屈曉燕,張裕芬,馮銀廠,朱 坦

南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國家環(huán)境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室,天津 300071

天津市 PM10污染控制決策模型

屈曉燕,張裕芬＊,馮銀廠,朱 坦

南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國家環(huán)境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室,天津 300071

探索了城市空氣顆粒物污染控制決策的流程.分析了顆粒物排放源類的分擔率、顆粒物的可削減空間、控制措施實施的可執(zhí)行性及控制技術(shù)經(jīng)濟成本等方面對顆粒物污染控制決策的影響,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合空氣質(zhì)量模型、顆粒物來源解析、層次分析法等技術(shù),建立了顆粒物污染控制方案優(yōu)選方法及相應(yīng)的決策模型.以天津市為例,分別設(shè)定顆粒物各排放源類的控制情景,計算不同控制情景下環(huán)境空氣中ρ(PM10)削減率,在對所有方案初篩的基礎(chǔ)上,采用層次分析法確定顆粒物污染控制的最優(yōu)方案組合.

顆粒物;污染控制;決策模型;層次分析法

目前,影響我國城市空氣質(zhì)量的主要污染物仍然是顆粒物[1],顆粒物對人體健康影響很大[2],對顆粒物污染的控制一直是大氣污染防治的重點.針對顆粒物污染特征,因地制宜地選擇最佳控制策略,對顆粒物污染控制決策具有重要意義.目前,對顆粒物污染控制的研究多側(cè)重于具體方案[3-5],而缺乏對決策過程的研究.筆者分析了影響決策過程的因素,并在此基礎(chǔ)上建立了顆粒物控制方案優(yōu)選方法及相應(yīng)的決策模型,以期為城市空氣顆粒物污染防治提供服務(wù).

1 影響顆粒物污染控制決策的因素

城市空氣顆粒物來源復(fù)雜,影響其污染控制決策的因素多樣.根據(jù)重要性、可量化及可控制等原則,選擇顆粒物排放源類的分擔率、顆粒物的可削減空間、控制措施實施的可執(zhí)行性及控制技術(shù)經(jīng)濟成本等作為影響決策過程的因素.

1.1 顆粒物排放源類的分擔率

制定城市空氣顆粒物的控制決策,首先要分析清楚顆粒物的主要來源及其貢獻水平,只有在了解這些源類排放量、排放特點及治理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,才能合理地分配削減指標.城市顆粒物來源復(fù)雜,源解析結(jié)果[6-7]表明,煤煙塵的分擔率一般在 20%～30%,開放源的分擔率在 45%～55%,但是不同地區(qū)主要源類及其分擔率具有明顯的地域特征.

1.2 顆粒物的可削減空間

顆粒物的可削減空間是制訂控制方案必不可少的考察因素.在顆粒物性質(zhì)相似,單位量所造成的危害相同的情況下,主要考慮哪些來源的顆粒物易于治理以及治理空間多大.在制訂顆粒物污染治理方案時,以合理選擇重點治理源類、在現(xiàn)有水平下治理措施最容易獲得環(huán)境效果、治理措施技術(shù)可行且實施的經(jīng)濟成本較低等因素的組合為最優(yōu)原則.如：在今后一段時期內(nèi),一些城市以煤炭為主的能源消費格局不會很快改變,且由于經(jīng)濟發(fā)展的需求,煤炭的消耗在一段時間內(nèi)將會繼續(xù)增長[8],因此,煤煙塵的可削減空間相對較小,若在制訂控制決策時對煤煙塵削減的要求過高,則削減目標很難實現(xiàn).故制訂顆粒物污染控制決策時,應(yīng)考慮顆粒物可削減空間的大小,優(yōu)先選擇可削減空間大的排放源類進行治理,可增加經(jīng)濟技術(shù)上的可行性.

1.3 控制措施實施的可執(zhí)行性

顆粒物控制措施的可執(zhí)行性是影響控制方案好壞的主要因素.我國一些城市的顆粒物污染問題未得到根本解決的一個主要原因是控制方案缺乏可執(zhí)行性,環(huán)境效果不明顯.

可執(zhí)行性分為顆粒物排放源類控制措施的可執(zhí)行性和整體方案的可執(zhí)行性.影響顆粒物控制措施可執(zhí)行性的因素主要包括控制技術(shù)和控制措施實施過程是否便于管理,其中控制技術(shù)包括評價技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、控制指標和治理技術(shù).若控制技術(shù)跟不上,管理無依據(jù),制訂的控制方案很難實現(xiàn).其他一些因素,如管理者的經(jīng)驗、執(zhí)行力強弱、地理位置和氣象因素等都會對控制技術(shù)的可執(zhí)行性產(chǎn)生影響.整體方案的可執(zhí)行性依賴于各個子方案的可執(zhí)行性,此外還要考慮整體布局是否協(xié)調(diào),各部門配合是否合理等問題.

1.4 控制技術(shù)經(jīng)濟成本

任何一個控制技術(shù)方案都必須考慮技術(shù)經(jīng)濟成本,因為資源是有限的,用于顆粒物控制的總費用在一定時期內(nèi)是有限的,技術(shù)方案只能在這些資金的約束下實施.所以要考察控制技術(shù)方案中各子項的成本,進而考察總的控制成本.

2 顆粒物污染控制方案的決策模型

在顆粒物污染控制方案的決策過程中,首先要確定主要的排放源類,根據(jù)每種源類的排放情況和特點確定其控制方案,然后對各主要源類控制方案進行組合,采用層次分析法選出最適合的控制方案.具體步驟如圖 1所示.

圖 1 顆粒物污染控制方案選擇步驟Fig.1 Proceduresof schem e selection of particulate con tro l

2.1 排放源調(diào)查和來源解析

顆粒物排放源調(diào)查與源解析可確定主要的排放源類型及其貢獻.采用化學(xué)質(zhì)量平衡模型(CMB)等方法,可識別影響某地區(qū)顆粒物質(zhì)量濃度的主要排放源類 i(i=1,2,…,I)、分擔率 (xi,0＜xi＜1),以及對顆粒物質(zhì)量濃度的貢獻值 (ci,μg/m3)[9-10].

2.2 確定可削減因子

對排放源類 i,根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)和經(jīng)濟條件,以及計劃投資額的不同,確定幾種不同投資等級的可行控制措施.設(shè)排放源類 i的第 j種控制措施 Hij實施后理論上對顆粒物的可削減率為 aij(0＜aij＜1).但由于不同源類的可削減空間不同,因此控制措施實施后對顆粒物的實際可削減率與理論可削減率不同.

可削減因子(bi)為實際可削減能力與理論可削減能力的比值,該值由顆粒物控制技術(shù)的執(zhí)行性決定.決策部門根據(jù)執(zhí)行性的影響因素,綜合評估控制技術(shù)可執(zhí)行性大小,得到 bi(0＜bi＜1).則排放源類 i采用 Hij對顆粒物的實際可削減率為 bi×aij.

2.3 估算控制方法實施費用

針對排放源類 i的控制措施 Hij,估算出方案在實施年限內(nèi)所需的費用Mij(104元).

2.4 篩選可用方案

對排放源類 i有 j種控制方案可以選擇,總的控制方案就是從每個源類中選擇一種控制方案的組合,因此總控制方案的組合方式很多,但并非所有組合都符合實際需求,需要在一定的環(huán)境目標及資金約束條件下對所有方案進行初篩.

環(huán)境目標為治理后顆粒物濃度要達到的標準(c標),即 ：

費用控制是指治理資金 (M總)在一定時期內(nèi)是有限的,各源類控制技術(shù)方案費用 (Mij)之和不能超過 M總.

根據(jù)環(huán)境目標和費用控制的要求,采用MATLAB軟件編制程序,篩選符合要求的方案組合.

2.5 層次分析法[11-12]優(yōu)選組合方案

2.5.1 層次模型的建立

初篩顆粒物污染控制方案組合后,應(yīng)用層次分析法對方案優(yōu)選,確定最優(yōu)組合.首先構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)模型,如圖 2所示,通過不同權(quán)重來反映各因素的貢獻.

圖 2 顆粒物污染控制方案層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Analytic hierarchy p rocessof particularcontro lling schem e

2.5.2 構(gòu)造成對比較陣、計算權(quán)向量及一致性檢驗

采用 1～9尺度,通過相互比較確定各準則對目標的權(quán)重及各方案對每一準則的權(quán)重,構(gòu)造各層對上一層每一因素的成對比較陣.將上述 2組權(quán)重進行綜合,確定各方案對目標的權(quán)重.依此構(gòu)造第 2層對第 1層的矩陣 A,計算該矩陣的特征向量：W0=(w01,w02,w03,w04)T.計算每一成對比較陣最大特征根和特征向量,并作一致性檢驗,若通過,則特征向量為權(quán)向量.依次類推.

用同樣方法構(gòu)造第 3層對第 2層每一準則的成對比較陣,計算每一個成對比較陣的最大特征根和特征向量,并作一致性檢驗.根據(jù)以上計算結(jié)果得出方案層對目標層的權(quán)重 Xm=∑ (w0n×wmn)(m=1,2,…,M;n=1,2,3,4),其中 wmn為 m方案對準則層中 n因素的權(quán)向量,權(quán)重大的即為待定的最佳方案,并作組合一致性檢驗.若最下層對最上層的組合一致性比率通過一致性檢驗,則整個層次的比較判斷通過一致性檢驗,組合權(quán)向量可作為最終決策的依據(jù).

3 案例分析

利用建立的顆粒物污染控制方案決策模型,對天津市進行了案例分析.根據(jù)顆粒物來源解析結(jié)果,天津市 PM10主要源類及其貢獻值分別為：固定源,31.7μg/m3;移動源,15.2μg/m3;開放源,51.73 μg/m3.設(shè)置各源類的污染控制情景,并在此基礎(chǔ)上確定 PM10的可削減率.

3.1 情景設(shè)置

3.1.1 固定源排放情景設(shè)置

以天津市 2005年源排放清單為依據(jù),將燃煤源分為電廠、供熱、生產(chǎn)和民用 4類,按各類排放源燃煤量所占比例,設(shè)置 G1,G2和 G3 3種情景.利用 ISC3(Industrial Source Com p lex)模型[13],模擬不同情景下各類燃煤源排放對ρ(PM10)的貢獻(見表 1).

G1情景：現(xiàn)狀,2005年天津市全年燃煤量為808.8×104t,其中,電廠鍋爐、供熱鍋爐、生產(chǎn)鍋爐和民用燃煤分別占 63.7%,16.5%,13.1%和6.7%.

G2情景：控制狀況較好,在 G1情景基礎(chǔ)上,2008年燃煤量為 883.8×104t,電廠鍋爐、供熱鍋爐、生產(chǎn)鍋爐和民用燃煤分別占 70%,15%,13%和2%.

G3情景：控制狀況很好,在 G1情景基礎(chǔ)上,2011年燃煤量為 965.7×104t,電廠鍋爐、供熱鍋爐、生產(chǎn)鍋爐和民用燃煤分別占 80%,11%,9%和 0.

表 1 3種情景下各類固定源 PM 10排放量及對ρ(PM 10)貢獻Tab le 1 Soo t em ission from stationary sou rces and con tribu tion to am bient PM 10 concen tration at scenarios

3.1.2 移動源情景設(shè)置

Y1情景：現(xiàn)狀,2005年機動車保有量為640 313輛,其中轎車、摩托車二沖程及微型車所占比例較大,分別為 37.61%,12.09%和 10.73%;機動車PM10排放量為3 134.401 t,其中中型柴油車、重型柴油車、轎車排放量較大 (見表 2).利用 ISC3模型計算機動車尾氣排放對ρ(PM10)的貢獻約為 15.2 μg/m3.

表 2 Y 1情景下移動源 PM 10排放量Table 2 PM 10 em ission from mobile source at scenario Y1

Y2情景：在 Y1情景的基礎(chǔ)上,各類型機動車保有量的比例得到了較好的調(diào)整,到 2008年機動車保有量為568 080輛,其中轎車、微型車及其他車所占比例較大,分別為 46.63%,12.10%,8.17%;機動車 PM10排放量為 3 110.244 t,其中中型柴油車、重型柴油車和轎車排放量較大 (見表 3).在該情景下,ρ(PM10)降低了 0.8%,機動車尾氣排放對環(huán)境空氣中ρ(PM10)貢獻為 15.08μg/m3.

Y3情景：在 Y1情景的基礎(chǔ)上,各類型機動車保有量的比例得到了很好的調(diào)整,到 2011年機動車保有量達到 644 691輛,其中轎車、微型車及摩托車二沖程所占比例較大,分別為 44.83%,11.72%和8.41%;機動車 PM10排放總量為3 044.911 t,其中中型柴油車、重型柴油車和轎車排放較大 (見表 4).在該情景下,ρ(PM10)減少 2.9%,機動車尾氣排放對環(huán)境空氣中ρ(PM10)的貢獻為 14.77μg/m3.

3.1.3 開放源情景設(shè)置

開放源通過實施綠化工程、改變道路積塵量來進行治理.

表 3 Y 2情景下移動源 PM 10排放量Tab le 3 PM 10 em ission from mobile sources at scenario Y2

表 4 Y 3情景下移動源 PM 10排放量Tab le 4 PM 10 em ission from mobile sources at scenario Y3

3.1.3.1 改變下墊面類型 (綠化工程)

根據(jù)天津市顆粒物來源解析結(jié)果,環(huán)境空氣中ρ(PM10)年均值為 153.5μg/m3,根據(jù)各類型下墊面面積和相對起塵量[17],計算改變下墊面類型后ρ(PM10)下降值,如表 5所示.根據(jù)模型[17-18]計算,綠化工程的實施可使環(huán)境空氣中ρ(PM10)年均值下降 9.32μg/m3,削減率為 6.07%.

表 5 綠化工程實施后開放源排放及對ρ(PM 10)貢獻的變化Tab le 5 Changes in em ission from open sources and contribution to am bient concentration after the execu tion of virescence p ro jects

3.1.3.2 道路積塵量限定

3.3 繁榮了農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟和商業(yè)。鄉(xiāng)村集會多以集市形勢而出現(xiàn)，多以農(nóng)貿(mào)交易為主要內(nèi)容，有著周期性和間隔性。而鄉(xiāng)鎮(zhèn)廣場的建設(shè)則形成了其商貿(mào)的穩(wěn)定性和長期性。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)廣場附屬建設(shè)的各類商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點，加快促進了物品流通，便利了城鄉(xiāng)居民生活。同時，各商家的促銷活動也有了場所，形成鄉(xiāng)鎮(zhèn)商業(yè)文化。形成“文化搭臺，商家唱戲”的鄉(xiāng)村商業(yè)性廣場文化。

根據(jù)天津市顆粒物來源解析結(jié)果,道路積塵排放對環(huán)境空氣中ρ(PM10)年均值的貢獻率為18.7%.假設(shè)道路積塵的下降率與其對ρ(PM10)的貢獻呈線性關(guān)系,則有：①D1,若道路積塵下降20%,則ρ(PM10)可削減率 =18.7% ×20%=3.74%;②D 2,若道路積塵下降 40%,則ρ(PM10)可削減率 =18.7%×40%=7.48%.

根據(jù)以上計算,設(shè) 3種情景：①K1情景,僅做綠化工程,ρ(PM10)可削減率為 6.07%,揚塵貢獻約為48.59μg/m3;②K2情景,綠化工程 +D 1,則ρ(PM10)削減率為 9.81%,揚塵貢獻約為 46.66 μg/m3;③K3情景,綠化工程 +D2,則ρ(PM10)削減率為 13.55%,揚塵貢獻約為 44.72μg/m3.

總體狀況如表 6所示.

表 6 各設(shè)定情景總體狀況一覽表Tab le 6 Conditionsof the all the scences

3.2 方案初步篩選

根據(jù)ρ(PM10)總削減率要達到 10%以上,費用比重不超過 8等約束條件,采用MATLAB軟件編制程序進行篩選,篩選出 3個組合符合條件,即G1Y1K3,G1Y2K2和G1Y2K3.

3.3 層次分析法篩選最優(yōu)方案

層次模型的建立如圖 2所示,構(gòu)造準則層對目標層的矩陣A.

計算出最大特征根 (λ0)為 4.003,歸一化的特征向量為W0=[0.063,0.329,0.411,0.197]T,一致性指標 (C I)為 0.001,一致性比率 (CR=C I/R I)為0.001＜0.1,R I為隨機一致性指標,查表得 R I=0.90.通過了一致性檢驗,故上述 W0可作為權(quán)向量.用同樣的方法,構(gòu)造第 3層對第 2層的成對比較陣：

表 7 方案層對準則層的成對比較陣計算結(jié)果Tab le 7 Calcu lation on paired comparisonm atrix of schem atic layer to rule layer

由準則層對目標層的權(quán)向量計算結(jié)果和表 7中方案層對準則層權(quán)向量的計算結(jié)果,得到方案層對目標層的權(quán)重分別為 X1=0.375,X2=0.324,X3=0.100,由于 X1＞X2＞X3,所以選擇 G1Y1K3作為最佳方案.

作最終一致性檢驗：CR(3)=CR(2)+C I(3)/R I(3)=0.008＜0.1.即最下層對最上層的組合一致性比率通過一致性檢驗,則整個層次的比較判斷通過一致性檢驗,故組合權(quán)向量W(3)可作為最終決策的依據(jù).

4 結(jié)論

a.分析了大氣顆粒物污染控制決策過程中需重點考慮的影響因素,并建立了相應(yīng)的決策模型.

b.以天津市為案例進行分析,設(shè)定各源類排放情景,考慮環(huán)境ρ(PM10)控制要求、費用等方面因素,篩選出符合條件的方案,利用層次分析法得到最優(yōu)方案為 G1Y1K3,即在固定源和移動源維持現(xiàn)狀的情況下,治理重點則應(yīng)該放在開放源上,它具有投資小、效率高的特點.

c.大氣顆粒物控制措施實施過程的可執(zhí)行性及控制的技術(shù)經(jīng)濟成本方面的指標選取還有待于深入研究.

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D ecision-m aking M ode l fo r Con tro lling U rban A tm o sphe ric Pa rticu la te M a tte r Po llu tion in Tian jin C ity

QU X iao-yan,ZHANG Yu-fen,FENG Yin-chang,ZHU Tan
State Environm ental Pro tection Key Laboratory of U rban Am bientA ir Particu lateM atter Po llution Prevention and Contro l,Co llege of Environm ental Science and Engineering,NankaiUniversity,Tian jin 300071,China

The decision-m aking p rocess for contro lling urban atmospheric particu latem atter po llution was studied in thiswork.The effectsof source contributions,reducib le space of particu latem atter,enforceability of contro lm easures,and technical and econom ic costof contro lm easures on the decision-m aking p rocesswere discussed.Op tim ization and decision-making models of particu late po llution contro lwere established and com binedw ith airqualitymodels,am bient source apportionm ent,and analytic hierarchy p rocess.Taking Tianjin City as an examp le,various contro l scenarioswere set,and the reducib le percentage of PM10concentration for each scenariowas calcu lated.A fter initial screening of allpossib le schem es,the analytic hierarchy p rocessm ethodwasapp lied to determ ine the op tim al schem e of particu late contro l.

particu latem atter;po llution contro l;decision-m akingmodel;analytic hierarchy p rocess

X513

A

1001-6929(2010)04-0401-06

2009-10-10

2009-12-07

天津市科技發(fā)展計劃項目 (09ZCGYSF02400);國家“十一五”科技支撐計劃項目(2007BAC16B01)

屈 曉 燕 (1984 -),女,河 南 漯 河 人,quxiaoyan111@126.com.

＊責任作者,張裕芬 (1973-),女,山西忻州人,副教授,主要從事大氣污染防治研究,zhafox@126.com

(責任編輯：孫彩萍)