基于修正A值法核算成都市季节大气环境容量

王涵瑾 王源程 倪长健

(成都信息工程学院，四川 成都 610225)

引言

大气环境容量是指在某个地区某个阶段内，能满足大气环境质量标准，大气环境所能承纳的最大的大气污染物负荷总量。作为制约中国经济发展的重要环境因素之一，大气环境容量核算不仅是实现目标总量向容量总量管理过渡的关键，也是区域产业布局、污染物排放总量控制及有关环保政策的制定的重要依据。大气环境容量估算的基本方法主要有A－P 值法以及多源模式加数学规划法［1］。A 值法是基于箱模式发展起来的一种预测模型，适用大的区域范围，具有简便、实用性强等特点［2－5］。多源模式相较于A 值法，不仅需要详细的气象资料和污染源资料，还需要进行参数验证，但其能定量描述污染源与环境质量的关系［1，6］。欧阳晓光［7］提出了多种修正A 值的算法，以合理确定A 值。英国剑桥环境研究中心［8］开发了ADMS－urban 大气扩散模型，肖杨［9］基于ADMS－Urban 和线性规划模型，结合虚拟点源法测算出北京市通州区SO2的大气环境容量远大于年排放量。匡耀求［10］应用A 值法计算了珠江三角洲二氧化硫的环境容量，刘彦［11］等则应用A 值法测算了景德镇的SO2大气环境容量，王娟［12］采用A 值法、P 法和S法对山西汾西县进行大气环境容量核定、污染分析，张军［13］也以箱模型为基本模型推导出的宏观总量控制A值法来估算了西安市大气环境容量。

作为我国西部重要的科技、商贸、金融中心和交通、通信枢纽，成都市独有的气候特征使得成都市极易发生大气污染。近年来，随着经济发展加快，四川盆地已经连同京津冀、长三角和珠三角成为我国第四大灰霾的高发区，大气污染防治的形势十分严峻。在此背景下，研究成都地区不同季节各污染物大气环境容量的季节变化特征，对促进成都市大气环境容量的科学合理利用具有重要意义。由于成都市总面积达12121，区域范围广，不适用于多源模式，因此，本文选取A 值法对成都市大气环境容量进行核算。同时，根据成都市近年来的环境监测数据，PM10、PM2.5、SO2和NO2这4 项污染物已成为造成空气污染的主要污染物，因此本文将计算上述四者污染物的环境容量，为其排放提供合理的科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

按照一般环境评价的要求，本文选取了成都市2010－2012年的地面常规气象观测资料及温江站探空资料来进行大气环境容量的核算。

1.2 控制区确定

根据《环境空气质量功能区划分原则与技术方法》(GJ14－1996)等法律及标准的规定，一类环境空气质量功能区是指自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地区，同时规定其面积不得小于4 平方公里。因此，本文将下列风景名胜区、自然保护区等地区定为本研究中的一类功能区(表1)，其余城区、居住区和工业区等划为二类功能区。将成都市进行功能区划分后，一类功能区总面积为2404.91km2，二类功能区总面积为9716.09km2，一类功能区约占成都市总面积的20%。在成都市的14 个一类功能区中，面积达到100.00km2的功能区有11 个，其中面积最大的为龙溪－虹口国家级自然保护区，达到了427.00km2;而最小的黄龙溪镇面积仅为5.00km2(表1)。

表1 成都市一类功能区概况

1.3 大气环境容量估算方法

在国家环保局颁布的《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 13201－91)中，是以箱模型为基本模型推导出的宏观总量控制值法来进行大气污染物排放总量的测算。该模型假设城市上空的大气层为一个箱体，且污染物浓度在混合层内处处相等，整个城市具有相同的面源强度qa，考虑到干、湿沉降及化学衰变因素，则箱体中污染物平均质量浓度为:

式中:qa为污染物排放量，mg·g－3·s－1;为平均风速，m/s;Hi为污染物可到达的高度，取不同气象条件下的混合层厚度，m;Cb为大气污染物本底质量浓度，mg/m3;ud为干沉降速度，m/s;R 为降水率;Δx为箱内顺风长度，m;Tc为污染物转化时间常数，Tc=T1/2/0.693，wr为污染物半衰期;为清洗比，无量纲量，一般取值1.9×10－5。

若取C=Cs，Cs为大气污染物浓度的标准限值，考虑Cb≠0，城市面积为S，km2;其等效直径为Δx=2则在控制周期T 时间内，整个城市内允许排放的污染物总量为Qa=qs·S·T;若时间取为一年，得污染物总量为:

式中，Qa的单位为104t/a;VE为通风量，m2/s;R为年降水量，mm;Cs为污染物年平均浓度的标准限值，mg/m3，根据《环境空气质量标准》(GB3095－2012)的规定，一类功能区中SO2、NO2、PM10、PM2.5的年平均浓度限值分别为0.02、0.04、0.04、0.015mg/m3;二类功能区中SO2、NO2、PM10、PM2.5的年平均浓度限值分别为0.06、0.04、0.07、0.035mg/m3;uw为湿沉降速率，m/s。公式(2)中右边第一项为输送扩散清除项，即Qa1=A(Cs－Cb)(其中VE/2)，第二项为干沉降清除项，第三项为湿沉降清除项，第四项为化学转化清除项。

1.4 季节A 值计算

受制于热力动力因素的综合作用，不同季节混合层高度存在较大差异。将平均混合层高度视为各时刻混合层高度倒数的平均，其计算公式为

混合层内平均风速的计算公式如下:

式中，u1、u2分别为距离地面Z1、Z2高度处平均风速，m/s;P 为风速高度指数。

混合层高度内平均风速积分求解方法为:

式中，u10为10m 高度处平均风速，m/s;当时取为6m/s。

根据上述公式，即可求得研究区混合层高度内各月的平均风速。

根据《城市大气污染物总量控制方法手册》中的说明，在计算季平均通风系数时，箱模式理论中的通风系数的平均值应该以各月通风系数倒数平均后再取倒数，即:

式中，ui－1、ui、ui+1为季节内3 个月混合层高度内的平均风速，m/s;Hi－1、Hi、Hi+1为季节内3 个月的混合层高度，m。

在对研究区进行季节大气环境容量计算前，需要重新计算地理区域性总量控制系数A。针对季节大气环境容量，将作如下修正:

式中，∂i为各季对应系数，取一年为365 天，∂1、∂2分别代表春、夏季，春、夏季天数同为92 天，则∂1=∂2=0.79488;秋季天数为91 天，则∂3=0.78624;冬季天数为90 天，则∂4=0.77760。成都市季节通风量及修正A 值计算结果如表2 所示。

表2 成都市通风系数及A 值

2 成都市季节大气环境容量

2.1 季节基本大气环境容量(输送扩散清除项)

由于成都市进行了功能区区划，且全市统一取定标准浓度限值，公式(2)中的第一项变为:

式中，A 为重新计算的季节值(见表2)。本底值浓度是指环境要素在未受污染影响的情况下，其化学元素的正常含量，以及环境中能量分布的正常值。研究区内取值为:一类控制区本底值取为一级基本浓度限值的20%，二类控制区本底值取为一级基本浓度限值的50%。成都PM10、PM2.5、SO2、NO24 个主要污染物因子的季节基本环境容量，如表3 所示。

表3 成都市季节基本大气环境容量 104t/季

2.2 季节干沉降清除项

根据公式(2)中的第二项，年干沉积清除量为:

计算季节干沉积时，公式变为:

式中，∂i为各季对应系数。由于同一地区同一污染物的干沉降速率差值较小，故在计算同一污染物不用季节的干沉降速率时，按照干沉降速率相等来进行近似处理，其值均近似等于年干沉降速率。其中SO2、PM10、NO2的年均干沉降速率分别为0.35、0.44、0.07cm/s［14］。由于PM2.5成分比较复杂，同时考虑成都地区二次硝酸盐/硫酸盐为其主要贡献因子［15］，因此采用和的干沉降速度作为PM2.5的年均干沉降速率，取值均为0.25cm/s。成都市PM10、PM2.5、SO2、NO24 个主要污染物因子的季均干沉降清除量，如表4 所示。

表4 成都市季节干沉降清除量 104t/季

2.3 季节湿沉降清除项

对于公式(2)中第三项湿沉降清除项的计算，则需分为颗粒物湿沉降清除量和气态污染物湿沉降清除量两项。在计算季节湿沉降时，其中，颗粒物的计算公式为:

式中，uw=wr·R，wr为清洗比，无量纲量，取值1.9×10－5;R 为每季度平均降水量，mm/q。

气态污染物的计算公式为:

Kw为湿沉降速率，Kw=aRb。其中R 为每小时平均降水量，mm/h;a、b 是与季节有关的经验常数，SO2湿沉降率经验常数冬季a、b 取值分别为0.009 和0.700，夏季为0.140 和0.120，春季和秋季相同，为0.036 和0.530。同时，NO2的湿沉降率为SO2的1/4［16］。

成都市PM10、PM2.5、SO2、NO24 个主要污染物因子的季均湿沉降清除量，如表5 所示。

表5 成都市季节湿沉降清除量 104t/季

2.4 季节化学转化清除项

由于颗粒物不考虑化学清除项，此项只需求得SO2、NO2的化学转化清除量。公式(2)中的第四项，年化学转化清除项为:

在计算季节化学转化时，公式变为:

式中，Hi为研究区不同季节大气混合层高度，m。T1/2为污染物半衰期，其中T1/2(SO2)= 105s，T1/2(NO2)=7.2×105s，。成都市SO2、NO2的化学转化清除量见表6。

表6 研究区各市各季节化学转化清除量 104t/季

2.5 成都市季节大气环境容量

综合上述四项清除项(基本环境容量、干沉积清除项、湿沉积清除项、化学转化清除项)，得出成都市PM10、PM2.5、SO2、NO2的季节大气环境容量(表7)。

表7 成都市季节大气环境容量量 104t/季

3 结论与讨论

本文根据成都市2010－2012年气象观测资料，重新计算了地理区域性总量控制系数A，对成都市主要污染物的季节环境容量进行了核算。研究发现:①成都四季A 值分别为1.01、1.28、0.46、0.38;②成都市各污染物均为夏季环境容量最大，冬季环境容量最小，各污染物的夏季环境容量均约为冬季的5 倍以上，其中SO2的夏季环境容量达到了冬季的13 倍;③季节间大气环境容量的差别主要源于湿沉降在年内分布的不均匀，其次通风量季节间的不同也是其中一个重要诱因。

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