大氣污染源排放清單及其信息化建設(shè)

彭 珍，劉 夢，馬嘉琪，魏亞坤，郭 威，蔡國文

(北京石油化工學院 經(jīng)濟管理學院，北京 102617)

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大氣污染源排放清單及其信息化建設(shè)

彭 珍，劉 夢，馬嘉琪，魏亞坤，郭 威，蔡國文

(北京石油化工學院 經(jīng)濟管理學院，北京 102617)

為了實現(xiàn)大氣污染源排放清單的信息化，在對大氣污染排放清單研究的基礎(chǔ)上，通過對大氣污染源排放清單的分析與污染資料采集的規(guī)范化，采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)軟件架構(gòu)模式和MVC的設(shè)計模式建立了大氣污染源排放清單信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可供查詢大氣污染源排放的信息，實現(xiàn)對污染源的計算與分析，為大氣污染源管理與污染排放決策提供了信息支持。

大氣污染;污染源；排放清單;信息系統(tǒng);排放決策

當前，我國大氣污染形勢十分嚴峻，以細顆粒物(PM2.5)為標志的區(qū)域性大氣復(fù)合污染問題日益突出，大氣灰霾事件在我國許多地區(qū)頻繁出現(xiàn)，大氣污染已對居民的生活與健康產(chǎn)生了極大的不良影響。大氣污染源排放清單[1-2]是大氣污染模式重要的起始輸入，是研究空氣污染物在大氣中物理化學過程的先決條件，對確立合適的減排方案具有重要的作用。雖然我國已經(jīng)在國家、區(qū)域等層面上建立了大氣污染源排放清單，但因大氣污染清單是動態(tài)變化的，目前缺乏對列表信息的動態(tài)管理能力，亟需一種信息化的方式與方法為之架構(gòu)與管理。據(jù)此，筆者根據(jù)大氣污染源列表的特征，實現(xiàn)了大氣污染源排放清單的信息化。在污染源、污染物信息收集與分析的基礎(chǔ)上，從信息系統(tǒng)的角度采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)軟件架構(gòu)模式和MVC的設(shè)計模式[3]，實現(xiàn)了對污染源、污染排放的信息化管理和建設(shè)，便于從中查詢大氣污染源、污染物排放情況，也便于大氣污染源列表的動態(tài)更新與統(tǒng)計計算。

1 大氣污染源排放清單研究

為了掌握全國或區(qū)域污染排放來源和排放量情況，各研究團體開展了大氣污染源排放清單的編制工作。大氣污染源排放清單是基于對某一區(qū)域某段時期污染情況的調(diào)研，通過統(tǒng)計分析等方法建立起來的，該清單是區(qū)域污染來源、污染物排放等污染信息分析的基礎(chǔ)。

從污染源的角度，即從機動車、生物質(zhì)、煤炭等污染源展開研究。如北京大學以中國2002年各省統(tǒng)計年鑒中關(guān)于機動車和道路信息的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并根據(jù)COPERT III模型計算出2002年中國各省區(qū)各種機動車類型在城區(qū)、郊區(qū)和高速公路3種行駛工況下的排放因子，應(yīng)用GIS技術(shù)建立了中國機動車的排放源清單[4-5]；黃奕瑋等[6]通過對江蘇地區(qū)的不同車型和道路類型的機動車排放的污染物進行調(diào)研和分析，基于國內(nèi)實測的排放因子法和COPERT模型法得到2012年的機動車的大氣排放清單；田賀忠等[7]根據(jù)2000—2007年山東、河南、黑龍江、安徽、河北等省區(qū)秸稈或薪柴燃燒、牲畜糞便生物質(zhì)燃燒消耗量和排放因數(shù)量，建立了中國生物質(zhì)燃燒的大氣污染物排放清單；劉湛等[8]根據(jù)2012年長株潭區(qū)域生物質(zhì)產(chǎn)量和露天焚燒數(shù)據(jù)，通過物料平衡、經(jīng)驗估算等方法，估算了長株潭區(qū)域生物質(zhì)開放燃燒所排放的大氣污染物量，建立了2012年長株潭區(qū)域生物質(zhì)開放燃燒的大氣污染清單；潘濤等[9]對北京、天津、石家莊、南京和鄭州地區(qū)火力發(fā)電(電站鍋爐)、工業(yè)生產(chǎn)和供熱(工業(yè)鍋爐)、炊事及居民消費(炊事及冬季供暖)情況進行調(diào)研，基于抽樣調(diào)查法、衛(wèi)星遙感法建立了民用燃煤的大氣污染物排放清單，對煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生的SO2等污染性氣體進行了分析；程鐘等[10]在污染源普查和環(huán)境統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，利用排放系數(shù)、模型測算、物料平衡、經(jīng)驗估算等方法定量測算，在對工業(yè)企業(yè)、機動車、建筑工地、秸稈焚燒等20多類排放源的研究基礎(chǔ)上，建立2011年常州市大氣污染物排放清單。

從污染物的角度，即包括各類氣體污染物、顆粒物和有色金屬污染物的排放清單。趙斌等[11]通過對天津市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的統(tǒng)計資料進行調(diào)研，采用能反映國內(nèi)狀況的排放因子，計算得到天津市各行業(yè)、各區(qū)縣氮氧化合物、二氧化硫、非甲烷揮發(fā)性有機物、一氧化碳、氨氣、可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物污染物(PM2.5)的排放量，發(fā)展了天津市2003年排放源清單；孫雪莉[12]通過對河北省工業(yè)和重點源無組織地調(diào)研，利用系數(shù)推算和排放因子等方法核算二氧化硫、總懸浮顆粒物、可吸入顆粒物、氮氧化合物、一氧化碳、揮發(fā)性有機化合物的排放量，得到河北省大氣污染源排放清單；王錦等[13]根據(jù)2013年北京市工業(yè)、農(nóng)業(yè)和居民生活的統(tǒng)計資料，以及中國汽車工業(yè)年鑒，計算了北京市不同行業(yè)二氧化硫、氮氧化合物及可吸入顆粒物排放量，建立了北京市2013 年大氣污染物排放清單；謝瓊芳等[14]通過對南寧市大氣污染的資料進行收集、分析、調(diào)研、估算，得到大氣污染物二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳、可吸入顆粒物、細顆粒物、揮發(fā)性有機化合物等主要排放源，編制了2012年南寧市空氣質(zhì)量排放清單；鄭新梅等[15]采用問卷調(diào)查的方法調(diào)研了南京市的電力行業(yè)狀況，并結(jié)合2014年環(huán)境統(tǒng)計資料，根據(jù)環(huán)保部推薦的大氣污染物排放清單制定指南，建立了2014年電力行業(yè)SO2污染物排放清單；曲益萍[16]通過對全國典型有害元素汞、砷、硒進行調(diào)研與分析，采用自下而上的排放因子法，得到汞、砷、硒污染物的大氣排放清單；王堃等[17]以中國鋼鐵工業(yè)年鑒等統(tǒng)計資料為基礎(chǔ)，采用自下而上的排放因子法，制定了2011年中國鋼鐵行業(yè)的大氣排放清單，并估算出2011年全國各省區(qū)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)活動導(dǎo)致的典型有害重金屬(汞、鉛、鎘、砷、鉻、鎳)大氣排放量。

以清華大學環(huán)境學院為代表的科研團隊從污染物種類和污染源種類兩個方向出發(fā)，基于各類統(tǒng)計資料與實際調(diào)研，編制了全國2015年的大氣污染物源排放清單。總結(jié)大氣污染排放清單編制的貢獻，主要包括：①大氣污染排放清單提供了產(chǎn)生一次污染物的污染源種類，建立了污染源與污染物之間的相關(guān)性，如PM2.5污染物的污染源，在產(chǎn)業(yè)級有固定燃燒源、工藝過程源和移動源3大類。②大氣污染排放清單為大氣污染源進行了分級，實現(xiàn)了大氣污染源的精細化分類，如圖1所示。最新的大氣污染源排放清單將污染源分為四級，第一級為產(chǎn)業(yè)級，第二級為行業(yè)/部門級，第三級為燃料/產(chǎn)品級，第四級為燃燒/工藝級，最后還有末端控制技術(shù)。以一次污染物PM2.5的污染源排放清單為例，第一級產(chǎn)業(yè)污染源分為固定燃燒源、工藝過程源和移動源三大類，其中固定污染源又包括電力、供熱、工業(yè)、民用等二級污染源，工業(yè)污染源的三級燃料源包括煤炭、柴油、燃料油、天然氣等，天然氣的燃燒工藝源又細化為流化床爐、層燃爐等。③大氣污染源清單中給出了污染源在不同燃燒/工藝過程中一次污染物產(chǎn)生系數(shù)、污染控制技術(shù)對污染物去除效率的計算方法，如對于固定燃燒源中的第四級排放源，PM10排放量E可通過式(1)和式(2)計算得到：

(1)

(2)

式中：A為第四級排放源對應(yīng)的燃料消耗量，若排放源為點源則A為該點源的活動水平，若排放源為面源則A表示最小行政區(qū)單元(一般為街道或區(qū)縣)的活動水平；EF為一次PM10產(chǎn)生系數(shù)；η為污染控制技術(shù)對PM10去除效率；Aar為平均燃煤收到基灰分；ar為灰分進入底灰的比例；fPM10為總顆粒物中PM10所占比例。這些系數(shù)反映了活動水平與一次污染物排放之間的量化關(guān)系。

圖1 大氣污染排放清單分級——以PM 2.5為例

從大氣污染排放清單研究中可以看到，研究工作主要集中在區(qū)域大氣污染源排放清單編制上，而這些大氣污染源排放清單的時間或區(qū)域各不相同，清單中的排放因子等重要參數(shù)也不盡相同，加之編制工作中存在的不確定性，因此可能會出現(xiàn)不同的版本信息，且更新不及時，最終無法對污染源信息很好地進行管理和掌握。也正是由于排放清單信息量的龐大與管理的動態(tài)性，手動管理污染源信息已經(jīng)遠遠不能滿足需求。因此，需要從資訊化的角度，將這些污染源排放清單進行合理化管理和自動化作業(yè)。

2 大氣污染源排放清單信息化

2.1 信息系統(tǒng)建設(shè)的依據(jù)

從現(xiàn)實問題出發(fā)，需要經(jīng)過信息抽象、物理建模的過程，才能構(gòu)建出一個適應(yīng)現(xiàn)實需求的計算機系統(tǒng)，這是人類對管理信息系統(tǒng)認知的思維過程。相應(yīng)地，現(xiàn)實系統(tǒng)的信息化建設(shè)需要通過系統(tǒng)分析、設(shè)計到系統(tǒng)實施的步驟來完成開發(fā)[18]，管理信息系統(tǒng)開發(fā)與認知的關(guān)系與過程如圖2所示。

圖2 管理信息系統(tǒng)開發(fā)與認知的關(guān)系與過程

大氣污染源排放清單信息化就是根據(jù)大氣污染源排放清單編制技術(shù)指南，在對北京市大氣污染源數(shù)據(jù)進行收集的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)分析、設(shè)計與實現(xiàn)建立了一個大氣污染源排放清單信息系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析更貼近使用者，將解決的現(xiàn)實問題作為一個系統(tǒng)，對系統(tǒng)要素進行綜合分析，將用戶比較籠統(tǒng)的需求分析成研發(fā)能夠理解的需求。系統(tǒng)分析的主要任務(wù)是：了解現(xiàn)行系統(tǒng)的運作方式，理解對現(xiàn)行系統(tǒng)的改進和新系統(tǒng)的需求，并將對新系統(tǒng)需求的理解用標準的工具表達出來，也就是邏輯建模。筆者基于對大氣污染源排放清單的理解與分析，以行業(yè)污染源和燃料污染源為主線，實現(xiàn)對大氣污染源排放清單系統(tǒng)的邏輯建摸。以資料庫分析為例，構(gòu)件實體與實體之間關(guān)系的E-R圖[19]，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計圖—E-R圖

圖3描繪了污染排放系統(tǒng)中涉及到的實體(行業(yè)污染源、燃料污染源、活動水平、污染物)及實體之間的靜態(tài)聯(lián)系(燃料與行業(yè)污染源關(guān)系、活動水平與燃料污染源關(guān)系、污染物與行業(yè)污染源關(guān)系)，每個實體或?qū)嶓w間聯(lián)系都有自身的屬性(如活動水平的主要屬性有地區(qū)、年份、活動水平值)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計是在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計出能滿足預(yù)定目標的系統(tǒng)過程。其是對系統(tǒng)分析的細化和具體化，面向的是計算機系統(tǒng)、設(shè)計系統(tǒng)的模塊層次結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)以及模塊的控制流程，即完成計算機系統(tǒng)的物理構(gòu)建。筆者采用的MVC框架設(shè)計模式，即模型-視圖-控制器，基于面向?qū)ο骍ML的建模思想[20]，對大氣污染源排放清單系統(tǒng)進行物理建模。以污染物排放量的計算為例，其動態(tài)功能設(shè)計以順序圖體現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 污染物排放量計算的系統(tǒng)順序圖

污染物排放量計算的具體步驟為：

(1)在主界面中單擊“進入計算界面”，完成計算界面(視圖層V)的初始化，具體過程為：①通過初始化方法發(fā)送獲取污染物的請求至污染物控制類(控制層C)；②通過污染物實體類(模型層M)的獲得污染物方法獲取相關(guān)信息；③將獲得的污染物信息加載到計算界面(視圖層V)的污染物選擇框中。

(2)在計算界面(視圖層V)的污染物列表中選擇要計算的污染物。

(3)在計算界面(視圖層V)中選擇計算的年份。

(4)激活計算界面(視圖層V)中的計算按鈕，完成以下3個過程：①通過計算方法發(fā)送計算排放量的請求到活動水平控制類(控制層C)中；②通過調(diào)用活動水平實體類(模型層M)的排放量計算方法得到該污染物在對應(yīng)年份的排放量；③將獲得的排放量信息加載到計算界面(視圖層V)中。

2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

在系統(tǒng)分析與設(shè)計的基礎(chǔ)上，使用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)軟件架構(gòu)，采用Web工具MyEclipse 10和數(shù)據(jù)庫Mysql 5.5為開發(fā)工具，實現(xiàn)了大氣污染源排放清單信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的實現(xiàn)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 大氣污染源排放清單信息管理系統(tǒng)的網(wǎng)站實現(xiàn)架構(gòu)

系統(tǒng)提供了兩類身份即管理員和普通使用者兩級。管理員可以對系統(tǒng)所有的信息進行管理，包括對污染物信息、污染源信息、活動水平信息、用戶信息的增加、刪除、更新和查詢以及污染物排放量的統(tǒng)計計算等。如圖6所示為燃料污染源的管理界面示意圖。普通用戶只能獲得系統(tǒng)中用戶自身的管理、污染物信息、污染源信息、活動水平信息、污染物排放量的查詢服務(wù)。

圖6 燃料污染源的管理界面示意圖

3 結(jié)論

為了更高效地管理與利用大氣污染排放清單，筆者在對大氣污染源排放清單研究與分析的基礎(chǔ)上，提出了大氣污染源排放清單信息系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實現(xiàn)的方法與步驟，通過該系統(tǒng)能夠及時地更新大氣污染源排放清單數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)計污染排放數(shù)據(jù)，提供全面、靈活、有效的污染信息。

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PENG Zhen:Assoc. Prof.; School of Economics and Management,Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China.

Atmospheric Pollution Source Emission Inventory and Informatization Construction

PENGZhen,LIUMeng,MAJiaqi,WEIYakun,GUOWei,CAIGuowen

In order to informationize the atmospheric pollution emission, this study sets up an information system of atmospheric pollution emission inventory by browser/server (B/S) software architecture model and MVC design model on the base of analysis of atmospheric pollution emission inventory and of the data collection and data normalization. The system can supply information of atmospheric pollution emission, calculate and analyze the pollution sources, and subsequently provide information supports for the management of atmospheric pollution source, and decision making for atmospheric pollution emission.

atmospheric pollution; pollution source； emission inventory; information system; emission decision

2095-3852(2017)02-0181-05

A

2016-11-23.

彭珍(1981-)，女，山東菏澤人，北京石油化工學院經(jīng)濟管理學院副教授，主要研究方向為數(shù)據(jù)挖掘與信息系統(tǒng).

國家自然科學基金項目 (71601022)；北京市社科基金項目(15JDJGB028)；北京市自然科學基金項目(4173074)；北京市URT基金項目(2016J00152，2016J00153).

TP39

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.013