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硕士学位论文 晋城市大气污染物总量控制研究 摘要 根据晋城市多年常规气象资料和2 0 0 3 年污染源调查资料，确定总量控制因子为 s 0 2 和t s p ，区域环境质量目标为国家环境质量二级标准。采用受体模型c m b 法进 行t s p 源解析，得出6 种排放源对环境的贡献率。采用国家标准g b t 1 3 2 0 1 9 1 中的 一整套大气污染物排放总量控制a 值法，对s 0 2 和t s p 的理想环境容量进行计算， 在计算t s p 的环境容量时考虑了干、湿沉降及地面扬尘的影响。应用浓度控制法和 国家标准g b t 3 8 4 0 9 l 的p 值法确定基础环境容量。通过高斯烟流模式，建立起了 污染物排放总量和环境空气质量之间的直接关系。以多源模式法为基本方法，利用修 正后的多源扩散模式，对晋城市城区控制区s o ：和t s p 总量控制方法进行了研究， 综合比较等比例削减法、平方比例削减法和优化平权分配法，在都能保证控制点达标 的情况下，优化平权分配法最为合理，确定为晋城市大气污染物总量控制方案。 关键词：大气污染总量控制环境容量多源模式源解析 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h er o u t i n em e t e o r o l o g yd a t aa n dt h ep o l l u t a n te m i s s i o ns o u r c e d a t ai n2 0 0 3p r e s e n t e d ，d e c i d e ds 0 2a n dt s pa st h et o t a le m i s s i o nc o n t r o lf a c t o r , a n dt h e n a t i o n a ls e c o n d a r ys t a n d a r df o re n v i r o n m e n t a lq u a l i t yi nt h ea r e aa sc o n t r o l l i n ga i m t h e p o l l u t i o ns o u r c e so ft s pi nu r b a na t m o s p h e r eo fj i n c h e n gw e r ea n a l y z e db yt h ec h e m i c a l m a s sb a l a n c e ( c m b ) m e t h o db a s e do nr e c e p t o rm o d e t h ea v e r a g ec o n t r i b u t i o n so fs i x p o l l u t i o ns o u r c e st ot s pw e r ef o u n d t h ea t m o s p h e r i ct o t a le m i s s i o nc o n t r o lm o d e la v a l u et e c h n i q u ew h i c he x p l a i n e db yt h en a t i o n a ls t a n d a r dg b t 1 3 2 0 1 9 1i nd e t a i lw a s u s e d d r yd e p o s i t i o n ，w e td e p o s i t i o na n dt h ed u s tf r o mt h eg r o u n dh a db e e nc o n s i d e r e d w h e nt h ec a p a c i t yo ft s pw a sc a l c u l a t i n gc a l c u l a t e dt h eb a s i ce n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y u s i n gc o n e e n t m t i o nc o n t r o l l i n gm e t h o da n dpv a l u et e c h n i q u e t h ed i r e c tr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt o t a la m o u n to fp o l l u t i o ne m i s s i o na n de n v i r o n m e n t a la t m o s p h e r i cq u a l i t yw a s b e e ne s t a b l i s h e dw i t ht h eg a u s ss m o k ef l o w a g em o d e b a s e do nm u t i - s o u r c em o d e l ， s t u d i e dt h et o t a le m i s s i o nc o n t r o lo f8 0 2a n dt s pi nj i n c h e n gc i t yu s i n gr e v i s e dd i f f u s i o n m o d e l b yc o m p a r i n gt h em e t h o do fo p t i m i z ew e i g h td i s t r i b u t i o nr e d u c t i o nw i t he q u a l p r o p o r t i o na n ds q u a r ep r o p o r t i o ne m i s s i o n r e d u c t i o nm e t h o d s ，ap r a c t i c a ls c h e m ei s a d v a n c e d o p t i m i z ew e i g h td i s t r i b u t i o nr e d u c t i o nw a su s e da st h et o t a le m i s s i o nc o n t r o l s c h e m ef o rj i n c h e n gc i t y k e y w o r d s ：a i rp o l l u t i o n t o t a le m i s s i o nc o n t r o le n v i r o n m e n t a lc a p a c i t ym u t i s o u r c e m o d e ls o u r c ea p p o r t i o n m e n t 硕士学位论文 晋城市大气污染物总量控制研究 南京理工大学 二oo 五年五月 山西省晋城市环保基金项目( 编号2 0 0 4 0 0 3 8 ) 资助 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：未： 牢豆7 0 旷年月巾 研究生签名：每q # 7 0 咀年月中 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 、 一 垦：2z 艮一 沁年多月巾 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 1 引言 1 1 课题的背景 空气是人类生存的第一需要，空气清洁关系到人类的身心健康。因此，控制大气 污染是改善人类环境，保障人类身心健康的第一任务。工业革命时期，人们将工厂烟 囱中排放的滚滚浓烟视为工业发达的象征，但随着经济的发展、生活水平的提高以及 大气环境污染的加剧，人们逐渐认识到工业生产对环境空气和人类生活造成的危害， 开始采取各种措施控制大气污染。当今，大气污染控制已成为国际化问题，由一个地 区或一个国家的局部控制，发展成为国际间的联合控制，如臭氧层的保护、温室气体 的排放等i l j 。 1 9 9 2 年6 月的全球环境首脑会议上，作为可持续发展的行动原则，会议通过了 了环境与发展的里约热内卢宣言的地球宪章，为实现这个宪章，制定了2 1 世 纪议程，将可持续发展列为人类共同追求的目标 2 , 3 1 。 从可持续发展理念来看，环境空气质量资源是有限的，随着污染的增加，环境的 纳污能力在逐渐减少，为保证人类生产和生活的f 常进行，必须有计划、有步骤地进 行大气环境污染的总量控制，才能保持环境与社会经济的协调发展。总量控制即是可 持续发展思想的一种体现【4 】。 近年来，我国大气环境虽然有所改善，但在工业生产集中，尤其是以资源能源为 经济支柱的城市，污染仍十分严重，大气污染控制进展较为缓慢。纵观其原因，除了 设备、技术、工艺等硬件因素外，缺乏完善的控制方法、科学的管理手段和必要的经 济措施等软件工程是另一重要因素。根据近年来对山西省晋城市大气污染控制的探索 研究，认为要解决上述问题的最好方法是实行国家环保总局推荐的“总量控制法”， 尤其是对大气污染单位的污染物允许排量进行科学合理的分配，这是强化大气污染治 理的有效手段。 1 2 总量控制简介 多年来，我国实行浓度控制和p 值控制，对于控制城市大气污染起了很大作用， 有力地促进了煤烟型城市大气污染的治理。 浓度控制法【5 】，是通过控制污染源排放口排出污染物的浓度，来控制大气环境质 量的方法，世界上多数国家都是由此开始控制大气污染的，排放浓度控制法执行统一 的排放标准，对单个污染源的排放浓度进行限制。 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 由于经济迅速发展，城市大气污染源的密集化，工业污染物排放量越来越大，大 气环境质量不断恶化，浓度控制无法限制污染源的数量，因而无法阻止环境质量的恶 化。p 值法针对单个烟囱进行控制，一方面无法控制低矮面源，另一方面无法限制污 染源的数量。总量控制克服了二者的缺陷，它从总排放量上控制大气污染【6 l 。 总量控制一词是2 0 世纪6 0 年代提出的 7 , 8 1 ，最初的含义是在总排放量限定的一 个污染源群体内按最经济的原则分配排放量，找出一组相应的控制措施寻求大气环境 保护的途径。 1 9 8 8 年第三次全国环境保护会议后，国家环境保护局提出了在我国开始同时实 行浓度控制与总量控制相结合的污染控制对策，并在部分城市试点，取得了丰富的经 验和技术资料一j 。 排放总量负荷与排放标准不同，它随环境目标的不同而变化，并非恒定，不仅各 个地区的允许排放总量不同，同一地区每个污染源的总量指标也不同1 10 ，“】。因此，总 量控制负荷的确定，不能像浓度控制那样搞“一刀切”，必须核算污染削减的费用和 成本，用最小的代价取得最佳的控制效果，同时要充分考虑不同地区自然和技术、经 济等条件和公平性要求，进行优化。 进行大气污染总量控制最关键最基础的是要确定大气的环境容量，在大气环境容 量基础上实麓的总量控制的方法，能够克服单纯依靠同一排放标准管理环境的缺点， 可以有效控制一个区域或城市的大气环境质量眩一4 i 。 大气污染总量控制实施的一般方法，首先应取得在空间和时间上具有代表性、能 准确反映该地区大气环境质量的监测数据，并根据监测数据确定总量控制区域及其范 围；其次是选择适合该地区的大气污染扩散模式，在对污染源调查的基础上建立适合 该区域大气污染物排放量与大气环境质量间的定量响应关系：按区域大气环境容量和 大气环境质量目标要求计算出污染物允许排放量和削减量，并按照一定的总量分配原 则，将这控制负荷分配到源，从而达到总量控制的目的i l “。 1 3 总量控制研究现状及基本方法 大气污染总量控制，从其目的出发可分为两种1 6 l 。第一种是为解决现有环境空气 质量超标问题，寻找公平合理的污染物削减方案，称为空气污染综合治理总量控制； 第二种是对未来环境容量的利用做出预先安排，称为空气污染未来总量控制规划。本 文只作空气污染综合治理总量控制的研究。 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 1 3 1 按燃料或原料用量的分配方法1 7 1 这种方法是将计算后的控制区允许排放量，按各污染源使用的燃料或原料用量进 行分配，从而控制全区大气污染的方法。它无论从理论上还是从实践上看都是有效的， 而且采用这种方法对民用小烟源也可以进行有效的控制。每个污染源与地区允许排放 总量可以写成： q = q ， ( 1 1 ) t = l 式中，g 为控制区允许排放总量：q i 为每个污染源的允许排放量， q 。= r 白。+ k 。) ( 1 2 ) 式中，m 为污染源使用的燃料用量( 各种燃料经过热量换算而得到的燃料用量) ；6 9 为原料的使用量；足为不同原料修正系数；为对大污染源或高架源的修正系数( 1 o 8 ) ；其中： r ： ! b 。+ m 。) ( 13 ) 如果确定了r , n x 值，就确定了各污染源允许排放量的分配，然而这种方法对 排放高度没有限制，方法比较粗略，实际实施中如果燃料和原料供应品质不稳定，会 给容量分配带来困难。 1 3 2 a p 值法 大气污染物排放总量控制a p 值法，是根据箱模式导出的总量控制a 值法，首先 由控制区及各功能分区的面积大小给出控制区域总允许排放量，再配合g b 3 8 4 0 9 1 中 点源排放p 值法对点源实行具体控制。用a p 值法能迅速估算出给定控制区的污染物 允许排放总量，有利于行政管理。 1 3 2 1a 值法【1 8 2 ( 1 ) a 值法原理 a 值法属于地区系数法，只要给出控制区总面积或几个功能分区的面积，再根据 当地总量控制系数a 值，就能很快地算出该面积上的总允许排放量。 硕士学位论文晋城市人气污染物总量控制研究 q o = a c s 躯 a = 3 1 5 3 6 1 0 。历2 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 其中，g 为总量控制区允许排放总量1 0 4 k m 2 a - 1 ；g 为污染物浓度排放限值，m g m 3 s 为总量控制区总面积，k m 2 ；为当地的通风量，m 2 s 。 a 是总量控制系数，主要由当地通风量决定。a 值对一个地区平均而言是一常数， 只要给定了平均通风量，a 值也就很容易确定了，可以参考g b t 1 3 2 0 1 9 1 中表l 。由 式( 1 4 ) 确定的允许排放总量，是用整个混合层内的大气污染物平均浓度的标准值 确定的，因此对进一步的区域新污染控制与酸雨防治有一定意义，并且控制区选择的 越大，这种意义也越大。 其中 v e = u l i ( 1 6 ) 式中，“为当地的年平均风速，ms ：沩混合层高度，m 。 有 如果总量控制区分成n 个分区，每个分区面积为s ，整个控制区域的面积为s ，则 n s = s i = 1 则各分区的允许排放量由式( 1 8 ) 确定 q o l = a t a c5 属 当。为给定值时有 q o = q a , 由式( 1 4 ) 及式( 1 - 8 ) 有： 括：nq 属 ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 取 则式( 1 4 ) 可写成 q s l q2 嚣 铍，= 爿g s i 4 s ( 1 1 2 ) 当控制区内各分区使用的环境质量浓度标准限值各不相同时，式( 1 1 1 ) 不再成 立，这时推求分担率将成为比较复杂的问题，需要考虑到风向及分区位置等等，而失 去了简洁性，因此直接将式( 1 1 2 ) 改写为： 其中 q i = a c s i 。万s i 大气悬浮颗粒物的a 值法按式( 1 1 4 ) 计算 q 。? = a j s j 尽+ d , s j 4 ，= a c 。( 1 一f r ) d = d c 。，( 1 一f r ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 式中，q a ，为第i 子区某种污染物年允许排放总量限值，1 0 4 t ；a ；为第i 子区某种污染 物排放总量控制系数，1 0 4 t a - i k r n ；a 为地理区域性总量控制系数，1 0 4 k i n 2 a - 1 ：s 为 总量控制区面积，k m 2 ；s i 为第i 予区面积，k m 2 ；c s i 为第i 子区某种污染物的浓度 限值，m g - i t i 一；r 为裸土扬尘率；，为裸地百分率；式中d 由式( 1 1 7 ) 计算： d = 0 0 3 1 5 3 6 ( u d + 酊，r ) ( 1 1 7 ) 式中，d d 为于沉积速度，c m s ；，为清洗比；r 为降水率，c m s 。 ( 2 ) 低架源允许排放量的计算 总量控制区内低架源( 几何高度低于3 0 m 的排气筒或无组织排放源) 大气污染 物年排放总量限值的计算公式为： 硕士学位论文 晋城市人气污染物总量控制研究 q = q ， ( 1 1 8 ) 式中，q b 为总量控制区内某种污染物低架源年允许排放总量限值，t 0 4 t ；9 ，为第i 功能区低架源某种污染物年允许排放总量限值，1 0 4 t 。 各功能区低架源某种污染物排放总量限值由式( 1 1 9 ) 计算， q ，= a o o ， ( 1 1 9 ) 式中，函。为第i 分区低架点源污染物允许排放总量限值：幺，为第i 分区允许排放总 量：a 为低架源排放分担率。 ( 3 ) a 值法的影响因素 a 值法中大气污染物总量控制限值q 取决于以下3 个因子，环境空气质量控 制目标凸；地理区域性总量控制系数爿值；总量控制区面积s 。 1 3 2 2p 值法【2 3 j ( 1 ) p 值法原理 前述总量控制a 值法中只规定了各区域总允许排放量，而无法确定每个源的允 许排放量。p 值法是从排气筒的高度来控制排放率的，对于固定的某个排气筒可控制 其排放总量，但因未对排气筒的个数加以控制，从而无法限制区域排放总量，这样就 需要a 值法与p 值法互相配合。p 值法计算模式如下： 总量控制区内点源( 几何高度大于等于3 0 m 的排气筒) 污染物排放率限值计算 见式( 1 2 0 ) ： q 。= p 所1 0 6 ( 1 2 0 ) 式中，g ，为第i 子区内某种污染物点源允许排放率限值，t h ：只为第i 子区内某种 污染物点源排放控制系数，t , h - im ；胁为排气筒有效高度，m ：其中， p = 卢，p c ， ( 1 2 1 ) 式中，口，为第i 子区内某种污染物的点源调整系数；卢为总量控制区内某种污染物 的点源调整系数；c f 为第i 子区某种大气污染物的日平均浓度限值，m g m 一；p 为地 理区域性点源排放控制系数，由表g b t 1 3 2 0 1 9 1 确定。 各子区点源调整系数由式( 1 2 2 ) 求： 6 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 屈= ( q 。，一绋) 绒 ( 1 2 2 ) 式中，“，为第i 子区内某种污染物所有中架源( 几何高度大于或等于3 0 m 、小于1 0 0 m 的排气筒) 年允许排放的总量，1 0 4 t 。 总量控制区内点源调整系数按下式计算： = ( q o 一包) ，乜+ g ) ( 1 2 3 ) 式中，q k 为总量控制区内某种污染物所有中架源年允许排放量的总和，1 0 4 t ；q h 为 总量控制区内某种污染物所有高架源( 几何高度大于等于1 0 0 m 的排气筒) 年允许排 放量的总和，1 0 4 t 。 ( 2 ) 有效源高 式( 1 2 0 ) 中的阮为排气筒有效高度，计算公式为： h 。= h + 龋 式中，日为排气筒距地面的几何高度 国家标准g b l 3 2 2 3 - 2 0 0 3 。 1 3 3 多源模式 ( 1 2 4 ) m ：4 h 为烟气抬升高度，m ，计算方法参见 1 3 3 1 污染源的基础允许排放量和削减量的计算 2 4 , 2 5 】 在给定区域内，确定公平合理的各污染源允许排放量及削减量，即为污染源间的 平权，以实现各污染源间的排污平权，这是实施区域大气污染总量控制方法的关键环 节。否则，若忽视排污权不平等现象而进行总量控制，那么无论怎样考虑总量控制方 法上的合理性，也必然会造成污染源问的不合理削减，甚至造成总量控制方案无法实 施。污染源基础允许排放量及削减量按下述步骤进行计算： ( 1 ) 根据区域内各污染源实际排放情况，测定各污染源的实际排放率( 源强) q n 。 ( 2 ) 根据污染源排放某种污染物的浓度排放标准确定各污染源的允许排放率 9 ，。 a q 。，= q n q m ( 1 2 5 ) 9 ，表示总量控制区内按照浓度排放标准衡量第i 个污染源的超标量或不足量。 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 ( 3 ) 根据国家制订的地方大气污染排放标准，采用p 值控制法逐源计算，计算 其允许排放率为岛，则： 既= 级一q p , ( 1 2 6 ) 式中，q ，为按照国家规定的a - p 值控制标准计算的各污染源的超标量或不足量。 ( 4 ) 确定各污染源基础允许排放量及削减量 跣，q i ：，a ，q o 。】7 = m i n 【( ! 色，q ，l ( q 。：，q ，：1 人， 。，q p u ) ( 1 。2 7 ) 其中： q o i = r a i n ( q a i ，岛，) ( 1 2 8 ) 式中，q d f 表示总量控制区内第i 个污染源的基础允许排放量。 q o = q t , 一q o ， ( 1 2 9 ) 式中，q 珊表示第i 个污染源按照国家浓度排放标准和p 值控制法平权的基础超标 量或不足量，即基础削减量。 1 3 3 2 污染源的平权允许排放量和削减量的计算【2 6 】 按基础削减量削减后，多源在某控制点上的叠加浓度还可能“超标”，因此，还 必须根据各污染源在控制点的浓度分担率进行平权分配和平权削减。所谓污染源的平 权分配，是指各污染源以一种比较平等的地位来获得的允许排放量。 在总量控制过程中，各污染源最大允许排放量公平合理的分配、削减量公平合理 的分担，应该以各污染源对地面大气环境总量浓度的贡献大小为依据，贡献大的应该 多削减。相反，贡献小的应该少削减。超标点的等比例削减率为常数，只有平方比例 削减才是按各源对控制点的贡献大小进行分配的。 ( 1 ) 比例削减法 假设在控制区有选定的j 个控制点，将各污染源的平权基础排放量9 ，输入已经 调整好的城市大气污染扩散模式，计算第i 污染源对第j 控制点的贡献浓度岛口，并 对所有源求和得到各污染源在控制点的贡献总浓度值： n c 。j = c 呻 ( 1 3 0 ) i = l 如果第j 控制点的大气环境质量目标值为q ，当c o j c j 时超标，需要对各污染源 r 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 进行削减，使c 矗，g = c 谤一o ：c 谤= q 时达标；当c o j g 时说明所有污染源对第j 控制点的浓度贡献小于环境目标值，不仅不需要对污染源进行削减，而且还允许上新 污染源。 污染源i 对控制点j 的浓度贡献率为： 2 苦衰 岬1 ) 相应的各污染源对控制点贡献浓度的总超标量c h ，等于各污染源分别对控制 点贡献浓度超标量值和： a c o ，= a c 叻 ( 1 3 2 ) 如果第j 控制点的大气环境质量标准为g ，则该点的浓度削减为： 嘞= 嘞- 0 ( 1 3 3 ) 污染源i 对控制点j 的贡献浓度应削减： a c = a c o j ( 1 3 4 ) 若污染源i 排污量为q j ，。口为其对控制点j 的浓度贡献传输因子，则： c 。= 口f q ( 1 3 5 ) 可以得到污染源i 的排污削减量为： 岛= k a c 口。 ( 1 3 6 ) 为保证所有控制点达标，应选取污染源i 的削减量为： q ：= m a x ( a 岛) ( 1 3 7 ) 这是等比例削减法，对远距离污染源而言，这种削减方法并不合理。除了对于一 些小城市或污染源比较密集的区域应用之外，常用平方比例削减法或优化削减法。 ( 2 ) 污染源排放的平方比例削减法 在许多情况下，一定区域大气环境质量的好坏主要取决于少数大污染源，且大污 染源削减潜力较大，而对小污染源的削减则较困难，所以选择平方比例削减更为合理。 这样，污染源i 对控制点j 的浓度分担率按式( 1 3 8 ) 计算： 9 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 ( 1 3 8 ) 污染源的削减量由式( 13 3 ) 式( 1 3 7 ) 得到。平方比例削减法实质上是按各 源对控制点的浓度贡献率，也就是按浓度分担率r f ，削减的。即贡献大的削减就多， 贡献小的削减也少，这对于各污染源之间而言是比较公平合理的。 第i 污染源最终削减量若用q 。表示，则： q f = q ，+ q o ， ( 1 3 9 ) q i 为第i 污染源的平权削减量，也称应该削减量。相应的第i 个污染源的平权 允许排放量等于实际排放量减去平权削减量，即： q f = q 。一, s q 1 3 3 3 总量控制负荷的优化平权分配【2 7 】 ( 1 4 0 ) 平权削减量或排放量对各污染源而言是比较公平合理的，但从总量控制的整体观 念上来说又存在问题。因为它不具备总排放量最大、总削减率最小和总投资费用最小 的优化特点，因此必须进行优化分配，以获得总体上最优的结果。优化分配方法是在 研究各污染源总量控制技术及费用基础上，采用最优规划方法分配排污总量。其基本 模型如下所述。 在现有污染浓度场超标的情况下，用线性规划的方法，取目标函数的总削减率最 小，约束条件为所有的控制点浓度达到目标值，求得每一个源的削减量。 目标函数： n m i n e ：y e ( 1 4 1 ) 约束条件： c ”e ，c ，一b ， ( 产1 ，2 ，n ) ( 1 , 4 2 ) f - 】 0 e ，1 1 0 ( 1 4 3 ) 乒静 = 0 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 式中，e 为n 个源削减率总和；最为第i 个源的削减率；q 为第i 个污染源在第j 个 控制点的浓度贡献，m g m ：q 为第j 个控制点的浓度，m g m 一；吩为第j 个控制点 的环境目标值，m g m 3 。 1 3 4 基本方法的改进 1 3 4 1a p 值法的改进 南京大学王勤耕( 2 8 j 等，在a p 值法的基础上，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污染物总量的实际贡献， 使a p 值法具有更广泛的适用性。 秦艳f 2 9 】等，针对国内广泛使用的大气环境总量控制a 值法，从分析大气污染物 净化的各种理化过程着手，讨论该模式简化处理的合理性及局限性，将干沉积、湿沉 积和化学转化3 个过程引入现行总量控制模式，并成功应用于上海市。 1 3 4 2 平权削减法的改进 清华大学方栋1 3 0 】等以s 0 2 长期日平均浓度为控制标准，利用生成城市大气污染 传递函数矩阵和分担率的l e e c m i i 通用程序评价邯郸市大气污染现状，在此基础上 进行了大气污染物s 0 2 排放总量控制研究，l e e c m - i l 程序为中小城市总量控制提供 了一个方便实用的计算工具。 1 3 4 3 线性规划的改进 北京大学马小明【3 1 3 2 1 等提出一种新方法。该方法首先定义了区域排放当量及当量 分布，运用线性规划模型求解区域允许排放当量，模型中的系数是以区域内网格为基 础的污染物转移函数，然后等比例分配区域允许当量至各个污染源，并应用于南昌市 和济南市。 1 3 5 各种总量控制方法的优缺点分析 通过对以上几种总量控制方法的研究，对其优缺点总结如下： ( 1 ) 用大气污染物排放总量控制a p 值法，可迅速估算出给定控制区域的污染 物允许排放总量、点源允许排放量和大气容量，此方法计算比较简单、其结果可操作 性强，有利于行政管理，比较实用，但方法粗糙，误差较大，不能保证所有控制点都 达标。 ( 2 ) 多源模拟模型法考虑研究区域内每一个源及其扩散过程对每一个控制点的 1 l 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 浓度影响，对照控制点的目标浓度来确定各源的允许排放率，是一种细致、具体的方 法。城市多源模式法在国内外广泛采用，计算结果精确，对改善城市空气污染十分有 效，但是要求污染源和气象资料详尽，工作量大，不易操作。 1 4t s p 源解析 3 3 - 3 6 】 大气中的s 0 2 浓度基本可以视为烟源的贡献，而t s p 来源却比较复杂。t s p 的 环境容量仅仅是指烟源的允许排放量，那么就需要确定烟源对环境浓度的贡献值，为 此，本文引入t s p 源解析，确定各种源的贡献率。 解析污染物来源的数学模型从总体上讲可以分为两类：一类是以污染源为对象的 扩散模型( d i f f u s i o nm o d e l ) ：另一类是以污染区域为对象的受体模型( r e c e p t o r m o d e l ) 。对前者的研究及其应用已比较多，而对后者的研究及应用主要集中在大气污 染物控制领域。 美国、日本等国家从2 0 世纪7 0 年代起，m i l l e r 和f r i e dl a n d e r 等人开始由排放 源转移到受体，进行大气颗粒物的源解析。近年来源解析研究取得了较大的进展，提 出了化学质量平衡法( c h e m i c a lm a s sb a l a n c e ，c m b ) 、因子分析法( f a c t o r a n a l y s i s ， f a ) 、目标变换因子分析法( t a r g e tt r a n s f o r m a t i o nf a c t o ra n a l y s i s ，t t f a ) 等方法， 形成了称为受体模型的研究体系，为源解析奠定了基础。受体模型不同于传统的扩散 模型，扩散模型是预测排放源对空气质量影响的传统方法，根据排放源的几何形状可 分为点源、线源和面源，目的是找出在给定风速、风向、大气稳定度等气象参数的情 况下几何源的扩散因子。而受体模型则着眼于研究排放源对受体的贡献。所谓受体是 指某一相对于排放源被研究的局部大气环境。受体模型就是通过测量源和大气环境 ( 受体) 样品的物理、化学性质，定性识别对受体有贡献的污染源并定量计算各污染 源的分担率。确定了排放源的种类和排放源的贡献后，就可以将有限的资金投入治理 那些严重污染环境、对大气总悬浮颗粒物贡献较多的排放源，可取得事半功倍效果。 与扩散模型相比，受体模型不依赖于排放源排放条件、气象、地形等数据，不用 追踪颗粒物的迁移过程，避开了应用扩散模型遇到的困难，因而受体模型解析技术自 2 0 世纪7 0 年代应用以来发展很快。美、日等一些国家2 0 世纪7 0 年代开始应用c m b 法对芝加哥、华盛顿等城市的t s p 进行源解析工作，取得了与实际情况相符合的计 算结果，为针对性地治理t s p 做出了重要贡献。我国直到2 0 世纪8 0 年代后期起， 才开始进行t s p 来源解析的研究。一些大城市和经济发达地区的中等城市开始做t s p 的源解析工作，如北京、天津、上海、南京、重庆、昆明、乌鲁木齐、唐山、青岛、 烟台、玉溪等利用c m b 法进行了t s p 源解析，取得了比较好的结果。 硕十学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 1 5 课题的研究内容及意义 本文结合晋城市实际情况，旨在找出一种既公平合理，又经济适用的污染源削减 方案，主要研究内容如下。 ( 1 ) 详细调查污染源的基本情况，全面收集基准年的气象资料和污染现状，这 是容量计算的基础资料。 ( 2 ) 进行t s p 源解析研究，确定各种污染源对大气环境的贡献率，为容量计算 作基础。 ( 3 ) 确定控制区和功能区面积，由a 值法估算出控制区的理想环境容量，在此 基础上，应用浓度控制法和p 值法逐源计算，确定基础环境容量。 ( 4 ) 大气环境质量模型的确定和调整，采用多源模式按照贡献率大小分配原则 进行计算，得出污染源平权排放量和平权削减量，采用线性规划方法得出最优化削减 量，比较计算结果，找出最佳污染物削减方案。 ( 5 ) 结合晋城市实际环境污染情况，提出总量控制措施。 当前，地处我国中部的晋城市f 在积极发展本地经济，空气质量的好坏不仅关系 到居民身体健康，而且成为能否吸引资金，保持经济持续健康发展的因素之一。晋城 市近年来经济保持了强劲的发展势头，城市综合实力在全国地级市中排名第9 0 位， 在全省居太原之后名列第二，但随着经济的持续快速发展，大气环境质量不断恶化， 成为经济发展的主要障碍之一。因此，为了探索适合晋城市环境特征的大气污染总量 控制方法，合理分配和利用大气环境容量资源，为了实行有效的定量化环境管理，改 善晋城市的大气环境质量，进行以多源模式法为基础的总量控制方法研究是必要的。 硕士学位论文晋城市人气污染物总量控制研究 2 污染源调查 2 1 城市基本情况 2 1 1 自然环境 晋城市位于山西省东南部，地理坐标为东经1 1 1 5 57 1 1 3 3 7 、北纬3 5 1 1 3 6 0 4 。西、北与运城、临汾、长治接壤，据守山西东南门户，屏障三晋腹地；东、 南与河南省的安阳、新乡、焦作、洛阳为邻。市域东西宽1 6 0 公里，南北长1 0 0 公里， 总面积9 4 9 0 平方公里，占共和国版图的干分之一，占山西省总面积的6 。晋城市地 貌以山地、丘陵为主，其中山地占5 8 6 ，丘陵占2 8 5 ，盆地及山间宽谷占总面积 的1 2 9 。东部、西部和南部，群山连绵，山高岭峻：中部和北部，丘陵起伏，盆地 相间。全市平面轮廓略呈卵形。内地起伏较大，最高是舜王坪，海拔2 3 2 2 m ，最低是 沁河、丹河下游河谷，海拔接近3 0 0 m ，高度相差2 0 0 0 m 。境内大部分地区海拔8 0 0 m 。 东部及东南部为太行山脉，西南是王屋山，西北部为太岳山的南延部分。整个地区的 地势呈东西北高，中部、南部低的簸箕状。 晋城市地处太行山区，属暖温带半湿润大陆性季风气候，一年四季分明，雨热同 季，雨量分布不均，主要集中在7 、8 、9 三个月。春季风速大，蒸发强而降水少：夏 季炎热，降雨集中；秋季降水减少，多秋高气爽天气；冬季寒冷干燥。年平均气压 9 3 1 - o k p a ，年平均气温1 2 3 ，年平均降雨量6 1 9 ，4 m m ，年蒸发量1 7 3 5 9 m m 。全年以 静风频率为主，频率为3 5 左右，年平均风速为1 7 6 m s ，春季风速大，夏季多南风， 冬季多西北风。 2 1 2 社会环境 晋城市以煤炭、电力、煤化工、铸造、新型建材及钢铁等工业为主。在市委市政 府的领导下，充分发挥资源优势，加快农业产业化发展步伐，抓好接续产业建设，积 极采用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业，培育发展新兴产业，构建以煤为 基础的产业链，走煤一电一化、煤一电一铝、煤一焦一铸一体化之路，发展洁净能源、 电力、煤化工、中高档铸件、新型建材、丝麻织品、特色饮品和旅游8 大产业。 2 0 0 3 年，全市国内生产总值1 9 8 亿元，财政总收入3 0 1 亿元，城镇居民人均可支 配收入7 1 0 1 元，农民人均纯收入2 9 4 2 元。人均国内生产总值、人均财政收入、城镇居 民人均可支配收入三项指标居全省第三位，农民人均纯收入居全省第二。国家统计局 有关资料表明，2 0 0 2 年，晋城市城市综合实力在全国地级市中排名第9 0 位，在全省居 太原之后名列第二。 1 4 硕士学位论文 晋城市大气污染物总量控制研究 2 1 3 功能区的确定 本课题确定城区控制区为晋城市城区1 4 7 平方公里的区域，通过对晋城市区及其 周边区域大气污染物排放现状分析，可知大部分污染源集中在晋城市市区( 建成区) ， 与其它区域相比，其污染源密集、污染严重，又是晋城市的经济、文化、政治中心， 人口稠密，控制好本区大气污染是解决全局问题的关键所在，城区北石店镇( 工业区) 是晋城市的工业区，拥有大量的煤矿和污染严重的企业，本区企业能耗高、污染重， 又是市区的主要污染源之一，所以本课题对晋城市市区( 建成区) 和和城区北石店镇 ( 工业区) 进行重点控制。城区控制区执行国家环境质量二级标准。 2 1 4 监测点位 目前建立的市区大气环境监测点有4 个，属于基准站，各监测点的性质与网格坐 标位置见表2 1 ，所在位置如图2 1 所示。 图2 1 晋城市区监测点分布 f i g 2 1d i s t r i b u t i n gm o n i t o r i n gs i t ei nj i n c h e n gc i t y 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 表2 1 各监测点性质与坐标 t a b l e2 1c h a r a c t e r a n dc o o r d i n a t e o f e a c h m o n i t o r i n gs i t e 2 1 5 控制点的选取 城区国控大气监测点位监测结果直接反映城市环境空气质量水平，因此国控监测 点首选作为控制点；其次，城市敏感地区如市委、市政府等也列为控制点；另外考虑 控制点要均匀分布，在建成区每4 k m 2 设一个控制点位，最终设1 3 个控制点，见表6 1 7 所列。 2 2 污染源调查 2 2 1 城区网格化 在城区地图上，以左上角作为坐标原点，在此区域内以1 k m 2 为单位划分网格，见 图2 1 ，污染源的坐标由网格图确定。 图2 2 晋城市城区控制区网格示意图 f i g 2 2t h es k e t c hm a po f t h ec i t yz o n e 6 硕士学位论文 晋城市大气污染物总量控制研究 2 2 2 污染源调查结果 本文以2 0 0 3 年为基准年，对晋城市的主要工业、民用污染源进行调查。 2 2 2 1 排放源分类 确定污染源的划分原则为：点源几何高度大于或等于3 0 m 的排气筒：次点源是高 度低于3 0 m 而高于1 5 m 的排气筒，但计算时按面源处理：排放高度小于1 5 m 的为面源。 调查结果见附表1 、附表2 及附表3 。 利用污染源调查资料，进行整理和统计，将晋城市所有污染源划分为3 3 个点源， 1 7 9 个次点源，2 3 个面源，面源源强以网格为单位表示，以l k m l k m 为一个网格，面 源坐标由网格中心坐标确定，次点源和面源共占3 6 个网格。 2 2 2 2 污染源现状 经统计，建成区和北石店镇2 0 0 3 年s 0 2 总排放1 7 3 7 3 ta 1 ，其中点源排放1 3 9 4 1 t a 1 ， 占排放总量的8 0 _ 2 ，次点源排放1 7 4 6 t a - 1 ，占总排放量的1 0 1 ，面源排放1 6 8 6 t a 1 ， 占总排放量的9 7 。建成区和北石店镇2 0 0 3 年t s p 总排放量为2 0 2 5 7 t a ，点源排放 8 0 9 8 t a - 1 ，占总排放量的4 0 o ，次点源排放4 9 9 8 t a - 1 ，占总排放量的2 4 7 ，面源排 放7 1 6 1 t - a 1 ，占总排放量的3 5 4 。可见，点源的数量虽然不多，但排放量大，次点源 数目众多，但其排放量很小。 2 2 2 3 污染源排放量排队分析 对3 3 个点源按排放量进行统计，选s 0 2 及t s p 排量前1 5 名进行分析，见表2 2 和表 2 3 ，s 0 2 及t s p 排量分别占总排放量的8 2 2 7 和4 3 0 7 。 2 2 2 4 机动车污染状况 将晋城市机动车情况依据表2 4 进行等级折算，折算值总和s = p + v + a ，当s 7 时， 该城市可被划为机动车排放污染程度较重城市。 全市国内生产总值1 9 8 亿元，财政总收入3 0 1 亿元，城镇居民人均可支配收入7 1 0 1 元，农民人均纯收入2 9 4 2 元。根据表2 4 中第一项指标，晋城的p 值为1 。 晋城市城区截止2 0 0 3 年底，市区有在用汽车9 6 7 0 辆，摩托车3 0 0 0 0 余辆，根据表 3 3 中第二项指标，晋城市v 值为l 。 根据2 0 0 1 年2 0 0 3 年的晋城市环境质量数据，晋城市城区n 0 2 的年均值在小于 0 0 4 m g n l 一，根据表3 f 3 中第三项指标，晋城市a 值为1 。 1 7 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 晋城市s = 3 pu每宅磊口。一一ou喜pulm咨口nnbqno一口盘 o自v螋区疋零u啡醛叵区嚣eu燃璺匠睁馨驰nn僻 杖摩辜辎捌蹈嚣嫌烬fk怛鬈如 馘骝犁扑哪酷 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 表3 3 各类逆温层高度( m ) 、厚度( m ) 、强度( ) 及频率统计结果 t a b l e 3 ，3t h es t a t i s t i cr e s u l t so f t h et e m p e r a t u r e ，t h i c k n e s s ，i n t e n s i t yi na l lk i n d so f i n v e r s i o nl a y e r 2 4 硕士学位论文晋城市大气污染物总量控制研究 3 1 4 大气混合层高度 大气混合层高度是表征大气污染物在垂直方向上能够被稀释扩散的最低高度，根 据观测期间的温度资料，利用于绝热曲线法，同时结合