柴瑩瑩，孟曉杰?，申璐，薛明明，廖鳳娟

1.中國環(huán)境科學研究院生態(tài)研究所

2.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境管理研究中心

當前,大氣環(huán)境質量狀況已經成為公眾關注的焦點,工業(yè)園區(qū)由于大氣污染物排放量大且較為集中,一直是大氣污染防控的重中之重。據統(tǒng)計,“十二五”期間,中國工業(yè)園區(qū)實現工業(yè)總產值占本地區(qū)工業(yè)總產值的50%以上,工業(yè)企業(yè)入園率達到40%左右。工業(yè)園區(qū)企業(yè)的集中分布在引導產業(yè)聚集、促進科技創(chuàng)新中發(fā)揮了重要作用,但其發(fā)展過程中帶來的污染物問題也日益受到重視,特別是大氣污染物排放問題。當污染物排放量超出大氣環(huán)境承載力時,就會產生環(huán)境污染,對周邊區(qū)域的生產生活造成不良影響。因此,準確掌握工業(yè)園區(qū)大氣環(huán)境容量,對控制園區(qū)內企業(yè)污染物排放,加強日常監(jiān)管具有重要現實意義。

目前,常用的工業(yè)園區(qū)大氣環(huán)境容量估算方法有指標體系法[1-4]、A-P值法[5-6]、模擬法[7-9]、線性規(guī)劃法[10-12]、綜合法[13-15]等。這些方法各有所長,也均有其局限性。A-P值法發(fā)展較早,使用較為簡單,但誤差較大,無法考慮污染物干濕沉積及化學轉化,不能充分反映污染源排放和控制點污染物濃度的關聯,無法體現污染源空間分布對承載力的影響[16]。模擬法輸入要求高,計算量大,對污染源源強的準確性要求較高,否則計算結果會有較大偏差[11]。線性規(guī)劃法通過建立“排放源—受體”之間的響應關系,以區(qū)域污染物排放量最大化為目標,通過調整各排放源的排放量,實現區(qū)域環(huán)境容量資源配置,最終計算出區(qū)域大氣環(huán)境容量[17]。由于線性規(guī)劃法可以將大氣環(huán)境容量與大氣污染物總量控制結合起來,精度較高,對管理支撐更有針對性,因此得到了廣泛應用[18]。

Teller[19]于1968年首次在環(huán)境空氣質量管理中引入線性規(guī)劃模型。1994年,Teng等[20]開發(fā)了一套多屬性規(guī)劃方法以解決空氣質量改善策略的優(yōu)選問題。國內學者在利用線性規(guī)劃法解決大氣環(huán)境承載力問題方面的研究起步較晚。1991年,原國家環(huán)境保護局與中國環(huán)境科學研究院共同編制完成了《城市大氣污染總量控制方法手冊》[21],手冊將線性規(guī)劃法作為總量控制規(guī)劃優(yōu)化方法,通過線性規(guī)劃法制定切實可行又經濟有效的大氣環(huán)境規(guī)劃。1995年,王建平等[22]采用線性規(guī)劃法計算了昌吉市大氣環(huán)境承載力,該研究將控制點環(huán)境目標設置為所屬環(huán)境功能區(qū)的國家標準濃度限值,傳遞系數則采用高斯擴散模式計算得到,為制定控制區(qū)域大氣污染物排放總量提供了依據。1996年,王民良等[23]在研究污染源源強優(yōu)化時增加了技術經濟限制,規(guī)定污染源源強增幅不超過1倍,同時分析了不同控制目標下的允許排放量。同年,張淑娟等[24]在其研究中推薦了控制點的選取原則,以城市多源模型計算的年日均濃度最大值點為控制點,其余采樣點在各功能區(qū)均勻布置,此外,為了避免單源過于集中而造成區(qū)域濃度過高,提出源強削減模型,對單源采用P值控制,同時保證在規(guī)劃實施中確定的污染源削減量盡可能小。2002年,李鳳娟[25]對線性規(guī)劃法最大排放量模型進行了進一步改進,增加面源、線源分擔率的約束,避免對面源、線源削減過度。2005年,王金南等[17]對4種線性規(guī)劃法允許排放量的設置方法進行了比較,分析各種方法的優(yōu)缺點,并給出推薦方法。

線性規(guī)劃法能較好地考慮污染源分布及污染物在環(huán)境中的遷移轉化,并以傳遞系數的形式體現在模型中,適用于即將進行技術改造、規(guī)劃調整的現有開發(fā)區(qū)。目前,研究者常用污染物國家環(huán)境質量限值作為環(huán)境控制目標進行大氣環(huán)境承載力計算,對于環(huán)境質量本底較好的區(qū)域,該方法得出的大氣環(huán)境承載力較大,依此推算出的污染源允許排放量過高,不適用于在實際中指導規(guī)劃調整。2017年,生態(tài)環(huán)境部提出“一個區(qū)域的環(huán)境質量只能改善不能惡化,這是我們的底線”。為了滿足新形勢下的環(huán)保要求,筆者提出將規(guī)劃污染源在控制點處的預測濃度作為環(huán)境質量控制目標,通過區(qū)域污染源布局優(yōu)化,提高規(guī)劃污染源允許排放量,同時保證規(guī)劃調整前后環(huán)境質量不惡化。以平頂山市某產業(yè)園區(qū)為例,建立大氣環(huán)境承載力評價模型進行驗證,以期為產業(yè)園區(qū)一次污染物允許排放量的計算提供經驗,為產業(yè)園區(qū)規(guī)劃調整提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

1.1.1 污染源

平頂山市某產業(yè)園區(qū)位于河南省平頂山市葉縣東北方向6 km處的龔店鄉(xiāng)。規(guī)劃總面積為17.4 km2,現有SO2、NO2排放源5個,均為點源。根據產業(yè)園區(qū)規(guī)劃中的近期規(guī)劃重點項目清單來確定大氣污染源強,涉及SO2、NO2規(guī)劃污染源共8個,其中點源6個,面源2個,產業(yè)園區(qū)平面布置見圖1。

圖1 產業(yè)園區(qū)污染源分布Fig.1 Distribution of pollution sources in the industrial park

1.1.2 氣象資料

根據氣象資料統(tǒng)計,研究區(qū)域年平均風速為1.8 m∕s,常年主導風向為東北風,頻率為11%,多年平均氣溫為15.3℃,年平均相對濕度為70%。地面氣象資料選取葉縣氣象站2016年全年逐日逐時氣象數據,氣象站與產業(yè)園區(qū)直線距離約12 km。高空氣象數據采用生態(tài)環(huán)境部評估中心的模擬數據,模擬網格點為113.325°E,33.731 5°N,海拔高度為92 m,距產業(yè)園區(qū)直線距離約11.6 km。

1.2 線性規(guī)劃模型

線性規(guī)劃模型選取各污染源允許排放量為決策變量,目標函數為各污染源污染物最大排放量,約束條件包括各控制點污染物濃度標準要求、各污染源的允許排放量要求[10]。假定研究區(qū)域內共有大氣污染源m個,對應的排放量分別為q1,q2,…,qm,選定n個控制點,計算方法如下:

式中:m為污染源個數；n為環(huán)境質量控制點個數；Di為第i個污染源的價值(權重)系數；qi為第i個污染源的排放量,kg∕h；aji為第i個污染源污染物對第j個環(huán)境質量控制點的濃度貢獻,即傳遞系數,10－6h∕m3；CSj為第j個環(huán)境質量控制點的控制目標,mg∕m3；CAj為第j個環(huán)境質量控制點的背景濃度,mg∕m3。

1.3 模型參數選取

1.3.1 污染源源強

選取總量控制因子SO2、NO2為大氣環(huán)境承載力計算因子,大氣污染物排放量根據產業(yè)園區(qū)規(guī)劃重點項目清單確定,如表1所示。

表1 產業(yè)園區(qū)SO2及NO2源排放清單Table 1 Source emission inventory of SO2 and NO2 in industrial park

1.3.2 控制點

控制點的設置目的是檢驗環(huán)境質量,總量控制的環(huán)境目標反映在控制點的控制濃度上。控制點的選取應對控制區(qū)內的大氣環(huán)境質量具有代表性,根據線性規(guī)劃法數學求解的要求,控制點的數目不能多于污染源總數目[24]。綜合考慮選取產業(yè)園區(qū)內及周邊4個居民點(鐵佛村、常李村、坡宋村、穆寨村)作為控制點。

1.3.3 傳遞系數

傳遞系數即當污染源位置及其他參數確定的情況下,單位污染源排放量在控制點處的濃度貢獻值。本研究中aji采用AERMOND擴散模式計算,以邊長為10 km的矩形為計算范圍,以步長200 m劃定網格。 各源的SO2和NO2的aji見表2。

表2 SO2和NO2的傳遞系數Table 2 Transmission coefficient of SO2 and NO2h∕m3

2 結果與分析

2.1 國家環(huán)境質量標準控制下的大氣環(huán)境承載力

分別選取GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》中SO2、NO2的二級標準、一級標準以及一級標準的50%作為控制目標,F(Q)取最大值時,各污染源的污染物大氣環(huán)境承載力見表3,不同控制目標下允許排放量與規(guī)劃污染源排放量的倍數關系見圖2。

由表3及圖2可見,SO2在國家二級標準、一級標準及一級標準50%的控制目標下大氣環(huán)境承載力分別為36.44萬、8.60萬、0.88萬t∕a,約為規(guī)劃污染源排放量的275、65和7倍；NO2在國家二級標準、一級標準及一級標準50%的控制目標下大氣環(huán)境承載力分別為23.03萬、23.03萬、6.87萬t∕a,約為規(guī)劃污染源排放量的129、129和38倍?？梢?區(qū)域大氣環(huán)境承載力較大,以此設置污染源排放量容易導致排放量過大,不符合實際情況。

圖2 不同控制目標下允許排放量與規(guī)劃源排放量的倍數關系Fig.2 Multiple relationship between allowable emissions and planned sources emissions under different control targets

表3 不同環(huán)境質量控制目標下SO2、NO2大氣環(huán)境承載力Table 3 Atmospheric environmental carrying capacity of SO2 and NO2 under different environmental quality control standards t∕a

2.2 基于規(guī)劃調整的大氣環(huán)境承載力

根據2017年9月29日—10月5日環(huán)境空氣質量監(jiān)測數據,鐵佛寺村、常李村SO2最大日均濃度分別為0.034、0.037 mg∕m3(二級標準限值為0.15 mg∕m3),NO2最大日均濃度分別為0.045、0.047 mg∕m3(二級標準限值為0.08 mg∕m3),均滿足國家二級標準要求,本研究區(qū)域環(huán)境質量背景值較好。

在實際規(guī)劃中,污染源排放量不可能設置為允許排放量的最大值。為了尋找污染源允許排放量的合理值,以規(guī)劃污染源在控制點處的預測濃度作為環(huán)境質量控制目標,即采用大氣污染物擴散模擬軟件模擬近期規(guī)劃污染源在控制點處的濃度貢獻值,與環(huán)境背景值疊加,將疊加后的濃度作為控制目標,近期規(guī)劃污染源在控制點處的濃度貢獻值見表4。在該控制目標下對規(guī)劃污染源進行布局調整,可實現規(guī)劃污染源排放量最大化配置的同時,保持各控制點濃度為規(guī)劃污染源預測濃度,即規(guī)劃調整前后環(huán)境質量不惡化。各源最大允許排放量限值采用生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院[26]推薦的方法確定,即允許排放量選用排放標準計算的排放量與A-P值法計算的允許排放量中的較低數值；最大允許削減量則根據現有減排技術經濟可行性結合園區(qū)管理部門的管理要求確定。F(Q)取最大值時,各規(guī)劃污染源排放量調整率見圖3,各污染源的污染物最大允許排放量見表5。

圖3 各規(guī)劃污染源排放量調整率Fig.3 Emission adjustment rate of each planned source

表4 近期規(guī)劃污染源在控制點處的濃度貢獻值Table 4 Concentration contribution values of the recent planned pollution sources at the control points mg∕m3

表5 各污染物大氣環(huán)境承載力調整前后變化Table 5 Variation of atmospheric environmental capacity of various pollutants after adjustment t∕a

由圖3可見,各規(guī)劃污染源排放量調整率為－50%~90%,排放量調整率與排氣筒高度具有一定相關性,SO2、NO2相關系數分別為0.78、0.35,排氣筒高度較高的點源允許排放量可適當增加,排放高度較低的面源宜進行削減。根據表5可以看出,通過對各源排放量的優(yōu)化調整,可提高區(qū)域大氣環(huán)境承載力,調整后各污染物的大氣環(huán)境承載力,SO2為1 645.83 t∕a、NO2為2 058.87 t∕a,相對調整前分別增加了23.96%和42.14%。在規(guī)劃污染源調整前后環(huán)境質量不變的前提下,通過線性規(guī)劃法調整污染源布局,可在一定程度上提升這2種典型大氣污染物的區(qū)域大氣環(huán)境承載力,以此為基礎進行的產業(yè)布局優(yōu)化調整更貼合實際情況。

3 結論

(1)以國家環(huán)境空氣質量標準值為控制目標計算的大氣環(huán)境承載力較大,根據案例計算結果,在國家二級標準、一級標準及一級標準50%的控制目標下SO2大氣環(huán)境承載力約為規(guī)劃污染源排放量的7~275倍,NO2為38~129倍,污染源允許排放量過高,不符合產業(yè)園區(qū)污染源規(guī)劃調整的實際要求。

(2)以規(guī)劃污染源的預測濃度作為環(huán)境質量控制目標,可有效保證規(guī)劃調整前后大氣環(huán)境質量不降低,同時通過污染源空間布局優(yōu)化調整可提升區(qū)域大氣環(huán)境承載力。經線性規(guī)劃法優(yōu)化調整后,SO2和NO2允許排放量分別增加了23.96%和42.14%,以此為基礎進行的產業(yè)布局優(yōu)化調整更貼合實際情況。