大气环境容量的影响因素及核算方法综述

杨新吉勒图，刘宇情，韩炜宏

(内蒙古工业大学 经济管理学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

0 引 言

随着我国经济的迅速发展，雾霾、温室气体等大气问题也日趋严重，不仅制约着经济的发展，更是影响着人们的身心健康。在我国，大气环境容量不仅是环境管理和减排措施制定的重要依据，同时也在经济社会发展科学决策中扮演着越来越重要的角色。大气环境容量的核算主要用于环境质量标准的制定和大气污染的防治[1]，后来也用于工业园区的规划选址、区域的工业布局以及环境资产负债表的编制等[2-4]，为资源环境与经济发展提供科学的决策。

继日本学者第一次提出环境容量之后，加拿大学者应用拉格朗日箱模式和烟云复合模型确定了Alberta地区的平均污染物浓度[5]。印度主要采用空气污染扩散模型法和通风系数法，来确定区域大气同化能力[6-7]。Goyal等[8]基于空气质量模型，对印度某一地区的最大允许排放负荷量进行了评估。D. Deniz Genc等[9]利用空气污染指数及其与大气吸收能力的关系，对土耳其某地区的大气污染进行了预测。另外，国外为了实现对大气污染的有效预防与控制，在制定环境政策与措施时，运用了许多模型进行分析。Markus等[10]欧洲学者基于成本最小化，运用GAINS模型确定了既可以提高空气质量，又可以减少温室气体排放的措施组合。Mathias等[11]认为WRF-CHEM可以用于复杂地区的空气污染建模。Mathur等[12]等使用CMAQ和WRF模型进行了多年的半球尺度模拟，验证了在物理、化学和动力学一致性的各种空间和时间尺度上发生的大气过程之间的相互作用。这些模型对引领区域大气模型的发展具有显著作用。

大气环境容量是指对一定的区域，根据其自然净化能力，在特定的污染源布局和结构条件下，为达到环境目标值，所允许的大气污染物的最大排放量[13]。我国自2003年也逐渐开始了对大气环境容量的研究与探讨[14-15]。大气环境本身是复杂的、动态的、随机的，使得大气环境容量也存在时空性和不确定性[16]。不同的核算方法考虑的影响因素不同，会造成各种方法之间核算结果的差异。核算方法的选择不当，使得大气环境容量的核算与实际情况存在着较大的差距。在详细分析大气环境容量主要影响因素的基础上，对当前主要使用的核算方法进行了综述，为改进大气环境容量的核算方法，提高测算结果的精确性提出相关建议。

1 大气环境容量的影响因素

由于大气环境的复杂性，影响大气环境容量的因素主要有：一类是包括气象因素、地理因素、环境背景浓度等的自然因素；另一类是包括污染源的布局、污染物、环境目标值、外来污染源的输送等的社会因素[17]。

1.1 自然因素

气象条件主要通过污染物在大气中的输送扩散、干湿沉积以及各种化学清除与转化过程对大气环境容量产生影响。风速的大小决定了大气污染物稀释扩散的程度和范围，众多学者认为风速与大气环境容量的相关性显著，并且是最主要的影响因素[13，18]。湿沉积过程指通过降雨和降雪，将悬浮于空气中的污染物进行稀释和冲洗，并且一些污染物会溶解于水中，进而使其浓度降低。降水因地区的气象条件(降水量等)的差异，对地区大气环境容量的影响略有不同。张天宇等[13]认为重庆地区降水对大气自净产生较为明显的正向影响，而地处干旱地区的内蒙古，相对于降水丰富地区的湿沉积作用大大减弱，则降水对大气环境容量的正向影响相对较小[19]。地理位置同样对大气环境容量存在着至关重要的影响[20]，张焱等[21]认为工业园区位于平原或者山区，相对于沿海地区的大气扩散能力较差，导致其大气环境容量也相对较小。最后，环境背景浓度也与大气环境容量的大小有一定的关系[22]。可以看出气象条件是影响大气环境容量的重要因素之一[23]。

1.2 社会因素

大气环境容量除了受客观性的自然因素影响外，还受污染源布局、污染物的种类和排放特征、环境目标值和外来源的输送等的社会因素的影响。在以省辖市为控制区域的研究中，为了方便计算，以污染源在区域内的均匀分布为假设条件，使结果与以小范围为控制区计算的加总有一定的差异[24]。另外，在计算时学者们选择了不同的约束条件作为环境目标值，现有文献有选择以PM2.5达标、SO2达标以及环境空气质量达标等作为约束条件来计算大气环境容量的[23，25]。因此在不同的约束条件下(即环境目标值的不同)也会影响所计算的大气环境容量值。当计算区域面积较小的城市，很可能本区域内的污染物排放较少，而受外来污染源的传输影响较为显著，从而低估了该区域的大气环境容量。研究表明，上海市中心的PM2.5浓度受周围外来污染源的影响几乎达到了50%[26]；首都北京市环境中PM2.5的浓度受其周边的影响最高达到了70%[27]。对此李敏辉等[28]使用区域传输矩阵对区域容量的城市分配进行了优化，充分考虑了区域间传输作用对于大气环境容量的影响。综上，环境目标值作为人为规定的一个标准，间接影响着大气环境容量，而外来源的输送在不同程度上直接影响着一个地区的大气环境容量。

2 大气环境容量的核算方法

目前，我国大气环境容量的核算方法有A值法、线性规划法、模型模拟法、系统动力学方法等，各种方法也在逐渐通过完善对影响因素的考虑来进行改进。

2.1 A值法

A值法基于箱模型，是将总量控制区上空的空气混合层视为承纳地面排放污染物的一个箱体。该方法简单易行，应用最早也最为广泛，同时考虑到有些地区的干湿沉降作用不明显，以及化学转化作用和转化造成的二次污染问题的复杂性，A值法忽略了这些影响因素。但是在降水较多的地区，降水对于空气污染物的冲洗作用仍较为明显；同时化学转化造成的二次污染也较为严重[29]，所以在核算大、中尺度下的大气环境容量时,应该将干湿沉积和化学转化因素考虑其中。郭毅等[30]通过对A值进行修正，将干沉降、湿沉降和化学转化三个因素引入模型，将与大气污染相关的指标引入研究，修正了A值法因忽略了这些影响因素而造成的计算结果偏小的问题。另外一种修正方法即为A-P值法，通过P值引入排气筒的高度来控制排放率，考虑了排气筒高度对于大气环境容量的影响，由于没有结合当地的地理环境和气象条件，高估了提高烟囱高度对降低污染的作用[31]。此外，该方法还因假定区域内的污染物达到了均匀混合的状态，而忽略了污染源的实际空间分布情况对大气环境容量的影响。

A值法不需要污染源等复杂精确的参数，主要用于对较大区域总量控制的宏观指导工作，但是忽略了干湿沉降以及化学转化作用等自然因素，以及实际上污染源并非均匀分布这一因素，造成了其估算结果的偏差。若某一地区，大气环境容量对以上这些因素影响性和敏感性较强时，就需要通过重新考虑这些被忽略的影响因素，对其结果进行必要的修正。

2.2 线性规划法

线性规划法以不同功能的环境质量标准为约束条件，然后利用线性规划方法，得到区域内所有目标控制点源的污染物排放总量的最大数值。线性规划法以区域污染物排放量最大化作为最终目标，既考虑了污染物的浓度分布，也考虑了其在大气中的迁移和化学转化过程，还包括区域外污染源的输入对于大气环境容量的影响，解释了空气源与环境质量的单向关系，同时对于区域的环境容量进行优化配置，主要应用于区域内改善环境质量的管控方案制定[32]。线性规划法的计算区域一般不超过1 000 km2，目前更多的是结合模型模拟法一起核算大气环境容量[33-34]。其不足之处就是不能处理非线性问题，对因化学转化作用而形成的二次污染问题无能为力，详尽的气象和污染源信息的获取也在一定程度上增加了核算难度。

2.3 模型模拟法

模型模拟法能够同时利用区域内的点源、面源、线源分布数据，基于大气物理知识和化学反应机理，模拟污染物在大气中的清除、扩散、沉降、转化等变化过程，并进行计算。常用的空气质量模型在历经了三代的演变之后，当前应用较为普遍的有CAMx、CMAQ、WRF-Chem等。这些模型模拟法突出的优点就是在模拟复杂的大气物理化学过程时，既考虑了气象、地形等自然因素，又考虑了部分社会因素对于大气环境容量的影响。杨清健等[23]模拟评估蒙自市大气环境容量时，运用WRF-Chem方法考虑了污染物的排放、传输、转化、干湿沉降等自然因素。为了更充分考虑大气间化学反应的相互关系和区域间传输作用的影响，李敏辉等[28]基于CAMx-PSAT模型并结合区域传输矩阵，获得了更严谨的广东省各地级市的大气环境容量。然而，大气环境容量并非常数，为了给相关部门提供实时的科学决策和建议，阿永嘎等[20]运用WRF模型和CAMx模型并基于动态大气自净能力评估了乌海及周边地区的五种主要大气污染物的大气环境容量，计算得到更加准确合理的结果。模型模拟法兼顾多种影响因素，其计算结果受污染源排放特征和气象条件等因素的影响也较大。目前可应用于长三角、京津冀以及全省范围内环境容量的核算[25]。但是，近年来我国区域性、复合型空气污染问题尤为突出，大气的流动性使得不同区域间的环境相互影响和制约，考虑到技术、操作和计算都相对复杂，该方法在区域和全国范围内的应用还有待加强[16]。

2.4 系统动力学方法

大气环境容量与大气的自清除过程密切相关[35]。由于复杂的物理及化学过程在计算大气环境容量时较为困难，Yejing Zhou等[36]运用系统动力学的方法解决了当考虑复合空气污染时，传统的方法无法计算大气环境容量的问题，该模型考虑了理化过程等自然因素对于大气环境容量的影响，但是并没有像模型模拟法一样，去模拟大气复杂的理化过程，而是通过引入边界层参数、贡献率以及转化率等相关参数，从事物的外在来研究其内在逻辑，简化了计算过程。同时，系统动力学的方法还考虑了社会经济的影响，它更适合解决社会、经济、环境、能源等在内的多目标规划模型问题和复合型空气污染问题，并将其成果运用于环境与经济的可持续发展研究。

3 结论与建议

大气环境容量是环境科学管理以及经济社会科学决策的重要依据，科学、适合的核算方法更能有效地反应真实的大气环境容量值。但将所有因素一一考虑在内较为困难，在大气环境容量核算的实际工作中，必须结合本地环境和气象特征，充分考虑影响因素，选择适合的核算方法，并加以修正，以得到与实际情况较为相符合的结果。为此提出以下建议：

(1)模型模拟法兼顾气象、地理环境以及污染源等因素，对于当前严重的区域性复合空气污染问题更需要充分考虑各种影响因素，在技术和经济可行的前提下，加强模型模拟法在多省域和全国尺度下有关大气环境容量核算的应用；对于其他方法，应加强对理地理位置信息、自然环境信息、气象观测信息以及污染源信息的整合，以实现在大气环境容量核算过程中对其影响因素的充分考虑。

(2)在不能将所有因素考虑在内时，应该对影响因素进行强弱分析以及重要性的排序，适当忽略影响较小的因素。若在核算之前不能根据以往研究和资料对影响因素的大小进行预估时，应该在核算完成后对大气环境容量的影响因素进行敏感性分析，以验证对于影响因素的忽略是否合适以及是否选择了合适的核算方法。

(3)目前，关于各种影响因素对大气环境容量的影响程度分析中，研究更多的是自然因素中的气象和地理因素，缺乏对污染源排放等社会因素的研究，应该加强不同的污染源空间分布等研究，完善环境容量的核算，更好地应用于环境管控与经济发展工作。