多尺度大气环境容量核算方法研究进展*

孟晓杰 柴莹莹 于华通

(1.中国环境科学研究院，区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100020；2.北京尚云环境有限公司，北京102208)

经济社会的快速发展和能源消费量的迅速增长，使得大气环境质量受到影响并得到社会的广泛关注。将各类开发活动限制在资源环境承载能力之内，形成人与自然和谐发展的良好态势，是当前我国环境管理工作的重要要求。因此，准确核算大气环境容量，对支撑国家和地方环境管理部门制定科学合理的污染物削减方案和环境空气管理政策，促进社会经济可持续发展具有重要影响[1-2]。大气环境容量一般指在一个特定区域内，一定的气象、自然边界及排放源结构条件下，在满足该区域大气环境质量目标前提下，所允许的区域大气污染物最大排放量[3]67。自19世纪60年代日本为了应对日益严重的环境污染问题而提出大气环境容量的概念以来[4]，其核算方法经过发展，逐步形成了A值法[5]、线性规划法[6]、模拟法[7-9]等几大方法体系。

现有的大气环境容量的研究综述大多侧重于方法总结和归纳。其中，李海晶[3]68-70和许艳玲等[10]1838-1839均对A值法、线性规划法、模拟法等不同核算方法的研究进展、主要特点、适用范围、优点和不足等方面进行了总结和归纳；刘娜等[11]则综述了等比例削减法、基于环境质量目标的分配方法等的基本原理、应用条件、优缺点和适用范围。这些研究综述的关注重点是不同大气环境容量核算方法的主要进展和适用情况，对于不同模型涉及到的关键参数的设置和取值缺少系统的梳理和对比分析，对于各模型在不同空间尺度应用的适用性也缺乏对比研究。而模型在不同空间尺度的适用性及其关键参数取值的合理性，将直接影响大气环境容量计算结果的准确性。本研究通过梳理和总结A值法、线性规划法、模拟法等典型大气环境容量核算方法的关键参数的研究成果及不同方法在不同空间尺度的典型应用，筛选出各研究方法的关键参数及合理取值，给出各方法适宜空间尺度适用性，为各方法在不同尺度中的广泛应用提供指引，推进大气环境容量核算的应用与发展。

1 A值法

A值法基于箱式模型，可根据研究区域环境空气质量限值、总面积、各功能分区的分面积和当地的总量控制系数计算出研究区域的大气环境容量。A值法自1991年发布的《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 3840—91)提出以来，很多学者对其计算方法进行了一定程度的改进，如王勤耕等[12]在考虑控制区内外高架点源对控制区污染物总量的实际贡献的基础上，引入“影响风向”和“影响份额”的概念，对A值法进行了改进；马晓力等[13]引入两个浓度修正系数，建立了适合于川西古镇区域的SO2和总悬浮颗粒物(TSP)容量修正的箱式模型。GB/T 3840—91中，在考虑各地平均通风量的平均值及方差，并进行了适当修正的基础上，以行政区为单元对总量控制系数采用列表的形式进行了规定。但由于表中多个省市的总量控制系数都在一个范围内，如新疆、西藏、青海的推荐总量控制系数都是7.0×104～8.4×104km2/a，给实际应用中对于总量控制系数的选取增加了较大的不确定性。为了在计算各地区大气环境容量时，使总量控制系数的取值更符合实际，欧阳晓光[14]提出采用推荐值上下限与达标保证率相结合的方式确定总量控制系数，在一定程度上减少了总量控制系数取值的主观性对环境容量计算结果的影响。为了进一步提高准确率，一些学者尝试根据研究区域的实际情况计算平均通风量的方法，即通过平均风速和混合层高度相乘计算得到平均通风量。其中，平均风速可根据当地观测获取，对于混合层高度的计算，张军[15]提出采用《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ/T 2.2—93)中的混合层厚度计算方法，引入了对应于不同稳定度的混合层系数、全年稳定度分别为A～D和E～F的天数、地面10 m高处风速、不同气象条件出现的频率、不同气象条件下的风速幂指数、地理纬度和地转角速度等参数，在一定程度上提高了总量控制系数计算的准确性和针对性。王俊喜等[16]引入了季节系数对地理区域控制性系数进行修正，并计算了天府新区的大气环境容量，其中季节系数由研究区域一年中不同季节的平均风速和混合层高度确定。

由于干湿沉降和化学转化过程对大气环境质量有重要影响，在进行大气环境容量计算时，要根据污染物的性质和当期的气象条件决定是否考虑干湿沉降。因此，一些学者将干湿沉降的影响纳入到总量控制系数计算中。其中，徐大海等[17]引入了干沉降速度和清洗比两个参数计算总量控制系数，其中清洗比为湿沉降速度与降水率的比值，这些参数均可通过当地气象观测得到。对于研究区域环境空气质量要求，通常选取当地的环境质量标准，但一些学者也对其进行了一定的修正，如李文慧等[18]在进行西安大气环境容量研究时，西安外围区背景浓度取《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中一级标准的50%，主城区背景浓度取一级标准值的70%。

由以往的研究结果可以看出，A值法计算大气环境容量时，涉及到的总量控制系数、环境空气质量要求等关键参数需要根据当地的实际情况及数据的可获取性科学选取，在数据可获取的情况下，综合考虑混合层高度、干湿沉降等要素，将提高计算结果的准确性[19]。同时，根据当地环境管理要求，在标准限值选取和总量控制系数选取时也可以考虑达标保证率，取值时有一定的余量，确保所计算的大气环境容量在指导当地环境管理工作时，环境空气质量达到管理要求。各研究中大气环境容量中的参数选取总结于表1。

表1 A值法主要参数研究成果汇总

2 线性规划法

线性规划法是根据线性规划理论计算大气环境容量的方法。由于线性规划法只能解决目标函数和约束条件之间具有线性关系的问题，而污染源在某点形成的落地浓度与污染源源强之间一定条件下是呈现线性关系或近似线性关系，因此线性规划法可被用于解决大气环境容量的一些问题。该方法在模拟法的支撑下，以目标点位的限定浓度为约束条件，建立污染物浓度与大气环境容量之间的目标函数，在约束条件下，求出目标函数的最优解，即为该区域所对应的大气环境容量。线性规划法可反映污染源与受体的响应关系，一般来说主要适用于尺度较小的区域，且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[10]1838。

线性规划法早在20世纪60年代至70年代就被国外学者用于寻找大气污染控制费用最小策略[20-21]。1991年，原国家环境保护局与中国环境科学研究院共同编制完成的《城市大气污染总量控制方法手册》[22]中，除了将线性规划模型用于解决总费用最小的总量削减问题，还提出了针对新建工程项目和计划开发区域如何确定大气污染物最大允许排放量的线性规划模型。此后，线性规划法在大气环境容量计算中进行了改进和应用[23-24]。线性规划法涉及的主要参数为控制点的目标浓度限值、传递系数的确定及源强优化方法。控制点的目标浓度大多采用所属环境功能区的国家标准浓度限值[25],[26]17。张淑娟等[27]32在其研究中推荐的控制点选取原则为，以城市多源模型计算的年日均浓度最大值点为控制点，其余在各功能区均匀布置。可见，选取年日均浓度最大值点作为控制点，可确保大气环境容量计算结果更保守，符合整体达标的要求。传递系数一般采用模拟法进行计算[27]30。源强优化方法则主要考虑技术经济、源强布局、污染物排放上限等因素。王民良等[26]19在进行污染源源强优化时考虑了技术经济的限制，规定污染源源强增加幅度不超过1倍；张淑娟等[27]31在其研究中提出，为了避免单源过于集中而造成区域浓度过高，提出源强削减模型，对单源采用P值法控制，同时保证在规划实施中确定的污染源削减量尽可能小。李凤娟[28]认为，应增加点源排放控制系数相关的约束条件，并增加面源、线源分担率约束。从现有研究成果可以看出，通过选取年日均浓度最大值点为控制点、科学进行源强优化和削减，可以在实施污染源强度调控和污染源空间布局调整等措施的基础上，确定更优化、更符合实际的大气环境容量，用以指导区域大气环境管理。线性规划法计算大气环境容量中的参数选取总结于表2。

表2 线性规划法主要参数研究成果汇总

3 模拟法

模拟法利用环境空气质量数值模型模拟开发活动所排放的污染物引起的环境质量变化，满足环境管理要求的环境空气质量所对应的所有污染源排放量之和即为区域大气环境容量。模拟法与气象、地形和污染源参数等多种因素有关，多与线性规划法等方法结合使用，适用于计算不同尺度的区域大气环境容量。模拟法的核心为空气质量模型，自1970年到现在，美国环境保护署(USEPA)或其他机构共资助开发了3代空气质量模型[31]，其中，第1代空气质量模型于20世纪70年代至80年代由USEPA推出，分为箱式模型、高斯扩散模型和拉格朗日轨迹模型，其中高斯扩散模型主要包括ISC、AERMOD、ADMS等，拉格朗日轨迹模型包括OZIP/EKMA、CALPUFF等。第2代空气质量模型推出于20世纪80年代至90年代，主要是包括UAM、ROM、RADM在内的欧拉网格模型。20世纪90年代以后出现的第3代空气质量模型是以CMAQ、CAMx、WRF-CHEM、NAQPMS为代表的综合空气质量模型，即“一个大气”的模拟系统。一般来说，空气质量模型所涉及的参数包括地理信息、气象、污染源、控制点和环境质量现状监测等数据，根据模型的复杂程度略有差异。

在这些模型的基础上，一些学者对现有模型进行了一定改进，如王自发等[32]开发了一种运用区域空气质量模式的大气环境容量算法，该方法在进行大气环境质量模拟时，考虑了干湿沉降和化学转化量等参数，并利用监测资料验证研究区域空气质量模拟监测结果，查找误差来源进行结果校验；模拟计算结果达到国家环境空气质量标准浓度时所对应的大气环境容量即为研究区某种大气污染物的环境总容量。薛文博等[33]2491-2492建立了以PM2.5年均浓度达标为约束的大气环境容量迭代算法，构建了多目标非线性优化模型，计算出SO2、NOx、一次PM2.5和NH3等的大气污染物环境容量，该研究对PM2.5中关键组分(硫酸盐、硝酸盐、一次PM2.5和铵盐)分别进行了分析和计算。从以往研究和实践结果可以看出，模拟法相对于A值法和线性规划法来说，需要大量的地理、气象、污染源、环境质量现状等基础数据；同时，为了计算结果的准确性，干湿沉降和化学转化量等参数也需要考虑；必要时为了提高计算准确性，还要进行实测验证。可见，模拟法在计算大气环境容量时，对基础数据的收集和参数的选取要求更为复杂，结果相对来说更能反映当地的环境特征，进行实测验证后准确性可能相对更高。

4 多尺度应用

大气环境容量核算的应用范围涵盖了国家、城市群、城市、工业园区等不同尺度，为不同尺度大气环境管理提供依据。国家层面，薛文博等[33]2492-2494在我国333个地级市PM2.5达标的约束条件下，采用2010年1、4、7、10月逐时气象数据，通过WRF-CAMx的多源化学过程模拟、优化削减得到全国SO2、NOx、PM2.5、NH3等污染物的大气容量分别为1 363.26万、1 258.48万、619.04万、627.71万t。徐大海等[34]采用A值法，计算了大气污染物在边界层内均匀分布的条件下，中国大陆及各省份5、10、20、30、100年气候重现期和气候平均条件下的大气环境容量，其中气候平均条件下，中国大陆SO2、NO2、NOx、PM10、PM2.5、NH3的大气环境容量分别为1 302万、868万、1 085万、1 519万、759万、521万t/a，计算结果与薛文博等[33]2492-2494可比性相对较差。虽然计算过程允许一定的误差存在，但由于方法和参数选取的不同，导致计算结果的差异性也是大气环境容量计算中不容回避的问题。

城市群层面，郝吉明等[35]以京津冀和西北五省(自治区)为研究对象，利用GEOS-CHEM全球大气化学传输模式模拟计算大气污染源排放所带来的污染物浓度，以京津冀和西北五省(自治区)的网格平均地面PM2.5年均浓度达到GB 3095—2012要求为约束条件，计算出京津冀和西北五省(自治区)SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3的大气环境容量分别为60.9万、74.5万、29.5万、132.2万、626万t。陈云强等[36]采用A值法计算了川南经济区(包括内江、自贡、宜宾、泸州)SO2、NO2、PM10和PM2.5大气环境容量，分别为1 023.76万、653.4万、233.99万、110.86万t/a。刘新等[37]采用箱式模型，计算得出呼包鄂地区1961—2016年PM2.5年均大气环境容量为62.4 t/(d·km2)。

城市层面，李丽[38]采用A-P值法、ADMS模型模拟法和线性规划法对铁岭大气环境容量进行了估算，结果表明，3种方法计算得到的铁岭大气环境容量，分别为SO22.07万～3.37万t/a，NO22.11万～3.69万t/a，PM101.65万～3.50万t/a，TSP 3.38万～4.14万t/a。刘燕等[39]基于CALPUFF的高斯模式对呼和浩特环境空气质量进行了模拟，并在此基础上计算了SO2、NO2和PM10的大气环境容量，分别为11.829、70.688、23.753 t/a。此外，一些学者还对乌鲁木齐、绍兴等地区的大气环境容量进行了测算[40-41]。

工业园区层面，尹稚祯等[42]等采用修正的A值法计算出面积近300 km2的工业园区的SO2的环境容量平均值约为2.8万t。王宏超等[43]采用A值法计算出面积68.84 km2的宁国工业园区SO2、NO2和PM10的大气环境容量分别为4 530.15、6 460.2、 5 285.2 t/a。

从这些研究结果可以看出，大量学者采用不同的方法对国家、城市群、城市、工业园区等不同尺度的大气环境容量进行了估算，计算结果均对当地大气污染防治具有一定参考意义，但由于方法和参数的选取差别较大，很难实现较大尺度的环境容量计算结果对较小尺度环境容量结果的纵向比较和宏观指导。城市群、城市、工业园区往往又根据各自需要，采用不同的方法计算各自的大气环境容量，计算结果之间也很难协调和比较，这也大大削弱了大气环境容量在区域大气环境质量联防联控中发挥的作用。大气环境容量核算的现实需求已经从过去对特定空间尺度的大气环境容量进行精确核算，过渡到了全国、城市群、城市、工业园区等不同空间尺度大气环境容量核算结果相融合，实现多尺度协同管理的阶段。

5 结 语

本研究针对A值法、线性规划法、模拟法等大气环境容量估算方法中的参数选取及各方法在不同尺度上的应用情况进行了梳理分析，结果显示，A值法计算大气环境容量时，应根据研究区域实际情况和数据可获取情况，关注总量控制系数、环境空气质量要求等关键参数取值，在数据可获取的情况下，综合考虑混合层高度、干湿沉降等要素，将提高计算结果的准确性。采用线性规划法计算大气环境容量时，通过选取年日均浓度最大值点作为控制点，科学进行源强优化和削减，可以取得更符合实际的容量计算结果。模拟法与A值法和线性规划法相比，计算时需要的参数较多，要求更为复杂，计算结果更能够反映当地的自然环境特征，在实测验证基础上，计算结果可能相对更为准确。从多尺度应用来看，目前针对全国、城市群、城市、工业园区等不同空间尺度的大气环境容量的研究较多，但横向和纵向可比性较差，多尺度融合的大气环境容量研究较少，大气环境容量对区域大气联防联控的指导作用尚未充分发挥。未来，研究各方法的适用条件和参数取值并进行规范，实现多尺度大气环境容量的支持与响应，支持区域大气环境管理联防联控，将是大气环境容量研究的重点。