安陽市大氣環(huán)境容量核算技術(shù)路線研究

謝永霞 門雪燕 李永革 薛文博

摘要：針對(duì)安陽市大氣污染比較嚴(yán)重的現(xiàn)狀，通過分析A值法、線性優(yōu)化法、模型模擬法等，總結(jié)了不同大氣環(huán)境容童核算方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，針對(duì)安陽市自然地理?xiàng)l件特珠，大氣污染的復(fù)雜性、不確定性，以空氣中一種或幾種污染物達(dá)標(biāo)為約束的多污染物環(huán)境容量本質(zhì)是各空間大氣污染物的最大允許排放1，核心技術(shù)是多種污染物排放量在空間和污染物指標(biāo)的多目標(biāo)最優(yōu)化問題。利用WRF-CAMx-PSAT第三代空氣質(zhì)量模型，對(duì)安陽市PM_2.5污染空間、行業(yè)、企業(yè)級(jí)精細(xì)化溯源;采用改進(jìn)A值法，核算了NO，達(dá)標(biāo)約束下NO_x環(huán)境容量和PM"達(dá)標(biāo)約束下的PM₁₀環(huán)境容量;用CAMx模型迭代法+CALPUFF模型，核算了PM_2.5達(dá)標(biāo)約束下多污染物環(huán)境容童。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境;容量核算;技術(shù)路線

中圖分類號(hào)：X823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2020）04-0043-04

1 引言

安陽市處于山西、河北、河南三省交界處，位于邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、保定所在的大氣重污染通道上，周邊城市排放的污染物均可隨氣流影響安陽市.安陽市區(qū)自然地理?xiàng)l件特殊，西部是太行山，市區(qū)南、北被兩道丘陵合抱，形成了典型的“簸箕”地形，西部毗鄰長(zhǎng)治，東部與濮陽相連，北部與邯鄲接壤，南部與鶴壁、新鄉(xiāng)相倚。因此，安陽市易于受北部邯鄲、南部鶴壁、焦作、鄭州等周邊城市的影響，特別是在弱西北風(fēng)控制下，西北部工業(yè)區(qū)對(duì)安陽市城區(qū)空氣質(zhì)量影響巨大。安陽市主要大氣污染物在全國(guó)范圍均處于較高濃廢水平，在地級(jí)以上城市總排名靠后。安陽市空氣質(zhì)量較差，處于全國(guó)下游水平，在全國(guó)排名極為靠后。因此開展安陽市大氣環(huán)境容量研究，為大氣污染物減排、大氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)規(guī)劃和重污染天氣應(yīng)急預(yù)案等提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)政策的制定和大氣污染防控具有實(shí)際意義[1～3]。

2 環(huán)境承載力與環(huán)境容量

從廣義來講，環(huán)境承載力是指自然環(huán)境維持其相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)、并保持其功能不受破壞的前提下，所能承受的人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的大小，比如自然環(huán)境對(duì)人口規(guī)模、生產(chǎn)總量、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、土地開發(fā)水平等要素的承載量;從狹義來講，環(huán)境承載力指的是環(huán)境容量，是在一定時(shí)期內(nèi)，一定空間范圍的水、氣、土壤等自然環(huán)境在維持其自然狀態(tài)和功能不受損害、人類健康不受損害的前提下，所能容納的由自然和人類活動(dòng)所產(chǎn)生的污染物排放量。

大氣環(huán)境容量即是某一環(huán)境在污染物累積濃度不超過環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大容許值的情況下，一定時(shí)期內(nèi)所能容納的污染物最大負(fù)荷量。大氣環(huán)境容量的大小，除了與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值和環(huán)境背景值有關(guān)外，還與環(huán)境對(duì)污染物的凈化能力等自然因素及人為因素有關(guān)，如環(huán)境空間的大小、污染源排放特征、氣象條件、地形地貌及污染物的理化特性等。我國(guó)自從“六五”開始組織大氣環(huán)境容量研究工作，逐步提出了“大氣環(huán)境容量是包含大氣環(huán)境的自然規(guī)律和社會(huì)效益兩類參數(shù)的多變量函數(shù)，是一個(gè)多值函數(shù)”的觀點(diǎn)，這為我國(guó)建立大氣環(huán)境容量理論體系奠定了基礎(chǔ)?！捌呶濉逼陂g，我國(guó)設(shè)立科技攻關(guān)項(xiàng)目，開展了珠江三角洲地區(qū)大氣環(huán)境容量的研究，就大氣環(huán)境容量理論和地方試點(diǎn)進(jìn)行了積極探索?！笆濉逼陂g，啟動(dòng)了科技攻關(guān)項(xiàng)目《區(qū)域大氣污染物總量控制技術(shù)與示范研究》，核算了全國(guó)、典型區(qū)域與城市的大氣環(huán)境容量，此外原國(guó)家環(huán)保總局2003年組織開展了113個(gè)環(huán)保重點(diǎn)城市的大氣環(huán)境容量核算工作?！笆濉逼陂g，國(guó)家啟動(dòng)了綠色GDP2.0等一系列研究項(xiàng)目，起草了《大氣環(huán)境容量核算技術(shù)指南（初稿）》，大氣環(huán)境容量的理論與核算方法逐步得以完善，形成了較為完整的理論體系[4～6]。

3 影響環(huán)境容量的主要因素

大氣環(huán)境容量是隨著自然和社會(huì)條件變化而改變的變量，屬于有科學(xué)規(guī)律可循的客觀存在，作為環(huán)境的承載力是一種有限的自然資源。因此，大氣環(huán)境容量具有客觀性（自然屬性）、主觀性（社會(huì)屬性）及資源性三重特征（表1）?？陀^性是指大氣環(huán)境容量受氣象條件、地形地貌、污染物背景濃度值等自然因素的影響;主觀性是指大氣環(huán)境容量受空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、污染源排放特征、外來源輸送等人為因素的影響;資源性是指環(huán)境容量屬非實(shí)物態(tài)、有限的自然資源，超負(fù)荷使用環(huán)境容量將導(dǎo)致資源的稀缺性日益突出。

4 核算環(huán)境容量的主要方法

大氣環(huán)境容量的核算方法是伴隨環(huán)境問題的演變以及環(huán)境理論認(rèn)知水平的提高而不斷改進(jìn)和提升，常見的核算方法包括A值法、線性優(yōu)化方法、模型模擬法等（表2）。

4.1 A值法

A值法基于箱式模型原理，假設(shè)環(huán)境容量與大氣環(huán)境自凈能力、地區(qū)面積呈正比關(guān)系，僅考慮自然因素，未反映排放源特征、化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，適用于核定理想狀態(tài)下的大氣環(huán)境容量，不適用于PM_2.5、O₃等達(dá)標(biāo)約束下環(huán)境容量，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便。

4.2 線性優(yōu)化法

線性優(yōu)化方法是基于線性優(yōu)化理論計(jì)算大氣環(huán)境容量，將污染源及其擴(kuò)散過程與控制點(diǎn)聯(lián)系起來，以目標(biāo)控制點(diǎn)的濃度達(dá)標(biāo)作約束，通過多源模型與數(shù)學(xué)規(guī)劃法等確定源的最大允許排放量。線性優(yōu)化方法主要適用于尺度較小的區(qū)域，能夠反映“排放一受體”的響應(yīng)關(guān)系，可以對(duì)大氣環(huán)境容量進(jìn)行優(yōu)化配置，但該方法受到線性假設(shè)的制約，不能處理具有非線性特征的二次大氣污染問題。

4.3 模型模擬法

模型模擬法是采用空氣質(zhì)量模型對(duì)污染源削減方案進(jìn)行模擬，滿足空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)對(duì)應(yīng)的污染源排放量即為區(qū)域大氣環(huán)境容量。該方法可以兼顧氣象、地形等自然因素和污染源等人為因素對(duì)于大氣環(huán)境容量的影響，有效克服了傳統(tǒng)方法的不足，可以反映復(fù)雜的大氣物理化學(xué)過程，但最初該方法是建立在污染源排放的空間與行業(yè)分布特征等不發(fā)生顯著變化的理想假設(shè)基礎(chǔ)上，不能對(duì)大氣環(huán)境容量進(jìn)行優(yōu)化配置。

為了改進(jìn)模型模擬法的缺陷，王自發(fā)等開發(fā)了一種運(yùn)用區(qū)域空氣質(zhì)量模式核算大氣環(huán)境容量的新算法，該方法將大氣環(huán)境作為一個(gè)開放的、動(dòng)態(tài)的空間，充分考慮氣象條件的復(fù)雜性，從大氣污染物的生成、轉(zhuǎn)化、消亡過程量化大氣對(duì)污染物的容納能力，計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域具有時(shí)空動(dòng)態(tài)特征的大氣環(huán)境容量。王金南、薛文博等建立了大氣環(huán)境容量三維迭代優(yōu)化計(jì)算模型，基于動(dòng)態(tài)的空間傳輸矩陣、行業(yè)貢獻(xiàn)矩陣、前體物貢獻(xiàn)矩陣，建立多目標(biāo)非線性優(yōu)化模型，計(jì)算出各地區(qū)、分行業(yè)的SO₂、NO_x、顆粒物、NH₃， VOCs等大氣污染物環(huán)境容量。大氣環(huán)境容量三維迭代優(yōu)化方法統(tǒng)籌考慮了PM_2.5的區(qū)域傳輸、行業(yè)耦合以及前體物非線性協(xié)同等作用，所核算出的環(huán)境容量本質(zhì)是“空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)約束下的各地區(qū)、各行業(yè)、各污染物的最大允許排放量或最佳削減方案”。目前該方法已在京津冀區(qū)域及部分城市大氣環(huán)境容量核算工作中得到廣泛應(yīng)用，并成為《大氣環(huán)境容量核算技術(shù)指南（初稿）》的推薦方法之一，但該方法存在技術(shù)復(fù)雜、計(jì)算量大等缺點(diǎn)，環(huán)境容量核算技術(shù)有待進(jìn)一步改進(jìn)（表2）。

5 安陽市大氣環(huán)境容量核算技術(shù)路線

5.1 技術(shù)路線

以空氣中一種或幾種污染物達(dá)標(biāo)為約束的多污染物環(huán)境容量本質(zhì)是各空間大氣污染物的最大允許排放量，核心技術(shù)是多種污染物排放量在空間和污染物指標(biāo)的多目標(biāo)最優(yōu)化問題。氣象和排放是影響空氣質(zhì)量的重要因素。因此，在核算大氣環(huán)境容量時(shí)，既要考慮污染源排放的空間分布、污染物類別對(duì)大氣中污染物濃度的影響，也要考慮氣象條件的影響。一般來說，氣象場(chǎng)受到地形地貌、風(fēng)速、風(fēng)向等因素影響，在空間上具有區(qū)域性特征，在時(shí)間上呈現(xiàn)年度和季節(jié)性差異[7]。受其影響，大氣環(huán)境容量在不同年份、不同季節(jié)存在較大差異。因此，綜合考慮氣象、空間、前體物等多種因素，核算安陽市大氣環(huán)境容量，關(guān)鍵步驟和方法如下。

（1）近18年氣象特征模擬分析，篩選典型氣象年。氣象條件是影響大氣環(huán)境容量的核心因素，為此通過安陽市及周邊地區(qū)的近18年氣象條件等自然稟賦模擬，分析氣象條件變化對(duì)空氣質(zhì)量的定量影響，篩選出“典型氣象年”。在“典型氣象年”的氣象場(chǎng)下，核算安陽市大氣環(huán)境容量，核算結(jié)果更具代表性。

（2）安陽市PM_2.5污染空間、行業(yè)、企業(yè)級(jí)精細(xì)化溯源。利用WRF-CAMx-PSAT第三代空氣質(zhì)量模型，定量分析外來輸送對(duì)安陽市PM_2.5的影響，9個(gè)行業(yè)部門對(duì)安陽市PM'.s的影響，19家典型企業(yè)對(duì)安陽市PM_2.5的定量影響。

（3）采用改進(jìn)A值法，核算NO₂達(dá)標(biāo)約束下NOx環(huán)境容量和PM₁₀達(dá)標(biāo)約束下的PM₁₀環(huán)境容量。目前，安陽市大氣NO₂和PM₁₀濃度還未達(dá)標(biāo)，NO₂和PM₁₀污染主要是局地性污染，且物理過程對(duì)其濃度的影響遠(yuǎn)強(qiáng)于化學(xué)過程，因此適合采用A值法進(jìn)行核算。

（4）采用CAMx模型迭代法+CALPUFF模型，核算PM_2.5達(dá)標(biāo)約束下多污染物環(huán)境容量。主要通過兩步法來實(shí)現(xiàn)：

第一步：區(qū)域統(tǒng)籌，在京津冀及周邊“²⁺26”城市的區(qū)域視角下，分析安陽市大氣環(huán)境容量。即：采用WRF-CMAx空氣質(zhì)量模型迭代法，以空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)為約束，以空間輸送矩陣優(yōu)化減排方案，核算“典型氣象年”下京津冀及周邊²⁺26城市及安陽全市的SO₂、NO_x、PM、NH₃、VOCs等主要大氣污染物的環(huán)境容量。

第二步：微觀優(yōu)化，將全市環(huán)境容量?jī)?yōu)化分配到各區(qū)縣。即：基于CALPUFF模型，在受體敏感性模擬與評(píng)價(jià)、布局敏感性模擬與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境容量進(jìn)行空間分配與優(yōu)化，將全市環(huán)境容量?jī)?yōu)化分配到各區(qū)縣。

（5）取第（3）、（4）步不同達(dá)標(biāo)約束條件下核算環(huán)境容量的最小值，作為安陽市最終環(huán)境容量。

（6）對(duì)于SO₂、CO、O₃指標(biāo)的考慮。安陽市大氣中CO₂、CO兩種污染物濃度均已達(dá)標(biāo)，因此本研究單獨(dú)核算SO₂達(dá)標(biāo)約束下SO₂環(huán)境容量和CO達(dá)標(biāo)約束下的CO環(huán)境容量的意義不大。由于O₃污染的生成機(jī)理復(fù)雜，而且受遠(yuǎn)距離傳輸影響非常大，相關(guān)研究表明京津冀及周邊地區(qū)O₃污染受本地源貢獻(xiàn)占比約在30%～40%左右。因此，僅針對(duì)安陽市研究O₃達(dá)標(biāo)約束下多污染物環(huán)境容量的意義不大，且缺乏科學(xué)理論支撐。

5.2 主要研究?jī)?nèi)容

基于上述技術(shù)路線圖，設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容如下。

（1）安陽市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀分析。剖析安陽市空氣污染特征，分析安陽市空氣質(zhì)量超標(biāo)時(shí)段及高濃度區(qū)域，分點(diǎn)位、分時(shí)段、分指標(biāo)評(píng)估空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)情況。

（2）安陽市污染物排放特征分析?；诎碴柺信欧徘鍐蔚葦?shù)據(jù)，分析各種大氣污染物排放量的行業(yè)分布與時(shí)空分布特征，建立適用于空氣質(zhì)量模型的高時(shí)空分辨率排放清單。

（3）安陽市近18年氣象條件等自然稟賦模擬。利用WRF-CMAQ空氣質(zhì)量模型模擬近18年氣象條件變化對(duì)空氣質(zhì)量的定量影響，篩選“典型氣象年”。

（4）安陽市PM_2.5精細(xì)溯源模擬。利用WRF-CAMx空氣質(zhì)量模型模擬分析氣象場(chǎng)特征、大氣污染空間輸送特征以及典型行業(yè)、典型企業(yè)對(duì)安陽市空氣質(zhì)量的影響。

（5）安陽市大氣環(huán)境容量與承載力計(jì)算。采用WRF-CMAx空氣質(zhì)量模型迭代法，以空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)為約束，以空間輸送矩陣優(yōu)化減排方案，核算“典型氣象年”下的SO₂、NO_x、PM、NH₃、VOCs等主要大氣污染物的環(huán)境容量?；贑ALPUFF模型，在受體敏感性模擬與評(píng)價(jià)、布局敏感性模擬與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境容量進(jìn)行空間分配與優(yōu)化。

（6）安陽市大氣環(huán)境容量超載特征與調(diào)控轉(zhuǎn)型研究。分析安陽市大氣環(huán)境容量空間分布特征以及超載情況，研究制定產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展方案。

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收稿日期：2020-01-02

作者簡(jiǎn)介：謝永霞（1968-），女，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境管理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等。