柴瑩瑩，孟曉杰?，申璐，薛明明，廖鳳娟

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)研究所

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境管理研究中心

當(dāng)前,大氣環(huán)境質(zhì)量狀況已經(jīng)成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn),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(jù)統(tǒng)計,“十二五”期間,中國工業(yè)園區(qū)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值占本地區(qū)工業(yè)總產(chǎn)值的50%以上,工業(yè)企業(yè)入園率達(dá)到40%左右。工業(yè)園區(qū)企業(yè)的集中分布在引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)聚集、促進(jìn)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(dāng)污染物排放量超出大氣環(huán)境承載力時,就會產(chǎn)生環(huán)境污染,對周邊區(qū)域的生產(chǎn)生活造成不良影響。因此,準(zhǔn)確掌握工業(yè)園區(qū)大氣環(huán)境容量,對控制園區(qū)內(nèi)企業(yè)污染物排放,加強(qiáng)日常監(jiān)管具有重要現(xiàn)實(shí)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(biāo)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(xué)轉(zhuǎn)化,不能充分反映污染源排放和控制點(diǎn)污染物濃度的關(guān)聯(lián),無法體現(xiàn)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(qiáng)的準(zhǔn)確性要求較高,否則計算結(jié)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(yīng)關(guān)系,以區(qū)域污染物排放量最大化為目標(biāo),通過調(diào)整各排放源的排放量,實(shí)現(xiàn)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(jié)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(yīng)用[18]。

Teller[19]于1968年首次在環(huán)境空氣質(zhì)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(zhì)量改善策略的優(yōu)選問題。國內(nèi)學(xué)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(hù)局與中國環(huán)境科學(xué)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(shí)可行又經(jīng)濟(jì)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(diǎn)環(huán)境目標(biāo)設(shè)置為所屬環(huán)境功能區(qū)的國家標(biāo)準(zhǔn)濃度限值,傳遞系數(shù)則采用高斯擴(kuò)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(jù)。1996年,王民良等[23]在研究污染源源強(qiáng)優(yōu)化時增加了技術(shù)經(jīng)濟(jì)限制,規(guī)定污染源源強(qiáng)增幅不超過1倍,同時分析了不同控制目標(biāo)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(diǎn)的選取原則,以城市多源模型計算的年日均濃度最大值點(diǎn)為控制點(diǎn),其余采樣點(diǎn)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(qiáng)削減模型,對單源采用P值控制,同時保證在規(guī)劃實(shí)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(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn),增加面源、線源分擔(dān)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(shè)置方法進(jìn)行了比較,分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn),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(zhuǎn)化,并以傳遞系數(shù)的形式體現(xiàn)在模型中,適用于即將進(jìn)行技術(shù)改造、規(guī)劃調(diào)整的現(xiàn)有開發(fā)區(qū)。目前,研究者常用污染物國家環(huán)境質(zhì)量限值作為環(huán)境控制目標(biāo)進(jìn)行大氣環(huán)境承載力計算,對于環(huán)境質(zhì)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(shí)際中指導(dǎo)規(guī)劃調(diào)整。2017年,生態(tài)環(huán)境部提出“一個區(qū)域的環(huán)境質(zhì)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(diǎn)處的預(yù)測濃度作為環(huán)境質(zhì)量控制目標(biāo),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(diào)整前后環(huán)境質(zhì)量不惡化。以平頂山市某產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例,建立大氣環(huán)境承載力評價模型進(jìn)行驗(yàn)證,以期為產(chǎn)業(yè)園區(qū)一次污染物允許排放量的計算提供經(jīng)驗(yàn),為產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃調(diào)整提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 污染源

平頂山市某產(chǎn)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(xiàn)有SO2、NO2排放源5個,均為點(diǎn)源。根據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃中的近期規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目清單來確定大氣污染源強(qiáng),涉及SO2、NO2規(guī)劃污染源共8個,其中點(diǎn)源6個,面源2個,產(chǎn)業(yè)園區(qū)平面布置見圖1。

圖1 產(chǎn)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(jù)氣象資料統(tǒng)計,研究區(qū)域年平均風(fēng)速為1.8 m∕s,常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),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(shù)據(jù),氣象站與產(chǎn)業(yè)園區(qū)直線距離約12 km。高空氣象數(shù)據(jù)采用生態(tài)環(huán)境部評估中心的模擬數(shù)據(jù),模擬網(wǎng)格點(diǎn)為113.325°E,33.731 5°N,海拔高度為92 m,距產(chǎn)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(biāo)函數(shù)為各污染源污染物最大排放量,約束條件包括各控制點(diǎn)污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)要求、各污染源的允許排放量要求[10]。假定研究區(qū)域內(nèi)共有大氣污染源m個,對應(yīng)的排放量分別為q1,q2,…,qm,選定n個控制點(diǎn),計算方法如下:

式中:m為污染源個數(shù)；n為環(huán)境質(zhì)量控制點(diǎn)個數(shù)；Di為第i個污染源的價值(權(quán)重)系數(shù)；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(zhì)量控制點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn),即傳遞系數(shù),10－6h∕m3；CSj為第j個環(huán)境質(zhì)量控制點(diǎn)的控制目標(biāo),mg∕m3；CAj為第j個環(huán)境質(zhì)量控制點(diǎn)的背景濃度,mg∕m3。

1.3 模型參數(shù)選取

1.3.1 污染源源強(qiáng)

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(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目清單確定,如表1所示。

表1 產(chǎn)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(diǎn)

控制點(diǎn)的設(shè)置目的是檢驗(yàn)環(huán)境質(zhì)量,總量控制的環(huán)境目標(biāo)反映在控制點(diǎn)的控制濃度上?？刂泣c(diǎn)的選取應(yīng)對控制區(qū)內(nèi)的大氣環(huán)境質(zhì)量具有代表性,根據(jù)線性規(guī)劃法數(shù)學(xué)求解的要求,控制點(diǎn)的數(shù)目不能多于污染源總數(shù)目[24]。綜合考慮選取產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)及周邊4個居民點(diǎn)(鐵佛村、常李村、坡宋村、穆寨村)作為控制點(diǎn)。

1.3.3 傳遞系數(shù)

傳遞系數(shù)即當(dāng)污染源位置及其他參數(shù)確定的情況下,單位污染源排放量在控制點(diǎn)處的濃度貢獻(xiàn)值。本研究中aji采用AERMOND擴(kuò)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(wǎng)格。 各源的SO2和NO2的aji見表2。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中SO2、NO2的二級標(biāo)準(zhǔn)、一級標(biāo)準(zhǔn)以及一級標(biāo)準(zhǔn)的50%作為控制目標(biāo),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(biāo)下允許排放量與規(guī)劃污染源排放量的倍數(shù)關(guān)系見圖2。

由表3及圖2可見,SO2在國家二級標(biāo)準(zhǔn)、一級標(biāo)準(zhǔn)及一級標(biāo)準(zhǔn)50%的控制目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)、一級標(biāo)準(zhǔn)及一級標(biāo)準(zhǔn)50%的控制目標(biāo)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。可見,區(qū)域大氣環(huán)境承載力較大,以此設(shè)置污染源排放量容易導(dǎo)致排放量過大,不符合實(shí)際情況。

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

表3 不同環(huán)境質(zhì)量控制目標(biāo)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(diào)整的大氣環(huán)境承載力

根據(jù)2017年9月29日—10月5日環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù),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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)限值為0.08 mg∕m3),均滿足國家二級標(biāo)準(zhǔn)要求,本研究區(qū)域環(huán)境質(zhì)量背景值較好。

在實(shí)際規(guī)劃中,污染源排放量不可能設(shè)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(diǎn)處的預(yù)測濃度作為環(huán)境質(zhì)量控制目標(biāo),即采用大氣污染物擴(kuò)散模擬軟件模擬近期規(guī)劃污染源在控制點(diǎn)處的濃度貢獻(xiàn)值,與環(huán)境背景值疊加,將疊加后的濃度作為控制目標(biāo),近期規(guī)劃污染源在控制點(diǎn)處的濃度貢獻(xiàn)值見表4。在該控制目標(biāo)下對規(guī)劃污染源進(jìn)行布局調(diào)整,可實(shí)現(xiàn)規(guī)劃污染源排放量最大化配置的同時,保持各控制點(diǎn)濃度為規(guī)劃污染源預(yù)測濃度,即規(guī)劃調(diào)整前后環(huán)境質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)計算的排放量與A-P值法計算的允許排放量中的較低數(shù)值；最大允許削減量則根據(jù)現(xiàn)有減排技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性結(jié)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(diào)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(diào)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(diǎn)處的濃度貢獻(xiàn)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(diào)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(diào)整率為－50%~90%,排放量調(diào)整率與排氣筒高度具有一定相關(guān)性,SO2、NO2相關(guān)系數(shù)分別為0.78、0.35,排氣筒高度較高的點(diǎn)源允許排放量可適當(dāng)增加,排放高度較低的面源宜進(jìn)行削減。根據(jù)表5可以看出,通過對各源排放量的優(yōu)化調(diào)整,可提高區(qū)域大氣環(huán)境承載力,調(diào)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(diào)整前分別增加了23.96%和42.14%。在規(guī)劃污染源調(diào)整前后環(huán)境質(zhì)量不變的前提下,通過線性規(guī)劃法調(diào)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(chǔ)進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化調(diào)整更貼合實(shí)際情況。

3 結(jié)論

(1)以國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值為控制目標(biāo)計算的大氣環(huán)境承載力較大,根據(jù)案例計算結(jié)果,在國家二級標(biāo)準(zhǔn)、一級標(biāo)準(zhǔn)及一級標(biāo)準(zhǔn)50%的控制目標(biāo)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(chǎn)業(yè)園區(qū)污染源規(guī)劃調(diào)整的實(shí)際要求。

(2)以規(guī)劃污染源的預(yù)測濃度作為環(huán)境質(zhì)量控制目標(biāo),可有效保證規(guī)劃調(diào)整前后大氣環(huán)境質(zhì)量不降低,同時通過污染源空間布局優(yōu)化調(diào)整可提升區(qū)域大氣環(huán)境承載力。經(jīng)線性規(guī)劃法優(yōu)化調(diào)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(chǔ)進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化調(diào)整更貼合實(shí)際情況。