大气环境容量测算模型研究应用李建文.doc

大气环境容量测算研究
（2207014 环境工程 李建文）
摘要：中华人民共和国都市大气污染相称严重，对都市大气污染物实行总量控制将是控制都市大气环境管理污染重要手段。人们对空气污染问题关注增进了空气质量数值模式发展，至今空气质量模式已经发展了三代。当前，国内外惯用模式有ISC3，ADMS，AERMOD，Models-3，CAPPS等。本文重要简介国内外应用某些大气环境容量模型，理解各种模型应用效果，依照实际问题需求选取适当空气质量模式，为测算地区环境容量提供根据。
核心词：大气，环境容量，模型

Abstract：The people's concern to the air pollution problem promoted the development of air quality numerical model. Up to the present，the air quality model has already developed for three eras. Currently，the common models contain ISC3，ADMS，AERMOD，Models-3，CAPPS etc in domestic and international. The right model should be selected by actual problem. The calculation models for the atmospheric capacity are introduced in this paper，and the applicability of all kinds of models is analyzed. According to the need of actual situation choose relevant air quality model，providing rationale for calculating regional environmental capacity.
Key words：Atmosphere；Environmental capacity；Model.

一、前言
随着国内工业、交通和建筑业蓬勃发展，以二氧化碳、氮氧化物和悬浮颗粒物为主大气污染日趋严重，已经成为国内政府和社会共同面临严峻问题。大气环境容量是指某一范畴内达到或满足大气质量原则所容许排放最大污染物总量。都市大气环境是一种多变量、多目的、多层次复杂系统。大气环境规划重要以总量控制为核心，在充分理解本地大气环境背景基本上，依照大气环境质量管理目的及污染源分布现状，结合都市经济发展和总体规划，拟定不同步期大气环境容量开发和运用最佳方案。只有设计选用较为全面地考虑各种影响因素一套大气环境总量规划模型，才干较为精确地预计大气环境容量，从而控制大气污染物容许排放总量。当前国内惯用大气污染物总量控制方案制定办法有A-P值法、多源模仿法等，这些办法各具特色，互有所长，但均有其局限性。
二、大气环境容量测算模型
1、 A-P值法
A-P值法为国标《制定大气污染物排放原则技术办法》（GB/T 3840-91）提出总量控制区排放总量限值计算公式；依照计算出排放量限值及大气环境质量现状本底状况，拟定出该区域可容许排放量。它一方面是运用基于箱模型A值法计算出控制区大气环境容量，然后运用P值法[1]。在区域内所有污染源排放量之和在不超过上述容量约束条件下，拟定各个点源容许排放量。
在实际过程中，控制区内高架点源往往对控制区仅产生某些影响(一某些扩散到区外)，以及某些区外高架源对于区域内部也会产生影响。尽管可以通过考虑背景浓度将控制区周边污染源对区域影响考虑进来，但这种解决难免显得过于粗糙。在此基本上，王勤耕等[2]于1997年提出了一种改进A-P值法控制法，她通过引入“影响风向”和“影响份额”概念，合理地考虑了控制区内外高架点源对控制区污染物总量实际贡献。但是她在考虑区域内外高架点源影响时仅仅是以最大落地点位置来鉴定污染物影响作用，未免有点粗糙。如何更加精确地把握高架源对区域影响是需要充分考虑。
李文慧等[3]以箱模型为基本模型，运用陕西省气象台1961—气象资料，推导出了大气环境容量宏观总量控制修正A值法，并基于修正A值法估算了西安市各区县大气环境容量，新国家剩余容量。计算成果表白除临潼区A值不不大于国标A值外，别的各区县A值不大于国标A值。
2、 ISCLT3（The Industrial Source Complex Long-Term Model）长期平均模式
ISCLT3属于高斯型模式，可对大气污染物浓度月、季、年时空变化规律进行计算和分析，为环境规划、污染控制管理提供科学根据。ISCLT3模式基于高斯模型湍流平稳、定常基本假设。在几种月、甚至是一年长时段内，各种风向均有也许浮现，表征短时间烟流横向扩散能力σy已不重要，因而需要运用风向频率来计算水平浓度分布（高斯扇面平均公式）。
点源排放污染物环境浓度计算：
ISCLT3用数值积分办法来计算面源排放污染物环境浓度。办法如下：

ISC3模式中都市大气扩散参数选用Briggs（都市）扩散参数。
烟气抬升采用Briggs计算办法。
ISCLT3模式运营需要参数重要涉及：大气污染源排放参数、扩散过程控制参数、污染气象参数、受体特性参数。
依照模型计算成果和本研究提出颗粒物容量总量控制技术办法计算成果，咱们以为天津市城区控制区环境容量分别为：SO2 7.0万吨/年，NO2 6.2万吨/年，PM10 4.2万吨/年（煤烟尘），PM10 12.7万吨/年（所有颗粒物源类达到二级原则时容许排放量，相称于煤烟尘量）。天津市都市控制区环境容量分别为：SO2 19.43万吨/年，NO2 29.63万吨/年，PM10 14.18万吨/年[4]。
3、 箱式模型与高斯复合模型
依照污染物质在扩散场中质量“守恒”原理，大气环境容量计算箱模式普通表述为：
VdC=Qdt+VC’dt－VCdt－QDWdt－Q1dt－Q2dt－Q3dt
这样，当箱体内污染物浓度达到平衡时，第i种污染物在i级大气质量目的(Cij)下环境容量为：
Qij=V(Cij－C’)+ Q1+ Q2+ Q3。
大气质量浓度场模仿，对于点源：SO2采用高斯正态烟云扩散模型；TPS采用高斯扩散—沉积模型。面源采用虚拟点源法。
经计算，南通都市一区二镇三个箱体大气环境容量以单位箱底面积(1km2)计，天生港箱体单位箱底面积大气环境容量最大，其中：SO2为4580t/a·km2，分别是唐闸箱箱体(365t/a·km2)和城区箱体(162t/a·km2)12.5倍和25.3倍；TSP为4879t/a·km2，分别是唐闸镇箱体(374t/a·km2)和城区箱体(158t/a·km2)13.0倍和30.9倍。依照南通都市大气污染物排放预测状况，若一城二镇大气污染源仍按当前排放方式，则共需削减SO2为59649t/a，削减TSP为7555t/a[5]。
复合模型由高斯模型与多维多箱模型组合而成。多维多箱模型建立在质量平衡基本上，综合考虑污染物物理、化学去除机理，反映污染物在横向、纵向及高度三维方向上扩散、污染源分布不同和气象条件变化及它们对周边环境影响。
考虑北京市社会经济状况、都市布局及各种污染源分布密度等状况，在Mapinfo系统中依照北京市空间矢量地图划定多维多箱模型各个箱体，拟定为38个箱体，根据大气混合层高度，在高度方向上将研究区域提成3个相等某些，构成1个三维多箱箱体。共构成38×3=114个箱体。对每个子箱体写出质量平衡方程，在每个主风向组下，对每个子箱体建1个方程，得到由114个方程构成方程组。依次对4个主风向组(即N、W、S、E)建立方程组。

运用Mapinfo系统空间矢量地图，以输入污染源数据北京市空间矢量地图图层为目的图层，用划定多维多箱空间网格图层对其进行数值解决，在多维多箱空间网格图层属性表上生成污染源数据库，运用Matlab软件，计算出各子箱体污染物平均预测质量浓度。
计算点源质量浓度时，根据已划定各箱体位置，拟定高斯模型坐标系，结合北京地区实际输入高斯模型参数，采用高斯模型计算出污染物点源平均质量浓度。研究应用试差法研究拟定了北京市不同达标率下大气PM10环境容量。当达标率为80%时，北京市PM10环境容量为89 228·3 T/a，削减量为83 670·2 T/a [6]。
3、ISC3模式
ISC3(Industrial Source Complex 3)模式是美国环保局开发一种为环境管理提供支持复合工业源空气质量扩散模式，是基于记录理论正态烟流模式，使用公式为当前广泛应用稳态封闭型高斯扩散方程。ISC3模式模仿范畴不大于50km， 模仿物质为一次污染物， 模式采用逐时气象观测数据，来拟定气象条件对烟流抬升、传播和扩散影响[7]。
ISC3扩散模型核心是高斯烟流模型，它有如下某些功能：
（1）ISC3扩散模型可以用来模仿大气重要污染物和有毒物质及危险废弃污染物质持续排放。
（2）能解决多重来源，涉及点、立体、线、面和露天矿等各类源。
（3）污染源源强可按年、季、月、小时等依照需要选用设定。
（4）可以计算点源排放时由于附近建筑导致空气动力学气流下洗影响。
（5）模型包括模仿大微粒（通过干沉积）沉积和清除成果以及模仿气体或微粒沉积清除影响某些算法。
（6）ISC3模型使用实时气象数据来计算影响模仿地区空气污染分布大气条件。
（7）成果输出可以是浓度、总沉积量、干沉积量或湿沉积量。
4、AERMOD 模式
AERMOD 模式是在ISC3模式基本上开发得到，该系统以扩散记录理论为出发点， 假设污染物浓度分布在一定限度上服从高斯分布。模式系统可用于各种排放源(涉及点源、面源和体源)排放，也合用于乡村环境和都市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等各种排放扩散情形模仿和预测[7]。

AERMOD调节模型包括选项跟ISC3模型基本上是同样，只有如下某些区别：
（1） 该模型仅计算浓度值，不能计算干、湿沉降。
（2） AERMOD需要两种气象数据：一种文献包括表面标量参数，第二个文献涉及垂直横断面。此两个文献由美国EPA-AERMET气象预解决程序提供。使用涉及地面海拔应用程序时，输入接受点海拔同步顾客又要输入山丘高度范畴。EPA-AERMET地面预解决程序可以用来产生所有接受点位置山丘高度和地面海拔。
（3） 为调试目可以规定两种中间成果文献。第一种涉及模型成果有关信息，第二种涉及气象数据网格横断面。
（4） AERMOD不支持露天矿各类源。
（5） AERMOD涉及此外两种输出文献。第一种按排序列出浓度；第二种输出提供弧形最大值成果和与其有关烟流属性详细文献。
研究以广州（梅州）产业转移工业园二期建设为例，通过用AERMOD模型分析工业园区建设带来大气环境影响，并结合环境质量现状监测数据计算拟定园区大气环境容量值，成果得到工业园区SO2、NO2排放量分别为156.18 t/a、145.68 t/a，占环境空气容量46.4％、69.4％。同步，研究成果表白，AERMOD模型结合了预测区域内环境质量现状、地形地貌、污染环境气象资料等状况，计算出大气环境容量值接近工业园区环境现状状况，与A-P值计算成果对比更适合工业园区大气环境容量计算使用[8]。
5、Models- 3 模式
美国环保局研制第3代空气质量预报和评估系统(Models-3)是由美国环保局野外研究实验室大气模式研制组研制。该系统可用于多尺度、多污染物空气质量预报、评估和决策研究等。Models-3系统由中尺度气象模式、排放模式以及通用多尺度空气质量模式3大模式构成，其核心是通用多尺度空气质量模式(CMAQ)[7]。
6、基于 CMAQ 大气模型
选用空气质量模型CMAQ计算研究区域大气环境容量。详细办法是通过将不同污染源数据输入模型，选用1、4、7、10 四个月份作为研究区域大气环境容量代表月，依照空气质量模仿成果判断该区域各代表月某种污染物不同达标率状况下大气环境容量。在 GIS系统辅助下，对污染源增减采用试差法，即在现状排放量和达标率基本上，对污染物排放量进行调节，重新进行数值计算，以满足不同达标率规定。该达标率条件下污染物排放量，即为该达标率条件下污染物大气环境容量。
运用CMAQ建立了研究区域空气质量模型系统，获得了1、4、7、10四季代表月3km网格辨别率 PM10、SO2、NO2污染物浓度小时浓度值。以空气环境质量二级原则为基准，通过对研究区域污染源排放量循环调节，并结合空气质量监测数据，建立了达标率与环境容量关系曲线，拟定了不同达标率下大气环境容量，并充分反映容量季节性变化特性[9]。
7、CAPPS 系统
CAPPS系统是用有限体积法对大气平流扩散方程积分得到多尺度箱格预报模型与 MM5或MM4中尺度数值预报模式嵌套形成都市空气污染数值预报系统。它不需要污染源强资料就可预报出都市空气污染潜势指数(PPI)和 SO2，NO2，PM10，CO等重要污染物污染指数(API)，克服了由污染源调查自身具备不拟定性给都市空气污染数值预报所带来困难。CAPPS系统由MOMS中尺度气象模式提供气象背景场，再用大气平流扩散箱格模式预报污染潜势指数和污染指数。CAPPS系统气象模式水平网格为46×61，格距60 km， 模式网格中心点可以移动。垂直方向分为10层，采用气压坐标系。箱格模式顶层为大气边界层顶，水平辨别率由箱体底面积输入参数自动拟定[7]。

8、多源高斯模型
以控制区内1000×1000网格网格节点为计算点坐标，同步岳阳市五个常规监测点坐标也纳入计算点，共有148点计算点. 通过模型计算，计算出148个计算点污染物浓度。采用试差法计算大气环境容量，通过大气环境容量模型计算，当前实际排放量1.389万吨/年，计算点PM10浓度有超标，因而必要对可控烟源和地面扬尘进行削减和控制。
关闭光明砖厂、胥家桥砖厂等小型砖厂，这些砖厂大量消耗粘土资源，规模小，煤为燃料，无除尘设施，关闭这些砖厂，可削减PM10排放量755.3吨/年，通过某些办法，使其扬尘贡献浓度减少0.06mg/m3，最后，削减后PM10容量为1.314万吨/年，则各计算点地面浓度均达标。
研究成果表白，多源高斯模型能有效地应用于岳阳市大气环境容量计算。该成果可觉得制定岳阳市大气环境质量达标削减规划提供科学根据[10]。
9、CALPUFF模型
CALPUFF是合用于广域大气扩散模型，可以模仿几十米到几百公里区域，在区域范畴较广和复杂地形条件下应用品有突出优势，研究尝试以CALPUFF大气扩散模型作为区域气象场和环境质量模仿测得基本模型，建立大气环境容量线性优化模型，采用浓度-排放量反推模式测算SO2环境容量。
CALPUFF是一种烟团扩散模型系统，属于高斯型解拉格朗日型K模式，可模仿三维流场中随时间和空间发生变化污染物输送、转化和清除过程。
依照测算区域大气环境功能及相应指标，以污染源排放量之和最大为目的，所有源对每个控制点总浓度贡献均不大于控制目的值和各污染源排放量非负为约束条件，建立大气环境容量线性规划模型。当污染物排放强度发生变化时，可以通过传递系数矩阵得到反映污染物长期平均浓度分布变化。CALPUFF通过对输入排放清单进行模仿计算得出各源对控制点传播系数。
用Matlab软件解线性规划模型，钒钛工业园区、北工业区和经久园区3个虚拟源容许排放量分别为0.48万t/a、0.58万t/a、0.51万t/a，容许排放量之和为1.57万t/a，加上既有污染源二氧化硫排放量1.20万t/a，西昌市SO2容量测算成果为2.77万t/a [11]。

10、ADMS模型
（1）ADMS-Urban模式简介
ADMS-Urban模式是ADMS模式系统(ADMS-Sereen、ADMS-Industrial、ADMS-Roads、ADMS-EIA、ADMS-Urban)中最复杂一种.它可以模仿都市区域来自工业、民用和道路交通污染源产生污染物在大气中扩散，并用点源、线源、面源、体源和网格源模型来模仿这些污染源[12]。
运用ADMS-Urban系统模型对两种气象条件下优化分派后SO2环境容量各进行5次分析模仿，获得两种状况下各个点源高度相应环境容量，成果表白，虽然研究中引进北海市气象资料和奎屯市气象资料有很大差别，两都市优化后环境容量相差并不大，随着点源高度增长相应环境容量增长量也非常相近，即点源高度每增长20m，环境容量大概增长1800t/年左右。由此可以得出，区域环境气象条件对该区域优化分派后环境容量影响并不大。
实践表白，运用ADMS- Urban模型，结合ArcGIs软件与线性规划模式，可以更精确更系统地测算和规划区域环境环境容量，在污染物扩散与浓度分布分析与模仿方面具备更多优势[13]。
（2）ADMS模型复杂地形应用
重庆市是一座典型山地都市，丘陵山地多，有着起伏较大地形，这使得污染物扩散过程非常复杂。为了比较模型预测数据与实际状况差别，选取区域中特性污染物进行环境监测和污染源实际监测，并与模型预测值进行对比分析。
ADMS模型和导则模型对不同方位4个点和SSW方位12个点预测值与监测值记录分析表白，ADMS模型相比于导则模型有较大有关系数，较高符合指数，较低系统均方差，P/O平均值更接近于1，P/O原则偏差更小，阐明了ADMS在复杂地形上应用可以获得较好预测成果，而导则模型尽管可以在复杂地形区应用，但其预测成果则有较大偏差。
ADMS对复杂地形区域预测效果优于导则模型，且对地形数据敏感，因而将其应用于山地区域将会获得比导则模型更优预测成果。但由于本次应用预测区域较小，且为乡村，其下垫面变化小，污染源简朴，与重庆城区仍有较大差别[14]。

参照文献
[1] GB/T3840-91,制定地方大气污染物排放原则技术原则和办法[S].
[2] 王勤耕,吴跃明. 一种改进A-P值控制法[J].环境科学学报，1997，17 (3).
[3] 李文慧,陈洁等. 基于修正A值法西安市大气环境容量与剩余容量估算[J]. 安全与环境工程，，20 (4)：71-75.
[4] 天津市大气环境容量核定技术报告,.
[5] 杜敏敏. 一种用箱模式与高斯模式结共计算大气环境容量办法[J]. 重庆环境科学，1995，17 (6)：31-34.
[6] 吴丽芳,程水源等. 应用多维多箱与高斯复合模型研究大气环境容量[J]. 安全与环境工程，，7 (1)：71-75.
[7] 聂邦胜. 国内外惯用空气质量模式简介[J]. 江苏环境科技，，21 (1)：125-128.
[8] 吴耀光，吴 淮等. AERMOD模型在工业园区大气环境容量计算中应用研究[J]. 科技创新导报， (4)：159-160.
[9] 李 莉，程水源等. 基于CMAQ大气环境容量计算办法及控制方略[J]. 环境科学与技术，，33 (8)：162-166.
[10] 万 群，汪 铁. 多源高斯模型下岳阳市大气环境容量研究[J]. 湖南理工学院学报（自然科学报），，20 (4)：88-94.
[11] 王红磊，钱 骏等. CALPUFF模型在大气环境容量测算中应用研究[J]. 环境科学与管理，，33 (12)：169-172.
[12] Di Sabation S，Buccolieri R，Pulvirenti B，et al. Flow and pollutant dispersion in street canyons using fluent and ADMS-Urban[J]. Environ Model Assess，(13)：370-372.
[13] 徐 鹤，丁 洁，冯晓飞. 基于ADMS-Urban都市区域大气环境容量测算与规划[J]. 南开大学学报(自然科学版)，，43 (4)：67-72.
[14] 胡　刚，王里奥等. ADMS模型在复杂地形地区应用[J]. 重庆大学学报（自然科学版），，30 (12)：42-46.