基于修正A值法核算成都市季節大氣環境容量

王涵瑾 王源程 倪長健

(成都信息工程學院，四川 成都 610225)

引言

大氣環境容量是指在某個地區某個階段內，能滿足大氣環境質量標準，大氣環境所能承納的最大的大氣污染物負荷總量。作為制約中國經濟發展的重要環境因素之一，大氣環境容量核算不僅是實現目標總量向容量總量管理過渡的關鍵，也是區域產業布局、污染物排放總量控制及有關環保政策的制定的重要依據。大氣環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學規劃法［1］。A 值法是基于箱模式發展起來的一種預測模型，適用大的區域范圍，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，還需要進行參數驗證，但其能定量描述污染源與環境質量的關系［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。英國劍橋環境研究中心［8］開發了ADMS－urban 大氣擴散模型，肖楊［9］基于ADMS－Urban 和線性規劃模型，結合虛擬點源法測算出北京市通州區SO2的大氣環境容量遠大于年排放量。匡耀求［10］應用A 值法計算了珠江三角洲二氧化硫的環境容量，劉彥［11］等則應用A 值法測算了景德鎮的SO2大氣環境容量，王娟［12］采用A 值法、P 法和S法對山西汾西縣進行大氣環境容量核定、污染分析，張軍［13］也以箱模型為基本模型推導出的宏觀總量控制A值法來估算了西安市大氣環境容量。

作為我國西部重要的科技、商貿、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生大氣污染。近年來，隨著經濟發展加快，四川盆地已經連同京津冀、長三角和珠三角成為我國第四大灰霾的高發區，大氣污染防治的形勢十分嚴峻。在此背景下，研究成都地區不同季節各污染物大氣環境容量的季節變化特征，對促進成都市大氣環境容量的科學合理利用具有重要意義。由于成都市總面積達12121，區域范圍廣，不適用于多源模式，因此，本文選取A 值法對成都市大氣環境容量進行核算。同時，根據成都市近年來的環境監測數據，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境容量，為其排放提供合理的科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料

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

1.2 控制區確定

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

表1 成都市一類功能區概況

1.3 大氣環境容量估算方法

在國家環保局頒布的《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》(GB/T 13201－91)中，是以箱模型為基本模型推導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。該模型假設城市上空的大氣層為一個箱體，且污染物濃度在混合層內處處相等，整個城市具有相同的面源強度qa，考慮到干、濕沉降及化學衰變因素，則箱體中污染物平均質量濃度為:

式中:qa為污染物排放量，mg·g－3·s－1;為平均風速，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量濃度，mg/m3;ud為干沉降速度，m/s;R 為降水率;Δx為箱內順風長度，m;Tc為污染物轉化時間常數，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，整個城市內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《環境空氣質量標準》(GB3095－2012)的規定，一類功能區中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，第四項為化學轉化清除項。

1.4 季節A 值計算

受制于熱力動力因素的綜合作用，不同季節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的平均，其計算公式為

混合層內平均風速的計算公式如下:

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

混合層高度內平均風速積分求解方法為:

式中，u10為10m 高度處平均風速，m/s;當時取為6m/s。

根據上述公式，即可求得研究區混合層高度內各月的平均風速。

根據《城市大氣污染物總量控制方法手冊》中的說明，在計算季平均通風系數時，箱模式理論中的通風系數的平均值應該以各月通風系數倒數平均后再取倒數，即:

式中，ui－1、ui、ui+1為季節內3 個月混合層高度內的平均風速，m/s;Hi－1、Hi、Hi+1為季節內3 個月的混合層高度，m。

在對研究區進行季節大氣環境容量計算前，需要重新計算地理區域性總量控制系數A。針對季節大氣環境容量，將作如下修正:

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

表2 成都市通風系數及A 值

2 成都市季節大氣環境容量

2.1 季節基本大氣環境容量(輸送擴散清除項)

由于成都市進行了功能區區劃，且全市統一取定標準濃度限值，公式(2)中的第一項變為:

式中，A 為重新計算的季節值(見表2)。本底值濃度是指環境要素在未受污染影響的情況下，其化學元素的正常含量，以及環境中能量分布的正常值。研究區內取值為:一類控制區本底值取為一級基本濃度限值的20%，二類控制區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基本環境容量，如表3 所示。

表3 成都市季節基本大氣環境容量 104t/季

2.2 季節干沉降清除項

根據公式(2)中的第二項，年干沉積清除量為:

計算季節干沉積時，公式變為:

式中，?i為各季對應系數。由于同一地區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成分比較復雜，同時考慮成都地區二次硝酸鹽/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 成都市季節干沉降清除量 104t/季

2.3 季節濕沉降清除項

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污染物濕沉降清除量兩項。在計算季節濕沉降時，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 是與季節有關的經驗常數，SO2濕沉降率經驗常數冬季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 成都市季節濕沉降清除量 104t/季

2.4 季節化學轉化清除項

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

在計算季節化學轉化時，公式變為:

式中，Hi為研究區不同季節大氣混合層高度，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的化學轉化清除量見表6。

表6 研究區各市各季節化學轉化清除量 104t/季

2.5 成都市季節大氣環境容量

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

表7 成都市季節大氣環境容量量 104t/季

3 結論與討論

本文根據成都市2010－2012年氣象觀測資料，重新計算了地理區域性總量控制系數A，對成都市主要污染物的季節環境容量進行了核算。研究發現: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境容量最大，冬季環境容量最小，各污染物的夏季環境容量均約為冬季的5 倍以上，其中SO2的夏季環境容量達到了冬季的13 倍;③季節間大氣環境容量的差別主要源于濕沉降在年內分布的不均勻，其次通風量季節間的不同也是其中一個重要誘因。

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