天津市 PM 10污染控制决策模型

屈晓燕,张裕芬,冯银厂,朱 坦

南开大学环境科学与工程学院,国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室,天津 300071

天津市 PM10污染控制决策模型

屈晓燕,张裕芬＊,冯银厂,朱 坦

南开大学环境科学与工程学院,国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室,天津 300071

探索了城市空气颗粒物污染控制决策的流程.分析了颗粒物排放源类的分担率、颗粒物的可削减空间、控制措施实施的可执行性及控制技术经济成本等方面对颗粒物污染控制决策的影响,在此基础上,结合空气质量模型、颗粒物来源解析、层次分析法等技术,建立了颗粒物污染控制方案优选方法及相应的决策模型.以天津市为例,分别设定颗粒物各排放源类的控制情景,计算不同控制情景下环境空气中ρ(PM10)削减率,在对所有方案初筛的基础上,采用层次分析法确定颗粒物污染控制的最优方案组合.

颗粒物;污染控制;决策模型;层次分析法

目前,影响我国城市空气质量的主要污染物仍然是颗粒物[1],颗粒物对人体健康影响很大[2],对颗粒物污染的控制一直是大气污染防治的重点.针对颗粒物污染特征,因地制宜地选择最佳控制策略,对颗粒物污染控制决策具有重要意义.目前,对颗粒物污染控制的研究多侧重于具体方案[3-5],而缺乏对决策过程的研究.笔者分析了影响决策过程的因素,并在此基础上建立了颗粒物控制方案优选方法及相应的决策模型,以期为城市空气颗粒物污染防治提供服务.

1 影响颗粒物污染控制决策的因素

城市空气颗粒物来源复杂,影响其污染控制决策的因素多样.根据重要性、可量化及可控制等原则,选择颗粒物排放源类的分担率、颗粒物的可削减空间、控制措施实施的可执行性及控制技术经济成本等作为影响决策过程的因素.

1.1 颗粒物排放源类的分担率

制定城市空气颗粒物的控制决策,首先要分析清楚颗粒物的主要来源及其贡献水平,只有在了解这些源类排放量、排放特点及治理现状的基础上,才能合理地分配削减指标.城市颗粒物来源复杂,源解析结果[6-7]表明,煤烟尘的分担率一般在 20%～30%,开放源的分担率在 45%～55%,但是不同地区主要源类及其分担率具有明显的地域特征.

1.2 颗粒物的可削减空间

颗粒物的可削减空间是制订控制方案必不可少的考察因素.在颗粒物性质相似,单位量所造成的危害相同的情况下,主要考虑哪些来源的颗粒物易于治理以及治理空间多大.在制订颗粒物污染治理方案时,以合理选择重点治理源类、在现有水平下治理措施最容易获得环境效果、治理措施技术可行且实施的经济成本较低等因素的组合为最优原则.如：在今后一段时期内,一些城市以煤炭为主的能源消费格局不会很快改变,且由于经济发展的需求,煤炭的消耗在一段时间内将会继续增长[8],因此,煤烟尘的可削减空间相对较小,若在制订控制决策时对煤烟尘削减的要求过高,则削减目标很难实现.故制订颗粒物污染控制决策时,应考虑颗粒物可削减空间的大小,优先选择可削减空间大的排放源类进行治理,可增加经济技术上的可行性.

1.3 控制措施实施的可执行性

颗粒物控制措施的可执行性是影响控制方案好坏的主要因素.我国一些城市的颗粒物污染问题未得到根本解决的一个主要原因是控制方案缺乏可执行性,环境效果不明显.

可执行性分为颗粒物排放源类控制措施的可执行性和整体方案的可执行性.影响颗粒物控制措施可执行性的因素主要包括控制技术和控制措施实施过程是否便于管理,其中控制技术包括评价技术、监测技术、控制指标和治理技术.若控制技术跟不上,管理无依据,制订的控制方案很难实现.其他一些因素,如管理者的经验、执行力强弱、地理位置和气象因素等都会对控制技术的可执行性产生影响.整体方案的可执行性依赖于各个子方案的可执行性,此外还要考虑整体布局是否协调,各部门配合是否合理等问题.

1.4 控制技术经济成本

任何一个控制技术方案都必须考虑技术经济成本,因为资源是有限的,用于颗粒物控制的总费用在一定时期内是有限的,技术方案只能在这些资金的约束下实施.所以要考察控制技术方案中各子项的成本,进而考察总的控制成本.

2 颗粒物污染控制方案的决策模型

在颗粒物污染控制方案的决策过程中,首先要确定主要的排放源类,根据每种源类的排放情况和特点确定其控制方案,然后对各主要源类控制方案进行组合,采用层次分析法选出最适合的控制方案.具体步骤如图 1所示.

图 1 颗粒物污染控制方案选择步骤Fig.1 Proceduresof schem e selection of particulate con tro l

2.1 排放源调查和来源解析

颗粒物排放源调查与源解析可确定主要的排放源类型及其贡献.采用化学质量平衡模型(CMB)等方法,可识别影响某地区颗粒物质量浓度的主要排放源类 i(i=1,2,…,I)、分担率 (xi,0＜xi＜1),以及对颗粒物质量浓度的贡献值 (ci,μg/m3)[9-10].

2.2 确定可削减因子

对排放源类 i,根据现有的技术和经济条件,以及计划投资额的不同,确定几种不同投资等级的可行控制措施.设排放源类 i的第 j种控制措施 Hij实施后理论上对颗粒物的可削减率为 aij(0＜aij＜1).但由于不同源类的可削减空间不同,因此控制措施实施后对颗粒物的实际可削减率与理论可削减率不同.

可削减因子(bi)为实际可削减能力与理论可削减能力的比值,该值由颗粒物控制技术的执行性决定.决策部门根据执行性的影响因素,综合评估控制技术可执行性大小,得到 bi(0＜bi＜1).则排放源类 i采用 Hij对颗粒物的实际可削减率为 bi×aij.

2.3 估算控制方法实施费用

针对排放源类 i的控制措施 Hij,估算出方案在实施年限内所需的费用Mij(104元).

2.4 筛选可用方案

对排放源类 i有 j种控制方案可以选择,总的控制方案就是从每个源类中选择一种控制方案的组合,因此总控制方案的组合方式很多,但并非所有组合都符合实际需求,需要在一定的环境目标及资金约束条件下对所有方案进行初筛.

环境目标为治理后颗粒物浓度要达到的标准(c标),即 ：

费用控制是指治理资金 (M总)在一定时期内是有限的,各源类控制技术方案费用 (Mij)之和不能超过 M总.

根据环境目标和费用控制的要求,采用MATLAB软件编制程序,筛选符合要求的方案组合.

2.5 层次分析法[11-12]优选组合方案

2.5.1 层次模型的建立

初筛颗粒物污染控制方案组合后,应用层次分析法对方案优选,确定最优组合.首先构造层次分析结构模型,如图 2所示,通过不同权重来反映各因素的贡献.

图 2 颗粒物污染控制方案层次结构模型Fig.2 Analytic hierarchy p rocessof particularcontro lling schem e

2.5.2 构造成对比较阵、计算权向量及一致性检验

采用 1～9尺度,通过相互比较确定各准则对目标的权重及各方案对每一准则的权重,构造各层对上一层每一因素的成对比较阵.将上述 2组权重进行综合,确定各方案对目标的权重.依此构造第 2层对第 1层的矩阵 A,计算该矩阵的特征向量：W0=(w01,w02,w03,w04)T.计算每一成对比较阵最大特征根和特征向量,并作一致性检验,若通过,则特征向量为权向量.依次类推.

用同样方法构造第 3层对第 2层每一准则的成对比较阵,计算每一个成对比较阵的最大特征根和特征向量,并作一致性检验.根据以上计算结果得出方案层对目标层的权重 Xm=∑ (w0n×wmn)(m=1,2,…,M;n=1,2,3,4),其中 wmn为 m方案对准则层中 n因素的权向量,权重大的即为待定的最佳方案,并作组合一致性检验.若最下层对最上层的组合一致性比率通过一致性检验,则整个层次的比较判断通过一致性检验,组合权向量可作为最终决策的依据.

3 案例分析

利用建立的颗粒物污染控制方案决策模型,对天津市进行了案例分析.根据颗粒物来源解析结果,天津市 PM10主要源类及其贡献值分别为：固定源,31.7μg/m3;移动源,15.2μg/m3;开放源,51.73 μg/m3.设置各源类的污染控制情景,并在此基础上确定 PM10的可削减率.

3.1 情景设置

3.1.1 固定源排放情景设置

以天津市 2005年源排放清单为依据,将燃煤源分为电厂、供热、生产和民用 4类,按各类排放源燃煤量所占比例,设置 G1,G2和 G3 3种情景.利用 ISC3(Industrial Source Com p lex)模型[13],模拟不同情景下各类燃煤源排放对ρ(PM10)的贡献(见表 1).

G1情景：现状,2005年天津市全年燃煤量为808.8×104t,其中,电厂锅炉、供热锅炉、生产锅炉和民用燃煤分别占 63.7%,16.5%,13.1%和6.7%.

G2情景：控制状况较好,在 G1情景基础上,2008年燃煤量为 883.8×104t,电厂锅炉、供热锅炉、生产锅炉和民用燃煤分别占 70%,15%,13%和2%.

G3情景：控制状况很好,在 G1情景基础上,2011年燃煤量为 965.7×104t,电厂锅炉、供热锅炉、生产锅炉和民用燃煤分别占 80%,11%,9%和 0.

表 1 3种情景下各类固定源 PM 10排放量及对ρ(PM 10)贡献Tab le 1 Soo t em ission from stationary sou rces and con tribu tion to am bient PM 10 concen tration at scenarios

3.1.2 移动源情景设置

Y1情景：现状,2005年机动车保有量为640 313辆,其中轿车、摩托车二冲程及微型车所占比例较大,分别为 37.61%,12.09%和 10.73%;机动车PM10排放量为3 134.401 t,其中中型柴油车、重型柴油车、轿车排放量较大 (见表 2).利用 ISC3模型计算机动车尾气排放对ρ(PM10)的贡献约为 15.2 μg/m3.

表 2 Y 1情景下移动源 PM 10排放量Table 2 PM 10 em ission from mobile source at scenario Y1

Y2情景：在 Y1情景的基础上,各类型机动车保有量的比例得到了较好的调整,到 2008年机动车保有量为568 080辆,其中轿车、微型车及其他车所占比例较大,分别为 46.63%,12.10%,8.17%;机动车 PM10排放量为 3 110.244 t,其中中型柴油车、重型柴油车和轿车排放量较大 (见表 3).在该情景下,ρ(PM10)降低了 0.8%,机动车尾气排放对环境空气中ρ(PM10)贡献为 15.08μg/m3.

Y3情景：在 Y1情景的基础上,各类型机动车保有量的比例得到了很好的调整,到 2011年机动车保有量达到 644 691辆,其中轿车、微型车及摩托车二冲程所占比例较大,分别为 44.83%,11.72%和8.41%;机动车 PM10排放总量为3 044.911 t,其中中型柴油车、重型柴油车和轿车排放较大 (见表 4).在该情景下,ρ(PM10)减少 2.9%,机动车尾气排放对环境空气中ρ(PM10)的贡献为 14.77μg/m3.

3.1.3 开放源情景设置

开放源通过实施绿化工程、改变道路积尘量来进行治理.

表 3 Y 2情景下移动源 PM 10排放量Tab le 3 PM 10 em ission from mobile sources at scenario Y2

表 4 Y 3情景下移动源 PM 10排放量Tab le 4 PM 10 em ission from mobile sources at scenario Y3

3.1.3.1 改变下垫面类型 (绿化工程)

根据天津市颗粒物来源解析结果,环境空气中ρ(PM10)年均值为 153.5μg/m3,根据各类型下垫面面积和相对起尘量[17],计算改变下垫面类型后ρ(PM10)下降值,如表 5所示.根据模型[17-18]计算,绿化工程的实施可使环境空气中ρ(PM10)年均值下降 9.32μg/m3,削减率为 6.07%.

表 5 绿化工程实施后开放源排放及对ρ(PM 10)贡献的变化Tab le 5 Changes in em ission from open sources and contribution to am bient concentration after the execu tion of virescence p ro jects

3.1.3.2 道路积尘量限定

3.3 繁荣了农村乡镇经济和商业。乡村集会多以集市形势而出现，多以农贸交易为主要内容，有着周期性和间隔性。而乡镇广场的建设则形成了其商贸的稳定性和长期性。在乡镇广场附属建设的各类商业服务网点，加快促进了物品流通，便利了城乡居民生活。同时，各商家的促销活动也有了场所，形成乡镇商业文化。形成“文化搭台，商家唱戏”的乡村商业性广场文化。

根据天津市颗粒物来源解析结果,道路积尘排放对环境空气中ρ(PM10)年均值的贡献率为18.7%.假设道路积尘的下降率与其对ρ(PM10)的贡献呈线性关系,则有：①D1,若道路积尘下降20%,则ρ(PM10)可削减率 =18.7% ×20%=3.74%;②D 2,若道路积尘下降 40%,则ρ(PM10)可削减率 =18.7%×40%=7.48%.

根据以上计算,设 3种情景：①K1情景,仅做绿化工程,ρ(PM10)可削减率为 6.07%,扬尘贡献约为48.59μg/m3;②K2情景,绿化工程 +D 1,则ρ(PM10)削减率为 9.81%,扬尘贡献约为 46.66 μg/m3;③K3情景,绿化工程 +D2,则ρ(PM10)削减率为 13.55%,扬尘贡献约为 44.72μg/m3.

总体状况如表 6所示.

表 6 各设定情景总体状况一览表Tab le 6 Conditionsof the all the scences

3.2 方案初步筛选

根据ρ(PM10)总削减率要达到 10%以上,费用比重不超过 8等约束条件,采用MATLAB软件编制程序进行筛选,筛选出 3个组合符合条件,即G1Y1K3,G1Y2K2和G1Y2K3.

3.3 层次分析法筛选最优方案

层次模型的建立如图 2所示,构造准则层对目标层的矩阵A.

计算出最大特征根 (λ0)为 4.003,归一化的特征向量为W0=[0.063,0.329,0.411,0.197]T,一致性指标 (C I)为 0.001,一致性比率 (CR=C I/R I)为0.001＜0.1,R I为随机一致性指标,查表得 R I=0.90.通过了一致性检验,故上述 W0可作为权向量.用同样的方法,构造第 3层对第 2层的成对比较阵：

表 7 方案层对准则层的成对比较阵计算结果Tab le 7 Calcu lation on paired comparisonm atrix of schem atic layer to rule layer

由准则层对目标层的权向量计算结果和表 7中方案层对准则层权向量的计算结果,得到方案层对目标层的权重分别为 X1=0.375,X2=0.324,X3=0.100,由于 X1＞X2＞X3,所以选择 G1Y1K3作为最佳方案.

作最终一致性检验：CR(3)=CR(2)+C I(3)/R I(3)=0.008＜0.1.即最下层对最上层的组合一致性比率通过一致性检验,则整个层次的比较判断通过一致性检验,故组合权向量W(3)可作为最终决策的依据.

4 结论

a.分析了大气颗粒物污染控制决策过程中需重点考虑的影响因素,并建立了相应的决策模型.

b.以天津市为案例进行分析,设定各源类排放情景,考虑环境ρ(PM10)控制要求、费用等方面因素,筛选出符合条件的方案,利用层次分析法得到最优方案为 G1Y1K3,即在固定源和移动源维持现状的情况下,治理重点则应该放在开放源上,它具有投资小、效率高的特点.

c.大气颗粒物控制措施实施过程的可执行性及控制的技术经济成本方面的指标选取还有待于深入研究.

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D ecision-m aking M ode l fo r Con tro lling U rban A tm o sphe ric Pa rticu la te M a tte r Po llu tion in Tian jin C ity

QU X iao-yan,ZHANG Yu-fen,FENG Yin-chang,ZHU Tan
State Environm ental Pro tection Key Laboratory of U rban Am bientA ir Particu lateM atter Po llution Prevention and Contro l,Co llege of Environm ental Science and Engineering,NankaiUniversity,Tian jin 300071,China

The decision-m aking p rocess for contro lling urban atmospheric particu latem atter po llution was studied in thiswork.The effectsof source contributions,reducib le space of particu latem atter,enforceability of contro lm easures,and technical and econom ic costof contro lm easures on the decision-m aking p rocesswere discussed.Op tim ization and decision-making models of particu late po llution contro lwere established and com binedw ith airqualitymodels,am bient source apportionm ent,and analytic hierarchy p rocess.Taking Tianjin City as an examp le,various contro l scenarioswere set,and the reducib le percentage of PM10concentration for each scenariowas calcu lated.A fter initial screening of allpossib le schem es,the analytic hierarchy p rocessm ethodwasapp lied to determ ine the op tim al schem e of particu late contro l.

particu latem atter;po llution contro l;decision-m akingmodel;analytic hierarchy p rocess

X513

A

1001-6929(2010)04-0401-06

2009-10-10

2009-12-07

天津市科技发展计划项目 (09ZCGYSF02400);国家“十一五”科技支撑计划项目(2007BAC16B01)

屈 晓 燕 (1984 -),女,河 南 漯 河 人,quxiaoyan111@126.com.

＊责任作者,张裕芬 (1973-),女,山西忻州人,副教授,主要从事大气污染防治研究,zhafox@126.com

(责任编辑：孙彩萍)