工業(yè)園區(qū)SO2大氣環(huán)境容量時(shí)間變化特征分析?

尹稚禎，何秉宇，陳瑞

(新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830046)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大氣環(huán)境問題日益突顯．當(dāng)污染物排放量超出環(huán)境容量時(shí)，就會造成環(huán)境污染，因此，準(zhǔn)確掌握區(qū)域大氣環(huán)境容量是大氣污染治理工作的基礎(chǔ)，是環(huán)境規(guī)劃的依據(jù)[1]．核算園區(qū)大氣環(huán)境容量對于園區(qū)產(chǎn)業(yè)布局、污染物排放總量控制以及環(huán)境質(zhì)量改善具有重要意義[2]．

目前，修正A值法是計(jì)算大氣環(huán)境容量的通用方法，但實(shí)際應(yīng)用中皆采用區(qū)域近年氣象、環(huán)境濃度背景值等因素的年均值進(jìn)行容量測算，這就造成了極大的不準(zhǔn)確性．文中在重新進(jìn)行風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)后，以污染物SO2為例，探討一個(gè)園區(qū)在月、季、采暖期與非采暖期的大氣環(huán)境容量變化，以期在計(jì)算大氣環(huán)境容量時(shí)，充分考慮自然地理環(huán)境與氣候特征，計(jì)算不同時(shí)段的環(huán)境容量，使大氣污染總量控制更具針對性、可操作性；其次，在修正A值法的基礎(chǔ)上，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法對影響園區(qū)SO2大氣環(huán)境容量的因素進(jìn)行分析，找到影響園區(qū)SO2大氣環(huán)境容量的因素，以便更有效率的進(jìn)行大氣環(huán)境治理．

1 材料與方法

1.1 園區(qū)情況簡介

X園區(qū)位于西北干旱區(qū)內(nèi)，規(guī)劃范圍總面積近300 km2，建設(shè)面積近200 km2．該地區(qū)屬溫帶、寒溫帶大陸性干旱半干旱氣候，降水量少、蒸發(fā)量大．多年平均氣溫5.7?C，多年平均降水量127.6 mm．園區(qū)近年環(huán)境空氣質(zhì)量根據(jù)當(dāng)?shù)刈詣颖O(jiān)測站資料分析，如表1所示．

表1 X園區(qū)2013—2016年SO2濃度值

1.2 園區(qū)污染氣象學(xué)特征

空氣污染物在大氣中的擴(kuò)散遷移規(guī)律與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件密切相關(guān)，影響大氣擴(kuò)散的主要?dú)庀笠蛩赜酗L(fēng)向、風(fēng)速、氣溫和大氣穩(wěn)定度等．因園區(qū)與C氣象站同處于山前沖洪積扇上，下墊面地形條件及植被等環(huán)境基本一致，受同一天氣系統(tǒng)控制，故園區(qū)氣象統(tǒng)計(jì)資料以C氣象站資料作為參考．

1.2.1 地面風(fēng)速

根據(jù)C氣象站對地面風(fēng)速平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，修正后的風(fēng)速具體數(shù)值見表2．

表2 X園區(qū)2013—2016年月平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表(m/s)

1.2.2 大氣穩(wěn)定度

根據(jù)C氣象站資料，X園區(qū)中性（D）類穩(wěn)定度占絕對優(yōu)勢，分別占春、夏、秋、冬，全年穩(wěn)定度的53.36%、50.37%、59.83%、84.09%、61.91%．

1.3 修正A值法

修正A值法是在單箱模型的基本原理上提出的，是假設(shè)大氣污染物排放后即刻呈均勻分布狀態(tài)時(shí)箱體中大氣污染物的平均質(zhì)量濃度，C定義為[3]

式中：C為箱內(nèi)大氣污染物平均濃度（mg/m3）；q為污染物在單位面積上單位時(shí)間的排放量（mg/m2·s）；u為平均風(fēng)速（m/s）；Hi為混合層高度（m）；Cb為污染物背景濃度（mg/m3）；ud為干沉積速度（m/s），取值0.003 5 m/s[4]；R為年降水率（m/s），園區(qū)地處干旱地區(qū)，降水率較小，可忽略不計(jì)；Wr為清洗比（無量綱），取值1.9×10?5[5]；半衰減周期為105s；?X為箱內(nèi)順風(fēng)長度（m），Tc為污染物半衰減周期（s），Tc=T1/2/0.693[7]．

以大氣污染物濃度的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值CS代替大氣污染物的平均質(zhì)量濃度C，Cb為園區(qū)背景濃度，由式（1）可推出

T時(shí)間內(nèi)，總量控制區(qū)域允許排放污染物的總量應(yīng)為

式中Q為總量控制區(qū)域允許排放污染物的總量，單位為104t/a，取時(shí)間T為一年；綜合考慮式（1）、（2）、（3）可推導(dǎo)出

在對園區(qū)進(jìn)行不同時(shí)間下SO2大氣環(huán)境容量計(jì)算時(shí)，需要重新計(jì)算地理區(qū)域性總量控制系數(shù)A，將X園區(qū)的A值細(xì)化，則

式中δi為時(shí)間系數(shù)，取一年365天，δi=3.153 6；取月31天時(shí)，δi=0.267 84；取月30天時(shí)，δi=0.259 2；取月28天時(shí)，δi=0.250 6．

1.4 風(fēng)速修正探討

在數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，依據(jù)逐日風(fēng)速統(tǒng)計(jì)月平均風(fēng)速時(shí)，出現(xiàn)某日風(fēng)速值極大，或極小，這種異常值的出現(xiàn)削弱了平均值的穩(wěn)定性．因此文中統(tǒng)計(jì)月平均風(fēng)速時(shí)考慮權(quán)數(shù)進(jìn)行計(jì)算．

（1）將風(fēng)速大小劃分區(qū)間

（2）將每月的日平均風(fēng)速分別劃分到各個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)該區(qū)間內(nèi)的平均風(fēng)速．區(qū)間內(nèi)的平均風(fēng)速公式如下

（3）修正后的月平均風(fēng)速值為

式中Xi是氣象站逐日風(fēng)速平均值，i是該區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)速次數(shù)，為區(qū)間平均風(fēng)速，n為區(qū)間數(shù)．

1.5 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

根據(jù)修正A值法公式，SO2大氣環(huán)境容量影響因素有系數(shù)A、混合層高度Hi、風(fēng)速、環(huán)境質(zhì)量背景濃度．文中采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法[8]比較這四種影響因素對X園區(qū)SO2大氣環(huán)境容量影響程度的大小，從中找到改善園區(qū)環(huán)境質(zhì)量的方法和途徑，關(guān)聯(lián)系數(shù)公式如下

式中ξi(k)為比較數(shù)列與參考數(shù)列在第k個(gè)因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5[9]；?(min)與?(max)分別為比較序列與參考序列絕對值差值的最小值和最大值．灰色關(guān)聯(lián)度ri的公式如下

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境容量變化分析

2.1.1 年環(huán)境容量變化

見圖1，在研究期2013—2016年，X園區(qū)SO2年環(huán)境容量呈拋物線型變化，4年環(huán)境容量分別是20 301.32 t、28 093.31 t、34 420.23 t、30 270.52 t，平均值為28 271.35 t，極值為14 119.91 t，均方差為5 132.21，由此可知SO2大氣環(huán)境容量年際變化極大，需進(jìn)一步探討．

圖1 SO2年環(huán)境容量

圖2 SO2月均環(huán)境容量

2.1.2 月、季環(huán)境容量變化趨勢

計(jì)算X園區(qū)研究期SO2月均容量平均值為2 435.69 t，極差為2 567.56，均方差為788.58，可知不同月之間的SO2大氣環(huán)境容量變化大，因此準(zhǔn)確掌握各月環(huán)境容量的變化并依據(jù)該變化調(diào)整企業(yè)污染物的排放具有極大限值意義．

圖2所示研究期SO2月環(huán)境容量變化趨勢特征為：總體在1至5月呈上升趨勢，在5月份達(dá)到最大值后，從6至12月開始下降，在1月達(dá)到最小值．具體看，當(dāng)?shù)卮杭緸?至5月，夏季6至8月，秋季9至11月，冬季12至2月，X園區(qū)SO2大氣環(huán)境容量在春、夏季較高，冬季最小．

由圖3知X園區(qū)在2014年8月，2015年1月，2016年1至4月，6至10月SO2大氣環(huán)境容量同比下降外，其余皆呈增長狀態(tài)．除2014年8月是由于背景濃度增加而導(dǎo)致SO2大氣環(huán)境容量同比下降外，2015、2016年中的SO2月環(huán)境容量同比下降是由于風(fēng)速下降的影響．

圖3 SO2月環(huán)境容量同比變化率

圖4 SO2采暖期與非采暖期環(huán)境容量

2.1.3 采暖期與非采暖期環(huán)境容量

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蜃兓?guī)律通常確認(rèn)采暖期為10至3月，非采暖期為4至9月．

研究期SO2采暖期環(huán)境容量分別為8 726.89 t、12 699.55 t、15 603.95 t、13 703.04 t，平均值為12 683.36，其方差為2 511.15．SO2非采暖期環(huán)境容量為17 197.78 t、20 642.74 t、25 749.24 t、22 180.28 t，其平均值為21 442.51，方差為3 049.81．兩者協(xié)方差為7 527 866.37，知SO2采暖期與非采暖期環(huán)境容量變化極大．

由圖4可知X園區(qū)研究期間SO2采暖期與非采暖期環(huán)境容量皆呈拋物線型上升趨勢，且SO2采暖期環(huán)境容量明顯小于非采暖期容量．

2.2 影響環(huán)境容量的因素分析

依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析法，以X園區(qū)研究期年均環(huán)境容量作為參考數(shù)據(jù)，即

以X園區(qū)研究期年均系數(shù)A、風(fēng)速、混合層高度作為比較數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)建立原始矩陣

通過灰色關(guān)聯(lián)度法，X園區(qū)SO2大氣環(huán)境容量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度大小如表3所示．

表3 SO2大氣環(huán)境容量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度分析

從表3可知，4個(gè)因素與SO2大氣環(huán)境容量的關(guān)聯(lián)度由強(qiáng)到弱排列分別為A>Hi>V>Cb．

（1）通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法，分析系數(shù)A、混合層高度、風(fēng)速、濃度對SO2大氣環(huán)境容量的影響，知系數(shù)A是影響SO2大氣環(huán)境容量的最大因素，如圖5所示．X園區(qū)研究期月均A值與月均容量變化趨勢趨于一致，月均A值在5月份達(dá)到最大值0.45，SO2月均容量亦達(dá)到最大值3 774.98 t，1月為最小值0.15，SO2月均環(huán)境容量亦為最小值1 207.42 t；由于研究期間春秋季風(fēng)速較大、冬季風(fēng)速較小導(dǎo)致春、秋季系數(shù)A值較大，冬季最?。芯科诖骸⑾?、秋、冬風(fēng)速均值分別為2.24、2.17、1.82、1.38m/s，A值分別為0.37、0.34、0.24、0.14．

（2）由表3可知混合層高度與風(fēng)速對SO2大氣環(huán)境容量影響的灰色關(guān)聯(lián)度強(qiáng)弱相差較??；X園區(qū)研究期月均混合層高度與月平均風(fēng)速變化趨勢趨于一致，通過修正A值法公式和圖6知，混合層高度皆與風(fēng)速有直接關(guān)系．因春、夏季對流性天氣偏多，風(fēng)速大，混合層高度相對偏高，而秋、冬季大氣風(fēng)速較小，混合層高度相應(yīng)亦偏小．研究期春、夏、秋、冬風(fēng)速均值分別為2.24 m/s、2.17 m/s、1.82 m/s、1.38 m/s，混合層高度均值分別為685.53 m、664.08 m、556.3 m、421 m．

（3）由灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果以及上述（1）（2）分析知風(fēng)速不僅影響SO2大氣環(huán)境容量而且影響系數(shù)A以及混合層高度．

圖5 SO2月均容量與系數(shù)A值變化曲線

圖6 混合層高度與風(fēng)速變化曲線

3 結(jié)論

文中根據(jù)C氣象站近年氣象觀測資料，依據(jù)修正A值法重新計(jì)算了年、月、采暖期與非采暖期的大氣環(huán)境容量，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）在依據(jù)逐日風(fēng)速統(tǒng)計(jì)月平均風(fēng)速時(shí)，某日風(fēng)速的極值會削弱平均值的穩(wěn)定性，文中統(tǒng)計(jì)月平均風(fēng)速時(shí)考慮權(quán)數(shù)進(jìn)行風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)修正；

（2）面積較大的X園區(qū)不同時(shí)段（年、月、采暖期與非采暖期）的SO2大氣環(huán)境容量變化大．因此掌握不同時(shí)間段的大氣環(huán)境容量是十分必要的；

（3）X園區(qū)在研究期，SO2月環(huán)境容量1至5月呈上升趨勢，在5月份達(dá)到最大值后開始下降，1月達(dá)到最小值；SO2季環(huán)境容量在春、夏季較高，冬季最小，SO2采暖期與非采暖期之間環(huán)境容量變化巨大．若按統(tǒng)一的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，勢必使企業(yè)在夏季生產(chǎn)潛力沒有得到鼓勵(lì)，使園區(qū)在冬季污染嚴(yán)重；

（4）根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析法，最大影響SO2大氣環(huán)境容量因素是系數(shù)A，其次是混合層高度、風(fēng)速、環(huán)境背景濃度；其中系數(shù)A變化趨勢與SO2大氣環(huán)境容量變化趨勢趨于一致，混合層高度與風(fēng)速變化趨勢趨于一致；系數(shù)A、混合層高度受風(fēng)速直接影響，日后可從風(fēng)速入手尋求提高園區(qū)SO2大氣環(huán)境容量的方法．