大氣環(huán)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(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，霧霾、溫室氣體等大氣問題也日趨嚴(yán)重，不僅制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，更是影響著人們的身心健康。在我國，大氣環(huán)境容量不僅是環(huán)境管理和減排措施制定的重要依據(jù)，同時也在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展科學(xué)決策中扮演著越來越重要的角色。大氣環(huán)境容量的核算主要用于環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定和大氣污染的防治[1]，后來也用于工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃選址、區(qū)域的工業(yè)布局以及環(huán)境資產(chǎn)負(fù)債表的編制等[2-4]，為資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)的決策。

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

大氣環(huán)境容量是指對一定的區(qū)域，根據(jù)其自然凈化能力，在特定的污染源布局和結(jié)構(gòu)條件下，為達(dá)到環(huán)境目標(biāo)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(huán)境容量的研究與探討[14-15]。大氣環(huán)境本身是復(fù)雜的、動態(tài)的、隨機(jī)的，使得大氣環(huán)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(jié)果的差異。核算方法的選擇不當(dāng)，使得大氣環(huán)境容量的核算與實(shí)際情況存在著較大的差距。在詳細(xì)分析大氣環(huán)境容量主要影響因素的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前主要使用的核算方法進(jìn)行了綜述，為改進(jìn)大氣環(huán)境容量的核算方法，提高測算結(jié)果的精確性提出相關(guān)建議。

1 大氣環(huán)境容量的影響因素

由于大氣環(huán)境的復(fù)雜性，影響大氣環(huán)境容量的因素主要有：一類是包括氣象因素、地理因素、環(huán)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(huán)境目標(biāo)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(kuò)散、干濕沉積以及各種化學(xué)清除與轉(zhuǎn)化過程對大氣環(huán)境容量產(chǎn)生影響。風(fēng)速的大小決定了大氣污染物稀釋擴(kuò)散的程度和范圍，眾多學(xué)者認(rèn)為風(fēng)速與大氣環(huán)境容量的相關(guān)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(jìn)行稀釋和沖洗，并且一些污染物會溶解于水中，進(jìn)而使其濃度降低。降水因地區(qū)的氣象條件(降水量等)的差異，對地區(qū)大氣環(huán)境容量的影響略有不同。張?zhí)煊畹萚13]認(rèn)為重慶地區(qū)降水對大氣自凈產(chǎn)生較為明顯的正向影響，而地處干旱地區(qū)的內(nèi)蒙古，相對于降水豐富地區(qū)的濕沉積作用大大減弱，則降水對大氣環(huán)境容量的正向影響相對較小[19]。地理位置同樣對大氣環(huán)境容量存在著至關(guān)重要的影響[20]，張焱等[21]認(rèn)為工業(yè)園區(qū)位于平原或者山區(qū)，相對于沿海地區(qū)的大氣擴(kuò)散能力較差，導(dǎo)致其大氣環(huán)境容量也相對較小。最后，環(huán)境背景濃度也與大氣環(huán)境容量的大小有一定的關(guān)系[22]。可以看出氣象條件是影響大氣環(huán)境容量的重要因素之一[23]。

1.2 社會因素

大氣環(huán)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(huán)境目標(biāo)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(qū)域的研究中，為了方便計算，以污染源在區(qū)域內(nèi)的均勻分布為假設(shè)條件，使結(jié)果與以小范圍為控制區(qū)計算的加總有一定的差異[24]。另外，在計算時學(xué)者們選擇了不同的約束條件作為環(huán)境目標(biāo)值，現(xiàn)有文獻(xiàn)有選擇以PM2.5達(dá)標(biāo)、SO2達(dá)標(biāo)以及環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)等作為約束條件來計算大氣環(huán)境容量的[23，25]。因此在不同的約束條件下(即環(huán)境目標(biāo)值的不同)也會影響所計算的大氣環(huán)境容量值。當(dāng)計算區(qū)域面積較小的城市，很可能本區(qū)域內(nèi)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(qū)域的大氣環(huán)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(dá)到了50%[26]；首都北京市環(huán)境中PM2.5的濃度受其周邊的影響最高達(dá)到了70%[27]。對此李敏輝等[28]使用區(qū)域傳輸矩陣對區(qū)域容量的城市分配進(jìn)行了優(yōu)化，充分考慮了區(qū)域間傳輸作用對于大氣環(huán)境容量的影響。綜上，環(huán)境目標(biāo)值作為人為規(guī)定的一個標(biāo)準(zhǔn)，間接影響著大氣環(huán)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(qū)的大氣環(huán)境容量。

2 大氣環(huán)境容量的核算方法

目前，我國大氣環(huán)境容量的核算方法有A值法、線性規(guī)劃法、模型模擬法、系統(tǒng)動力學(xué)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(jìn)行改進(jìn)。

2.1 A值法

A值法基于箱模型，是將總量控制區(qū)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(yīng)用最早也最為廣泛，同時考慮到有些地區(qū)的干濕沉降作用不明顯，以及化學(xué)轉(zhuǎn)化作用和轉(zhuǎn)化造成的二次污染問題的復(fù)雜性，A值法忽略了這些影響因素。但是在降水較多的地區(qū)，降水對于空氣污染物的沖洗作用仍較為明顯；同時化學(xué)轉(zhuǎn)化造成的二次污染也較為嚴(yán)重[29]，所以在核算大、中尺度下的大氣環(huán)境容量時,應(yīng)該將干濕沉積和化學(xué)轉(zhuǎn)化因素考慮其中。郭毅等[30]通過對A值進(jìn)行修正，將干沉降、濕沉降和化學(xué)轉(zhuǎn)化三個因素引入模型，將與大氣污染相關(guān)的指標(biāo)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(jié)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(huán)境容量的影響，由于沒有結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)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(qū)域內(nèi)的污染物達(dá)到了均勻混合的狀態(tài)，而忽略了污染源的實(shí)際空間分布情況對大氣環(huán)境容量的影響。

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

2.2 線性規(guī)劃法

線性規(guī)劃法以不同功能的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為約束條件，然后利用線性規(guī)劃方法，得到區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)控制點(diǎn)源的污染物排放總量的最大數(shù)值。線性規(guī)劃法以區(qū)域污染物排放量最大化作為最終目標(biāo)，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(xué)轉(zhuǎn)化過程，還包括區(qū)域外污染源的輸入對于大氣環(huán)境容量的影響，解釋了空氣源與環(huán)境質(zhì)量的單向關(guān)系，同時對于區(qū)域的環(huán)境容量進(jìn)行優(yōu)化配置，主要應(yīng)用于區(qū)域內(nèi)改善環(huán)境質(zhì)量的管控方案制定[32]。線性規(guī)劃法的計算區(qū)域一般不超過1 000 km2，目前更多的是結(jié)合模型模擬法一起核算大氣環(huán)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(xué)轉(zhuǎn)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(qū)域內(nèi)的點(diǎn)源、面源、線源分布數(shù)據(jù)，基于大氣物理知識和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，模擬污染物在大氣中的清除、擴(kuò)散、沉降、轉(zhuǎn)化等變化過程，并進(jìn)行計算。常用的空氣質(zhì)量模型在歷經(jīng)了三代的演變之后，當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的有CAMx、CMAQ、WRF-Chem等。這些模型模擬法突出的優(yōu)點(diǎn)就是在模擬復(fù)雜的大氣物理化學(xué)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(huán)境容量的影響。楊清健等[23]模擬評估蒙自市大氣環(huán)境容量時，運(yùn)用WRF-Chem方法考慮了污染物的排放、傳輸、轉(zhuǎn)化、干濕沉降等自然因素。為了更充分考慮大氣間化學(xué)反應(yīng)的相互關(guān)系和區(qū)域間傳輸作用的影響，李敏輝等[28]基于CAMx-PSAT模型并結(jié)合區(qū)域傳輸矩陣，獲得了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹V東省各地級市的大氣環(huán)境容量。然而，大氣環(huán)境容量并非常數(shù)，為了給相關(guān)部門提供實(shí)時的科學(xué)決策和建議，阿永嘎等[20]運(yùn)用WRF模型和CAMx模型并基于動態(tài)大氣自凈能力評估了烏海及周邊地區(qū)的五種主要大氣污染物的大氣環(huán)境容量，計算得到更加準(zhǔn)確合理的結(jié)果。模型模擬法兼顧多種影響因素，其計算結(jié)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(yīng)用于長三角、京津冀以及全省范圍內(nèi)環(huán)境容量的核算[25]。但是，近年來我國區(qū)域性、復(fù)合型空氣污染問題尤為突出，大氣的流動性使得不同區(qū)域間的環(huán)境相互影響和制約，考慮到技術(shù)、操作和計算都相對復(fù)雜，該方法在區(qū)域和全國范圍內(nèi)的應(yīng)用還有待加強(qiáng)[16]。

2.4 系統(tǒng)動力學(xué)方法

大氣環(huán)境容量與大氣的自清除過程密切相關(guān)[35]。由于復(fù)雜的物理及化學(xué)過程在計算大氣環(huán)境容量時較為困難，Yejing Zhou等[36]運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)的方法解決了當(dāng)考慮復(fù)合空氣污染時，傳統(tǒng)的方法無法計算大氣環(huán)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(huán)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(fù)雜的理化過程，而是通過引入邊界層參數(shù)、貢獻(xiàn)率以及轉(zhuǎn)化率等相關(guān)參數(shù)，從事物的外在來研究其內(nèi)在邏輯，簡化了計算過程。同時，系統(tǒng)動力學(xué)的方法還考慮了社會經(jīng)濟(jì)的影響，它更適合解決社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、能源等在內(nèi)的多目標(biāo)規(guī)劃模型問題和復(fù)合型空氣污染問題，并將其成果運(yùn)用于環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展研究。

3 結(jié)論與建議

大氣環(huán)境容量是環(huán)境科學(xué)管理以及經(jīng)濟(jì)社會科學(xué)決策的重要依據(jù)，科學(xué)、適合的核算方法更能有效地反應(yīng)真實(shí)的大氣環(huán)境容量值。但將所有因素一一考慮在內(nèi)較為困難，在大氣環(huán)境容量核算的實(shí)際工作中，必須結(jié)合本地環(huán)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(shí)際情況較為相符合的結(jié)果。為此提出以下建議：

(1)模型模擬法兼顧氣象、地理環(huán)境以及污染源等因素，對于當(dāng)前嚴(yán)重的區(qū)域性復(fù)合空氣污染問題更需要充分考慮各種影響因素，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行的前提下，加強(qiáng)模型模擬法在多省域和全國尺度下有關(guān)大氣環(huán)境容量核算的應(yīng)用；對于其他方法，應(yīng)加強(qiáng)對理地理位置信息、自然環(huán)境信息、氣象觀測信息以及污染源信息的整合，以實(shí)現(xiàn)在大氣環(huán)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(nèi)時，應(yīng)該對影響因素進(jìn)行強(qiáng)弱分析以及重要性的排序，適當(dāng)忽略影響較小的因素。若在核算之前不能根據(jù)以往研究和資料對影響因素的大小進(jìn)行預(yù)估時，應(yīng)該在核算完成后對大氣環(huán)境容量的影響因素進(jìn)行敏感性分析，以驗(yàn)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(guān)于各種影響因素對大氣環(huán)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(yīng)該加強(qiáng)不同的污染源空間分布等研究，完善環(huán)境容量的核算，更好地應(yīng)用于環(huán)境管控與經(jīng)濟(jì)發(fā)展工作。