针对大尺度区域的大气环境容量综合估算方法

钱跃东,王勤耕(南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210046)

针对大尺度区域的大气环境容量综合估算方法

钱跃东,王勤耕*(南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210046)

针对大尺度区域的特点,提出了将箱模型法、模拟法与线性规划法相结合的大气环境容量估算方法.其基本思路是将大尺度区域划分为一系列小区域,将真实污染源简化为源单元,基于线性规划法寻求区域最大容量及其优化配置方案.采用箱模型以保证源单元尺度的环境质量要求,采用模拟法以考虑二次污染对前体物环境容量的制约,将箱模型容量与模拟法容量作为规划法的约束条件.新方法使3种传统方法相互取长补短,其显著特征表现为:兼顾了污染源的局地性和区域性的影响;兼顾了污染物的一次影响和二次影响;大气环境容量的规划布局具有区域优化特征.应用新方法对我国东南沿海某区域进行了大气环境容量的评估试验,结果表明该方法合理可行.

大尺度区域；大气环境容量；线性规划法；箱模型；模拟法；环境规划

近年来,针对大尺度区域的发展战略规划及环境评价日益得到重视.大气环境容量(AEC)评估是开展上述工作的重要基础.特别是对于区域产业布局、污染物排放总量控制及有关环保政策的制定等工作来说,大气环境容量往往是不可缺少的决策依据.相对于中小尺度的城市或工业开发区,大尺度区域具有以下特征:空间尺度大,一般在几百 km以上,下垫面和气象条件复杂;排放源多样,分布不均,且数量众多;大气污染具有区域性和复合性,特别是城市群区域,二次污染过程不可忽略[1-2].上述特征对大气环境容量评估提出了特别的要求和挑战.

目前常用的大气环境容量估算方法主要有箱模型法(或 A-P值法)、模拟法、线性规划法等[3-5].它们各有优缺点,均不能很好地满足大尺度区域的应用需求.如箱模型法在城市、工业集聚区等地区得到了较多应用[6-9],主要适用于尺度较小的区域.模拟法在大气环境容量评估工作中得到了广泛的应用[10-11],相比箱模型法,其输入要求高、计算量大.另外,在容量的区域配置方面,模拟法一般采用等比例或平方比例削减技术,不具有区域优化特性[4,10].线性规划法可以像模拟法一样较细致地反映“排放源-受体”的响应关系,同时可以在区域上对环境容量进行优化配置,因此得到了十分广泛的应用[5,9,12,13].但该方法由于受到线性响应关系的制约,一般不能处理非线性过程显著的二次污染问题.

针对大尺度区域,本研究提出了一种将线性规划法与箱模型法、模拟法有机地结合起来的计算方法,使其相互取长补短,以解决上述单一方法应用于大尺度区域时所遇到的困难.

1 研究方法

1.1 基本思路与技术路线

某种污染物的大气环境容量是指所研究的区域内,在保证生态环境质量满足一定目标的前提下,所能容纳的污染物最大排放量.本研究的基本思路是将大尺度区域划分为一系列小区域,将真实污染源简化为源单元;基于线性规划法寻求区域最大容量及优化配置方案;采用箱模型以保证源单元尺度的环境质量要求,采用模拟法以考虑二次污染对前体物环境容量的制约;将箱模型容量与模拟法容量作为规划法的约束条件.上述思路的总体技术路线如图1所示.

图1 针对大尺度区域的大气环境容量估算技术路线Fig.1 Technical route of the AEC estimation method for large-scale region

1.1.1 源单元的划分 线性规划法的一个重要基础就是建立“源-受体”之间排污量与环境质量的响应关系.对于大尺度区域来说,由于污染源众多,不确定性大,源-受体的响应关系难以建立在真实的排放源基础上.为此,本研究将大尺度区域划分为一系列小区域.为便于资料收集与分析,上述小区域通常为某级别的行政区或工业区.对于任一小区域,将类型相同、排放高度相近的排放源合并为一个源单元.此外,将区域内一些排放高度高、排放量大、影响范围广的工业点源,如大型火电厂等,作为独立的源单元.

1.1.2 与箱模型法的结合 在大尺度区域下,将一个源单元近似等同于一个点源是合理可行的,但不能保证源单元内部的环境质量.为保证局地空气质量满足一定的要求,本研究在源单元尺度上采用空气质量箱模型,估算该源单元在满足箱内污染物浓度限值时的允许排放量,以下称之为箱模型容量.将每个源单元的箱模型容量作为规划模型的一种约束条件.

1.1.3 与模拟法的结合 对于大尺度区域来说,二次污染不可忽略,此时,“源-受体”响应关系往往是非线性的.为了在线性规划模型中考虑二次污染对区域环境容量的制约,本研究将常规的模拟法与线性规划法相结合.模拟法的实质是基于空气质量模式的多方案模拟,在二次污染因子满足一定环境目标的前提下,得到各排放源相应前体污染物的允许排放量,在此基础上得到全区域的某前体物的允许排放量,以下称之为模拟法容量.将模拟法得到的各源的某(前体)污染物的允许排放量作为线性规划法的一种约束条件.

1.2 模型与计算方法

依据 2.1所述思路与技术路线,本研究的容量估算模型总体上是基于线性规划模型,其目标函数为区域所能容纳的污染物的最大排放量,约束条件包括环境质量约束、基于经济技术等条件的排污量约束、基于箱模型容量的排污量约束、基于模拟法容量的排污量约束等.该模型的基本形式如下:

式(1)为目标函数.Qi表示源单元的污染物排放量,N为源单元总数.PENALTY表示罚函数,其定义见式(2).x表示罚函数的系数,其值反映罚函数在目标函数中的比重.引入罚函数的意义将在下文中进一步介绍.

式(2)为罚函数.Ckj为控制点j的浓度松弛变量(即控制点j的浓度允许超标量).之所以要引入松弛变量,主要是因为对环境质量约束来说,常规的“硬约束”具有明显的不经济性,即可能由于局部控制点的制约导致整个地区环境容量显著下降,同时也使削减费用大幅上升.王勤耕等[14]提出了基于约束条件影响价格调整目标值的方法,但该方法的计算结果具有一定的不确定性.本研究通过引入松弛变量,定义了一个反映区域少数点超标水平的罚函数,并将其加入目标函数中进行最小化.wj表示控制点 j的权重,在不区分控制点重要性的情形下,一般统一取值为1.

式(3)为区域一次污染的环境质量约束,其中fij为源i对环境控制点j的响应关系(即浓度传输系数),Caj为控制点 j的背景浓度,Csj为控制点 j的环境质量目标.K为控制点的个数.环境控制点包括人口集中区、生态敏感区和可能的地面浓度高值区.本研究中采用法规级空气质量模式CALPUFF[15]计算源-受体的响应关系.环境质量控制目标主要基于污染物的年均浓度标准,对于缺乏法规标准的污染因子,可参照国内外相关研究成果.

式(4)为依据源单元i具体的经济、技术和管理等条件提出的排放量上下界约束,Qimin和Qimax分别表示源单元i在给定条件下可能的最小和最大排放量.该约束条件可以有效保证容量规划方案的现实可行性.

式(5)为基于箱模型法的排污量约束,以此保证源单元尺度的环境质量满足一定的控制目标.考虑到重点源的地理位置可能与一般的源单元(区域)相重合,而箱模型容量的约束应考虑箱体所在区域内的所有污染源.为此,用h表示箱体编号(h=1,2,…,H; H≤N,H为箱体总数),用i∈h表示源单元i位于箱体h内.Ah表示箱体h的箱模型环境容量.在忽略干湿沉积和化学衰变的情形下,箱体h的某污染物的大气环境容量为[16]:

式中:Ah的单位为 104t/a;Csh为环境质量目标,mg/m3;Cah为背景浓度,mg/m3;VE为混合层通风系数,m2/s;S为区域面积,km2.

式(7)为基于模拟法容量的排污量约束,以此保证区域二次污染满足一定的控制目标.Mi表示各源的模拟法容量.目前较严重的二次污染因子主要包括酸沉降、二次气溶胶粒子、臭氧(O3)等,其前体物包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、氨(NH3)、挥发性有机化合物(VOC)等[17].本研究重点关注 O3污染对 NOx和VOC排放的制约、细颗粒物(PM2.5)和酸雨污染对 SO2排放的制约.为此,采用 US EPA 研制的Models-3/CMAQ[18,19]对区域二次污染物浓度分布进行模拟.根据各源对环境控制点浓度的贡献率,按等比例对各源单元的排放量进行多方案调整,直到满足环境目标.这时各源单元的允许排放量为模拟法容量Mi.

式(8)为各控制点的松弛变量的上下界约束,Ckjmin和Ckjmax分别表示控制点j的环境质量允许的最小和最大超标量,实用中最小值一般取0.

2 应用案例

2.1 案例概况

为了检验新方法的合理性和可行性,本研究针对我国东南沿海某区域,进行了大气环境容量的评估试验.该区域总面积约14.6万km2,包括13个地级市.该区域空气质量总体优良,首要污染物为可吸入颗粒物,SO2和NO2浓度相对较低.酸雨污染相对严重,个别地区出现细颗粒物及O3超标现象.本研究重点针对SO2、NO2、PM10和VOC4种污染物进行环境容量评估,除考虑一次污染物的影响外,还考虑酸沉降、臭氧与PM2.5等二次污染对于上述有关前体污染物排放的制约.

以2007年为基准年调研区域污染源、环境空气质量以及气象等资料.根据 2.1节的技术路线对源单元进行划分,区域共有重点源 20个,一般源单元24个.选取环境质量控制点58个.为从严控制,取各污染因子相应标准限值的 75%作为环境质量控制目标.

2.2 结果与讨论

根据技术路线,首先可得到各源单元的模拟法容量及其所属区域的箱模型容量.这两种容量作为线性规划法的约束条件进入规划计算,便可以得到最终的区域环境容量估算结果,同时得到各源单元的允许排放量.为简化起见,本文仅以SO2和 NO2两个污染因子为例,对计算结果进行讨论,PM10、VOC有类似结果,不再赘述.

考虑到实际工作中主要基于行政区开展产业规划和污染物总量控制,对各源单元的规划容量按13个市级行政区进行分类汇总,表1和表2分别为SO2和NO2汇总后的结果.

表1 SO2环境容量及环境承载率Table 1 Environmental capacities and environmental bearing- ratios of SO2

表2 NO2环境容量及环境承载率Table 2 Environmental capacities and environmental bearing-ratios of NO2

表中“规划容量”即为最终的容量估算结果,“箱模型容量”和“模拟法容量”作为规划容量计算的两种约束条件,也就是说,规划法容量将不会大于这两种容量.“制约因素”反映了容量估算结果主要受到何种因素的制约:若规划容量等于箱模型容量,则说明主要受局地污染的影响;若规划容量等于模拟法容量,则主要受某种二次污染的影响(其中包括 O3对于 NOx排放的限制,酸沉降和细颗粒物污染对于SO2的限制);若规划容量显著小于上述两种容量,则说明主要受一次污染跨区域输送的影响.表1和表2还给出了基准年(2007)各地区环境容量的利用程度(本研究称之为环境承载率,定义为污染物的排放量与环境容量的比值).

从计算结果可以看出,由于大尺度区域中空气污染具有明显的区域性和复合性,大气环境容量受到多种因素的制约,具体来说,既有源单元尺度的局地影响,也有大尺度的跨区域影响;既有一次污染的直接影响,也有二次污染的间接影响.比如,对SO2来说,地区2的SO2容量主要受到区域细颗粒物污染的制约,地区 3的容量主要受源单元尺度的SO2直接污染的制约,地区4的容量则主要受SO2跨区域输送的制约,地区10的SO2容量则主要受到区域酸沉降的制约. 对于 NO2来说,地区 3的容量主要受源单元尺度直接污染的制约,地区7的容量主要受跨区域输送的制约,其它多数地区 NO2的排放则主要受区域性臭氧污染的制约.由此可见,本研究提出的方法可以较全面地考虑大尺度区域下多种污染因素对于环境容量的制约.另外,从环境承载率的评估结果可以看出,不同地区环境容量的利用程度有较大差别,有一些地区的排放量已经接近甚至超过环境容量,应引起有关方面的关注,结合制约环境容量的主要因素,加强环境污染的综合整治.

本研究提出的方法在实际应用中应关注以下问题:首先,箱模型法环境容量的计算结果往往具有较大的不确定性,除了混合层高度及通风系数的影响以外,污染源分布及排放高度也有很大影响,比如,位于区域边缘的高架点源,一般仅对箱内污染产生部分影响.对此,必要时可以采用王勤耕等提出的改进的箱模型法[20].其次,由于受到计算工作量的限制,模拟法容量估算只能是有限方案的比选,这在一定程度上会增加结果的不确定性,为此,实际应用中应开展尽可能多的情景模拟.不过,该问题的根本解决可能需要依赖于非线性规划或准线性规划[21]的应用研究.另外,环境控制目标是环境容量估算的重要基础,限于当前的认识水平和研究能力,缺乏对污染因子累积性影响的足够关注,有待于今后进一步的加强.

3 结语

本文针对大尺度区域的大气环境容量评估问题,提出了将传统的线性规划法、箱模型法和模拟法有机结合的评估方法.该方法充分考虑了大尺度区域下空气污染的区域性和复合性特征,同时兼顾了多种因素对于大气环境容量的制约,有效克服了传统单一方法所遇到的困难.案例研究结果表明,该方法合理可行,具有较好的推广应用前景.

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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

国家“863”项目(2006AA06A307);环境保护部课题“海西经济区重点产业发展战略环境评价”

* 责任作者, 教授, Wangqg@nju.edu.cn

钱跃东(1985-),男,浙江上虞人,南京大学环境学院硕士研究生,主要从事大气环境容量与承载力的研究.