大气环境容量测算模型研究20152207014 李建文资料

大气环境容量测算研究

（[1**********] 环境工程 李建文）

摘要：中国城市的大气污染相当严重，对城市大气污染物实施总量控制将是控制城市大气环境管理污染的主要手段。人们对空气污染问题的关注促进了空气质量数值模式的发展，至今空气质量模式已经发展了三代。目前，国内外常用的模式有ISC3，ADMS ，AERMOD ，Models-3，CAPPS 等。本文主要介绍国内外应用的一些大气环境容量模型，了解各种模型的应用效果，根据实际问题的需求选择合适的空气质量模式，为测算地区环境容量提供依据。 关键词：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

随着我国工业、交通和建筑业的蓬勃发展，以二氧化碳、氮氧化物和悬浮颗粒物为主的大气污染日趋严重，已经成为我国政府和社会共同面临的严峻问题。大气环境容量是指某一范围内达到或满足大气质量标准所允许排放的最大污染物总量。城市大气环境是一个多变量、多目标、多层次的复杂系统。大气环境规划主要以总量控制为核心，在充分了解当地大气环境背景的基础上，根据大气环境质量管理目标及污染源分布现状，结合城市经济发展和总体规划，确定不同时期大气环境容量开发和利用的最佳方案。只有设计选用较为全面地考虑各种影响因素的一套大气环境总量规划模型，才能较为准确地估计大气环境容量，从而控制大气污染物允许排放总量。目前我国常用的大气污染物总量控制方案的制定方法有A-P

值法、多源模拟法等，这些方法各具特色，互有所长，但都有其局限性。

二、大气环境容量测算模型

1、 A-P 值法

A-P 值法为国家标准《制定大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T 3840-91）提出的总量控制区排放总量限值计算公式；根据计算出的排放量限值及大气环境质量现状本底情况，确定出该区域可容许的排放量。它首先是利用基于箱模型的A 值法计算出控制区的大气环境容量，然后利用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的约束条件下，确定各个点源的允许排放量。

在实际过程中，控制区内的高架点源往往对控制区仅产生部分影响(一部分扩散到区外) ，以及一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的污染源对区域的影响考虑进来，但这种处理难免显得过于粗糙。在此基础上，王勤耕等[2]于1997年提出了一种改进的A-P 值法控制法，他通过引入“影响风向”和“影响份额”的概念，合理地考虑了控制区内外高架点源对控制区的污染物总量的实际贡献。但是他在考虑区域内外高架点源影响时仅仅是以最大落地点的位置来判定污染物的影响作用，未免有点粗糙。如何更加准确地把握高架源对区域的影响是需要充分考虑的。

李文慧等[3]以箱模型为基本模型，利用陕西省气象台1961—2008年的气象资料，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，新的国家剩余容量。计算结果表明除临潼区A 值大于国标A 值外，其余各区县A 值小于国标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的月、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依据。ISCLT3模式基于高斯模型的湍流平稳、定常的基本假设。在几个月、甚至是一年的长时段内，各种风向均有可能出现，表征短时间的烟流横向扩散能力的σy 已不重要，因此需要利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用数值积分的方法来计算面源排放污染物的环境浓度。方法如下：

ISC3模式中城市大气扩散参数选用Briggs （城市）扩散参数。

烟气抬升采用Briggs 计算方法。

ISCLT3模式运行需要的参数主要包括：大气污染源排放参数、扩散过程的控制参数、污染气象参数、受体特征参数。

根据模型计算结果和本研究提出的颗粒物容量总量控制技术方法的计算结果，我们认为天津市城区控制区的环境容量分别为：SO 2 7.0万吨/年，NO 2 6.2万吨/年，PM 10 4.2万吨/年（煤烟尘），PM 10 12.7万吨/年（所有颗粒物源类达到二级标准时的允许排放量，相当于煤烟尘的量）。天津市城市控制区的环境容量分别为：SO 2 19.43万吨/年，NO 2 29.63万吨/年，PM 10 14.18万吨/年[4]。

3、 箱式模型与高斯复合模型

根据污染物质在扩散场中的质量“守恒”原理，大气环境容量计算箱模式一般表述为：

VdC=Qdt+VC’dt－VCdt －Q DW dt －Q 1dt －Q 2dt －Q 3dt

这样，当箱体内污染物浓度达到平衡时，第i 种污染物在i 级大气质量目标(Cij ) 下的环境容量为：

Q ij =V(Cij －C’)+ Q1+ Q2+ Q3。

大气质量浓度场模拟，对于点源：SO 2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，南通城市一区二镇三个箱体的大气环境容量以单位箱底面积(1km2) 计，天生港箱体的单位箱底面积大气环境容量最大，其中：SO 2为4580t/a·km 2，分别是唐闸箱箱体(365t/a·km 2) 和城区箱体(162t/a·km 2) 的12.5倍和25.3倍；TSP 为4879t/a·km 2，分别是唐闸镇箱体(374t/a·km 2) 和城区箱体(158t/a·km 2) 的13.0倍和30.9倍。根据南通城市大气污染物排放预测情况，若一城二镇大气污染源仍按目前的排放方式，则2020年共需削减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的基础

上，综合考虑污染物的物理、化学去除机理，反映污染物在横向、纵向及高度三维方向上的扩散、污染源分布的不同和气象条件的变化及它们对周围环境的影响。

考虑北京市的社会经济情况、城市布局及各种污染源分布密度等情况，在Mapinfo 系统中根据北京市空间矢量地图划定多维多箱模型的各个箱体，拟定为38个箱体，依据大气混合层高度，在高度方向上将研究区域分成3个相等部分，构成1个三维多箱箱体。共组成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个方程构成的方程组。依次对4个主风向组(即N 、W 、S 、E) 建立方程组。

利用Mapinfo 系统的空间矢量地图，以输入污染源数据的北京市空间矢量地图图层为目标图层，用划定的多维多箱空间网格图层对其进行数值处理，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，依据已划定的各箱体位置，确定高斯模型坐标系，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确定了北京市2002年不同达标率下的大气PM10环境容量。当达标率为80%时，北京市PM 10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的一个为环境管理提供支持的复合工业源空气质量扩散模式，是基于统计理论的正态烟流模式，使用的公式为目前广泛应用的稳态封闭型高斯扩散方程。ISC3模式的模拟范围小于50km ， 模拟物质为一次污染物， 模式采用逐时的气象观测数据，来确定气象条件对烟流抬升、传输和扩散的影响[7]。

ISC3扩散模型的核心是高斯烟流模型，它有如下的一些功能：

（1）ISC3扩散模型可以用来模拟大气主要污染物和有毒物质及危险废弃污染物质的连续排放。

（2）能处理多重来源，包括点、立体、线、面和露天矿等各类源。

（3）污染源的源强可按年、季、月、小时等根据需要选取设定。

（4）可以计算点源排放时由于附近建筑造成的空气动力学气流下洗的影响。

（5）模型包含模拟大微粒（通过干沉积）的沉积和清除的结果以及模拟气体或微粒沉积清除影响的一些算法。

（6）ISC3模型使用实时气象数据来计算影响模拟地区的空气污染分布的大气条件。

（7）结果输出可以是浓度、总沉积量、干沉积量或湿沉积量。

4、AERMOD 模式

AERMOD 模式是在ISC3模式基础上开发得到的，该系统以扩散统计理论为出发点， 假设污染物的浓度分布在一定程度上服从高斯分布。模式系统可用于多种排放源(包括点源、面源和体源) 的排放，也适用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等多种排放扩散情形的模拟和预测[7]。

AERMOD 调整模型包含的选项跟ISC3模型基本上是一样的，只有以下一些区别：

（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：一个文件包含表面标量参数，第二个文件包括垂直

横断面。此两个文件由美国EPA-AERMET 气象预处理程序提供。使用包括地面海拔的应用程序时，输入接受点海拔的同时用户又要输入山丘高度范围。EPA-AERMET 地面预处理程序可以用来产生所有接受点位置的山丘高度和地面海拔。

（3） 为调试的目的可以要求两种中间结果文件。第一种包括模型结果相关的信息，第二

种包括气象数据的网格横断面。

（4） AERMOD 不支持露天矿各类源。

（5） AERMOD 包括另外两种输出文件。第一种按排序列出浓度；第二种输出提供弧形

最大值结果和与其相关烟流属性的详细文件。

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的大气环境影响，并结合环境质量现状监测数据计算确定园区大气环境容量值，结果得到工业园区SO 2、NO 2的排放量分别为156.18 t/a、145.68 t/a，占环境空气容量的46.4％、69.4％。同时，研究结果表明，AERMOD 模型结合了预测区域内的环境质量现状、地形地貌、污染环境气象资料等情况，计算出大气环境容量值接近工业园区环境现状情况，与A-P 值计算结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

美国环保局研制的第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的。该系统可用于多尺度、多污染物的空气质量的预报、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大模式组成，其核心是通用多尺度空气质量模式(CMAQ)[7]。

6、基于 CMAQ 的大气模型

选取空气质量模型CMAQ 计算研究区域的大气环境容量。具体方法是通过将不同污染源数据输入模型，选取1、4、7、10 四个月份作为研究区域大气环境容量的代表月，根据空气质量模拟结果判断该区域各代表月某种污染物的不同达标率情况下的大气环境容量。在 GIS 系统的辅助下，对污染源的增减采用试差法，即在现状排放量和达标率基础上，对污染物排放量进行调整，重新进行数值计算，以满足不同的达标率要求。该达标率条件下的污染物排放量，即为该达标率条件下污染物的大气环境容量。

利用CMAQ 建立了研究区域的空气质量模型系统，获得了2006年1、4、7、10四季代表月的3km 网格分辨率的 PM 10、SO 2、NO 2污染物浓度的小时浓度值。以空气环境质量二级标准为基准，通过对研究区域的污染源排放量的循环调节，并结合空气质量监测数据，建立了达标率与环境容量的关系曲线，确定了不同达标率下的大气环境容量，并充分反映容量的季节性变化特征[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的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的城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城市空气污染潜势指数(PPI)和 SO 2，NO 2，PM 10，CO 等主要污染物的污染指数(API)，克服了由污染源调查本身具有的不确定性给城市空气污染的数值预报所带来的困难。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 系统气象模式的水平网格为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。箱格模式的顶层为大气边界层顶，水平分辨率由箱体底面积输入参数自动确定[7]。

8、多源高斯模型

以控制区内1000×1000网格的网格节点为计算点坐标，同时岳阳市的五个常规监测点的坐标也纳入计算点，共有148点计算点. 通过模型计算，计算出148个计算点的污染物浓度。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，目前实际排放量1.389万吨/年，计算点的PM 10的浓度有超标，因此必须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PM 10的排放量755.3吨/年，通过一些措施，使其扬尘贡献浓度减少0.06mg/m3，最后，削减后PM 10的容量为1.314万吨/年，则各计算点的地面浓度均达标。

研究结果表明，多源高斯模型能有效地应用于岳阳市的大气环境容量的计算。该成果可

以为制定岳阳市的大气环境质量达标削减规划提供科学依据[10]。

9、CALPUFF 模型

CALPUFF 是适用于广域的大气扩散模型，可以模拟几十米到几百公里的区域，在区域范围较广和复杂地形条件下的应用具有突出优势，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拟测得的基础模型，建立大气环境容量的线性优化模型，采用浓度-排放量反推模式测算SO 2环境容量。

CALPUFF 是一个烟团扩散模型系统，属于高斯型解的拉格朗日型K 模式，可模拟三维流场中随时间和空间发生变化的污染物输送、转化和清除过程。

根据测算区域的大气环境功能及相应指标，以污染源的排放量之和最大为目标，所有源对每个控制点的总浓度贡献均小于控制目标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的变化。CALPUFF 通过对输入的排放清单进行模拟计算得出各源对控制点的传输系数。

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个虚拟源的允许排放量分别为0.48万t/a、0.58万t/a、0.51万t/a，允许排放量之和为1.57万t/a，加上现有污染源二氧化硫排放量1.20万t/a，西昌市SO2容量测算结果为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) 中最复杂的一个. 它可以模拟城市区域来自工业、民用和道路交通的污染源产生的污染物在大气中的扩散，并用点源、线源、面源、体源和网格源模型来模拟这些污染源[12]。

运用ADMS-Urban 系统模型对两种气象条件下优化分配后的SO 2环境容量各进行5次的分析模拟，取得两种情况下各个点源高度对应的环境容量，结果表明，虽然研究中引进的北海市气象资料和奎屯市的气象资料有很大差异，两城市优化后的环境容量相差并不大，随着点源高度增加相应的环境容量的增加量也非常相近，即点源高度每增加20m ，环境容量大约增加1800t/年左右。由此可以得出，区域环境的气象条件对该区域优化分配后的环境容量

的影响并不大。

实践表明，运用ADMS- Urban模型，结合ArcGIs 软件与线性规划模式，可以更准确更系统地测算和规划区域环境的环境容量，在污染物扩散与浓度分布的分析与模拟方面具有更多的优势[13]。

（2）ADMS 模型复杂地形的应用

重庆市是一座典型的山地城市，丘陵山地多，有着起伏较大的地形，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情况的差异，选择区域中的特征污染物进行环境监测和污染源的实际监测，并与模型的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个点的预测值与监测值的统计分析表明，ADMS 模型相比于导则模型有较大的相关系数，较高的符合指数，较低的系统均方差，P/O平均值更接近于1，P/O标准偏差更小，说明了ADMS 在复杂地形上应用能够获得较好的预测结果，而导则模型尽管可以在复杂地形区应用，但其预测结果则有较大的偏差。

ADMS 对复杂地形区域的预测效果优于导则模型，且对地形数据敏感，因此将其应用于山地区域将会获得比导则模型更优的预测结果。但由于此次应用预测区域较小，且为乡村，其下垫面变化小，污染源简单，与重庆城区仍有较大差别[14]。

参考文献

[1] GB/T3840-91,制定地方大气污染物排放标准的技术原则和方法[S].

[2] 王勤耕, 吴跃明. 一种改进的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 值法的西安市大气环境容量与剩余容量估算[J]. 安全与环

境工程, 2013, 20 (4): 71-75.

[4] 天津市大气环境容量核定技术报告,2004.

[5] 杜敏敏. 一种用箱模式与高斯模式结合计算大气环境容量的方法[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, 2007, 7 (1): 71-75.

[7] 聂邦胜. 国内外常用的空气质量模式介绍[J]. 江苏环境科技, 2008, 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的应用研究[J]. 科技

创新导报, 2013 (4): 159-160.

[9] 李 莉, 程水源等. 基于CMAQ 的大气环境容量计算方法及控制策略[J]. 环境科学与技

术, 2010, 33 (8): 162-166.

[10] 万 群, 汪 铁. 多源高斯模型下岳阳市的大气环境容量研究[J]. 湖南理工学院学报（自

然科学报）, 2007, 20 (4): 88-94.

[11] 王红磊, 钱 骏等. CALPUFF 模型在大气环境容量测算中的应用研究[J]. 环境科学与管

理, 2008, 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, 2008(13): 370-372.

[13] 徐 鹤, 丁 洁, 冯晓飞. 基于ADMS-Urban 的城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), 2010, 43 (4): 67-72.

[14] 胡 刚, 王里奥等. ADMS模型在复杂地形地区的应用[J]. 重庆大学学报（自然科学版）,

2007, 30 (12): 42-46.