一种运用区域空气质量模式的大气环境容量新算法

技术领域

本发明涉及环境影响评价技术领域，尤其是涉及一种运用区域空气质量模式的大气环境容量新算法。 

背景技术

大气环境容量计算的基本方法主要有A-P值法、模拟法以及线性规划法(多源模式加数学规划法)。A-P值法以空气质量标准为控制目标，在大气污染物扩散稀释规律的基础上，使用控制区排放总量允许限值和点源排放允许限值控制计算大气环境容量。模拟法是一种基于大气扩散模式对区域的污染物扩散进行计算的方法。线性规划法的特点是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，通过线性、非线性规划或整数规划等优化方法确定源的最大允许排放量或削减量。 

（1）A-P值法 

目前国内环境影响评价工作中，对于大气环境容量的计算通常都是用A-P值法，主要是因为这种方法简单易行，较为普遍的使用也使得其在国内的环境影响评价工作中具有较强的可比性。该方法与区域的污染源布局没有直接关系，主要考虑评价区域的面积大小、区域内的环境功能区划和各地区A值的差异。 

A-P值法依赖简单的箱体模型作为污染源与城市污染浓度的响应关系，总量计算的浓度目标取箱体的混合平均浓度，与地面浓度达到环境质量目标的要求有偏差，其参数的确定也依靠经验数据。由于控制区内的高架点源往往对控制区仅产生部分影响，如果把A值法计算出的区域大气环境容量作为区域污染源最大的允许排污总量，则过于严格。P值分配法主要是根据调查得到的各排放源的烟囱高度和给定的该地区的P值计算每个源的允许排放量，它忽略了污染源的地理分布，因为某个区域内的允许排放量随着污染源的地理分布密集程度不同而不同。 

通过国内已有案例比较发现，其产生的误差还是相当大的。此方法首先假定污染物大气环境容量与所评价的面积呈正比，一般只根据较大尺度区域的环境气象特征来确定其常数值。不考虑区域内部和周围己有污染源分布和地形的特殊性。另外，假定区域内的污染物是均匀分布的，此假定条件很有可能造成污染源分布较为密集的地方，污染物浓度超标。 

使用A-P值法常存在这么一个问题：在总量控制区用A值法实行总量控制后，总量控制区在符合污染物年允许排放总量限值时，污染物的日平均浓度和小时平均浓度不一定能达到国家或地区大气环境质量标准。另外，根据前人的研究可以看出，A值法计算大气污染物的环境 容量存在着时间和空间上的变化，因此在一段时间尺度和一定空间尺度而言，A值法的“均一化”处理会造成一定的误差。其根本原因在于A值的不同。通常对于同一个规划区域而言，A值越高的时候对应的大气环境容量也会相应的越高。所以，故对于A值法的修正，亦即对A值的修正，使其能体现出在时间上和空间上的变化，从而计算一定时间尺度和空间尺度上的大气环境容量。 

（2）模拟法 

模拟法是利用空气质量模型模拟开发活动所排放的污染物引起的环境质量变化是否会导致空气质量超标。如果超标可按等比例或按对环境质量的贡献率对相关污染源的排放量进行削减，以最终满足环境质量标准的要求。满足这个充分必要条件所对应的所有污染源排放量之和便可视为区域的大气环境容量。 

模拟法主要实施方案是结合当地的气象数据和大气环境质量现状，运用空气质量模型，对其关心点的进行分析，通过其关心点的环境质量标准的要求，对其进行“反演”计算，从而得出大气环境容量。这种方法的假设条件较多，首先是假设排放量与污染物浓度响应之间在空间上呈正比例关系，其次是假设大气扩散模式中的各个参数值，最后更为重要的假设是是污染源位置、特征和关心点的位置。因此，模拟法被认为是一种较为极端的方法。是对评价区域内的污染源布局并不是很清楚的情况下的一种理想的方法。 

（3）线性规划法（多元模式加数学规划法） 

线性规划法根据线性规划理论计算大气环境容量。该方法以不同功能区的环境质量标准为约束条件，以区域污染物排放量极大化为目标函数，这种满足功能区达标对应的区域污染物极大排放量可视为区域的大气环境容量。 

此方法的优点在于考虑到了区域外污染源的影响，把大气环境容量直接“优化分配”到各大气污染源上，这种“源解析”的方法使得大气环境容量直接与大气污染物总量控制结合起来。相对于A-P值法而言，精度更高，更有针对性。方法比较适合于位置相对来说较为确定的多个污染源的叠加问题的评价，如果是评价区域内的污染源位置不确定，则会是比较大的问题。 

线性规划法的模型所依赖的因素繁多，不易操作。特别是在暂时没有污染源或污染源信息不详尽时，很难得出区域内的容许排放总量。另外，由于受到污染源排放高度、气象条件、地形条件、污染源排放状况等诸多因素的影响，在保证地面浓度达标的前提下，区域内某种污染物的最大允许排放量不是一个常量，允许排放量将是污染源排放高度的函数随着排放高度的增加而增加。 

可见，现有技术中的大气环境容量计算方法诸多缺点及应用中的不合理性，已经不能继续适用于各种规模的环境影响评价工作，影响到环境影响评价工作的最终判定。因此需要开发一种理论框架更加合理、数据支持更加可靠、适用性更加广泛的大气环境容量计算的新方法。 

发明内容

本发明的目的在于设计一种运用区域空气质量模式的大气环境容量新算法，解决上述问题。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 

一种运用区域空气质量模式的大气环境容量新算法，计算步骤如下： 

步骤一，利用中尺度气象模式模拟计算评价区全年的气象要素逐小时均值，获得u_out和u_in； 

步骤二，利用区域空气质量模式模拟计算评价区在评价年的污染物浓度逐小时均值，获得c；同时启动所述区域空气质量模式的过程分析模块，输出污染物小时输送量F_out和F_in、干沉降量D_dry和湿沉降量D_wet、化学转化量T； 

步骤三，利用评价年的评价区及周边区域气象观测资料验证所述中尺度气象模式模拟结果，利用监测资料验证所述区域空气质量模式模拟结果，使所述中尺度气象模式和所述区域空气质量模式合理、可靠的反映评价年评价区大气环境实际状况；若模拟结果不能够合理反映实际状况，应查找所述中尺度气象模式和所述区域空气质量模式的模拟误差来源，并反复进行模拟参数调整，直至模拟结果合理再现大气环境实际状况； 

步骤四，使用地理信息系统软件将所述中尺度气象模式和所述区域空气质量模式的模拟计算网格按照评价区行政边界线进行分区标记； 

步骤五，设定大气环境容量计算所需距地高度，根据地理信息系统软件划分的评价区行政边界线，计算获得由距地高度与评价区行政边界线组成的不规则柱体体积V、由距地高度与评价区行政边界线组成的垂直剖面面积A_section； 

步骤六，根据环境评价目标的需要，选择大气污染物相应等级的国家环境空气质量标准浓度c_standard，与不规则柱体体积V相乘，得到评价区各大气污染物的静态容量； 

步骤七，根据大气环境容量Q的表达式，计算得到评价区某种大气污染物的环境总容量； 

其中，步骤一至步骤七按照顺序依次进行，c_standard是某种大气污染物的国家环境空气质 量标准等级浓度，V是高为距地高度、底面为评价区行政区域的柱体体积，F_net是评价区某污染物净输出量，D是评价区某污染物沉降总量，T是评价区某污染物化学转化量，F_out是评价区某污染物总输出量，F_in是评价区某污染物总输入量，u_out是自评价区指向其他区域方向的小时风速，u_in是自其他区域指向评价区方向的小时风速，c是评价区边界的某污染物小时浓度，A_section是评价区行政边界线为底边、距地高度为高的垂直剖面面积，D_dry是评价区某污染物干沉降量，D_wet是评价区某污染物湿沉降量。 

优选的，所述大气环境容量Q的表达式表示为： 

Q＝Q_static+Q_dynamic(a) 

Q_static＝c_standard×V  (b) 

Q_dynamic＝F_net+D+T(c) 

F_net＝F_out-F_in(d) 

F_net＝F_out-F_in＝u_out×c×A_section-u_in×c×A_section(e) 

D＝D_dry+D_wet(f) 

其中，Q_static为评价区某大气污染物的静态容量，Q_dynamic为评价区某大气污染物的动态容量。 

优选的，步骤三中，所述监测资料包括大气污染物浓度地面监测资料和大气成分卫星遥感监测资料；所述中尺度气象模式模拟结果的数据包括风速、风向、气压、温度、相对湿度、降水、辐射、感热通量、潜热通量和边界层高度；所述区域空气质量模式模拟结果的数据包括二氧化硫、硫酸盐、一氧化氮、二氧化氮、硝酸、亚硝酸、硝酸盐、一氧化碳、可吸入颗粒物、臭氧、铵盐、黑碳、有机碳、氢氧自由基、有机气溶胶的浓度和光学厚度。 

优选的，所述大气环境容量计算所需距地高度为800米至1200米。 

优选的，所述容量计算所需距地高度为1000米。 

本专利基于区域空气质量模式，开发了一种运用区域空气质量模式的大气环境容量新算 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，最终计算出目标区域具有时空动态特征的大气环境容量。 

大气环境容量与环境的社会功能、环境背景、污染源位置（布局）、污染物的物理化学性质、区域的气象条件以及环境自净能力等因素密切相关，因此，其测算方法应将上述各要素充分考虑，体现出环境要素对污染物的容许承受能力。 

针对大气环境空间的开放性及气象条件的复杂性，大气环境容量指某一环境区域内接纳某种污染物的最大容纳量，应由静态容量和动态容量两部分组成。静态容量指在一定环境质量目标下，一个区域内各环节要素所能容纳某种污染物的静态最大量（最大负荷量）；动态容量指该区域内各要素在一个确定时段内对该种污染物的动态自净能力。大气环境容量中的动态容量既要考虑污染物在大气中所造成的污染程度，又要考虑污染物平流扩散、化学转化、干湿沉降净化等因素。因此，大气环境容量Q的表达式可表示为： 

Q＝Q_static+Q_dynamic(a) 

Q_static＝c_standard×V  (b) 

Q_dynamic＝F_net+D+T(c) 

F_net＝F_out-F_in(d) 

F_net＝F_out-F_in＝u_out×c×A_section-u_in×c×A_section(e) 

D＝D_dry+D_wet(f) 

其中，Q_static是评价区某大气污染物的静态容量，Q_dynamic是评价区某大气污染物的动态容量，c_standard是某种大气污染物的国家环境空气质量标准等级浓度，V是高为距地高度、底面为评价区行政区域的柱体体积，F_net是评价区某污染物净输出量，D是评价区某污染物沉降总量，T是评价区某污染物化学转化量，F_out是评价区某污染物总输出量，F_in是评价区某污染物总输入量，u_out为自评价区指向其他区域方向的小时风速，u_in是自其他区域指向评价区方向的小时风速，c是评价区边界的某污染物小时浓度，A_section是评价区行政边界线为底边、距地高度为高的垂直剖面面积，D_dry是评价区某污染物干沉降量，D_wet为评价区某污染物湿沉降量。 

其中，一般情况下大气污染物主要聚集在距地1000米以内，因此取1000米为大气环境 容量计算所需距地高度。 

根据上述理论框架，大气环境容量计算需基于区域空气质量模式的过程分析法及分区标记技术。过程分析法是针对污染物的排放、平流输送、扩散、化学转化、干沉降和湿沉降等物理与化学过程的作用大小进行实时在线分析的一种技术，即在模式模拟过程中实时输出输送、平流、扩散、化学、沉降、排放等过程的量值用于分析污染的发生、发展、消亡的物理和化学机制及影响因素等。分区标记技术即利用地理信息系统软件将模式网格按照评价区行政边界线进行分区标记。 

本发明中应用的地理信息系统软件的英文缩写为ArcGIS。 

本发明的有益效果可以总结如下： 

1，本发明为一种运用区域空气质量模式的大气环境容量新算法，本发明将大气作为整体，将污染物的发生、发展、消亡的过程逐一进行量化，不仅可得到大气容纳污染物的最大能力，体现大气污染物的区域输送特征，更能得到影响评价区域污染物的关键因素。 

2，本发明方法的发展，可为大气环境影响评价提供理论更加合理、数据更加可靠、结果更加可信的评价判定依据。同时，为区域大气污染物总量控制、排放量削减、区域大气环境保护目标制定等提供科学支持。 

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

一种运用区域空气质量模式的大气环境容量新算法，计算步骤如下： 

步骤一，利用中尺度气象模式模拟计算评价区全年的气象要素逐小时均值，获得u_out和u_in； 

步骤二，利用区域空气质量模式模拟计算评价区在评价年的污染物浓度逐小时均值，获得c；同时启动所述区域空气质量模式的过程分析模块，输出污染物小时输送量F_out和F_in、干沉降量D_dry和湿沉降量D_wet、化学转化量T； 

步骤三，利用评价年的评价区及周边区域气象观测资料验证所述中尺度气象模式模拟结果，利用监测资料验证所述区域空气质量模式模拟结果，使所述中尺度气象模式和所述区域空气质量模式合理、可靠的反映评价年评价区大气环境实际状况；若模拟结果不能够合理反映实际状况，应查找所述中尺度气象模式和所述区域空气质量模式的模拟误差来源，并反复进行模拟参数调整，直至模拟结果合理再现大气环境实际状况； 

步骤四，使用地理信息系统软件将所述中尺度气象模式和所述区域空气质量模式的模拟计算网格按照评价区行政边界线进行分区标记； 

步骤五，设定大气环境容量计算所需距地高度，根据地理信息系统软件划分的评价区行政边界线，计算获得由距地高度与评价区行政边界线组成的不规则柱体体积V、由距地高度与评价区行政边界线组成的垂直剖面面积A_section； 

步骤六，根据环境评价目标的需要，选择大气污染物相应等级的国家环境空气质量标准浓度c_standard，与不规则柱体体积V相乘，得到评价区各大气污染物的静态容量； 

步骤七，根据大气环境容量Q的表达式，计算得到评价区某种大气污染物的环境总容量； 

其中，步骤一至步骤七按照顺序依次进行，c_standard是某种大气污染物的国家环境空气质量标准等级浓度，V是高为距地高度、底面为评价区行政区域的柱体体积，F_net是评价区某污染物净输出量，D是评价区某污染物沉降总量，T是评价区某污染物化学转化量，F_out是评价区某污染物总输出量，F_in是评价区某污染物总输入量，u_out是自评价区指向其他区域方向的小时风速，u_in是自其他区域指向评价区方向的小时风速，c是评价区边界的某污染物小时浓度，A_section是评价区行政边界线为底边、距地高度为高的垂直剖面面积，D_dry是评价区某污染物干沉降量，D_wet是评价区某污染物湿沉降量；其中，所述大气环境容量Q的表达式表示为： 

Q＝Q_static+Q_dynamic(a) 

Q_static＝c_standard×V  (b) 

Q_dynamic＝F_net+D+T(c) 

F_net＝F_out-F_in(d) 

F_net＝F_out-F_in＝u_out×c×A_section-u_in×c×A_section(e) 

D＝D_dry+D_wet(f) 

其中，Q_static为评价区某大气污染物的静态容量，Q_dynamic为评价区某大气污染物的动态容量；步骤三中，所述监测资料包括大气污染物浓度地面监测资料和大气成分卫星遥感监测资料；所述中尺度气象模式模拟结果的数据包括风速、风向、气压、温度、相对湿度、降水、辐射、感热通量、潜热通量和边界层高度；所述区域空气质量模式模拟结果的数据包括二氧化硫、硫酸盐、一氧化氮、二氧化氮、硝酸、亚硝酸、硝酸盐、一氧化碳、可吸入颗粒物、臭氧、铵盐、黑碳、有机碳、氢氧自由基、有机气溶胶的浓度和光学厚度；优选的，所述大气环境容量计算所需距地高度为800米至1200米。在更加优选的实施例中，所述容量计算所需距地高度为1000米。 

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。