針對(duì)大尺度區(qū)域的大氣環(huán)境容量綜合估算方法

錢躍東,王勤耕(南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210046)

針對(duì)大尺度區(qū)域的大氣環(huán)境容量綜合估算方法

錢躍東,王勤耕*(南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210046)

針對(duì)大尺度區(qū)域的特點(diǎn),提出了將箱模型法、模擬法與線性規(guī)劃法相結(jié)合的大氣環(huán)境容量估算方法.其基本思路是將大尺度區(qū)域劃分為一系列小區(qū)域,將真實(shí)污染源簡(jiǎn)化為源單元,基于線性規(guī)劃法尋求區(qū)域最大容量及其優(yōu)化配置方案.采用箱模型以保證源單元尺度的環(huán)境質(zhì)量要求,采用模擬法以考慮二次污染對(duì)前體物環(huán)境容量的制約,將箱模型容量與模擬法容量作為規(guī)劃法的約束條件.新方法使3種傳統(tǒng)方法相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,其顯著特征表現(xiàn)為:兼顧了污染源的局地性和區(qū)域性的影響;兼顧了污染物的一次影響和二次影響;大氣環(huán)境容量的規(guī)劃布局具有區(qū)域優(yōu)化特征.應(yīng)用新方法對(duì)我國(guó)東南沿海某區(qū)域進(jìn)行了大氣環(huán)境容量的評(píng)估試驗(yàn),結(jié)果表明該方法合理可行.

大尺度區(qū)域；大氣環(huán)境容量；線性規(guī)劃法；箱模型；模擬法；環(huán)境規(guī)劃

近年來(lái),針對(duì)大尺度區(qū)域的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃及環(huán)境評(píng)價(jià)日益得到重視.大氣環(huán)境容量(AEC)評(píng)估是開(kāi)展上述工作的重要基礎(chǔ).特別是對(duì)于區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局、污染物排放總量控制及有關(guān)環(huán)保政策的制定等工作來(lái)說(shuō),大氣環(huán)境容量往往是不可缺少的決策依據(jù).相對(duì)于中小尺度的城市或工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū),大尺度區(qū)域具有以下特征:空間尺度大,一般在幾百 km以上,下墊面和氣象條件復(fù)雜;排放源多樣,分布不均,且數(shù)量眾多;大氣污染具有區(qū)域性和復(fù)合性,特別是城市群區(qū)域,二次污染過(guò)程不可忽略[1-2].上述特征對(duì)大氣環(huán)境容量評(píng)估提出了特別的要求和挑戰(zhàn).

目前常用的大氣環(huán)境容量估算方法主要有箱模型法(或 A-P值法)、模擬法、線性規(guī)劃法等[3-5].它們各有優(yōu)缺點(diǎn),均不能很好地滿足大尺度區(qū)域的應(yīng)用需求.如箱模型法在城市、工業(yè)集聚區(qū)等地區(qū)得到了較多應(yīng)用[6-9],主要適用于尺度較小的區(qū)域.模擬法在大氣環(huán)境容量評(píng)估工作中得到了廣泛的應(yīng)用[10-11],相比箱模型法,其輸入要求高、計(jì)算量大.另外,在容量的區(qū)域配置方面,模擬法一般采用等比例或平方比例削減技術(shù),不具有區(qū)域優(yōu)化特性[4,10].線性規(guī)劃法可以像模擬法一樣較細(xì)致地反映“排放源-受體”的響應(yīng)關(guān)系,同時(shí)可以在區(qū)域上對(duì)環(huán)境容量進(jìn)行優(yōu)化配置,因此得到了十分廣泛的應(yīng)用[5,9,12,13].但該方法由于受到線性響應(yīng)關(guān)系的制約,一般不能處理非線性過(guò)程顯著的二次污染問(wèn)題.

針對(duì)大尺度區(qū)域,本研究提出了一種將線性規(guī)劃法與箱模型法、模擬法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)的計(jì)算方法,使其相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,以解決上述單一方法應(yīng)用于大尺度區(qū)域時(shí)所遇到的困難.

1 研究方法

1.1 基本思路與技術(shù)路線

某種污染物的大氣環(huán)境容量是指所研究的區(qū)域內(nèi),在保證生態(tài)環(huán)境質(zhì)量滿足一定目標(biāo)的前提下,所能容納的污染物最大排放量.本研究的基本思路是將大尺度區(qū)域劃分為一系列小區(qū)域,將真實(shí)污染源簡(jiǎn)化為源單元;基于線性規(guī)劃法尋求區(qū)域最大容量及優(yōu)化配置方案;采用箱模型以保證源單元尺度的環(huán)境質(zhì)量要求,采用模擬法以考慮二次污染對(duì)前體物環(huán)境容量的制約;將箱模型容量與模擬法容量作為規(guī)劃法的約束條件.上述思路的總體技術(shù)路線如圖1所示.

圖1 針對(duì)大尺度區(qū)域的大氣環(huán)境容量估算技術(shù)路線Fig.1 Technical route of the AEC estimation method for large-scale region

1.1.1 源單元的劃分 線性規(guī)劃法的一個(gè)重要基礎(chǔ)就是建立“源-受體”之間排污量與環(huán)境質(zhì)量的響應(yīng)關(guān)系.對(duì)于大尺度區(qū)域來(lái)說(shuō),由于污染源眾多,不確定性大,源-受體的響應(yīng)關(guān)系難以建立在真實(shí)的排放源基礎(chǔ)上.為此,本研究將大尺度區(qū)域劃分為一系列小區(qū)域.為便于資料收集與分析,上述小區(qū)域通常為某級(jí)別的行政區(qū)或工業(yè)區(qū).對(duì)于任一小區(qū)域,將類型相同、排放高度相近的排放源合并為一個(gè)源單元.此外,將區(qū)域內(nèi)一些排放高度高、排放量大、影響范圍廣的工業(yè)點(diǎn)源,如大型火電廠等,作為獨(dú)立的源單元.

1.1.2 與箱模型法的結(jié)合 在大尺度區(qū)域下,將一個(gè)源單元近似等同于一個(gè)點(diǎn)源是合理可行的,但不能保證源單元內(nèi)部的環(huán)境質(zhì)量.為保證局地空氣質(zhì)量滿足一定的要求,本研究在源單元尺度上采用空氣質(zhì)量箱模型,估算該源單元在滿足箱內(nèi)污染物濃度限值時(shí)的允許排放量,以下稱之為箱模型容量.將每個(gè)源單元的箱模型容量作為規(guī)劃模型的一種約束條件.

1.1.3 與模擬法的結(jié)合 對(duì)于大尺度區(qū)域來(lái)說(shuō),二次污染不可忽略,此時(shí),“源-受體”響應(yīng)關(guān)系往往是非線性的.為了在線性規(guī)劃模型中考慮二次污染對(duì)區(qū)域環(huán)境容量的制約,本研究將常規(guī)的模擬法與線性規(guī)劃法相結(jié)合.模擬法的實(shí)質(zhì)是基于空氣質(zhì)量模式的多方案模擬,在二次污染因子滿足一定環(huán)境目標(biāo)的前提下,得到各排放源相應(yīng)前體污染物的允許排放量,在此基礎(chǔ)上得到全區(qū)域的某前體物的允許排放量,以下稱之為模擬法容量.將模擬法得到的各源的某(前體)污染物的允許排放量作為線性規(guī)劃法的一種約束條件.

1.2 模型與計(jì)算方法

依據(jù) 2.1所述思路與技術(shù)路線,本研究的容量估算模型總體上是基于線性規(guī)劃模型,其目標(biāo)函數(shù)為區(qū)域所能容納的污染物的最大排放量,約束條件包括環(huán)境質(zhì)量約束、基于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等條件的排污量約束、基于箱模型容量的排污量約束、基于模擬法容量的排污量約束等.該模型的基本形式如下:

式(1)為目標(biāo)函數(shù).Qi表示源單元的污染物排放量,N為源單元總數(shù).PENALTY表示罰函數(shù),其定義見(jiàn)式(2).x表示罰函數(shù)的系數(shù),其值反映罰函數(shù)在目標(biāo)函數(shù)中的比重.引入罰函數(shù)的意義將在下文中進(jìn)一步介紹.

式(2)為罰函數(shù).Ckj為控制點(diǎn)j的濃度松弛變量(即控制點(diǎn)j的濃度允許超標(biāo)量).之所以要引入松弛變量,主要是因?yàn)閷?duì)環(huán)境質(zhì)量約束來(lái)說(shuō),常規(guī)的“硬約束”具有明顯的不經(jīng)濟(jì)性,即可能由于局部控制點(diǎn)的制約導(dǎo)致整個(gè)地區(qū)環(huán)境容量顯著下降,同時(shí)也使削減費(fèi)用大幅上升.王勤耕等[14]提出了基于約束條件影響價(jià)格調(diào)整目標(biāo)值的方法,但該方法的計(jì)算結(jié)果具有一定的不確定性.本研究通過(guò)引入松弛變量,定義了一個(gè)反映區(qū)域少數(shù)點(diǎn)超標(biāo)水平的罰函數(shù),并將其加入目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行最小化.wj表示控制點(diǎn) j的權(quán)重,在不區(qū)分控制點(diǎn)重要性的情形下,一般統(tǒng)一取值為1.

式(3)為區(qū)域一次污染的環(huán)境質(zhì)量約束,其中fij為源i對(duì)環(huán)境控制點(diǎn)j的響應(yīng)關(guān)系(即濃度傳輸系數(shù)),Caj為控制點(diǎn) j的背景濃度,Csj為控制點(diǎn) j的環(huán)境質(zhì)量目標(biāo).K為控制點(diǎn)的個(gè)數(shù).環(huán)境控制點(diǎn)包括人口集中區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)和可能的地面濃度高值區(qū).本研究中采用法規(guī)級(jí)空氣質(zhì)量模式CALPUFF[15]計(jì)算源-受體的響應(yīng)關(guān)系.環(huán)境質(zhì)量控制目標(biāo)主要基于污染物的年均濃度標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于缺乏法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的污染因子,可參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果.

式(4)為依據(jù)源單元i具體的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和管理等條件提出的排放量上下界約束,Qimin和Qimax分別表示源單元i在給定條件下可能的最小和最大排放量.該約束條件可以有效保證容量規(guī)劃方案的現(xiàn)實(shí)可行性.

式(5)為基于箱模型法的排污量約束,以此保證源單元尺度的環(huán)境質(zhì)量滿足一定的控制目標(biāo).考慮到重點(diǎn)源的地理位置可能與一般的源單元(區(qū)域)相重合,而箱模型容量的約束應(yīng)考慮箱體所在區(qū)域內(nèi)的所有污染源.為此,用h表示箱體編號(hào)(h=1,2,…,H; H≤N,H為箱體總數(shù)),用i∈h表示源單元i位于箱體h內(nèi).Ah表示箱體h的箱模型環(huán)境容量.在忽略干濕沉積和化學(xué)衰變的情形下,箱體h的某污染物的大氣環(huán)境容量為[16]:

式中:Ah的單位為 104t/a;Csh為環(huán)境質(zhì)量目標(biāo),mg/m3;Cah為背景濃度,mg/m3;VE為混合層通風(fēng)系數(shù),m2/s;S為區(qū)域面積,km2.

式(7)為基于模擬法容量的排污量約束,以此保證區(qū)域二次污染滿足一定的控制目標(biāo).Mi表示各源的模擬法容量.目前較嚴(yán)重的二次污染因子主要包括酸沉降、二次氣溶膠粒子、臭氧(O3)等,其前體物包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、氨(NH3)、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)等[17].本研究重點(diǎn)關(guān)注 O3污染對(duì) NOx和VOC排放的制約、細(xì)顆粒物(PM2.5)和酸雨污染對(duì) SO2排放的制約.為此,采用 US EPA 研制的Models-3/CMAQ[18,19]對(duì)區(qū)域二次污染物濃度分布進(jìn)行模擬.根據(jù)各源對(duì)環(huán)境控制點(diǎn)濃度的貢獻(xiàn)率,按等比例對(duì)各源單元的排放量進(jìn)行多方案調(diào)整,直到滿足環(huán)境目標(biāo).這時(shí)各源單元的允許排放量為模擬法容量Mi.

式(8)為各控制點(diǎn)的松弛變量的上下界約束,Ckjmin和Ckjmax分別表示控制點(diǎn)j的環(huán)境質(zhì)量允許的最小和最大超標(biāo)量,實(shí)用中最小值一般取0.

2 應(yīng)用案例

2.1 案例概況

為了檢驗(yàn)新方法的合理性和可行性,本研究針對(duì)我國(guó)東南沿海某區(qū)域,進(jìn)行了大氣環(huán)境容量的評(píng)估試驗(yàn).該區(qū)域總面積約14.6萬(wàn)km2,包括13個(gè)地級(jí)市.該區(qū)域空氣質(zhì)量總體優(yōu)良,首要污染物為可吸入顆粒物,SO2和NO2濃度相對(duì)較低.酸雨污染相對(duì)嚴(yán)重,個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)細(xì)顆粒物及O3超標(biāo)現(xiàn)象.本研究重點(diǎn)針對(duì)SO2、NO2、PM10和VOC4種污染物進(jìn)行環(huán)境容量評(píng)估,除考慮一次污染物的影響外,還考慮酸沉降、臭氧與PM2.5等二次污染對(duì)于上述有關(guān)前體污染物排放的制約.

以2007年為基準(zhǔn)年調(diào)研區(qū)域污染源、環(huán)境空氣質(zhì)量以及氣象等資料.根據(jù) 2.1節(jié)的技術(shù)路線對(duì)源單元進(jìn)行劃分,區(qū)域共有重點(diǎn)源 20個(gè),一般源單元24個(gè).選取環(huán)境質(zhì)量控制點(diǎn)58個(gè).為從嚴(yán)控制,取各污染因子相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限值的 75%作為環(huán)境質(zhì)量控制目標(biāo).

2.2 結(jié)果與討論

根據(jù)技術(shù)路線,首先可得到各源單元的模擬法容量及其所屬區(qū)域的箱模型容量.這兩種容量作為線性規(guī)劃法的約束條件進(jìn)入規(guī)劃計(jì)算,便可以得到最終的區(qū)域環(huán)境容量估算結(jié)果,同時(shí)得到各源單元的允許排放量.為簡(jiǎn)化起見(jiàn),本文僅以SO2和 NO2兩個(gè)污染因子為例,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行討論,PM10、VOC有類似結(jié)果,不再贅述.

考慮到實(shí)際工作中主要基于行政區(qū)開(kāi)展產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和污染物總量控制,對(duì)各源單元的規(guī)劃容量按13個(gè)市級(jí)行政區(qū)進(jìn)行分類匯總,表1和表2分別為SO2和NO2匯總后的結(jié)果.

表1 SO2環(huán)境容量及環(huán)境承載率Table 1 Environmental capacities and environmental bearing- ratios of SO2

表2 NO2環(huán)境容量及環(huán)境承載率Table 2 Environmental capacities and environmental bearing-ratios of NO2

表中“規(guī)劃容量”即為最終的容量估算結(jié)果,“箱模型容量”和“模擬法容量”作為規(guī)劃容量計(jì)算的兩種約束條件,也就是說(shuō),規(guī)劃法容量將不會(huì)大于這兩種容量.“制約因素”反映了容量估算結(jié)果主要受到何種因素的制約:若規(guī)劃容量等于箱模型容量,則說(shuō)明主要受局地污染的影響;若規(guī)劃容量等于模擬法容量,則主要受某種二次污染的影響(其中包括 O3對(duì)于 NOx排放的限制,酸沉降和細(xì)顆粒物污染對(duì)于SO2的限制);若規(guī)劃容量顯著小于上述兩種容量,則說(shuō)明主要受一次污染跨區(qū)域輸送的影響.表1和表2還給出了基準(zhǔn)年(2007)各地區(qū)環(huán)境容量的利用程度(本研究稱之為環(huán)境承載率,定義為污染物的排放量與環(huán)境容量的比值).

從計(jì)算結(jié)果可以看出,由于大尺度區(qū)域中空氣污染具有明顯的區(qū)域性和復(fù)合性,大氣環(huán)境容量受到多種因素的制約,具體來(lái)說(shuō),既有源單元尺度的局地影響,也有大尺度的跨區(qū)域影響;既有一次污染的直接影響,也有二次污染的間接影響.比如,對(duì)SO2來(lái)說(shuō),地區(qū)2的SO2容量主要受到區(qū)域細(xì)顆粒物污染的制約,地區(qū) 3的容量主要受源單元尺度的SO2直接污染的制約,地區(qū)4的容量則主要受SO2跨區(qū)域輸送的制約,地區(qū)10的SO2容量則主要受到區(qū)域酸沉降的制約. 對(duì)于 NO2來(lái)說(shuō),地區(qū) 3的容量主要受源單元尺度直接污染的制約,地區(qū)7的容量主要受跨區(qū)域輸送的制約,其它多數(shù)地區(qū) NO2的排放則主要受區(qū)域性臭氧污染的制約.由此可見(jiàn),本研究提出的方法可以較全面地考慮大尺度區(qū)域下多種污染因素對(duì)于環(huán)境容量的制約.另外,從環(huán)境承載率的評(píng)估結(jié)果可以看出,不同地區(qū)環(huán)境容量的利用程度有較大差別,有一些地區(qū)的排放量已經(jīng)接近甚至超過(guò)環(huán)境容量,應(yīng)引起有關(guān)方面的關(guān)注,結(jié)合制約環(huán)境容量的主要因素,加強(qiáng)環(huán)境污染的綜合整治.

本研究提出的方法在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注以下問(wèn)題:首先,箱模型法環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果往往具有較大的不確定性,除了混合層高度及通風(fēng)系數(shù)的影響以外,污染源分布及排放高度也有很大影響,比如,位于區(qū)域邊緣的高架點(diǎn)源,一般僅對(duì)箱內(nèi)污染產(chǎn)生部分影響.對(duì)此,必要時(shí)可以采用王勤耕等提出的改進(jìn)的箱模型法[20].其次,由于受到計(jì)算工作量的限制,模擬法容量估算只能是有限方案的比選,這在一定程度上會(huì)增加結(jié)果的不確定性,為此,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)開(kāi)展盡可能多的情景模擬.不過(guò),該問(wèn)題的根本解決可能需要依賴于非線性規(guī)劃或準(zhǔn)線性規(guī)劃[21]的應(yīng)用研究.另外,環(huán)境控制目標(biāo)是環(huán)境容量估算的重要基礎(chǔ),限于當(dāng)前的認(rèn)識(shí)水平和研究能力,缺乏對(duì)污染因子累積性影響的足夠關(guān)注,有待于今后進(jìn)一步的加強(qiáng).

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)大尺度區(qū)域的大氣環(huán)境容量評(píng)估問(wèn)題,提出了將傳統(tǒng)的線性規(guī)劃法、箱模型法和模擬法有機(jī)結(jié)合的評(píng)估方法.該方法充分考慮了大尺度區(qū)域下空氣污染的區(qū)域性和復(fù)合性特征,同時(shí)兼顧了多種因素對(duì)于大氣環(huán)境容量的制約,有效克服了傳統(tǒng)單一方法所遇到的困難.案例研究結(jié)果表明,該方法合理可行,具有較好的推廣應(yīng)用前景.

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An integrated method of atmospheric environmental capacity estimation for large-scale region.

QIAN Yue-dong, WANG Qin-geng*(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210046, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：504～509

According to the features of large-scale regions, a new method was proposed to estimate the atmospheric environmental capacity (AEC), which combines the traditional box-model method, simulation method and linear programming method. The basic idea of the new method is that: the large-scale region is divided into a series of small sub-regions, and pollution sources are classified into different source units. The linear programming method searches the maximum capacity and optimal allocation of the AEC. The box-model method ensures the local air quality in sub-regions meet certain targets. The simulation method limits precursor emissions which cause secondary pollution in the regional scale. Results from the last two methods act as restrictions of the linear programming method. The integrated method makes the three traditional methods to be complementary, and therefore has three significant merits: First, it considers both local and regional influences of pollution sources. Second, it considers both direct and secondary effects of the pollutants. Finally, it can give optimal schemes for the AEC allocation over different sub-regions. A case study conducted for a region in southeast China indicates that the new method is reasonable and feasible.

large-scale region；atmospheric environmental capacity；linear programming method；box-model；simulation method；environmental planning

X823

A

1000-6923(2011)03-0504-06

2010-07-16

國(guó)家“863”項(xiàng)目(2006AA06A307);環(huán)境保護(hù)部課題“海西經(jīng)濟(jì)區(qū)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評(píng)價(jià)”

* 責(zé)任作者, 教授, Wangqg@nju.edu.cn

錢躍東(1985-),男,浙江上虞人,南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院碩士研究生,主要從事大氣環(huán)境容量與承載力的研究.