氣質量限值、總面積、各功能分區的分面積和當地的總量控制系數計算出研究區域的大氣環境容量。A值法自1991年發布的《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》(GB/T 3840—91)提出以來，很多學者對其計算方法進行了一定程度的改進，如王勤耕等[12]在考慮控制區內外高架點源對控制區污染物總量的實際貢獻的基礎上，引入“影響風向”和“影響份額”的概念，對A值法進行了改進；馬曉力等[13]引入兩個濃度修正系數，建立了適合于川西古鎮區域的SO2和總懸浮顆粒物(TSP)容量修正的箱式模型。GB/T 3840—91中，在考慮各地平均通風量的平均值及方差，并進行了適當修正的基礎上，以行政區為單元對總量控制系數采用列表的形式進行了規定。但由于表中多個省市的總量控制系數都在一個范圍內，如新疆、西藏、青海的推薦總量控制系數都是7.0×104～8.4×104km2/a，給實際應用中對于總量控制系數的選取增加了較大的不確定性。為了在計算各地區大氣環境容量時，使總量控制系數的取值更符合實際，歐陽曉光[14]提出采用推薦值上下限與達標保證率相結合的方式確定總量控制系數，在一定程度上減少了總量控制系數取值的主觀性對環境容量計算結果的影響。為了進一步提高準確率，一些學者嘗試根據研究區域的實際情況計算平均通風量的方法，即通過平均風速和混合層高度相乘計算得到平均通風量。其中，平均風速可根據當地觀測獲取，對于混合層高度的計算，張軍[15]提出采用《環境影響評價技術導則大氣環境》(HJ/T 2.2—93)中的混合層厚度計算方法，引入了對應于不同穩定度的混合層系數、全年穩定度分別為A～D和E～F的天數、地面10 m高處風速、不同氣象條件出現的頻率、不同氣象條件下的風速冪指數、地理緯度和地轉角速度等參數，在一定程度上提高了總量控制系數計算的準確性和針對性。王俊喜等[16]引入了季節系數對地理區域控制性系數進行修正，并計算了天府新區的大氣環境容量，其中季節系數由研究區域一年中不同季節的平均風速和混合層高度確定。

由于干濕沉降和化學轉化過程對大氣環境質量有重要影響，在進行大氣環境容量計算時，要根據污染物的性質和當期的氣象條件決定是否考慮干濕沉降。因此，一些學者將干濕沉降的影響納入到總量控制系數計算中。其中，徐大海等[17]引入了干沉降速度和清洗比兩個參數計算總量控制系數，其中清洗比為濕沉降速度與降水率的比值，這些參數均可通過當地氣象觀測得到。對于研究區域環境空氣質量要求，通常選取當地的環境質量標準，但一些學者也對其進行了一定的修正，如李文慧等[18]在進行西安大氣環境容量研究時，西安外圍區背景濃度取《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中一級標準的50%，主城區背景濃度取一級標準值的70%。

由以往的研究結果可以看出，A值法計算大氣環境容量時，涉及到的總量控制系數、環境空氣質量要求等關鍵參數需要根據當地的實際情況及數據的可獲取性科學選取，在數據可獲取的情況下，綜合考慮混合層高度、干濕沉降等要素，將提高計算結果的準確性[19]。同時，根據當地環境管理要求，在標準限值選取和總量控制系數選取時也可以考慮達標保證率，取值時有一定的余量，確保所計算的大氣環境容量在指導當地環境管理工作時，環境空氣質量達到管理要求。各研究中大氣環境容量中的參數選取總結于表1。

表1 A值法主要參數研究成果匯總

2 線性規劃法

線性規劃法是根據線性規劃理論計算大氣環境容量的方法。由于線性規劃法只能解決目標函數和約束條件之間具有線性關系的問題，而污染源在某點形成的落地濃度與污染源源強之間一定條件下是呈現線性關系或近似線性關系，因此線性規劃法可被用于解決大氣環境容量的一些問題。該方法在模擬法的支撐下，以目標點位的限定濃度為約束條件，建立污染物濃度與大氣環境容量之間的目標函數，在約束條件下，求出目標函數的最優解，即為該區域所對應的大氣環境容量。線性規劃法可反映污染源與受體的響應關系，一般來說主要適用于尺度較小的區域，且該方法受到線性假設的制約，不能處理具有非線性特征的二次大氣污染問題[10]1838。

線性規劃法早在20世紀60年代至70年代就被國外學者用于尋找大氣污染控制費用最小策略[20-21]。1991年，原國家環境保護局與中國環境科學研究院共同編制完成的《城市大氣污染總量控制方法手冊》[22]中，除了將線性規劃模型用于解決總費用最小的總量削減問題，還提出了針對新建工程項目和計劃開發區域如何確定大氣污染物最大允許排放量的線性規劃模型。此后，線性規劃法在大氣環境容量計算中進行了改進和應用[23-24]。線性規劃法涉及的主要參數為控制點的目標濃度限值、傳遞系數的確定及源強優化方法。控制點的目標濃度大多采用所屬環境功能區的國家標準濃度限值[25],[26]17。張淑娟等[27]32在其研究中推薦的控制點選取原則為，以城市多源模型計算的年日均濃度最大值點為控制點，其余在各功能區均勻布置。可見，選取年日均濃度最大值點作為控制點，可確保大氣環境容量計算結果更保守，符合整體達標的要求。傳遞系數一般采用模擬法進行計算[27]30。源強優化方法則主要考慮技術經濟、源強布局、污染物排放上限等因素。王民良等[26]19在進行污染源源強優化時考慮了技術經濟的限制，規定污染源源強增加幅度不超過1倍；張淑娟等[27]31在其研究中提出，為了避免單源過于集中而造成區域濃度過高，提出源強削減模型，對單源采用P值法控制，同時保證在規劃實施中確定的污染源削減量盡可能小。李鳳娟[28]認為，應增加點源排放控制系數相關的約束條件，并增加面源、線源分擔率約束。從現有研究成果可以看出，通過選取年日均濃度最大值點為控制點、科學進行源強優化和削減，可以在實施污染源強度調控和污染源空間布局調整等措施的基礎上，確定更優化、更符合實際的大氣環境容量，用以指導區域大氣環境管理。線性規劃法計算大氣環境容量中的參數選取總結于表2。

表2 線性規劃法主要參數研究成果匯總

3 模擬法

模擬法利用環境空氣質量數值模型模擬開發活動所排放的污染物引起的環境質量變化，滿足環境管理要求的環境空氣質量所對應的所有污染源排放量之和即為區域大氣環境容量。模擬法與氣象、地形和污染源參數等多種因素有關，多與線性規劃法等方法結合使用，適用于計算不同尺度的區域大氣環境容量。模擬法的核心為空氣質量模型，自1970年到現在，美國環境保護署(USEPA)或其他機構共資助開發了3代空氣質量模型[31]，其中，第1代空氣質量模型于20世紀70年代至80年代由USEPA推出，分為箱式模型、高斯擴散模型和拉格朗日軌跡模型，其中高斯擴散模型主要包括ISC、AERMOD、ADMS等，拉格朗日軌跡模型包括OZIP/EKMA、CALPUFF等。第2代空氣質量模型推出于20世紀80年代至90年代，主要是包括UAM、ROM、RADM在內的歐拉網格模型。20世紀90年代以后出現的第3代空氣質量模型是以CMAQ、CAMx、WRF-CHEM、NAQPMS為代表的綜合空氣質量模型，即“一個大氣”的模擬系統。一般來說，空氣質量模型所涉及的參數包括地理信息、氣象、污染源、控制點和環境質量現狀監測等數據，根據模型的復雜程度略有差異。

在這些模型的基礎上，一些學者對現有模型進行了一定改進，如王自發等[32]開發了一種運用區域空氣質量模式的大氣環境容量算法，該方法在進行大氣環境質量模擬時，考慮了干濕沉降和化學轉化量等參數，并利用監測資料驗證研究區域空氣質量模擬監測結果，查找誤差來源進行結果校驗；模擬計算結果達到國家環境空氣質量標準濃度時所對應的大氣環境容量即為研究區某種大氣污染物的環境總容量。薛文博等[33]2491-2492建立了以PM2.5年均濃度達標為約束的大氣環境容量迭代算法，構建了多目標非線性優化模型，計算出SO2、NOx、一次PM2.5和NH3等的大氣污染物環境容量，該研究對PM2.5中關鍵組分(硫酸鹽、硝酸鹽、一次PM2.5和銨鹽)分別進行了分析和計算。從以往研究和實踐結果可以看出，模擬法相對于A值法和線性規劃法來說，需要大量的地理、氣象、污染源、環境質量現狀等基礎數據；同時，為了計算結果的準確性，干濕沉降和化學轉化量等參數也需要考慮；必要時為了提高計算準確性，還要進行實測驗證。可見，模擬法在計算大氣環境容量時，對基礎數據的收集和參數的選取要求更為復雜，結果相對來說更能反映當地的環境特征，進行實測驗證后準確性可能相對更高。

4 多尺度應用

大氣環境容量核算的應用范圍涵蓋了國家、城市群、城市、工業園區等不同尺度，為不同尺度大氣環境管理提供依據。國家層面，薛文博等[33]2492-2494在我國333個地級市PM2.5達標的約束條件下，采用2010年1、4、7、10月逐時氣象數據，通過WRF-CAMx的多源化學過程模擬、優化削減得到全國SO2、NOx、PM2.5、NH3等污染物的大氣容量分別為1 363.26萬、1 258.48萬、619.04萬、627.71萬t。徐大海等[34]采用A值法，計算了大氣污染物在邊界層內均勻分布的條件下，中國大陸及各省份5、10、20、30、100年氣候重現期和氣候平均條件下的大氣環境容量，其中氣候平均條件下，中國大陸SO2、NO2、NOx、PM10、PM2.5、NH3的大氣環境容量分別為1 302萬、868萬、1 085萬、1 519萬、759萬、521萬t/a，計算結果與薛文博等[33]2492-2494可比性相對較差。雖然計算過程允許一定的誤差存在，但由于方法和參數選取的不同，導致計算結果的差異性也是大氣環境容量計算中不容回避的問題。

城市群層面，郝吉明等[35]以京津冀和西北五省(自治區)為研究對象，利用GEOS-CHEM全球大氣化學傳輸模式模擬計算大氣污染源排放所帶來的污染物濃度，以京津冀和西北五省(自治區)的網格平均地面PM2.5年均濃度達到GB 3095—2012要求為約束條件，計算出京津冀和西北五省(自治區)SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3的大氣環境容量分別為60.9萬、74.5萬、29.5萬、132.2萬、626萬t。陳云強等[36]采用A值法計算了川南經濟區(包括內江、自貢、宜賓、瀘州)SO2、NO2、PM10和PM2.5大氣環境容量，分別為1 023.76萬、653.4萬、233.99萬、110.86萬t/a。劉新等[37]采用箱式模型，計算得出呼包鄂地區1961—2016年PM2.5年均大氣環境容量為62.4 t/(d·km2)。

城市層面，李麗[38]采用A-P值法、ADMS模型模擬法和線性規劃法對鐵嶺大氣環境容量進行了估算，結果表明，3種方法計算得到的鐵嶺大氣環境容量，分別為SO22.07萬～3.37萬t/a，NO22.11萬～3.69萬t/a，PM101.65萬～3.50萬t/a，TSP 3.38萬～4.14萬t/a。劉燕等[39]基于CALPUFF的高斯模式對呼和浩特環境空氣質量進行了模擬，并在此基礎上計算了SO2、NO2和PM10的大氣環境容量，分別為11.829、70.688、23.753 t/a。此外，一些學者還對烏魯木齊、紹興等地區的大氣環境容量進行了測算[40-41]。

工業園區層面，尹稚禎等[42]等采用修正的A值法計算出面積近300 km2的工業園區的SO2的環境容量平均值約為2.8萬t。王宏超等[43]采用A值法計算出面積68.84 km2的寧國工業園區SO2、NO2和PM10的大氣環境容量分別為4 530.15、6 460.2、 5 285.2 t/a。

從這些研究結果可以看出，大量學者采用不同的方法對國家、城市群、城市、工業園區等不同尺度的大氣環境容量進行了估算，計算結果均對當地大氣污染防治具有一定參考意義，但由于方法和參數的選取差別較大，很難實現較大尺度的環境容量計算結果對較小尺度環境容量結果的縱向比較和宏觀指導。城市群、城市、工業園區往往又根據各自需要，采用不同的方法計算各自的大氣環境容量，計算結果之間也很難協調和比較，這也大大削弱了大氣環境容量在區域大氣環境質量聯防聯控中發揮的作用。大氣環境容量核算的現實需求已經從過去對特定空間尺度的大氣環境容量進行精確核算，過渡到了全國、城市群、城市、工業園區等不同空間尺度大氣環境容量核算結果相融合，實現多尺度協同管理的階段。

5 結語