（环境工程专业论文）唐山市丰南城区大气环境质量达标规划研究.pdf

摘要 摘要 本文根据唐山市丰南区自然环境、污染气象特征、大气环境过程及区域污染 源分布等现有信息，建立了用于大气环境质量预测的多维多箱与高斯复合模型， 对唐山市采暖季和非采暖季特征污染物s 0 2 和p m l o 的质量浓度进行了预测。在 对现状大气污染物浓度进行预测的基础之上，结合大气环境质量标准研究计算了 唐山市丰南区大气环境容量，得出不同达标率情况下的大气s 0 2 和p m l o 环境容 量值。其中，多维多箱模型是由北京工业大学和加拿大r e g i n a 大学共同研究开 发出的一种新型大气环境预测模型，该模型反映了大气的三维扩散，污染物的物 理、化学消除基理，污染物的时空分布等因素，并能预测出城市的空气质量。对 于研究大气环境容量的复合模式，通过将模式预测值与现状监测值进行对比，其 平均相对误差在2 1 之内，具有较高的准确性，为得到较准确的环境容量计算 值打下了良好的基础。在大气环境容量研究的基础上，利用线性优化方程对各种 大气污染控制措施进行了削减规划研究，从而达到最少的环保投资及最佳的环境 效果。 本研究涉及大气混合层高度的确定、多维多箱模型和线性优化模型的应用。 本文采用的高斯模型与多维多箱模型相结合的复合模型进行大气环境容量的研 究，该方法具有简便易行，预测精度高等特点。 关键词环境质量预测；大气环境容量；环境规划；多维多箱模型；线性优化 北京：业人学j 啊掣硕十学位论文 a b s t r a c t i nt 1 1 i st h e s i s ，t h ec o m p o s i t em o d e lo fm u l t i d i m e n s i o r m lm u l t i - b o xa n dg a u s s h a sb e e na p p i i e df o rs i m u l a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca 吼o s p h e r i cc o n t 锄i n a t i o n so fs 0 2 a n dp m ioc o n c e n t r a t i o n si n1 趾g s h a l lf e n g n a nd i s t r i c ti l u r i n gh e a t i n gs e a s o na i l d n o n h e a t i n gs e a s o nr e s p e c t i v e l y b a s e do nm ep r e d i c t i o no ft h ea t m o s p h e r i cp 0 1 l u t a n t c o n c e n t r a t i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h ea t l n o s p h e r i ce n v i r o r n e m a lc a p a c i t yo ft a n g s h a n f e n g n a nd i s t r i c tu n d e rc e r t 2 l i na c m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tq u a l i 哆s t a n d a r di sc a l c u l a t e d ， a n dt h ea t m o s p h e r i cs 0 2a u l dp m l oc a p a c 毋o fd i f 诧r e n ts t a n d a r dr a t e si sr e t r i e v e d m u t i d i m e n s i o n a lm u l t i - b o xm o d e li san e wa t m o s p h e r i cp r e d i c t i o nm o d e li n v e n t e d b yb e i ji n gu n i v e r s i t yo ft e c l l l l o l o g ya n dr e g i n au n i v e r s i t y ，w h i c h c a nr e n e c t p h y s i c a la n dc h e m i c a l 舰n o v a lm e c h a n i s m sa n de f f e c t so f 晰n d - d i r e c t i o nv a r i a t i o n s ， w i t hf o u rw i n d d i r e c t i o n 粤o u p sb e i n gi n t r o d u c e di n t oi t sc o m p u t a t i o n a jf 疏n e w o r k n c a na l s op r e d i c tt h ea i rq u a l i t yo fd i f 绝r e n tc i t i e s a st ot i l es t u d yo fa t m o s p h e r i c c 印a c i t y ，“s h o w st h a tt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o r so fp r e d i c t i o nv a l u ea n dm o n i t o r i n g v a l u ea r el e s s 也a n2lp e r c e m ，w h i c hi n s u r e san i c e t ys t u d yc o n c l u s i o n o nt h eb a s i s o fa t m o s p h e r i ce n v i r o i m l e n tc a p a c i t y ，m ev a r i o u sa i rp o l l u t i o nc o n t r o ls t e p so fb e i j i n g c i t ya r eo p t i m i z e db yt h e1 i n e a ro p t i m i z a t i o nm e t h o d ，i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s e o ft h el e a s ti n v es j 缸n e n to u t l a yt 0p r o t e c tt h ee n v i r o m e n ta n dm o s te n v i m n m e n t a l e f r e c t t h es t u d yi n v o l v e dt h e 印p l i c a t i o n so ft h ee s t a b l i s l u n e n to fa t m o s p e r i cm i x i n g h e i g h t s ，m u l t i d i m e n s i o na n dm u l t i b o xm o d e l 觚【dl i n e a l ro p t i m i z a t i o n i ti st h ef i r s t 印p l i c a t i o no ft h ec o m p o s i t i v em o d e lo fm u l t i d i m e n s i o na i l dm u l t i - b o xm o d e la n d g a u s sm o d e l 踟u n dt h ew o r l d a n dt 1 1 e m e t h o d su s e di nt h i ss t u d yh a n v ea c h a r a c t e r i s t i co fs u p p l e n e s sa n dh i g hp r e d i c t i o nd e f i n i t i o n k e yw o r d sa t m o s p h e r i ce n v i r o m e n t a lq u a l i t yp r e d i c t i o n ；a t m o s p h e r i ce n v i r o m e n t a l c a p a c i t y ；e r l v i r o n m e n t a lp l 黜l i n g ；m u l t i - d i m e n s i o na 1 1 d m u l t i - b o xm o d e l ；l i n e a r o p t i m i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致调 的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：善么王彖日期：2 每；盘丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：生鸩囊导师签名：互茎垫匣r 期：耳! 幺丝 第l 章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 环境规划是环境保护和环境管理的重要组成部分，对于宏观预防环境污染， 使区域经济持续、健康发展具有重要价值。 作为唐山市重工业生产基地之一的丰南城区，与其它重工业城市一样，由于 生产企业的排污特征，当地大气环境质量受到严重影响。近年来，丰南区政府出 台了控制大气污染的政策和措施，城区大气环境中一次性气态污染及尘污染居高 不下或不断加重的趋势得到一定遏制，环境质量有了一些好转。然而，由于城区 主导产业为钢铁、建材行业，高能耗、高排污的重工业为主的产业结构和以煤炭 为主的能源结构，使得丰南环境污染随着经济的快速发展而日趋严重。加上城市 布局不合理，居民、工业、文教商业混杂，致使城市的生态环境质量下降，大气 环境污染严重。 通过对唐山市丰南城区大气坏境质量进行规划研究，对城市功能区布局进行 合理调整，对防止区域环境质量恶化，促进区域经济健康可持续发展具有重要意 义。本课题是将空气质量预测和环境规划相结合的一种新方法，既应用高斯模型 与三维多箱模型相结合的空气质量预测模型又应用优化模型，以空气质量达到环 境标准为规划的目标。它的应用将使环境规划更具有科学性和实用性。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 空气质量模型 1 2 1 1 高斯模型 多年来在点源污染浓度估计方面一直采用高斯模式，这主要是因为与其他扩 散模式( k 模式、统计模式和相似模式) 相比，高斯模式物理意义比较直观，模 式的数学表达式简单，便于分析各种物理量之间的关系和数学推演，易于掌握和 计算n 们。高斯模式形成了美国环境保护局( e p a ) 系统u n a m a p 模式库中所有模式 的支柱。作为法规模式它可以用最简捷的方式最大限度地将浓度场与气象条件之 间的物理联系及观测事实结合起来。 在平原地区，流场是比较接近于平稳和均匀的，三维空间除地表外可看成是 无边界的。在这样的条件下，物质在大气中的扩散首先是沿着盛行风向运动，然 北京i ：业人学1 ：稃硕十学位论文 后向各个方向扩散，扩散微粒位移的概率服从正态分布( 高斯分布) ，这就是高 斯模式的理论基础。 高斯模型是适合于高架点源污染物浓度预测最常见的模型，这主要因为与 其它的扩散模式相比，高斯模式物理意义比较直观，其数学表达式简单。作为法 规模式它可以用最简捷的方式最大限度地将浓度场与气象条件之间的物理联系 及观测事实结合起来。线源模式、体源模式、面源模式、烟流模式、烟团模式、 熏烟模式等等都是对基本模式的改造、修正和补充n 。1 。 高斯模式在大气质量预测时容易实施，但高斯模式难以配合风场的变化， 并且无法处理因地形引起的局部环流。没有考虑化学氧化和干沉积对污染物的去 除作用。在用高斯模型来预测城市大气质量时，由于城市污染源的分布和地形复 杂，应用该模式困难较大，往往带来较大的误差。 1 2 1 2 灰色预测模型 灰色预测模型是对一类本征性灰色系统所建立的一种微分方程的动念模 型，即把大气环境作为一个灰色系统，建立g m ( 1 1 ) 模型对大气环境质量进行 预测。运用狄色系统模型能找出影响环境质量的主导因子，而且可将环境质量预 测与社会经济因素相结合有助于提高预测结果的精确度和可信度。但该模型所建 立的模式是指数模式，对数据的分布有一定的要求，模型精度与预测精度并不完 全一致，此外该模型只能进行宏观预测，受认为因素影响很大；预测值是单项的， 缺少模糊性，因此它的应用有一定限制。ln 1 2 1 3 统计理论模式 ( 1 ) 质点随机行走模式 质点随机行走模式( m o n t e c a r l o ) 是通过跟踪大量遵循m o n t e c a r l o 路径的 质点轨迹，来模拟物质湍流扩散特征，是最具代表性统计模式之一。统计模式是 7 0 年代末为了估计大工业排放源对下风向几百公罩影响而发展起来的。基于大 气扩散运动本身是随机或杂乱的，人们建立了连续点源扩散的统计模式。统计模 式是以统计理论为基础，研究方法为追踪个别空气微团的运动。 该模式的优点是扩散计算与基本湍流性质相联系，对计算容量要求少，具有 程序简单、计算效率高等优点，同时可以避免数值计算不稳定和负值浓度等问题。 这种模式可以用于离源很近，乃至粒子行程时间远小于拉格朗r 时间尺度范围内 的计算。可以处理干沉积、湿沉积、化学转化、烟云抬升等问题。这种模式能较 2 第1 章绪论 好地反映扩散本身的随机性，不需要特殊的假设，可能是计算起伏的复杂环境地 形和海陆交界面这样非均匀、非定常和非高斯湍流场扩散的一种很有效的方法。 但是由于复杂地形风场和温度场的预报问题尚未解决好，大大限制了该方法的应 用。 ( 2 ) 烟团积分模式 统计模式另一类为烟团积分模式。烟团模式是使用一系列离散的烟团近似模 拟连续的烟流表示扩散，其中每个烟团的增长速率由大气的湍流扩散能力决定。 模式中任何一点的空气污染物浓度的高低等于在该点有作用的烟团对该点浓度 贡献的加和，作用的大小取决于烟团的大小、距该点的距离、所含污染物的多少。 该模式适用于处理非均匀、非定常场。它对中尺度( 2 5 一1 0 0 k m ) 的区域污染和长 时间扩散过程以及复杂地形条件下扩散的模拟比较合理。较烟流扩散模式它的计 算量大、参数较多、对地形与气象条件的适应性好、分辨率好、可考虑污染物干 湿沉积和化学转化的影响。 尽管烟团模式能够配合风场等气象条件的时空变化及静风状态的浓度预测， 但它存在只有烟团之间间隔较大时才能应用，不易考虑垂直风场的影响等缺陷。 并且计算量大，特别是在污染源较多的地区，需要较高的计算机时，较难实现实 时模拟引。 1 2 1 4 湍流闭合模式 湍流是大气边界层内污染物扩散的主要因素之一，要模拟好污染物在边界层 内的运动情况，就必须将湍流对污染物扩散起的作用表示出来。梯度输送理论研 究在空间固定点上由于大气湍流运动而引起的污染物浓度通量，属于欧拉方法。 湍流动能闭合模式的根据是梯度输送理论，扩散方程仅仅对烟流尺度大于占 优势的湍涡尺度时才正确，因此只有当污染物散布范围超过几百公尺以后才能应 用。一阶闭合模式比较简单，但是不够精确，不能很好地模拟湍流作用；在数值 模式求解的有限差分方法中经常出现人为耗散和负值浓度，这些都是难以处理的 问题。在三维情况下，这种方法受到计算机存储量的限制。空间分辨率是有限的， 提高分辨率，就要减少时间步长，加大计算时间瞄1 。 1 2 1 5 箱式模式 箱式模式常用于城市下垫面和封闭地形条件下的大气污染物浓度预测，主要 考虑了热力因子与动力因子的影响，在质量输入一输出简单模式的基础上建立起 3 北京1 ：业人学。i ：科硕十学位论文 来的。 ( 1 ) 单箱模型 单箱大气质量模型是计算一个区域或城市的大气质量的最简单的模型。常用 于大气环境容量的研究。模型假定所研究的区域或城市被一个箱子所笼罩，这个 箱子的平面尺寸就是所研究的区域或城市的平面，箱子的高度是由气象资料计算 的混合层高度，箱体内污染物浓度均匀分布。单箱大气质量模型由于没有考虑污 染物在垂直方向的扩散系数及风场随高度变化的影响，也没有考虑到研究区域内 大气污染物的分布不均匀性，因此单箱大气质量模型预测大气中污染物浓度会有 较大误差瞄一1 。 ( 2 ) 多箱模型 。 二维多箱模型是在单箱模型基础上改进的一种模型。它在纵向和高度上将单 箱分成若干部分，构成一个二维箱式模型。程水源教授采用二维多箱模型对石家 庄市坏境质量进行预测，结果表明二维多箱模型可以弥补单箱模型的缺陷，其计 算结果与实测值之间不存在显著性差异口3 。在宽度方向上离散二维多箱模型，则 可以构成一个三维的多箱模型。三维多箱模型结合了二维多箱模型和单箱模型的 优点砷1 ，它既考虑到污染源的不均匀、市区可分为不同功能区这一特点，又考虑 到在铅垂方向上风场随高度的变化，还考虑了物理干沉积和化学变化对污染物浓 度的影响。多箱模型可以弥补单箱模型的缺陷和不足，可使大气预测方法更完善， 也会使预测结果更接近实际。多维多箱模型除了具有直观、计算简单，比较适宜 于大气环境容量的研究等特点，还综合考虑了地形、气象等因子的影响以及非线 性的反应，可谓较完善的扩散模式。 1 9 9 8 年程水源教授在多维多箱模型中引入4 个风向组，成功地预测了石家 庄市大气环境质量，预测结果通过地面和高空的s 0 ：浓度监测值来验证。多维多 箱与高斯复合模型对城市大气环境质量预测将具有更好的效果，一般来说，高斯 模型适用于高架点源污染扩散的计算，但对于污染源排放口较低的面源，将会产 生较大的误差。而多维多箱模型现适用于对城市不同功能区的低架面源以及无组 织面源污染扩散的预测，这两个模型相结合能够更有效的预测城区的污染物浓度 分布。最近，根据唐山市自然环境与污染气象特征、大气混合层高度、大气环境 过程及区域污染源分布等信息，多维多箱与高斯复合模型再一次成功地应用于唐 山市大气环境容量研究与大气质量达标规划p 叫8 1 ，有助于政府制定科学合理的经 4 第1 章绪论 济发展与环境保护规划。 预计随着计算机技术的同益发展和数值解法的日趋完善，该模式将愈来愈得 到人们的重视n2 1 。 ( 3 ) 光化学箱式模型 用于城市区域大气质量预测的光化学箱体模型是由j i n 和d e m e j i a n ( 1 9 9 3 年) 。该模型基于质量守衡原理，并以下述假设为基础：( a ) 任何时刻箱体内部均 能实现很好的混合，且无空间浓度差异；( b ) 污染排放源在箱体底表面均匀分布； ( c ) 随混合层高度的增加，平流和垂直传输将造成大气侧向输送。典型城市应确 定其水平方向上的范围及由大气混合层高度而确定的垂直方向上维度。任何污染 物的浓度均由水平湍流、垂直扩散、污染源排放源强及化学反应决定。由一维边 界层模型预测的大气混合层高度及计算得出的光分解率常数也将被应用于光化 学箱体模型的模拟之中聆1 。 经验证，该模型是一个与预测城市大气质量相关的物理化学过程的有效工 具。在大气相对稳定且天气晴朗的条件下，光化学箱体模型一般能够得到良好的 效果。水平方向上的小风通常使边界层条件中的不确定性因素降为最低。而强烈 的同光不仅是光氧化所必须的，而且对于符合本模型假定的大气混合层条件的形 成也很重要。由于本模型不能解决垂直方向上示踪气体的分布问题，因而本模型 不适于在没有确定大气混合层高度的情况下使用。 ( 4 ) 拉格朗日箱式模型 与硫及氮化学物相结合的拉格朗同模型是由大气环境服务机构( 0 l s o n 等人， 1 9 9 0 年) 开发的。本模型用于计算年度氮气预测，并应用于1 9 8 0 年加拿大东部 年度氮气跨边界流动的预测。本模型使用了轨道线，该轨道线由来自加拿大气象 中心监测的风数据及温度降水数据计算得出。模型将干、湿沉积及n o ：、硝酸盐 及p a n 的化学转化通过使用由时间决定的每月干沉积系数、去除率及转化率实现 参数化。但是，由于预测结果是初步的，且会发生一定变化，因而本模型仍然需 要不断的改进和评估。对于空间和时间的跨边界传输及污染物传输矩阵的计算和 调查有待于进一步完成瞄1 。 1 2 2 6 空气流域模型 u a m ( u r b a na i r s h e dm o d e l ) 空气流域模型是一个用于城市尺度的三维欧拉网 格光化学数值模式n 驯，通过模拟大气物理、化学过程，该模型既可以计算惰性物 5 北京j 二业人学j ：程硕士学位论文 质的浓度分布也可以模拟和计算具有化学反应性物质的浓度分布。它提供了诸如 先体物的释放、污染物传输、湍流扩散、化学反应、清除过程、初边界条件等大 气物理和大气化学的数学表达式，u a m 的一个重要特点是可以将如何在数学上 表达市区或者城市下风向0 3 形成的物理化学过程最新研究成果引入到其中。 u a m 在它持续2 0 多年的发展中，不断得到进一步的开发和完善。1 9 9 5 年 l a s h m a r 和c o p e 发展了一个u a m 模型模拟n o x 和具有化学反应性质的有机物转 化为光化学烟雾的过程，应用于模拟悉尼空气质量，结果表明最大烟雾浓度的预 测值和实际观测值具有可比性“4 1 。1 9 9 6 年z i o m a s 等人应用u a 瓶模拟了雅典地区 的空气污染物扩散，并用同一时期的监测数据进行了比较，结果表明在时间和空 间上预测值与监测值具有较好的一致性n 引。1 9 9 5 年a l w a l i 和s 锄s o n 分析 了u a m 对空间和时间上的气象数据的灵敏性，采用1 9 9 2 年亚特兰大地区对0 3 等氧化剂研究所提供的数据做验证n 引。1 9 9 6 年w i n e r 和c h o c k 通过研究，发 展一种固有相关混合解决算法，对早期e u l e rt a y l o rg a l e r k i i l 方案提出了改进的 平流反射化学反应算法的u a m n ”。 u a m 的发展是基于对影响空气质量的许多因素之问复杂关系的细致分析， 通过数值模拟，u a m 能够详细的描述污染物的空间分布以及瞬时浓度和长期浓度， 该模型也能够有效的反映出污染源与周围坏境的复杂性。然而，模型受到资料有 效性，气象学测量的高费用及复杂的计算等限制。 1 2 1 7m o d eis 一3 模型 m o d e l s 一3 为t h i r d g e n e r a t i o na i rq u a l 时m o d e l i n gs y s t e m 的通称，由美国 环保局( e p a ) 于1 9 9 8 年6 月首次公布。m o d e l s 3 为美国e p a 为将各种模拟复 杂大气物理、化学过程的模式系统化，以应用于环境影响评价及决策分析而发展 的系统n 蝴1 。它是适用于城市和区域尺度对流层0 3 、酸沉降、能见度、p m l 0 及 其它污染物的空气质量模拟系统，模式设计要达到两个目标：环境管理部门可以 评估管理方案、措施在不同范围尺度对多种污染物的空气质量影响；为科学家提 供更好的探知、理解和模拟大气中的物理和化学相互作用的手段。 m o d e l s 一3 的核心称为c o m m u m t ym u l t i s c a l ea i rq u a l i t y ( c m a q ) m o d e l i n g s y s t e m ，亦可称为m o d e l s 3 c m a q 模式始h 肌。c m a q 最初设计的目的在于将复杂 的空气污染情况如对流层的臭氧、p m 、毒化物、酸沉降及能见度等问题综合处理。 c m a q 设计为多层次网格模式。所谓多层次网格，就是在实际的模拟区域之外， 6 第1 章绪论 首先以较襁的网格迸行模拟，以取得细网格的边界条件，进而使细网格的准确度 提高。这样做好处有二：第一，在粗网格时总网格数变少，运算时间得以有效的 减少；第二，在细网格部分，由于边界层条件是出外层网格所提供，而菲固定值， 则可以增加网格的准确度。 m o d e l s 3 模式结构严谨，体系完整，但系统也十分灵活，可以根据研究的需 要选择适合的模型并加入其模式体系，而且与应用软件的结合良好。这既适应方 便科学研究的需要，也比较满足环境管理部门的应用需要，该模式是一种进行大 气空气质量预测的良好选择，将会得到广泛的应用口 。但需与气象模型( m m 5 、 舢冲s 等) 相结合，计算复杂。 1 2 2 大气环境容量的研究现状 1 2 2 1 大气环境容量的概念 大气环境容量是指：在某个地区某个阶段内，能满足大气环境质量标准，大 气环境所能承纳的最大的大气污染物负荷总量瞳5 1 。大气环境容量的研究和确定， 越来越受到人们的重视，在这方面，国内外不少学者进行了大量的研究和探索。 通常人们认为，大气扩科2 l2 8 1 、污染物浓度预测汹1 以及大气混合高度q 是大气 环境容量研究的基础，并在该领域进行了研究和探索，取得了许多成果。而且随 着科学技术的发展( 特别是计算机技术的发展) 和人们生活水平的提高，人们对 大气环境质量的要求也越来越高，同时对大气环境容量总量的确定要求越来越精 确，这样在进行大气环境容量的计算时，就要有先进的预测模型以及选择的数值 计算模型不仅要考虑污染物的化学过程、反应机理、影响转化的因素，还要考虑 区域下垫面的影响、干湿沉积等。圪1 。从影响大气环境容量大小的两个因素我们不 难发现，要确定某一区域的大气环境容量的总量，首先必须选择合适的模型，模 型包括气象模式和空气质量模式，其次是需要了解污染物的本底值、气象条件对 污染物浓度的影响以及周边地区对污染物浓度的影响。 1 2 2 2 大气环境容量的研究现状 大气环境容量研究是一个非常复杂的问题，需要通过一定的模式( 模型) 来 模拟气象条件及污染物扩散条件，以计算各污染物在定条件下满足排放标准的 容许排放量。在大气环境预测方法和各类模型研究的基础上n 3 1 ，国内外学者正在 广泛丌展对大气环境容量的研究，并取得了重要进展，m c d o n a l d 等人在1 9 9 6 年 7 北京l ：业人学l ：稃硕十学何论文 开展了一项关于硫沉积及传输计算的箱模型与烟羽模型的比较研究，在运用加拿 大a 1 b e r t a 地区的气象与污染物排放数据的基础上，对s o ：的沉积和通量进行研 究时，应用箱式和烟云复合模型对该区域的环境容量进行了探讨。h 3 。h i d e s 等人 在澳大利亚悉尼的交通发展战略对大气环境影响预测方法过程中对该区域的大 气环境容量进行了研究。 国内对大气环境容量的探讨与研究也不少，并取得丰硕成果。任阵海院士早 在上个世纪9 0 年代就在该领域开展研究和探索，他首次研究分析我国大气输送 宏观规律及计算表达方法，揭示了我国大气环境的独特过程，提出外来污染物对 北京坏境质量的影响和沙尘暴对北京大气环境质量的影响等一系列理论，为我国 大气环境容量理论的创立打下了良好的基础卜捌。近几年来，沈阳市环保局应用 a d m s u r b a n 大气扩散模型用于沈阳市大气环境容量测算和环境空气质量数值预 报工作。利用城市多源模型，采用比例削减和最优化分配模式分别测算大气环境 容量，提供了二氧化硫和颗粒物的容量测算结果，对环境管理工作具有重要的指 导意义。但a d m s u r b a n 大气扩散模未考虑污染源( 烟源、机动车尾气、二次扬尘 等) 污染物排放量对环境空气质量的影响，尚未建立污染物排放总量与环境空气 质量之间的响应关系啪1 。 1 2 3 最优化方法研究现状 最优化方法是现代运筹学的一个重要分支。它所研究的中心问题是：如何根 据系统的特性，去选择满足控制规律的参数，使得系统按照要求运转或工作，同 时使系统的性能或指标达到最优1 。最优化问题往往具有三个基本的要素：一是 问题的变量，就是系统中可以改变的参数；二是问题受到的约束，也就是问题必 须满足的条件；三是问题的目标，即衡量该设计或控制的好坏的标准。在科学试 验、生产技术改进、工程设计和生产计划管理、社会经济问题中，人们总希望采 取种种措施，以便在有限的资源条件下成规定的约束条件下得到最满意的效果。 最优化方法就是在解决某一问题时，为了从各种可供选择的方案中，确定一个能 够最好地满足既定目标的方案所采用的科学方法。 自从2 0 世纪5 0 年代开始，随着数学建模和计算技术的发展，最优化方法 在工程领域得到了蓬勃的发展。理论和算法也日趋完善。事实上，许多科学方法 的发展都源自自然的启示和社会发展的需求，最优化方法也不例外。 8 - 第l 苹绪论 首先是工程的需求。5 0 年代末起，航空航天领域进入快速发展时期，原子 能的应用、对海洋的探索，这些要求系统能承受高温、高压、高速等环境的同时， 还必须轻质、能耗低、控制精确，从前的那种以经验和直觉为主的控制和设计方 法已经难以满足工程的要求，苛刻的条件和迫切的需求呼唤新的、更精确的理论 和方法。 其次是数学理论的发展和完善。线性规划、整数规划、动态规划、非线性 规划等求解优化模型的算法相继提出并求解，使优化在处理大规模的问题时有了 严格的数学基础。随着最优化涉及的工程问题规模越来越大、求解越来越困难， 近十年来又发展起来了模仿生物进化的遗传进化算法、模仿神经系统工作运行的 神经网络方法等。而且，新的更有效的算法仍在进一步的发展之中。总之，数学 的发展使最优化问题变得可解。而最优化问题在求解的同时也促进了数学的发 展。 不确定性线性优化模型是环境规划中应用的一种较常用模型，它把环境的复 杂性和不确定性真实反映出来。模型是把环境防治措施的各种因素参数化，首先 建立起目标方程( 以投资费用为目标) 、约束方程，再把这些含有不确定性的方 程分解成两组线性规划模型，然后求解，这样可达到最优的经济消费、最大的环 境效果。 1 3 本文主要研究内容 本论文研究内容主要为唐山市丰南区s 0 2 及p m l o 的大气环境容量，以及 在确保大气环境质量8 0 达标基础上对各污染源的优化削减方案。 本研究采用多维多箱与高斯复合模型，在综合考虑采暖季与非采暖季代表时 段的各种气象条件，结合风向、风速、大气稳定度联合频率表，对空气质量进行 预测，并通过合理削减p m l o 及s 0 2 排放量，确定了空气质量不同达标率条件下的 环境容量。 在所得的大气环境容量的基础上，以实现全年8 0 的天数大气坏境质量达 到环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中2 级标准为目标，通过调查各种 污染治理措施的费用，并考虑当地实际，利用性线性优化方程对总体污染控制措 施进行了优化计算，研究得出唐山市丰南区2 0 1 0 年实现全年8 0 ( s 0 2 为冬季 达标) 大气环境质量达标时各种措施的达标削减量。 北京j ：业大学：群硕+ 学位论文 本研究的特点在于：在研究大气环境容量的过程中，应用多维多箱与高斯复 合模型对大气s 0 2 及p m i o 环境质量进行预测，通过将模拟浓度与监测浓度比较， 对模型进行合理、适当的调整，尽量减小预测误差以研究确定模型，进而运用确 定后的多维多箱与高斯复合模型研究计算大气s 0 2 及p m l o 环境容量。最后，在 确定大气环境容量的基础上，根据本地污染源的实际情况拟定削减方案，进而制 定同时满足环境、经济及社会效益的优化削减方案。 1 0 第2 章区域环境概况 第二章区域环境概况 2 1 自然和社会环境概况 2 1 1 城区现状概况 河北省唐山市丰南区位于北京市东部约1 5 0 l ( 1 1 1 、河北省唐山市西南约1 5 ， 是全国经济发展较快的县级区之一( 2 0 0 2 年由市改成区) 。该区主要工业有冶金、 建材、造纸、纺织、食品等行业。丰南区的前身丰南市是国家百强县( 市) 之一， 河北省十强县( 市) 之一，在环渤海经济圈中处于开放的前沿。丰南城区地处丰 南区域北部，自然条件相对优越，人口和工业集中，是丰南区经济和文化中心， 工业企业以冶金、酿酒、化工、造纸、纺织为主。 现状城区包括六个居委会、八条街道、铁南小区以及与建成区毗邻的四王庄、 蛮子坨、清庄湖、白石庄、东板桥、西板桥、岗子庄、侉子庄、张四庄、开发区， 人口约8 万人，包括常住人口7 0 1 9 5 人，总建成区面积约1 2 5 万平方公罩。 丰南城区各项用地功能错杂，2 0 0 2 年居住用地4 2 4 公顷，工业用地3 8 0 公 顷，公共设施用地1 4 0 公顷，仓储用地2 8 公顷，主要道路1 8 条，面积约7 2 公 顷，绿地5 2 公顷，对外交通用地7 5 公顷。 丰南城区近年来第二产业发展迅猛，已居国民经济的主导地位，鬃毛加工业 历史悠久，新兴的冶金、建材企业异军突起，2 0 0 2 年工业总产值达1 0 7 2 3 亿元。 丰南城区交通便利，新京山铁路沿城区西侧南北贯通，老京山铁路沿煤河横 贯城区，唐山西外环胥各庄段称为青年路，是丰南城区主要干道，津榆公路从银 丰镇东南穿过。丰南城区现有国道( 2 0 5 国道) 、省道( 唐南公路) 各1 条。 丰南城区现有中学3 所，另有成人教育学校、教师进修学校、汽车驾驶学校 等各类学校1 1 撕。目前城区医疗机构有丰南区第一医院、丰南区第二医院、丰 南区中医院、胥各庄分院、丰南区结核病防治医院、丰南区妇幼保健i f 占等。 2 1 2 存在的问题 产业结构不协调 丰南城区集中了丰南区主要的工业企业，调查资料显示，2 0 0 0 年第一、第 二、第三产业的比重分别为2 6 6 、4 8 6 、2 4 8 。工业中传统的劳动密集和 资金密集型产业占优势，技术密集型相当薄弱。作为主导产业的第二产业中工业 体系关联效应差，冶金行业波动性大，严重影响了主导产业优势的发挥。 北京r ：业人学1 ：稃硕七学位论文 工业布局不合理 丰南城区基本上是围绕原胥各庄老城区和银丰镇建立起来的，由于建设之初 缺乏合理的规划，大量二、三类工业分布在居民区当中，严重影响了居民的生活 质量。在现状用地当中，工业用地偏大，占城市建设用地的3 4 9 ，绿地面积偏 少，绿地建设尤其是公共绿地建设不能满足人民日益增长的观赏及休闲娱乐的需 求。 环境质量状况不佳 受工业布局不合理以及二、三类工业偏多等因素影响，丰南城区大气污染情 况严重，首要污染物为烟粉尘，其次采暖季s 0 2 在胥各庄老城区也造成了较重的 污染；由于缺乏有效防治，丰南城区水环境质量超标也较严重，煤河城区段属劣 v 类水质；通过对城区噪声现状的监测可知，各企业厂界噪声达标率很低，主要 交通干道青年路、国丰大街等道路噪声超标严重，夜间最高超标可达1 0 d b ( a ) 以上。上述环境污染不仅影响人群健康和城市景观，而且也影响到丰南城区的投 资环境，制约了丰南区的城市发展。 2 2 大气环境污染因子的确定 根据丰南区大气污染及浓度分布情况，确定本次大气环境质量达标规划的主 要污染因子为：t s p 、p m l o 及s 0 2 。 2 3 城区大气污染源调查 搞清规划区域内现有的主要污染源和污染物排放特征，是大气环境质量达标 规划的基础。为此，组织了有关技术人员成立了污染源调查组，组织协调对区域 内各类有组织源、无组织源及流动源的排放情况做了详细的调查工作。在调查的 基础上，对各污染源的排放源强及排放特征进行了分析、计算和统计。 2 3 1 有组织排放源 有组织排放源主要为工业企业和冬季采暖锅炉。在研究中，进一步将有组织 源分为点源和面源两大部分。在确定点源与面源的分解源高时，根据丰南城区污 染源空间分布、地面粗糙度等情况，将高于3 5 m 的污染源作为点源，低于3 5 m 的污染源作为面源。 ( 1 ) 工业企业 根据调查结果，丰南城区2 0 0 3 共有工业企业4 6 家，其行业主要为冶金、建 材和其他( 如啤酒厂、机械厂) 等。主要工业企业污染物排放源强的统计结果见 1 2 第2 章区域环境概况 表2 3 7 。将工业企业按行业分类，其污染分担率见表2 3 1 表2 3 - l 污染物排放清单( t a ) t a b l e2 t 3 lt h es o u r c e sd i s c h a 略eb i l l so fc o n t a m i n a t i o n s 0 2 烟粉尘 p m l o 行业 占总排占总排 排放量放量的排放量放量的排放量 占总排放 量的 冶金 1 1 3 3 7 3 46 4 7 31 1 1 5 8 5 46 4 1 25 8 1 7 0 16 1 6 3 建材 1 9 0 4 1 61 0 8 73 1 4 2 3 3 1 8 0 61 8 3 6 4 21 9 4 6 其中水泥 1 6 3 0 4 09 3 12 8 6 9 8 3 1 6 4 9 1 6 9 3 3 7 1 7 9 4 其他 4 2 7 1 - 3 42 4 3 83 1 0 2 2 61 7 8 21 7 8 4 9 81 8 9 1 合计 1 7 51 2 9 11 0 0 0 01 7 4 0 3 1 3 1 0 0 0 09 4 3 8 4 11 0 0 0 0 ( 2 ) 采暖锅炉 根据调查，丰南城区现有采暖锅炉房1 9 7 座；燃煤量为9 0 0 0 0 t a 。所调查的 采暖锅炉中，排放高度大于3 5 m 的只有2 座，其余的锅炉排放高度在8 3 0 m 之 间不等。采暖锅炉排放源强的统计结果见表2 3 7 。 2 3 2 无组织排放源 丰南城区无组织排放源主要包括交通扬尘、料堆扬尘、施工扬尘、裸露地面 扬尘等污染源，根据本次研究调查的资料，将其分类统计整理，其统计结果如下： ( 1 ) 交通扬尘 交通扬尘排放量参考北京市大气污染成因和来源分析中采用的方法进行 计算，方法如下： 交通扬尘排放量= 交通扬尘排放因子道路长度交通流量 ( 2 一1 ) 排放因子的确定： t s p ： y ：1 8 5 6 1 i n ( x ) 一2 1 4 1 4( 2 2 ) p m l o ： y = 0 4 1 4 4 i n ( x ) 0 1 2 4_ ( 2 3 ) 式中：y 排放因子，g k m 辆； x 尘负荷，咖2 。 根据丰南区环保局提供的交通道路及流量的汇总数据，并结合丰南城区道路 的实际情况，取道路尘负荷平均值为2 5 9 m 2 f 3 2 】3 3 ，由公式计算t s p 排放因子y 为3 8 3 辆，p m l o 排放因子y 为1 2 0 9 酣锄- 辆。受建筑施工及市政施工 影响的路面，其单位面积的尘负荷分别为1 9 0 2 m 2 及3 1 9 2 m 2 ，t s p 排放因 子分别为7 6 0g 辆及8 5 6 鲈潍辆，p m l o 排放因子分别为2 6 5 鲈辆和 北京ji j 业人学i ：科硕十学位论文 2 9 9g l ( r 1 1 辆。 ( 2 ) 料堆扬尘 料堆扬尘产生于料堆的装卸、堆放和自然风蚀过程。本研究应用美国a p 4 2 报告推荐的方法估算。 料堆扬尘排放量= 堆料风蚀扬尘排放量+ 堆料作业扬尘排放量 堆料风蚀扬尘排放量= 堆料风蚀扬尘排放因子堆料表面积 堆料作业扬尘排放量= 堆料作业扬尘排放因子堆料的重量搬运次数 a 料堆风蚀扬尘排放因子的计算 晖= 后鼻 f = 1 ( 2 4 ) 式中：k 粒径大小因子； n 每年扰动的数量，如果认为平均搬运频率为3 天一次，则n = 1 2 2 ； p i 第i 次扰动中观察的最大风速的侵蚀潜势，m 2 。 方程中粒径大小因子k 随气溶胶颗粒大小而变化，其取值见下表： 表2 3 2 气溶胶颗粒火小冈子k 的取值【4 0 】 1 a b l e2 3 2a e r o s o ld e i l e ts i z ef a c t o rkv a l u e 1 0 0 u m l 3 0 u m l 1 5 u m l l o u m i z 0 )( 2 6 ) 式中：u 一一风速，耐s ； u + 一一磨擦风速，“s ； z 一一检测高度，m ； z o 一一地面粗糙度，m ，对于丰南城区，可取1 m ； 2 5 一一沃卡门系数，无量纲常数。 本研究在应用上述方程计算丰南城区风蚀扬尘排放因子时，综合考虑各种影 响因素后认为平均每3 天将人为扰动堆料一次，起尘的阈值风速选取为5 州s 。 1 4 第2 章区域环境概况 根据逐时风速分别计算，能够起尘的当天以该日的最大小时风速计算，然后加和 得到堆料风蚀扬尘的年排放因子，结果为1 8 8 0 6 9 m 2 a o b 作业扬尘排放因子的计算 作业扬尘的发生主要由以下几个不同的活动源所引起：向储料堆添料；堆储 区的传输装备活动；堆料表面以及料堆周围地面的风蚀；装载堆料等。作业扬尘 排放量不仅取决于作业料堆的重量，还取决于具体料堆的堆放时间、含水率及 p m l 0 所占的比例。通常使用下述公式估算堆料作业扬尘的排放因子： f ，扰r 蹦 0 0 1 6 ，潜 p 7 ， l2 式中：e 排放因子，蚴( 料) ； k 粒径大小因子，无量纲因子； u 平均风速，l s ； m 料堆材料的含水率( ) 。 对于丰南城区堆料含水率的取值根据丰南城区工厂企业料堆状况，取值 0 5 ；用2 0 0 2 年逐日的平均风速计算逐日作业扬尘排放因子，然后加和平均， 结果为0 0 3 2 k 卧料。 ( 3 ) 施工扬尘 施工扬尘包括建筑施工扬尘及市政施工扬尘，在本研究中，施工扬尘