芻議大氣污染源參數(shù)敏感性在規(guī)劃環(huán)評(píng)中的應(yīng)用

＊王虎 徐巍 曹振紅 褚珣 趙磊 喬寶考

（1.北京神州瑞霖環(huán)境技術(shù)研究院有限公司 北京 100089 2.南堡環(huán)境監(jiān)管中心 河北 063000 3.北京國(guó)環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院 北京 100084）

1.研究背景

《規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則總綱》（HJ130-2019）雖然增加了對(duì)情景設(shè)置的內(nèi)容和要求，但多情景的設(shè)置也無(wú)法根本解決污染源參數(shù)的不確定性問(wèn)題。筆者基于以往工作經(jīng)驗(yàn)，提出在規(guī)劃環(huán)評(píng)階段，以區(qū)域污染源參數(shù)敏感性研究成果指導(dǎo)入園企業(yè)的排污設(shè)計(jì)。區(qū)域污染源參數(shù)敏感性研究成果，不僅可以對(duì)未來(lái)工業(yè)園區(qū)建設(shè)項(xiàng)目的污染源參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考，還可以利用研究過(guò)程中各情境預(yù)測(cè)結(jié)果作為擬入園建設(shè)項(xiàng)目空氣污染預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性判斷的參考，為決策者限制重污染排放項(xiàng)目入園提供科學(xué)依據(jù)。本文以華北地區(qū)某化工園區(qū)為例，研究區(qū)域大氣污染點(diǎn)源參數(shù)與最大落地濃度的相關(guān)性。

2.預(yù)測(cè)模型者簡(jiǎn)

2018年生態(tài)環(huán)境部頒布的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣導(dǎo)則》將國(guó)際上主流的AERMOD模型、ADMS模型及CALPUFF模型等空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)模型作為國(guó)家法規(guī)模型[1]。

其中CALPUFF是一種三維非穩(wěn)態(tài)拉格朗日擴(kuò)散模式，能較好地處理長(zhǎng)距離污染物輸送，能模擬一些非穩(wěn)態(tài)情況（靜小風(fēng)、熏煙、地形效應(yīng)等），適用于粗糙或復(fù)雜地形情況下的模擬?；贑ALPUFF對(duì)研究范圍、氣象條件和地表?xiàng)l件有更廣泛的適應(yīng)性，因此本次研究采用CALPUFF模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.參數(shù)選取

模型參數(shù)對(duì)環(huán)境空氣預(yù)測(cè)結(jié)果的影響有著很大的不同。針對(duì)模型預(yù)測(cè)參數(shù)的敏感性分析，總結(jié)關(guān)鍵的參數(shù)變化對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律，能夠讓工程設(shè)計(jì)人員更加合理的選用合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以讓主管部門(mén)快速判斷建設(shè)項(xiàng)目是否合理可行。

在煙氣高空排放對(duì)環(huán)境空氣影響的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中，區(qū)域地形、土地利用類(lèi)型、氣象條件、煙囪設(shè)計(jì)參數(shù)都對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有較大影響。在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，園區(qū)的位置基本已經(jīng)確定，短期內(nèi)區(qū)域地形，土地利用類(lèi)型和氣象條件不會(huì)發(fā)生較大變化，本次研究不考慮地表和氣象條件對(duì)煙氣高空排放預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，僅考慮煙囪設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，即煙囪幾何高度（H）、煙囪出口內(nèi)徑（d）、出口煙氣流速（v）、出口煙氣溫度（T）和污染物源強(qiáng)（Q）。

4.研究方法

(1)參數(shù)敏感性分析

參數(shù)敏感性分析是分析和研究因參數(shù)的變化引起計(jì)算模型輸出結(jié)果變動(dòng)的程度。參數(shù)敏感性分析就是在輸入?yún)?shù)當(dāng)中，找出敏感性較強(qiáng)的，減少由于人為選擇參數(shù)不當(dāng)造成的誤差，為快速調(diào)試模型和技術(shù)評(píng)估提供依據(jù)[2]。

正交試驗(yàn)方法是一種處理多因素試驗(yàn)的科學(xué)試驗(yàn)方法。正交試驗(yàn)采用規(guī)格化的正交表，合理安排試驗(yàn)，只需做較少的試驗(yàn)就能判斷出較好的條件。用正交試驗(yàn)法分析參數(shù)敏感性，是為了減少計(jì)算量、提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析正交試驗(yàn)的結(jié)果，就可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果全面、系統(tǒng)地掌握，以便做出正確的判斷[3]。

(2)數(shù)據(jù)處理

極差分析法的定義是對(duì)正交試驗(yàn)法得出的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的方法。極差分析法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作少量計(jì)算就能直接比較出最優(yōu)的各因子水平組合結(jié)構(gòu)最佳操作條件。正交實(shí)驗(yàn)完成后，通常需要進(jìn)行極差分析確定各個(gè)參數(shù)的敏感性排序。

回歸分析法的定義是用一個(gè)或一組隨機(jī)變量，估計(jì)預(yù)測(cè)另一個(gè)或一組隨機(jī)變量所建立的數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)計(jì)分析?；貧w分析法是解決各變量間非確定性關(guān)系的方法?；貧w分析法尋找諸變量之間所服從的數(shù)學(xué)模型或統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并確定做出這種統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)的準(zhǔn)確度。本研究運(yùn)用回歸分析法分析單個(gè)參數(shù)與預(yù)測(cè)結(jié)果的相關(guān)性。

本次研究利用Python語(yǔ)言編程的for循環(huán)語(yǔ)句，批量輸入模型參數(shù)，進(jìn)行模型運(yùn)算，在確保參數(shù)輸入正確的同時(shí)，大大提高了工作效率。

5.參數(shù)敏感性分析

本研究以規(guī)劃區(qū)域的氣象參數(shù)和擬建重點(diǎn)項(xiàng)目污染源參數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參數(shù)因素水平值在允許的范圍內(nèi)等步長(zhǎng)變化。將各實(shí)驗(yàn)情境下的參數(shù)值輸入進(jìn)CALPUFF模型系統(tǒng)中進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行參數(shù)敏感性分析和趨勢(shì)性分析。

(1)園區(qū)自然條件

案例園區(qū)地處河北沖積平原，屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)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(fēng)速2.4m/s，最高風(fēng)頻為SSW，靜風(fēng)頻率為16%。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)范圍

①煙囪幾何高度

綜合考慮國(guó)內(nèi)現(xiàn)行污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和園區(qū)典型項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)，本次研究選擇煙囪高度的取值范圍為15m～220m。

②煙囪出口內(nèi)徑和出口煙氣流速

本次研究為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)方案，忽略煙囪內(nèi)徑與煙氣流速的關(guān)聯(lián)性，將兩者作為獨(dú)立的因素分別考慮。煙囪內(nèi)徑范圍根據(jù)煙囪高度范圍極值對(duì)應(yīng)的典型煙囪內(nèi)徑確定，取值范圍為0.5m～10m；綜合考慮有關(guān)工程設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)、環(huán)保設(shè)計(jì)等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域擬發(fā)展產(chǎn)業(yè)主要有精細(xì)化工、機(jī)械裝備制造和服裝紡織，點(diǎn)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(qiáng)

根據(jù)大氣污染物的存在狀態(tài)，大氣污染物可分為：氣溶膠態(tài)污染物和氣態(tài)污染物。氣溶膠態(tài)污染物主要為顆粒污染物，氣態(tài)污染物主要為含硫化合物、碳的氧化物、含氮化合物、碳?xì)浠衔铩Ⅺu素化合物。綜合考慮園區(qū)行業(yè)排放的大氣污染因子，本次研究選擇以SO2為代表進(jìn)行研究分析。

目前，為堅(jiān)決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，持續(xù)開(kāi)展大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃，華北多地實(shí)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(jīng)較低。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次研究SO2的源強(qiáng)取值范圍為0.5kg/h～9kg/h。

(3)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本課題設(shè)置煙囪幾何高度（H）、煙囪出口內(nèi)徑（d）、出口煙氣流速（v）、出口煙氣溫度（T）和污染物源強(qiáng)（Q）總共5個(gè)因素，考慮每個(gè)因素可取值范圍較大，均設(shè)置10個(gè)水平，理論上須進(jìn)行10萬(wàn)次試驗(yàn)。為減少不必要的工作，提高試驗(yàn)效率，使用Allpairs正交設(shè)計(jì)算法進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終得到127個(gè)組合，具體實(shí)驗(yàn)情景見(jiàn)下表。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果一覽表

(4)參數(shù)敏感性分析

為突顯不同試驗(yàn)組合結(jié)果的差異性，本次研究的預(yù)測(cè)結(jié)果采取小時(shí)最大落地濃度。根據(jù)附表中各參數(shù)極差計(jì)算結(jié)果可以看出，輸入?yún)?shù)對(duì)污染物濃度的影響大小分別為：煙囪出口內(nèi)徑（d）＞出口煙氣流速（v）＞污染物源強(qiáng)（Q）＞煙囪幾何高度（H）＞出口煙氣溫度（T），即煙囪出口內(nèi)徑對(duì)小時(shí)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(qiáng)。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)論可知，煙囪出口內(nèi)徑、出口煙氣流速和污染物源強(qiáng)三個(gè)參數(shù)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(guān)鍵因素。

(5)單參數(shù)趨勢(shì)性分析

分別將煙氣高空排放參數(shù)（H、d、v、T、Q）作為獨(dú)立影響因子進(jìn)行回歸性分析，利用Excel軟件的趨勢(shì)性分析確定參數(shù)變化與預(yù)測(cè)結(jié)果的回歸性方程，分析案例園區(qū)煙氣高空排放參數(shù)變化對(duì)環(huán)境空氣預(yù)測(cè)結(jié)果影響規(guī)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(zhǎng)，設(shè)置三種情景進(jìn)行模型運(yùn)算。

根據(jù)以上三個(gè)情景分析可知，當(dāng)煙囪污染物排放濃度（C）較大時(shí)（情景一），煙囪幾何高度較低范圍對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)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(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響很小。

圖1 煙囪幾何高度在情景一下與預(yù)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)線分析

②煙囪出口內(nèi)徑（d）

煙囪出口內(nèi)徑設(shè)置范圍為0.5m～10m，以1.06m為步長(zhǎng)，設(shè)置三種情景進(jìn)行模型運(yùn)算。

根據(jù)以上三個(gè)情景分析可知，當(dāng)污染物源強(qiáng)和出口煙氣流速一定時(shí)，煙囪出口內(nèi)徑與煙囪污染物排放濃度（C）呈冪函數(shù)關(guān)系，當(dāng)煙囪出口內(nèi)徑較小時(shí)，其變化對(duì)煙囪污染物排放濃度影響較大，隨著煙囪出口內(nèi)徑增大，對(duì)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(yù)測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵因素，為線性正相關(guān)，因此煙囪出口內(nèi)徑與預(yù)測(cè)結(jié)果也呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系。

圖2 煙囪出口內(nèi)徑在情景二下與預(yù)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)線分析

③出口煙氣流速（v）

出口煙氣流速取值范圍設(shè)置為5m/s～25m/s，以2.22m/s為步長(zhǎng)，設(shè)置三種情景進(jìn)行模型運(yùn)算。

根據(jù)以上三個(gè)情景分析可知，當(dāng)出口煙氣流速較小范圍時(shí)參數(shù)變化對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)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(shù)變大對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響很小。該趨勢(shì)在情景二下，最為明顯。

圖3 出口煙氣流速在情景二下與預(yù)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)線分析

④出口煙氣溫度（T）

出口煙氣溫度取值范圍設(shè)置為10℃～100℃，以10℃為步長(zhǎng)，設(shè)置三種情景進(jìn)行模型運(yùn)算。

根據(jù)以上三個(gè)情景分析可知，出口煙氣溫度對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響較小，整改取值范圍最大落地濃度運(yùn)算結(jié)果變化范圍在5～20μg/m3之間。

(6)污染物源強(qiáng)(Q)

污染物源強(qiáng)取值范圍設(shè)置為0.5kg/h～9kg/h，以0.94kg/h為步長(zhǎng)，設(shè)置三種情景進(jìn)行模型運(yùn)算。

根據(jù)其他因子確定的情景分析可知，污染物源強(qiáng)與預(yù)測(cè)結(jié)果呈線性正相關(guān)，具有較強(qiáng)的敏感性，因此園區(qū)管理部門(mén)可以通過(guò)等比削減高空排放源，減小對(duì)中遠(yuǎn)距離敏感點(diǎn)的影響。

6.結(jié)論

本次研究?jī)H在案例園區(qū)自然環(huán)境條件下進(jìn)行點(diǎn)源參數(shù)敏感性分析，結(jié)論不具有普適性，但可為園區(qū)設(shè)計(jì)煙氣高空排放方案提供參考，可為園區(qū)管理者定性判斷煙氣高空排放參數(shù)合理性提供依據(jù)。綜合前文論述分析，本次研究可以得出如下結(jié)論：

（1）案例園區(qū)煙囪高空排放參數(shù)對(duì)污染物濃度的影響大小順序?yàn)椋簾焽璩隹趦?nèi)徑（d）＞出口煙氣流速（v）＞污染物源強(qiáng)（Q）＞煙囪幾何高度（H）＞出口煙氣溫度（T）；

（2）在案例園區(qū)自然條件下，煙囪幾何高度較低范圍（＜85m）對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)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(qū)自然條件下，當(dāng)煙囪出口內(nèi)徑較小時(shí)（＜3.7m），其變化對(duì)煙囪污染物排放濃度影響較大，隨著煙囪出口內(nèi)徑增大，對(duì)煙囪污染物排放濃度影響隨之減小。

（4）在案例園區(qū)自然條件下，當(dāng)出口煙氣流速較小范圍時(shí)（＜16.1m/s），參數(shù)變化對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)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(qū)自然條件下，出口煙氣溫度對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響較小。

（6）在案例園區(qū)自然條件下，污染物源強(qiáng)與預(yù)測(cè)結(jié)果呈線性正相關(guān)，具有較強(qiáng)的敏感性。

本次研究?jī)H基于案例園區(qū)的自然環(huán)境下進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，成果對(duì)案例園區(qū)管理有一定的指導(dǎo)作用。由于氣象條件和園區(qū)周邊土地利用類(lèi)型的不斷變化，不同環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)模型機(jī)理不同，具體擬建項(xiàng)目污染物高空排放的預(yù)測(cè)結(jié)果與本次研究結(jié)論可能存在沖突，因此本次研究成果不作為園區(qū)擬建項(xiàng)目污染物高空排放可行性的判斷依據(jù)。