区域环评中大气环境容量估算的研究进展

２００６年ｌ２月　电　力　环　境保　护　第２２卷　第６期　区域环评中大气环境容量估算的研究进展　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｉｍｐａｃｔ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　吕洪良，张秀霞，赵朝成　（中国石油大学（华东）环境科学与工程系，山东东营　２５７０６１）　摘要：综述了大气污染物区域环境容量的主要影响因素、用于其计算的空气质量模型以及大气环境容量的研究步　骤。现阶段应用较广泛的大气环境容量的预测模型有Ａ—Ｐ值法模型、箱模型、线性优化模型、ＡＤＭＳ模型及多种模　型相结合的复合模式等，通过研究分析，提出了存在的主要问题及其有效的解决途径。　关键词：大气环境容量；总量控制；空气质量模型　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ａｆｆｅｃｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ、ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅ　ｒｉｃ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｓｕａｌ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒ‘　ｉｃ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ　ｅｎｖｉ　ｒｏｎｍｅｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｕｓｅｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｉｎｖｏｌｖｅ　Ａ　Ｐ　ｍｅｔｈｏｄ　ｍｏｄｅ１．ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｌｉｎｅａｒｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ＡＤＭＳ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｍｏｄｅｌｓ　ｔｈａｔ　ｗｅ　ｒｅ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄ　ｂｙ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　ｏｎｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｄｅｌ　Ｔｈ　ｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｘｉｓｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｗｅｒｅ　ａｎａ‘　ｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ＷＯｒｄｓ：ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｙ；ｔｏｔａｌ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌｓ　中图分类号：Ｘ２６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—４０３２｛２００６）０６—００１—０４　研究、计算大气环境体系中的环境容量，不仅可　以指导环境污染治理中实现大气污染物总量控制的　气污染物的扩散稀释，又要考虑污染物在大气中的　干、湿沉积和化学转化。　１．１　污染物在区域大气环境中的稀释扩散　风或者气流包括风向、平均风速、湍流等。风向　与污染的关系主要表现在风对污染物的水平输送作　目标，还可以根据环境体系的实际情况，合理利用大　气环境容量资源，在保护环境的前提下，降低环境治　理成本，这是促进社会经济的可持续发展和实现“三　效益”协调发展的重要途径　Ｊ。　用上，高值污染浓度常出现在大污染源的下风向。　平均风速是造成快速水平输送或平流的主要原因。　排气中的污染物在风的作用下，会被输送到其　他地区。风速的大小与大气稀释扩散能力之间存在　所谓大气环境容量是指大气自然净化能力之内　允许的某种污染物的排放总量。实际研究时更关注　的是“区域大气环境容量”，即在一定的气象条件及　一定的排污源条件下，某一特定区域在满足该区域　着直接的对应关系。湍流是迭加在平均风速上的扰　动　］，可通俗地理解为阵风。当污染物从污染源进　入大气后，不均匀地分布在流场中，形成浓度梯度。　大气环境目标的前提下，单位时间所能允许的各类　污染源向大气中排放的某种污染物的总量。　大气污染物浓度的时空分布，主要取决于大气　此时，它们除了随气流作整体的飘移外，还由于湍流　的混合和交换作用而从高浓度区向低浓度区运动，　并逐渐被分散、稀释，这就是湍流扩散过程。　污染源的排放条件和气象条件。影响大气污染物扩　散分布的气象因子主要有：动力因子（风速、风向）、　热力因子（太阳辐射量、大气层结稳定度、气温的垂　气温的垂直分布直接影响湍流活动的强弱，支　配着空气污染物的散布。大气层结稳定度是决定大　直分布）、大气中的水分（湿度、云、雨、雪、雾等）、天　气形势以及　昆合层高度等　Ｊ。因此，大气污染物区　域环境容量是地域特征、区划目标、气象要素、污染　物排放状况和污染物环境化学特征的函数。　气稀释扩散能力的另一个重要因子。由于太阳辐射　使地面温度上升，靠近地面的空气密度比上空的小，　轻的空气在下，重的空气在上。此时大气处于不稳　定状态，容易形成上下空气的对流扰动，向空气中排　放的污染物就容易被稀释。当地面大量失去热量而　１　大气污染物区域环境容量的影响因素　在研究、计算区域大气环境容量时，既要考虑大　不断冷却时，近地面的空气也随之冷却，就形成了气　１　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年ｌ２月　电　力　环　境保　护　第２２卷　第６期　温上高下低的状态，称为逆温。此时，重的空气在　下，轻的空气在上，很难使大气发生垂直交换，处于　逆温层中的气态污染物、气溶胶粒子（烟、尘、雾）等　不易扩散，严重时可能形成污染事件。　此外，污染物在大气中的稀释扩散还取决于污　染源排放条件，包括源强、排放高度、烟气出口温度、　烟囱出口直径、烟羽抬升高度等。　１．２污染物在区域大气环境中的干沉积　由于大气污染物在密度、基本质点尺度等方面　与空气有很大的差异，尤其是粒子污染物，通常比空　气的密度和基本质点重而大，因此，在重力、湍流作　用、热运动、惯性力、静电力、表面碰撞和相互间化学　反应的作用下，污染物在大气中输送和扩散时随时　都会被地表面阻留，并形成持续不断的污染物从大　气向地表面作质量转移的过程＿４　Ｊ。这种质量转移过　程必将减少污染物在大气中的浓度，这种与降水作　用无关的质量转移过程即为干沉积过程。　重力沉降、湍流运动、布朗运动、惯性作用和静　电作用是形成干沉积的主要物理过程；化学反应、　溶解、吸收、解吸等是形成干沉积的主要化学过程。　对于植被表面而言，沉积表面、植被生长的形状特　征、生命过程（渗出、分泌、气孔启闭、新陈代谓｝等）和　静电性质是影响干沉积的主要生物学特征。污染物　干沉积作用的物理学、化学、生物学过程主要受气象　条件、污染物性质和沉积表面性质的影响＿５　Ｊ。　１．３污染物在区域大气环境中的湿沉积　湿沉积指由于雨、雪等各种形式降水的作用而　使污染物从大气中清除到地表面的过程，又称为降　水清洗或降水洗脱过程。通常把降雨造成的大气污　染物清除过程简称雨洗；把降雪造成的大气污染物　的清洗过程简称雪洗。　大气污染物的降水清洗过程是由作为清洗作用　者的降水现象与作为清洗对象的大气污染物之间相　互作用的演变过程所完成，因此，降水现象和大气污　染物两者的各种性质对于降水清洗过程的发生、持　续时间、强度、位置等均具有重要意义＿６　Ｊ。雪和降水　的时间、位置、强度等宏观指标决定了降水清洗过程　发生的可能性和强度；云和降水中的卷夹、电荷、雪　晶形状、雨滴谱等微观指标对于决定降水清洗的强　度有重要意义。　１．４污染物在区域大气环境中的化学转化　大气化学反应是污染物在大气中转化的一个重　２　要原因。大气中的每一种化学反应都随时随地改变　其反应条件，发生各种各样的复杂化学反应，从而减　少大气环境中初生污染物的浓度，增加次生污染物　的浓度。　２　区域大气环境容量计算中常用的模型　２．１　Ａ—Ｐ值法模型　Ａ—Ｐ值法是在单箱模式基础上建立起来的，该　模型为国家标准《制定大气污染物排放标准的技术　方法》［　］提出的总量控制区排放总量限值计算公式，　根据计算出的排放量限值及大气环境质量现状本底　情况，确定该区域容许的排放量即大气环境容量。　该方法简单易行，己被很多学者应用于大气环　境容量的研究。鲍仙华、沈虹等人运用Ａ值法在多　个区域环评中对ｓ０２的环境容量进行了计算－８　Ｊ。但　用该法计算区域大气环境容量，往往因未考虑污染　物干、湿沉积及化学转化，因此存在较大的误差。　２．２箱模式　箱模式是一种简单的城市空气质量模式，便于　应用，同时有一定的合理性，故而至今仍被广泛采　用。箱模式是把整个城市空间（或某一区域空间）看　作是由一个或多个距形箱体组成，箱底和箱顶分别　为城市下垫面及混合层顶，四周由城市（或区域空　间）的范围确定。按箱体个数，可分为单箱模型和多　箱模型。　对于同一个箱体，箱模式的基本假设有：　（１）不考虑污染物的细微空间分布，只研究箱体　内污染物平均浓度的变化；　（２）设　轴与平均风方向一致，忽略顺风向（　轴方向）扩散，假定箱体内水平、垂直方向污染物浓　度分布均匀；　（３）箱体内污染物排放量为一常数；混合层内污　染物一经排放便迅速扩散均匀；　（４）将箱体侧边界及混合层顶边界视作不透壁，　扩散很小，忽略不计；　（５）认为区域外很干净，本底浓度ｃ　＝０；　（６）认为箱内污染物扩散达到稳定平衡后，浓度　不再随时间而变化，即ｄＣ／ｄｔ：０。　箱体模型物质守恒原理。箱体内的平均浓度变　化依赖于污染物排放量、上风向输入量、垂直方向流　出量、下风向输出量的平衡。故可以推导出箱模式　的一般表达式为：　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年　吕洪良等：区域环评中大气环境容量估算的研究进展　第６期　●　ｑ＝　（ｃ—ｃ　）＋ｑＤｗ＋ｑＤＤ＋ＫｃＣＨ　式中ｑ为单位时间、单位面积污染物最大允许排放　量；ｑＤｗ、ｑＤＤ分别为单位时间、单位面积污染物的　干、湿沉积通量；Ｋｃ为污染物化学转化速率；Ｃ、Ｃ　分别为环境目标值浓度和环境本底值浓度；ｕ、Ｌ、　分别为平均分速、顺风向长度及混合层高度。　可见，箱模式考虑了干、湿沉积及化学转化的影　响，故在应用箱模式时，应先将污染物的干、湿沉积　及化学转化模式化，结合区域气象条件求出干、湿沉　积速率和化学转化速率，再引入箱模式。但单箱大　气质量模型没有考虑污染物在垂直方向的扩散系数　及风场随高度变化的影响，也没有考虑到研究区域　内大气污染物的分布不均匀性　Ｊ。　２．３线性优化模型　大气环境容量的研究是一个系统工程问题，可　用系统论的观点与方法来解决。系统规划的方法有　多种，目前，计算大气环境容量使用最多也最简单有　效的方法是线性优化模型＿１。。。　对于特定的开发区，如果污染源布局、排放方式　已确定，那么我们就可以建立源排放和环境质量之　间的输入相应关系，然后根据区域空气质量环境保　护目标，采用最优化方法，计算出各污染源的最大允　许排放量，而各污染源最大允许排放量之和，就是给　定条件下的最大环境容量。　线性优化法的关键是将环境容量的计算变为线　性规划问题并求解。一般情况下，可以将不同功能　区的环境质量保护目标定为约束条件，以区域污染　物排放量极大化为目标函数，建立基本的线性规划　模型。这种满足功能区空气质量达标对应的区域污　染物极大排放量可视为区域的大气环境容量。　２．４　ＡＤＭＳ模式　近年来，新一代城市空气质量模型——ＡＤＭｓ　扩散模型被很多学者应用于大气环境容量的研究。　该模型的重要特点是能够计算地面反射、化学反应　和地形的影响。在边界层之内的浓度分布遵循高斯　烟羽浓度分布规律，且在地表和逆温层之间反射。　ＡＤＭＳ模型耦合了大气边界层研究的最新进　展，利用常规气象要素来定义边界层结构，在模式计　算中只需要输入常规气象参数，使得污染物浓度计　算结果更准确、可信，因而能更好地描述大气扩散过　程。ＡＤＭＳ模型与其他大气扩散模型的一个显著区　别是使用了Ｍｏｎｉｎ－－Ｏｂｕｋｈｏｖ长度和边界结构的最　新理论，精确地定义边界层特征参数。ＡＤＭＳ模型　摒弃了Ｐａｓｑｉｌｌ稳定度分类法，将大气边界层分为稳　定、近中性和不稳定三大类；同时摒弃了跃变式　Ｐａｓｑｉｌｌ曲线或幂指数形式的扩散参数体系，采用连　续性普通函数或无量纲表达式的形式；在不稳定条　件下，采用ＰＤＦ模式及小风对流模式，可以模拟计　算点源、线源、面源、体源所产生的浓度，ＡＤＭＳ模型　特别适用于对高架点源的大气扩散模拟。　基于该模型在大气预测方面的优势，孙继红等　人用ＡＤＭＳ扩散模型对锦州市大气污染物区域环境　容量进行了估算＿１　；沙维奇应用该模式测算了鞍山　市空气中ｓ０，环境容量　；杨洪斌、马雁军等应用　该模型建立了抚顺市ＳＯ２和ＴＳＰ空气质量模型，预　测了ＳＯ，和ＴＳＰ在典型日的浓度分布，并实施削减　方案确定了各污染物的大气环境容量¨　。　２．５　复合模式　应用单一的计算模型对复杂的大气环境容量进　行研究，其缺陷是显而易见的，故一些学者采用了两　种或两种以上的计算模式组成复合模型，对大气污　染物区域环境容量进行核算，并取得了可喜的成果。　杜敏敏用一种箱模式与高斯模式相结合的方法　计算大气环境容量，并对南通市大气污染物环境容　量进行了计算，结果表明该方法不仅考虑了系统的　自净能力，同时考虑了污染物的排放方式、地理位置　及气象条件等因素　。基于大气科学理论及运筹　学的线性优化理论，刘健等人建立了一个由二维中　尺度风场动力学模式、三维大气扩散数值模式及线　性优化容量模式构成的动态优化ＲＡＥＣ模拟系统，　该系统计算结果较准确，能真实反映大气对污染物　的承载能力，但是由于系统的输入资料非常复杂，故　了该法的普遍应用　。　３大气环境容量核算的研究步骤　大气污染物区域环境容量的计算过程，不仅涉　及到空气质量模式的选取与应用，还涉及到了污染　源、气象条件等基础资料的调查及其数据计算。故　区域大气环境容量的一般研究步骤为：　（１）大气污染源调查。为了解区域大气污染状　况，要对区域范围及周围的主要工业污染源、生活污　染源以及料堆扬尘、交通扬尘、裸露地面扬尘、施工　扬尘等无组织污染源进行详细的统计，考虑到大气　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年ｌ２月　电　力　环境保护　第２２卷第６期　环境影响预测的需要，按点源与面源分类。　（２）环境空气现状监测。为了掌握区域环境空　气质量现状，同时也是进行大气环境容量研究的需　要，一般要分别对非采暖期和采暖期进行空气现状　监测，每期监测６天。　（３）区域气象分析。大气混合层高度是反映污　染物在铅垂方向扩散的重要参数，也是影响大气污　染物扩散的主要气象因子之一。它的研究对环境规　划及大气环境总量控制起着重要作用。区域大气混　合层高度采用干绝热法进行计算ｌ＿１　。根据研究区　域近年常规气象观测资料，统计：当地年主导风向、　次主导风向的风向频率，冬、春、夏、秋各季主导风　向、次主导风向的风向频率、全年静风频率；当地全　年总平均风速、最高风速的风向及其大小，最低风速　风向及其大小；冬、春、夏、秋各季平均风速；全年最　高频率的稳定度类别及其频率，冬、春、夏、秋各季最　高频率的稳定度类别及其频率；该地区春、夏、秋、冬　各季节平均雨强（ｍｍ／ｈ）。此外，还应该结合所选用　空气质量模式的具体情况，掌握该区域的特征气象　资料如海陆风环流特征、山谷风环流特征等。　（４）大气环境容量的核算。在上述资料调查的　基础上，选择符合区域地形及气象特征的大气预测　模式，对该区域大气环境容量进行计算。考察大、中　尺度下的大气环境容量时，势必要将干、湿沉积及化　学转化因素影响引入模式中，这样才能真实地反映　出大气的自然净化能力。　４　结束语　由于经济的持续高速发展，城市大气污染源不　断密集化，工业污染物排放量越来越大。多年来，我　国实行浓度控制和Ｐ值控制，有力地促进了城市大　气污染的治理。然而，尽管每一个污染源都达到了　排放标准，但由于污染物排放总量的增加，不少地方　大气环境质量仍然不断恶化，出现了继续实行浓度　控制已无法实现大气环境质量标准的局面。为此，　我国２Ｏ世纪９Ｏ年代初期开始在各主要城市实行重　点污染物总量控制。故研究区域大气环境容量，以　区域环境承载能力来确定开发区污染物允许排放总　量，是区域大气环境影响评价中必须解决的问题。　４　相关研究表明，现阶段大气污染物区域环境容　量的研究，对区域特征地形及气象条件的考虑过于　简单，所选用的计算模式大多适用于地形较平坦且　日气象条件变化不大的地区，未能体现区域的特征　差异性。结合大气边界层预测模式，将其获得的区　域气象动力学参数作为输入场，输入能够反应粒子　随机游动轨迹的空气质量模式中，是计算复杂地形　及气象条件下区域大气环境容量的有效方法，也是　将来大气环境容量研究的主要方向。　参考文献：　［１］Ｌｉｕ　Ｃｏｎｇｑｉｎｇ．Ｓｔｒａｔｅｇｉｃ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｓｏｅｉｏ—ｅｃｏｎｏｍ—　ｉｃ　ｉｓｓｕｅ［Ｍ］．Ｇｕｉｙａｎｇ：Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｈ０ｕｓｅ．２００３．　［２］任平．影响大气污染物散布的气象条件［Ｊ］．资源开发与市场，　２００３　１９（２）：７２—７５　［３］史宝忠．建没项目环境影响评价（修订版）［Ｍ］．北京：中国环境　科学出版社，１９９９．　［４］国家环保局，中国环境科学研究院．城市大气污染总量控制方　法手册［Ｍ］北京：中国环境科学出版社，１９９１　［５］王体健．一种污染物的区域干沉积速率计算方法［Ｊ］．南京大学　学报，１９９４，３０（４）：７４５—７５２．　［６］秦艳．大区域大气总量控制模式的影响因素及其改进性研究［Ｊ］　．中国纺织大学学报，１９９９，２５（５）：９—１２．　［７］ＧＢ／Ｔ３８４０—９１．制定地方大气污染物排放标准的技术方法［Ｓ］　［８］鲍仙华，沈虹区域环评中大气环境容量计算及总量控制探讨　［Ｊ］．能源研究与信息，２００４，２（２０）：６３—６７．　［９］程水源．二维多箱模型预测大气环境方法的研究［Ｊ］环境科　学，１９９８．１９（２）：１６—１９．　［１Ｏ］安兴琴．兰州市冬季ｓ０　大气环境容量研究［Ｊ］．高层气象，　２００４，１（２３）：１１０—１１５．　［１１］孙继红，孙绳武．ＡＤＭＳ扩散模型在锦州市大气环境容量核算中　的应用［Ｊ］．辽宁城乡环境科技，２００４，６（２４）：２６—３１．　［１２］沙维奇．ＡＤＭＳ模型测算鞍山市空气中ｓｏ２环境容量［Ｊ］．北京　环境，２００４．３（２９）：５４—５６．　［１３］杨洪斌，马雁军．新一代大气扩散模型在大气环境容量中的应　用［Ｊ］．辽宁气象，２００３，１（４）：５４—５６．　［１４］杜敏敏．一种用箱模式与高斯模式相结合计算大气环境容量　的方法［Ｊ］．重庆环境科学，１９９５，６（１７）：３１—３４．　［１５］刘健，潘良宝．区域大气环境容量与基础工业布局研究——以　镇江为例［Ｊ］．长江流域资源与环境，１９９４，４（３）：３０４—３１　１．　［１６］程水源．大气混合层高度的确定与计算方法研究［Ｊ］．中国环　境科学，１９９７，６（１７）：５１３—５１５．　收稿日期：２００６．０３—０２　作者简介：吕洪良，Ｅ—ｍａｉｌ：ＬｖｈｏｎｇＬｉｎｇ—ｂｌｕｅ＠１２６　ｔｏｍ