大氣環境容量的影響因素及核算方法綜述

楊新吉勒圖，劉宇情，韓煒宏

(內蒙古工業大學 經濟管理學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

0 引 言

隨著我國經濟的迅速發展，霧霾、溫室氣體等大氣問題也日趨嚴重，不僅制約著經濟的發展，更是影響著人們的身心健康。在我國，大氣環境容量不僅是環境管理和減排措施制定的重要依據，同時也在經濟社會發展科學決策中扮演著越來越重要的角色。大氣環境容量的核算主要用于環境質量標準的制定和大氣污染的防治[1]，后來也用于工業園區的規劃選址、區域的工業布局以及環境資產負債表的編制等[2-4]，為資源環境與經濟發展提供科學的決策。

繼日本學者第一次提出環境容量之后，加拿大學者應用拉格朗日箱模式和煙云復合模型確定了Alberta地區的平均污染物濃度[5]。印度主要采用空氣污染擴散模型法和通風系數法，來確定區域大氣同化能力[6-7]。Goyal等[8]基于空氣質量模型，對印度某一地區的最大允許排放負荷量進行了評估。D. Deniz Genc等[9]利用空氣污染指數及其與大氣吸收能力的關系，對土耳其某地區的大氣污染進行了預測。另外，國外為了實現對大氣污染的有效預防與控制，在制定環境政策與措施時，運用了許多模型進行分析。Markus等[10]歐洲學者基于成本最小化，運用GAINS模型確定了既可以提高空氣質量，又可以減少溫室氣體排放的措施組合。Mathias等[11]認為WRF-CHEM可以用于復雜地區的空氣污染建模。Mathur等[12]等使用CMAQ和WRF模型進行了多年的半球尺度模擬，驗證了在物理、化學和動力學一致性的各種空間和時間尺度上發生的大氣過程之間的相互作用。這些模型對引領區域大氣模型的發展具有顯著作用。

大氣環境容量是指對一定的區域，根據其自然凈化能力，在特定的污染源布局和結構條件下，為達到環境目標值，所允許的大氣污染物的最大排放量[13]。我國自2003年也逐漸開始了對大氣環境容量的研究與探討[14-15]。大氣環境本身是復雜的、動態的、隨機的，使得大氣環境容量也存在時空性和不確定性[16]。不同的核算方法考慮的影響因素不同，會造成各種方法之間核算結果的差異。核算方法的選擇不當，使得大氣環境容量的核算與實際情況存在著較大的差距。在詳細分析大氣環境容量主要影響因素的基礎上，對當前主要使用的核算方法進行了綜述，為改進大氣環境容量的核算方法，提高測算結果的精確性提出相關建議。

1 大氣環境容量的影響因素

由于大氣環境的復雜性，影響大氣環境容量的因素主要有：一類是包括氣象因素、地理因素、環境背景濃度等的自然因素；另一類是包括污染源的布局、污染物、環境目標值、外來污染源的輸送等的社會因素[17]。

1.1 自然因素

氣象條件主要通過污染物在大氣中的輸送擴散、干濕沉積以及各種化學清除與轉化過程對大氣環境容量產生影響。風速的大小決定了大氣污染物稀釋擴散的程度和范圍，眾多學者認為風速與大氣環境容量的相關性顯著，并且是最主要的影響因素[13，18]。濕沉積過程指通過降雨和降雪，將懸浮于空氣中的污染物進行稀釋和沖洗，并且一些污染物會溶解于水中，進而使其濃度降低。降水因地區的氣象條件(降水量等)的差異，對地區大氣環境容量的影響略有不同。張天宇等[13]認為重慶地區降水對大氣自凈產生較為明顯的正向影響，而地處干旱地區的內蒙古，相對于降水豐富地區的濕沉積作用大大減弱，則降水對大氣環境容量的正向影響相對較小[19]。地理位置同樣對大氣環境容量存在著至關重要的影響[20]，張焱等[21]認為工業園區位于平原或者山區，相對于沿海地區的大氣擴散能力較差，導致其大氣環境容量也相對較小。最后，環境背景濃度也與大氣環境容量的大小有一定的關系[22]。可以看出氣象條件是影響大氣環境容量的重要因素之一[23]。

1.2 社會因素

大氣環境容量除了受客觀性的自然因素影響外，還受污染源布局、污染物的種類和排放特征、環境目標值和外來源的輸送等的社會因素的影響。在以省轄市為控制區域的研究中，為了方便計算，以污染源在區域內的均勻分布為假設條件，使結果與以小范圍為控制區計算的加總有一定的差異[24]。另外，在計算時學者們選擇了不同的約束條件作為環境目標值，現有文獻有選擇以PM2.5達標、SO2達標以及環境空氣質量達標等作為約束條件來計算大氣環境容量的[23，25]。因此在不同的約束條件下(即環境目標值的不同)也會影響所計算的大氣環境容量值。當計算區域面積較小的城市，很可能本區域內的污染物排放較少，而受外來污染源的傳輸影響較為顯著，從而低估了該區域的大氣環境容量。研究表明，上海市中心的PM2.5濃度受周圍外來污染源的影響幾乎達到了50%[26]；首都北京市環境中PM2.5的濃度受其周邊的影響最高達到了70%[27]。對此李敏輝等[28]使用區域傳輸矩陣對區域容量的城市分配進行了優化，充分考慮了區域間傳輸作用對于大氣環境容量的影響。綜上，環境目標值作為人為規定的一個標準，間接影響著大氣環境容量，而外來源的輸送在不同程度上直接影響著一個地區的大氣環境容量。

2 大氣環境容量的核算方法

目前，我國大氣環境容量的核算方法有A值法、線性規劃法、模型模擬法、系統動力學方法等，各種方法也在逐漸通過完善對影響因素的考慮來進行改進。

2.1 A值法

A值法基于箱模型，是將總量控制區上空的空氣混合層視為承納地面排放污染物的一個箱體。該方法簡單易行，應用最早也最為廣泛，同時考慮到有些地區的干濕沉降作用不明顯，以及化學轉化作用和轉化造成的二次污染問題的復雜性，A值法忽略了這些影響因素。但是在降水較多的地區，降水對于空氣污染物的沖洗作用仍較為明顯；同時化學轉化造成的二次污染也較為嚴重[29]，所以在核算大、中尺度下的大氣環境容量時,應該將干濕沉積和化學轉化因素考慮其中。郭毅等[30]通過對A值進行修正，將干沉降、濕沉降和化學轉化三個因素引入模型，將與大氣污染相關的指標引入研究，修正了A值法因忽略了這些影響因素而造成的計算結果偏小的問題。另外一種修正方法即為A-P值法，通過P值引入排氣筒的高度來控制排放率，考慮了排氣筒高度對于大氣環境容量的影響，由于沒有結合當地的地理環境和氣象條件，高估了提高煙囪高度對降低污染的作用[31]。此外，該方法還因假定區域內的污染物達到了均勻混合的狀態，而忽略了污染源的實際空間分布情況對大氣環境容量的影響。

A值法不需要污染源等復雜精確的參數，主要用于對較大區域總量控制的宏觀指導工作，但是忽略了干濕沉降以及化學轉化作用等自然因素，以及實際上污染源并非均勻分布這一因素，造成了其估算結果的偏差。若某一地區，大氣環境容量對以上這些因素影響性和敏感性較強時，就需要通過重新考慮這些被忽略的影響因素，對其結果進行必要的修正。

2.2 線性規劃法

線性規劃法以不同功能的環境質量標準為約束條件，然后利用線性規劃方法，得到區域內所有目標控制點源的污染物排放總量的最大數值。線性規劃法以區域污染物排放量最大化作為最終目標，既考慮了污染物的濃度分布，也考慮了其在大氣中的遷移和化學轉化過程，還包括區域外污染源的輸入對于大氣環境容量的影響，解釋了空氣源與環境質量的單向關系，同時對于區域的環境容量進行優化配置，主要應用于區域內改善環境質量的管控方案制定[32]。線性規劃法的計算區域一般不超過1 000 km2，目前更多的是結合模型模擬法一起核算大氣環境容量[33-34]。其不足之處就是不能處理非線性問題，對因化學轉化作用而形成的二次污染問題無能為力，詳盡的氣象和污染源信息的獲取也在一定程度上增加了核算難度。

2.3 模型模擬法

模型模擬法能夠同時利用區域內的點源、面源、線源分布數據，基于大氣物理知識和化學反應機理，模擬污染物在大氣中的清除、擴散、沉降、轉化等變化過程，并進行計算。常用的空氣質量模型在歷經了三代的演變之后，當前應用較為普遍的有CAMx、CMAQ、WRF-Chem等。這些模型模擬法突出的優點就是在模擬復雜的大氣物理化學過程時，既考慮了氣象、地形等自然因素，又考慮了部分社會因素對于大氣環境容量的影響。楊清健等[23]模擬評估蒙自市大氣環境容量時，運用WRF-Chem方法考慮了污染物的排放、傳輸、轉化、干濕沉降等自然因素。為了更充分考慮大氣間化學反應的相互關系和區域間傳輸作用的影響，李敏輝等[28]基于CAMx-PSAT模型并結合區域傳輸矩陣，獲得了更嚴謹的廣東省各地級市的大氣環境容量。然而，大氣環境容量并非常數，為了給相關部門提供實時的科學決策和建議，阿永嘎等[20]運用WRF模型和CAMx模型并基于動態大氣自凈能力評估了烏海及周邊地區的五種主要大氣污染物的大氣環境容量，計算得到更加準確合理的結果。模型模擬法兼顧多種影響因素，其計算結果受污染源排放特征和氣象條件等因素的影響也較大。目前可應用于長三角、京津冀以及全省范圍內環境容量的核算[25]。但是，近年來我國區域性、復合型空氣污染問題尤為突出，大氣的流動性使得不同區域間的環境相互影響和制約，考慮到技術、操作和計算都相對復雜，該方法在區域和全國范圍內的應用還有待加強[16]。

2.4 系統動力學方法

大氣環境容量與大氣的自清除過程密切相關[35]。由于復雜的物理及化學過程在計算大氣環境容量時較為困難，Yejing Zhou等[36]運用系統動力學的方法解決了當考慮復合空氣污染時，傳統的方法無法計算大氣環境容量的問題，該模型考慮了理化過程等自然因素對于大氣環境容量的影響，但是并沒有像模型模擬法一樣，去模擬大氣復雜的理化過程，而是通過引入邊界層參數、貢獻率以及轉化率等相關參數，從事物的外在來研究其內在邏輯，簡化了計算過程。同時，系統動力學的方法還考慮了社會經濟的影響，它更適合解決社會、經濟、環境、能源等在內的多目標規劃模型問題和復合型空氣污染問題，并將其成果運用于環境與經濟的可持續發展研究。

3 結論與建議

大氣環境容量是環境科學管理以及經濟社會科學決策的重要依據，科學、適合的核算方法更能有效地反應真實的大氣環境容量值。但將所有因素一一考慮在內較為困難，在大氣環境容量核算的實際工作中，必須結合本地環境和氣象特征，充分考慮影響因素，選擇適合的核算方法，并加以修正，以得到與實際情況較為相符合的結果。為此提出以下建議：

(1)模型模擬法兼顧氣象、地理環境以及污染源等因素，對于當前嚴重的區域性復合空氣污染問題更需要充分考慮各種影響因素，在技術和經濟可行的前提下，加強模型模擬法在多省域和全國尺度下有關大氣環境容量核算的應用；對于其他方法，應加強對理地理位置信息、自然環境信息、氣象觀測信息以及污染源信息的整合，以實現在大氣環境容量核算過程中對其影響因素的充分考慮。

(2)在不能將所有因素考慮在內時，應該對影響因素進行強弱分析以及重要性的排序，適當忽略影響較小的因素。若在核算之前不能根據以往研究和資料對影響因素的大小進行預估時，應該在核算完成后對大氣環境容量的影響因素進行敏感性分析，以驗證對于影響因素的忽略是否合適以及是否選擇了合適的核算方法。

(3)目前，關于各種影響因素對大氣環境容量的影響程度分析中，研究更多的是自然因素中的氣象和地理因素，缺乏對污染源排放等社會因素的研究，應該加強不同的污染源空間分布等研究，完善環境容量的核算，更好地應用于環境管控與經濟發展工作。