大气污染源排放清单及其信息化建设

彭 珍，刘 梦，马嘉琪，魏亚坤，郭 威，蔡国文

(北京石油化工学院 经济管理学院，北京 102617)



大气污染源排放清单及其信息化建设

彭 珍，刘 梦，马嘉琪，魏亚坤，郭 威，蔡国文

(北京石油化工学院 经济管理学院，北京 102617)

为了实现大气污染源排放清单的信息化，在对大气污染排放清单研究的基础上，通过对大气污染源排放清单的分析与污染资料采集的规范化，采用浏览器/服务器(B/S)软件架构模式和MVC的设计模式建立了大气污染源排放清单信息系统。该系统可供查询大气污染源排放的信息，实现对污染源的计算与分析，为大气污染源管理与污染排放决策提供了信息支持。

大气污染;污染源；排放清单;信息系统;排放决策

当前，我国大气污染形势十分严峻，以细颗粒物(PM2.5)为标志的区域性大气复合污染问题日益突出，大气灰霾事件在我国许多地区频繁出现，大气污染已对居民的生活与健康产生了极大的不良影响。大气污染源排放清单[1-2]是大气污染模式重要的起始输入，是研究空气污染物在大气中物理化学过程的先决条件，对确立合适的减排方案具有重要的作用。虽然我国已经在国家、区域等层面上建立了大气污染源排放清单，但因大气污染清单是动态变化的，目前缺乏对列表信息的动态管理能力，亟需一种信息化的方式与方法为之架构与管理。据此，笔者根据大气污染源列表的特征，实现了大气污染源排放清单的信息化。在污染源、污染物信息收集与分析的基础上，从信息系统的角度采用浏览器/服务器(B/S)软件架构模式和MVC的设计模式[3]，实现了对污染源、污染排放的信息化管理和建设，便于从中查询大气污染源、污染物排放情况，也便于大气污染源列表的动态更新与统计计算。

1 大气污染源排放清单研究

为了掌握全国或区域污染排放来源和排放量情况，各研究团体开展了大气污染源排放清单的编制工作。大气污染源排放清单是基于对某一区域某段时期污染情况的调研，通过统计分析等方法建立起来的，该清单是区域污染来源、污染物排放等污染信息分析的基础。

从污染源的角度，即从机动车、生物质、煤炭等污染源展开研究。如北京大学以中国2002年各省统计年鉴中关于机动车和道路信息的数据为基础，并根据COPERT III模型计算出2002年中国各省区各种机动车类型在城区、郊区和高速公路3种行驶工况下的排放因子，应用GIS技术建立了中国机动车的排放源清单[4-5]；黄奕玮等[6]通过对江苏地区的不同车型和道路类型的机动车排放的污染物进行调研和分析，基于国内实测的排放因子法和COPERT模型法得到2012年的机动车的大气排放清单；田贺忠等[7]根据2000—2007年山东、河南、黑龙江、安徽、河北等省区秸秆或薪柴燃烧、牲畜粪便生物质燃烧消耗量和排放因数量，建立了中国生物质燃烧的大气污染物排放清单；刘湛等[8]根据2012年长株潭区域生物质产量和露天焚烧数据，通过物料平衡、经验估算等方法，估算了长株潭区域生物质开放燃烧所排放的大气污染物量，建立了2012年长株潭区域生物质开放燃烧的大气污染清单；潘涛等[9]对北京、天津、石家庄、南京和郑州地区火力发电(电站锅炉)、工业生产和供热(工业锅炉)、炊事及居民消费(炊事及冬季供暖)情况进行调研，基于抽样调查法、卫星遥感法建立了民用燃煤的大气污染物排放清单，对煤炭在燃烧过程中产生的SO2等污染性气体进行了分析；程钟等[10]在污染源普查和环境统计的基础上，利用排放系数、模型测算、物料平衡、经验估算等方法定量测算，在对工业企业、机动车、建筑工地、秸秆焚烧等20多类排放源的研究基础上，建立2011年常州市大气污染物排放清单。

从污染物的角度，即包括各类气体污染物、颗粒物和有色金属污染物的排放清单。赵斌等[11]通过对天津市工农业生产和居民生活的统计资料进行调研，采用能反映国内状况的排放因子，计算得到天津市各行业、各区县氮氧化合物、二氧化硫、非甲烷挥发性有机物、一氧化碳、氨气、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物污染物(PM2.5)的排放量，发展了天津市2003年排放源清单；孙雪莉[12]通过对河北省工业和重点源无组织地调研，利用系数推算和排放因子等方法核算二氧化硫、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物、氮氧化合物、一氧化碳、挥发性有机化合物的排放量，得到河北省大气污染源排放清单；王锦等[13]根据2013年北京市工业、农业和居民生活的统计资料，以及中国汽车工业年鉴，计算了北京市不同行业二氧化硫、氮氧化合物及可吸入颗粒物排放量，建立了北京市2013 年大气污染物排放清单；谢琼芳等[14]通过对南宁市大气污染的资料进行收集、分析、调研、估算，得到大气污染物二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳、可吸入颗粒物、细颗粒物、挥发性有机化合物等主要排放源，编制了2012年南宁市空气质量排放清单；郑新梅等[15]采用问卷调查的方法调研了南京市的电力行业状况，并结合2014年环境统计资料，根据环保部推荐的大气污染物排放清单制定指南，建立了2014年电力行业SO2污染物排放清单；曲益萍[16]通过对全国典型有害元素汞、砷、硒进行调研与分析，采用自下而上的排放因子法，得到汞、砷、硒污染物的大气排放清单；王堃等[17]以中国钢铁工业年鉴等统计资料为基础，采用自下而上的排放因子法，制定了2011年中国钢铁行业的大气排放清单，并估算出2011年全国各省区钢铁行业生产活动导致的典型有害重金属(汞、铅、镉、砷、铬、镍)大气排放量。

以清华大学环境学院为代表的科研团队从污染物种类和污染源种类两个方向出发，基于各类统计资料与实际调研，编制了全国2015年的大气污染物源排放清单。总结大气污染排放清单编制的贡献，主要包括：①大气污染排放清单提供了产生一次污染物的污染源种类，建立了污染源与污染物之间的相关性，如PM2.5污染物的污染源，在产业级有固定燃烧源、工艺过程源和移动源3大类。②大气污染排放清单为大气污染源进行了分级，实现了大气污染源的精细化分类，如图1所示。最新的大气污染源排放清单将污染源分为四级，第一级为产业级，第二级为行业/部门级，第三级为燃料/产品级，第四级为燃烧/工艺级，最后还有末端控制技术。以一次污染物PM2.5的污染源排放清单为例，第一级产业污染源分为固定燃烧源、工艺过程源和移动源三大类，其中固定污染源又包括电力、供热、工业、民用等二级污染源，工业污染源的三级燃料源包括煤炭、柴油、燃料油、天然气等，天然气的燃烧工艺源又细化为流化床炉、层燃炉等。③大气污染源清单中给出了污染源在不同燃烧/工艺过程中一次污染物产生系数、污染控制技术对污染物去除效率的计算方法，如对于固定燃烧源中的第四级排放源，PM10排放量E可通过式(1)和式(2)计算得到：

(1)

(2)

式中：A为第四级排放源对应的燃料消耗量，若排放源为点源则A为该点源的活动水平，若排放源为面源则A表示最小行政区单元(一般为街道或区县)的活动水平；EF为一次PM10产生系数；η为污染控制技术对PM10去除效率；Aar为平均燃煤收到基灰分；ar为灰分进入底灰的比例；fPM10为总颗粒物中PM10所占比例。这些系数反映了活动水平与一次污染物排放之间的量化关系。

图1 大气污染排放清单分级——以PM 2.5为例

从大气污染排放清单研究中可以看到，研究工作主要集中在区域大气污染源排放清单编制上，而这些大气污染源排放清单的时间或区域各不相同，清单中的排放因子等重要参数也不尽相同，加之编制工作中存在的不确定性，因此可能会出现不同的版本信息，且更新不及时，最终无法对污染源信息很好地进行管理和掌握。也正是由于排放清单信息量的庞大与管理的动态性，手动管理污染源信息已经远远不能满足需求。因此，需要从资讯化的角度，将这些污染源排放清单进行合理化管理和自动化作业。

2 大气污染源排放清单信息化

2.1 信息系统建设的依据

从现实问题出发，需要经过信息抽象、物理建模的过程，才能构建出一个适应现实需求的计算机系统，这是人类对管理信息系统认知的思维过程。相应地，现实系统的信息化建设需要通过系统分析、设计到系统实施的步骤来完成开发[18]，管理信息系统开发与认知的关系与过程如图2所示。

图2 管理信息系统开发与认知的关系与过程

大气污染源排放清单信息化就是根据大气污染源排放清单编制技术指南，在对北京市大气污染源数据进行收集的基础上，通过系统分析、设计与实现建立了一个大气污染源排放清单信息系统。

2.2 系统分析

系统分析更贴近使用者，将解决的现实问题作为一个系统，对系统要素进行综合分析，将用户比较笼统的需求分析成研发能够理解的需求。系统分析的主要任务是：了解现行系统的运作方式，理解对现行系统的改进和新系统的需求，并将对新系统需求的理解用标准的工具表达出来，也就是逻辑建模。笔者基于对大气污染源排放清单的理解与分析，以行业污染源和燃料污染源为主线，实现对大气污染源排放清单系统的逻辑建摸。以资料库分析为例，构件实体与实体之间关系的E-R图[19]，如图3所示。

图3 系统数据库逻辑设计图—E-R图

图3描绘了污染排放系统中涉及到的实体(行业污染源、燃料污染源、活动水平、污染物)及实体之间的静态联系(燃料与行业污染源关系、活动水平与燃料污染源关系、污染物与行业污染源关系)，每个实体或实体间联系都有自身的属性(如活动水平的主要属性有地区、年份、活动水平值)。

2.3 系统设计

系统设计是在系统分析的基础上，设计出能满足预定目标的系统过程。其是对系统分析的细化和具体化，面向的是计算机系统、设计系统的模块层次结构、数据库的结构以及模块的控制流程，即完成计算机系统的物理构建。笔者采用的MVC框架设计模式，即模型-视图-控制器，基于面向对象UML的建模思想[20]，对大气污染源排放清单系统进行物理建模。以污染物排放量的计算为例，其动态功能设计以顺序图体现，如图4所示。

图4 污染物排放量计算的系统顺序图

污染物排放量计算的具体步骤为：

(1)在主界面中单击“进入计算界面”，完成计算界面(视图层V)的初始化，具体过程为：①通过初始化方法发送获取污染物的请求至污染物控制类(控制层C)；②通过污染物实体类(模型层M)的获得污染物方法获取相关信息；③将获得的污染物信息加载到计算界面(视图层V)的污染物选择框中。

(2)在计算界面(视图层V)的污染物列表中选择要计算的污染物。

(3)在计算界面(视图层V)中选择计算的年份。

(4)激活计算界面(视图层V)中的计算按钮，完成以下3个过程：①通过计算方法发送计算排放量的请求到活动水平控制类(控制层C)中；②通过调用活动水平实体类(模型层M)的排放量计算方法得到该污染物在对应年份的排放量；③将获得的排放量信息加载到计算界面(视图层V)中。

2.4 系统实现

在系统分析与设计的基础上，使用浏览器/服务器(B/S)软件架构，采用Web工具MyEclipse 10和数据库Mysql 5.5为开发工具，实现了大气污染源排放清单信息管理系统。系统的实现架构如图5所示。

图5 大气污染源排放清单信息管理系统的网站实现架构

系统提供了两类身份即管理员和普通使用者两级。管理员可以对系统所有的信息进行管理，包括对污染物信息、污染源信息、活动水平信息、用户信息的增加、删除、更新和查询以及污染物排放量的统计计算等。如图6所示为燃料污染源的管理界面示意图。普通用户只能获得系统中用户自身的管理、污染物信息、污染源信息、活动水平信息、污染物排放量的查询服务。

图6 燃料污染源的管理界面示意图

3 结论

为了更高效地管理与利用大气污染排放清单，笔者在对大气污染源排放清单研究与分析的基础上，提出了大气污染源排放清单信息系统的分析、设计与实现的方法与步骤，通过该系统能够及时地更新大气污染源排放清单数据信息，统计污染排放数据，提供全面、灵活、有效的污染信息。

[1] 中华人民共和国环境保护部.新一批大气污染物源排放列表编制技术指南发布涉及大气可吸入颗粒物(PM10)、道路机动车、非道路移动源、生物质燃烧源、扬尘颗粒物等[EB/OL].(2015-01-13)[2016-11-23].http://www.mep.gov.cn/xxgk/hjyw/201501/t20150113_294091.htm.

[2] 贺克斌.中国大气污染物排放清单编制方法及技术难点[R].北京:清华大学,2015.

[3] 牛德雄,陈华政,李彬,等.基于MVC的JSP软件开发案例教程[M].北京：清华大学出版社,2014:115-145.

[4] 宋翔字,谢绍东.中国机动车排放清单的建立[J].环境科学,2006,27(6):1041-1045.

[5] 谢绍东,宋翔宇,申新华.应用COPERTIII模型计算中国机动车排放因子[J].环境科学,2006,27(3):415-419.

[6] 黄奕玮,赵瑜,杨杨,等.基于不同方法的省级机动车大气污染物排放清单研究:以江苏省为例[EB/OL].(2016-07-18)[2016-11-23].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201607-175.

[7] 田贺忠,赵丹,王艳.中国生物质燃烧大气污染物排放清单[J].环境科学学报，2011,31(2)：349-357.

[8] 刘湛,李贝睿,尤翔宇,等.长株潭区域生物质开放燃烧的大气污染物排放清单及不确定性分析[J].环境污染与防治,2016,38(1):23-29.

[9] 潘涛,薛亦峰,钟连红,等.民用燃煤大气污染物排放清单的建立方法及应用[J].环境保护,2016,44(6):20-24.

[10] 程钟,章建宁,周俊,等.常州市大气污染物排放列表及分布特征[J].环境监测管理与技术,2016,28(3):24-28.

[11] 赵斌,马建中.天津市大气污染源排放清单的建立[J].环境科学学报,2008,28(2):368-375.

[12] 孙雪莉.河北省大气污染源清单建立及影响北京市大气污染的敏感源筛选[D].北京:北京工业大学,2007.

[13] 王锦，吉奕康.北京市主要大气污染源清单及火电厂排放污染物对雾霾天气的影响[J].北京交通大学学报,2015,39(1):78-82.

[14] 谢琼芳,李伟铿,龚明睿,等.南宁市大气污染物排放清单编制及结果分析[J].中国化工贸易,2016(3):278-279.

[15] 郑新梅,李文青.南京市电力行业二氧化硫排放清单的建立及减排建议[J].安徽农学通报,2016,22(6):106-107.

[16] 曲益萍.典型有害痕量元素汞、砷、硒大气排放清单研究[D].北京：北京师范大学,2010.

[17] 王堃，滑申冰，田贺忠，等.2011年中国钢铁行业典型有害重金属大气排放清单[J].中国环境科学，2015,35(10):2934-2938.

[18] 杜娟,赵春艳,王洪英,等.信息系统分析与设计[M].北京：清华大学出版社,2014:8-22.

[19] 叶潮流,章义刚,吴伟，等.数据库原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2016:4-17.

[20] 胡智喜,唐学忠,殷凯.UML面向对象系统分析与设计教程[M].北京：电子工业出版社,2014:80-96.

PENG Zhen:Assoc. Prof.; School of Economics and Management,Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China.

Atmospheric Pollution Source Emission Inventory and Informatization Construction

PENGZhen,LIUMeng,MAJiaqi,WEIYakun,GUOWei,CAIGuowen

In order to informationize the atmospheric pollution emission, this study sets up an information system of atmospheric pollution emission inventory by browser/server (B/S) software architecture model and MVC design model on the base of analysis of atmospheric pollution emission inventory and of the data collection and data normalization. The system can supply information of atmospheric pollution emission, calculate and analyze the pollution sources, and subsequently provide information supports for the management of atmospheric pollution source, and decision making for atmospheric pollution emission.

atmospheric pollution; pollution source； emission inventory; information system; emission decision

2095-3852(2017)02-0181-05

A

2016-11-23.

彭珍(1981-)，女，山东菏泽人，北京石油化工学院经济管理学院副教授，主要研究方向为数据挖掘与信息系统.

国家自然科学基金项目 (71601022)；北京市社科基金项目(15JDJGB028)；北京市自然科学基金项目(4173074)；北京市URT基金项目(2016J00152，2016J00153).

TP39

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.013