安陽市大氣環境容量核算技術路線研究

謝永霞 門雪燕 李永革 薛文博

摘要：針對安陽市大氣污染比較嚴重的現狀，通過分析A值法、線性優化法、模型模擬法等，總結了不同大氣環境容童核算方法的優點和不足，針對安陽市自然地理條件特珠，大氣污染的復雜性、不確定性，以空氣中一種或幾種污染物達標為約束的多污染物環境容量本質是各空間大氣污染物的最大允許排放1，核心技術是多種污染物排放量在空間和污染物指標的多目標最優化問題。利用WRF-CAMx-PSAT第三代空氣質量模型，對安陽市PM_2.5污染空間、行業、企業級精細化溯源;采用改進A值法，核算了NO，達標約束下NO_x環境容量和PM"達標約束下的PM₁₀環境容量;用CAMx模型迭代法+CALPUFF模型，核算了PM_2.5達標約束下多污染物環境容童。

關鍵詞：大氣環境;容量核算;技術路線

中圖分類號：X823 文獻標識碼：A 文章編號：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、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.安陽市區自然地理條件特殊，西部是太行山，市區南、北被兩道丘陵合抱，形成了典型的“簸箕”地形，西部毗鄰長治，東部與濮陽相連，北部與邯鄲接壤，南部與鶴壁、新鄉相倚。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，特別是在弱西北風控制下，西北部工業區對安陽市城區空氣質量影響巨大。安陽市主要大氣污染物在全國范圍均處于較高濃廢水平，在地級以上城市總排名靠后。安陽市空氣質量較差，處于全國下游水平，在全國排名極為靠后。因此開展安陽市大氣環境容量研究，為大氣污染物減排、大氣質量達標規劃和重污染天氣應急預案等提供數據支持，對政策的制定和大氣污染防控具有實際意義[1～3]。

2 環境承載力與環境容量

從廣義來講，環境承載力是指自然環境維持其相對穩定的狀態、并保持其功能不受破壞的前提下，所能承受的人類社會和經濟發展規模的大小，比如自然環境對人口規模、生產總量、產業規模、土地開發水平等要素的承載量;從狹義來講，環境承載力指的是環境容量，是在一定時期內，一定空間范圍的水、氣、土壤等自然環境在維持其自然狀態和功能不受損害、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所產生的污染物排放量。

大氣環境容量即是某一環境在污染物累積濃度不超過環境標準規定的最大容許值的情況下，一定時期內所能容納的污染物最大負荷量。大氣環境容量的大小，除了與環境標準值和環境背景值有關外，還與環境對污染物的凈化能力等自然因素及人為因素有關，如環境空間的大小、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。我國自從“六五”開始組織大氣環境容量研究工作，逐步提出了“大氣環境容量是包含大氣環境的自然規律和社會效益兩類參數的多變量函數，是一個多值函數”的觀點，這為我國建立大氣環境容量理論體系奠定了基礎。“七五”期間，我國設立科技攻關項目，開展了珠江三角洲地區大氣環境容量的研究，就大氣環境容量理論和地方試點進行了積極探索。“十五”期間，啟動了科技攻關項目《區域大氣污染物總量控制技術與示范研究》，核算了全國、典型區域與城市的大氣環境容量，此外原國家環保總局2003年組織開展了113個環保重點城市的大氣環境容量核算工作。“十二五”期間，國家啟動了綠色GDP2.0等一系列研究項目，起草了《大氣環境容量核算技術指南（初稿）》，大氣環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 影響環境容量的主要因素

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

4 核算環境容量的主要方法

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

4.1 A值法

A值法基于箱式模型原理，假設環境容量與大氣環境自凈能力、地區面積呈正比關系，僅考慮自然因素，未反映排放源特征、化學轉化過程，適用于核定理想狀態下的大氣環境容量，不適用于PM_2.5、O₃等達標約束下環境容量，優點是簡單、方便。

4.2 線性優化法

線性優化方法是基于線性優化理論計算大氣環境容量，將污染源及其擴散過程與控制點聯系起來，以目標控制點的濃度達標作約束，通過多源模型與數學規劃法等確定源的最大允許排放量。線性優化方法主要適用于尺度較小的區域，能夠反映“排放一受體”的響應關系，可以對大氣環境容量進行優化配置，但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。

4.3 模型模擬法

模型模擬法是采用空氣質量模型對污染源削減方案進行模擬，滿足空氣質量達標對應的污染源排放量即為區域大氣環境容量。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于大氣環境容量的影響，有效克服了傳統方法的不足，可以反映復雜的大氣物理化學過程，但最初該方法是建立在污染源排放的空間與行業分布特征等不發生顯著變化的理想假設基礎上，不能對大氣環境容量進行優化配置。

為了改進模型模擬法的缺陷，王自發等開發了一種運用區域空氣質量模式核算大氣環境容量的新算法，該方法將大氣環境作為一個開放的、動態的空間，充分考慮氣象條件的復雜性，從大氣污染物的生成、轉化、消亡過程量化大氣對污染物的容納能力，計算出目標區域具有時空動態特征的大氣環境容量。王金南、薛文博等建立了大氣環境容量三維迭代優化計算模型，基于動態的空間傳輸矩陣、行業貢獻矩陣、前體物貢獻矩陣，建立多目標非線性優化模型，計算出各地區、分行業的SO₂、NO_x、顆粒物、NH₃， VOCs等大氣污染物環境容量。大氣環境容量三維迭代優化方法統籌考慮了PM_2.5的區域傳輸、行業耦合以及前體物非線性協同等作用，所核算出的環境容量本質是“空氣質量達標約束下的各地區、各行業、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域及部分城市大氣環境容量核算工作中得到廣泛應用，并成為《大氣環境容量核算技術指南（初稿）》的推薦方法之一，但該方法存在技術復雜、計算量大等缺點，環境容量核算技術有待進一步改進（表2）。

5 安陽市大氣環境容量核算技術路線

5.1 技術路線

以空氣中一種或幾種污染物達標為約束的多污染物環境容量本質是各空間大氣污染物的最大允許排放量，核心技術是多種污染物排放量在空間和污染物指標的多目標最優化問題。氣象和排放是影響空氣質量的重要因素。因此，在核算大氣環境容量時，既要考慮污染源排放的空間分布、污染物類別對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，氣象場受到地形地貌、風速、風向等因素影響，在空間上具有區域性特征，在時間上呈現年度和季節性差異[7]。受其影響，大氣環境容量在不同年份、不同季節存在較大差異。因此，綜合考慮氣象、空間、前體物等多種因素，核算安陽市大氣環境容量，關鍵步驟和方法如下。

（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境容量的核心因素，為此通過安陽市及周邊地區的近18年氣象條件等自然稟賦模擬，分析氣象條件變化對空氣質量的定量影響，篩選出“典型氣象年”。在“典型氣象年”的氣象場下，核算安陽市大氣環境容量，核算結果更具代表性。

（2）安陽市PM_2.5污染空間、行業、企業級精細化溯源。利用WRF-CAMx-PSAT第三代空氣質量模型，定量分析外來輸送對安陽市PM_2.5的影響，9個行業部門對安陽市PM'.s的影響，19家典型企業對安陽市PM_2.5的定量影響。

（3）采用改進A值法，核算NO₂達標約束下NOx環境容量和PM₁₀達標約束下的PM₁₀環境容量。目前，安陽市大氣NO₂和PM₁₀濃度還未達標，NO₂和PM₁₀污染主要是局地性污染，且物理過程對其濃度的影響遠強于化學過程，因此適合采用A值法進行核算。

（4）采用CAMx模型迭代法+CALPUFF模型，核算PM_2.5達標約束下多污染物環境容量。主要通過兩步法來實現：

第一步：區域統籌，在京津冀及周邊“²⁺26”城市的區域視角下，分析安陽市大氣環境容量。即：采用WRF-CMAx空氣質量模型迭代法，以空氣質量達標為約束，以空間輸送矩陣優化減排方案，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境容量。

第二步：微觀優化，將全市環境容量優化分配到各區縣。即：基于CALPUFF模型，在受體敏感性模擬與評價、布局敏感性模擬與評價的基礎上，對環境容量進行空間分配與優化，將全市環境容量優化分配到各區縣。

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

（6）對于SO₂、CO、O₃指標的考慮。安陽市大氣中CO₂、CO兩種污染物濃度均已達標，因此本研究單獨核算SO₂達標約束下SO₂環境容量和CO達標約束下的CO環境容量的意義不大。由于O₃污染的生成機理復雜，而且受遠距離傳輸影響非常大，相關研究表明京津冀及周邊地區O₃污染受本地源貢獻占比約在30%～40%左右。因此，僅針對安陽市研究O₃達標約束下多污染物環境容量的意義不大，且缺乏科學理論支撐。

5.2 主要研究內容

基于上述技術路線圖，設計的主要研究內容如下。

（1）安陽市空氣質量現狀分析。剖析安陽市空氣污染特征，分析安陽市空氣質量超標時段及高濃度區域，分點位、分時段、分指標評估空氣質量達標情況。

（2）安陽市污染物排放特征分析。基于安陽市排放清單等數據，分析各種大氣污染物排放量的行業分布與時空分布特征，建立適用于空氣質量模型的高時空分辨率排放清單。

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

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

（5）安陽市大氣環境容量與承載力計算。采用WRF-CMAx空氣質量模型迭代法，以空氣質量達標為約束，以空間輸送矩陣優化減排方案，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境容量。基于CALPUFF模型，在受體敏感性模擬與評價、布局敏感性模擬與評價的基礎上，對環境容量進行空間分配與優化。

（6）安陽市大氣環境容量超載特征與調控轉型研究。分析安陽市大氣環境容量空間分布特征以及超載情況，研究制定產業結構調整與轉型升級發展方案。

參考文獻：

[1]許艷玲，薛文博，王金南，等.大氣環境容量理論與核算方法演變歷程與展望[J].環境科學研究，2018（11）.

[2]饒清華，林秀珠，陳芳，等.區域大氣環境容量緊缺度分析[J].環境科學學報，2018（10）.

[3]郝吉明，許嘉鈺，吳劍，等.我國京津冀和西北五省（自治區）大氣環境容量研究[J].中國工程科學，2017（4）.

[4]徐大海，王郁，朱蓉.大氣環境容量系數A值頻率曲線擬合及其應用[J].中國環境科學，2016（10）.

[5]徐盛榮.哈爾濱市大氣環境容量測算方法[J].北方環境，2005（1）.

[6]徐大海，王郁，朱蓉.使用A值法確定大氣容量的方法研究：大氣環境容量系數累積頻率曲線擬合及應用[C]//中國環境科學學會.2016中國環境科學學會學術年會論文集（第三卷）.北京：中國環境科學學會，2016.

[7]李立忠，朱璐，金焰，等.黃石市大氣顆粒物的特征分析[J].中南民族大學學報（自然科學版），2017（4）：14～16.

收稿日期：2020-01-02

作者簡介：謝永霞（1968-），女，教授級高級工程師，研究方向為環境監測、環境管理、環境影響評價等。