谢永霞 门雪燕 李永革 薛文博

摘要：针对安阳市大气污染比较严重的现状，通过分析A值法、线性优化法、模型模拟法等，总结了不同大气环境容童核算方法的优点和不足，针对安阳市自然地理条件特珠，大气污染的复杂性、不确定性，以空气中一种或几种污染物达标为约束的多污染物环境容量本质是各空间大气污染物的最大允许排放1，核心技术是多种污染物排放量在空间和污染物指标的多目标最优化问题。利用WRF-CAMx-PSAT第三代空气质量模型，对安阳市PM_2.5污染空间、行业、企业级精细化溯源;采用改进A值法，核算了NO，达标约束下NO_x环境容量和PM"达标约束下的PM₁₀环境容量;用CAMx模型迭代法+CALPUFF模型，核算了PM_2.5达标约束下多污染物环境容童。

关键词：大气环境;容量核算;技术路线

中图分类号：X823 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）04-0043-04

1 引言

安阳市处于山西、河北、河南三省交界处，位于邯郸、邢台、石家庄、保定所在的大气重污染通道上，周边城市排放的污染物均可随气流影响安阳市.安阳市区自然地理条件特殊，西部是太行山，市区南、北被两道丘陵合抱，形成了典型的“簸箕”地形，西部毗邻长治，东部与濮阳相连，北部与邯郸接壤，南部与鹤壁、新乡相倚。因此，安阳市易于受北部邯郸、南部鹤壁、焦作、郑州等周边城市的影响，特别是在弱西北风控制下，西北部工业区对安阳市城区空气质量影响巨大。安阳市主要大气污染物在全国范围均处于较高浓废水平，在地级以上城市总排名靠后。安阳市空气质量较差，处于全国下游水平，在全国排名极为靠后。因此开展安阳市大气环境容量研究，为大气污染物减排、大气质量达标规划和重污染天气应急预案等提供数据支持，对政策的制定和大气污染防控具有实际意义[1～3]。

2 环境承载力与环境容量

从广义来讲，环境承载力是指自然环境维持其相对稳定的状态、并保持其功能不受破坏的前提下，所能承受的人类社会和经济发展规模的大小，比如自然环境对人口规模、生产总量、产业规模、土地开发水平等要素的承载量;从狭义来讲，环境承载力指的是环境容量，是在一定时期内，一定空间范围的水、气、土壤等自然环境在维持其自然状态和功能不受损害、人类健康不受损害的前提下，所能容纳的由自然和人类活动所产生的污染物排放量。

大气环境容量即是某一环境在污染物累积浓度不超过环境标准规定的最大容许值的情况下，一定时期内所能容纳的污染物最大负荷量。大气环境容量的大小，除了与环境标准值和环境背景值有关外，还与环境对污染物的净化能力等自然因素及人为因素有关，如环境空间的大小、污染源排放特征、气象条件、地形地貌及污染物的理化特性等。我国自从“六五”开始组织大气环境容量研究工作，逐步提出了“大气环境容量是包含大气环境的自然规律和社会效益两类参数的多变量函数，是一个多值函数”的观点，这为我国建立大气环境容量理论体系奠定了基础。“七五”期间，我国设立科技攻关项目，开展了珠江三角洲地区大气环境容量的研究，就大气环境容量理论和地方试点进行了积极探索。“十五”期间，启动了科技攻关项目《区域大气污染物总量控制技术与示范研究》，核算了全国、典型区域与城市的大气环境容量，此外原国家环保总局2003年组织开展了113个环保重点城市的大气环境容量核算工作。“十二五”期间，国家启动了绿色GDP2.0等一系列研究项目，起草了《大气环境容量核算技术指南（初稿）》，大气环境容量的理论与核算方法逐步得以完善，形成了较为完整的理论体系[4～6]。

3 影响环境容量的主要因素

大气环境容量是随着自然和社会条件变化而改变的变量，属于有科学规律可循的客观存在，作为环境的承载力是一种有限的自然资源。因此，大气环境容量具有客观性（自然属性）、主观性（社会属性）及资源性三重特征（表1）。客观性是指大气环境容量受气象条件、地形地貌、污染物背景浓度值等自然因素的影响;主观性是指大气环境容量受空气质量标准、污染源排放特征、外来源输送等人为因素的影响;资源性是指环境容量属非实物态、有限的自然资源，超负荷使用环境容量将导致资源的稀缺性日益突出。

4 核算环境容量的主要方法

大气环境容量的核算方法是伴随环境问题的演变以及环境理论认知水平的提高而不断改进和提升，常见的核算方法包括A值法、线性优化方法、模型模拟法等（表2）。

4.1 A值法

A值法基于箱式模型原理，假设环境容量与大气环境自净能力、地区面积呈正比关系，仅考虑自然因素，未反映排放源特征、化学转化过程，适用于核定理想状态下的大气环境容量，不适用于PM_2.5、O₃等达标约束下环境容量，优点是简单、方便。

4.2 线性优化法

线性优化方法是基于线性优化理论计算大气环境容量，将污染源及其扩散过程与控制点联系起来，以目标控制点的浓度达标作约束，通过多源模型与数学规划法等确定源的最大允许排放量。线性优化方法主要适用于尺度较小的区域，能够反映“排放一受体”的响应关系，可以对大气环境容量进行优化配置，但该方法受到线性假设的制约，不能处理具有非线性特征的二次大气污染问题。

4.3 模型模拟法

模型模拟法是采用空气质量模型对污染源削减方案进行模拟，满足空气质量达标对应的污染源排放量即为区域大气环境容量。该方法可以兼顾气象、地形等自然因素和污染源等人为因素对于大气环境容量的影响，有效克服了传统方法的不足，可以反映复杂的大气物理化学过程，但最初该方法是建立在污染源排放的空间与行业分布特征等不发生显著变化的理想假設基础上，不能对大气环境容量进行优化配置。

为了改进模型模拟法的缺陷，王自发等开发了一种运用区域空气质量模式核算大气环境容量的新算法，该方法将大气环境作为一个开放的、动态的空间，充分考虑气象条件的复杂性，从大气污染物的生成、转化、消亡过程量化大气对污染物的容纳能力，计算出目标区域具有时空动态特征的大气环境容量。王金南、薛文博等建立了大气环境容量三维迭代优化计算模型，基于动态的空间传输矩阵、行业贡献矩阵、前体物贡献矩阵，建立多目标非线性优化模型，计算出各地区、分行业的SO₂、NO_x、颗粒物、NH₃， VOCs等大气污染物环境容量。大气环境容量三维迭代优化方法统筹考虑了PM_2.5的区域传输、行业耦合以及前体物非线性协同等作用，所核算出的环境容量本质是“空气质量达标约束下的各地区、各行业、各污染物的最大允许排放量或最佳削减方案”。目前该方法已在京津冀区域及部分城市大气环境容量核算工作中得到广泛应用，并成为《大气环境容量核算技术指南（初稿）》的推荐方法之一，但该方法存在技术复杂、计算量大等缺点，环境容量核算技术有待进一步改进（表2）。

5 安阳市大气环境容量核算技术路线

5.1 技术路线

以空气中一种或几种污染物达标为约束的多污染物环境容量本质是各空间大气污染物的最大允许排放量，核心技术是多种污染物排放量在空间和污染物指标的多目标最优化问题。气象和排放是影响空气质量的重要因素。因此，在核算大气环境容量时，既要考虑污染源排放的空间分布、污染物类别对大气中污染物浓度的影响，也要考虑气象条件的影响。一般来说，气象场受到地形地貌、风速、风向等因素影响，在空间上具有区域性特征，在时间上呈现年度和季节性差异[7]。受其影响，大气环境容量在不同年份、不同季节存在较大差异。因此，综合考虑气象、空间、前体物等多种因素，核算安阳市大气环境容量，关键步骤和方法如下。

（1）近18年气象特征模拟分析，筛选典型气象年。气象条件是影响大气环境容量的核心因素，为此通过安阳市及周边地区的近18年气象条件等自然禀赋模拟，分析气象条件变化对空气质量的定量影响，筛选出“典型气象年”。在“典型气象年”的气象场下，核算安阳市大气环境容量，核算结果更具代表性。

（2）安阳市PM_2.5污染空间、行业、企业级精细化溯源。利用WRF-CAMx-PSAT第三代空气质量模型，定量分析外来输送对安阳市PM_2.5的影响，9个行业部门对安阳市PM'.s的影响，19家典型企业对安阳市PM_2.5的定量影响。

（3）采用改进A值法，核算NO₂达标约束下NOx环境容量和PM₁₀达标约束下的PM₁₀环境容量。目前，安阳市大气NO₂和PM₁₀浓度还未达标，NO₂和PM₁₀污染主要是局地性污染，且物理过程对其浓度的影响远强于化学过程，因此适合采用A值法进行核算。

（4）采用CAMx模型迭代法+CALPUFF模型，核算PM_2.5达标约束下多污染物环境容量。主要通过两步法来实现：

第一步：区域统筹，在京津冀及周边“²⁺26”城市的区域视角下，分析安阳市大气环境容量。即：采用WRF-CMAx空气质量模型迭代法，以空气质量达标为约束，以空间输送矩阵优化减排方案，核算“典型气象年”下京津冀及周边²⁺26城市及安阳全市的SO₂、NO_x、PM、NH₃、VOCs等主要大气污染物的环境容量。

第二步：微观优化，将全市环境容量优化分配到各区县。即：基于CALPUFF模型，在受体敏感性模拟与评价、布局敏感性模拟与评价的基础上，对环境容量进行空间分配与优化，将全市环境容量优化分配到各区县。

（5）取第（3）、（4）步不同达标约束条件下核算环境容量的最小值，作为安阳市最终环境容量。

（6）对于SO₂、CO、O₃指标的考虑。安阳市大气中CO₂、CO两种污染物浓度均已达标，因此本研究单独核算SO₂达标约束下SO₂环境容量和CO达标约束下的CO环境容量的意义不大。由于O₃污染的生成机理复杂，而且受远距离传输影响非常大，相关研究表明京津冀及周边地区O₃污染受本地源贡献占比约在30%～40%左右。因此，仅针对安阳市研究O₃达标约束下多污染物环境容量的意义不大，且缺乏科学理论支撑。

5.2 主要研究内容

基于上述技术路线图，设计的主要研究内容如下。

（1）安阳市空气质量现状分析。剖析安阳市空气污染特征，分析安阳市空气质量超标时段及高浓度区域，分点位、分时段、分指标评估空气质量达标情况。

（2）安阳市污染物排放特征分析。基于安阳市排放清单等数据，分析各种大气污染物排放量的行业分布与时空分布特征，建立适用于空气质量模型的高时空分辨率排放清单。

（3）安阳市近18年气象条件等自然禀赋模拟。利用WRF-CMAQ空气质量模型模拟近18年气象条件变化对空气质量的定量影响，筛选“典型气象年”。

（4）安阳市PM_2.5精细溯源模拟。利用WRF-CAMx空气质量模型模拟分析气象场特征、大气污染空间输送特征以及典型行业、典型企业对安阳市空气质量的影响。

（5）安阳市大气环境容量与承载力计算。采用WRF-CMAx空气质量模型迭代法，以空气质量达标为约束，以空间输送矩阵优化减排方案，核算“典型气象年”下的SO₂、NO_x、PM、NH₃、VOCs等主要大气污染物的环境容量。基于CALPUFF模型，在受体敏感性模拟与评价、布局敏感性模拟与评价的基础上，对环境容量进行空间分配与优化。

（6）安阳市大气环境容量超载特征与调控转型研究。分析安阳市大气环境容量空间分布特征以及超载情况，研究制定产业结构调整与转型升级发展方案。

参考文献：

[1]许艳玲，薛文博，王金南，等.大气环境容量理论与核算方法演变历程与展望[J].环境科学研究，2018（11）.

[2]饒清华，林秀珠，陈芳，等.区域大气环境容量紧缺度分析[J].环境科学学报，2018（10）.

[3]郝吉明，许嘉钰，吴剑，等.我国京津冀和西北五省（自治区）大气环境容量研究[J].中国工程科学，2017（4）.

[4]徐大海，王郁，朱蓉.大气环境容量系数A值频率曲线拟合及其应用[J].中国环境科学，2016（10）.

[5]徐盛荣.哈尔滨市大气环境容量测算方法[J].北方环境，2005（1）.

[6]徐大海，王郁，朱蓉.使用A值法确定大气容量的方法研究：大气环境容量系数累积频率曲线拟合及应用[C]//中国环境科学学会.2016中国环境科学学会学术年会论文集（第三卷）.北京：中国环境科学学会，2016.

[7]李立忠，朱璐，金焰，等.黄石市大气颗粒物的特征分析[J].中南民族大学学报（自然科学版），2017（4）：14～16.

收稿日期：2020-01-02

作者简介：谢永霞（1968-），女，教授级高级工程师，研究方向为环境监测、环境管理、环境影响评价等。