（环境工程专业论文）岳阳市大气环境容量及SOlt2gt总量分配方法研究.pdf

摘要 岳阳市城区环境的最大特点是：地处长江南岸，洞庭湖西侧，属平原微丘区， 是城区、工业区、居民区等多功能分区的混合地带。为准确地求得这一类型地区 的大气环境容量，本文研究了岳阳市城区大气环境的主要特点，收集大气污染源 数据并进行分析，查明岳阳市城区主要环境问题，分析岳阳市城区主要大气污染 物的迁移转化规律，对a p 指数法求得的岳阳市大气环境容量值用湖陆风频率进 行修正，并将修正后的大气环境容量与多源模型( 区域大气环境容量计算模型) 求得的大气环境容量进行对比，得出结论：根据湖陆风环流情况下的大气扩散方 式，对有稳定的湖陆风环流的地区，采用湖陆风频率修正a p 指数法求大气环境 容量，进一步提高了计算的准确性。在对有稳定的湖陆风环流的地区进行区域环 境影响评价时，应用这一结论计算大气环境容量，结果更加可信。这一研究对于 制定发展规划，合理布局和总量控制等都有重要意义。 同时，由于总量分配理论和方法已成为总量控制的一个重要课题，本文采用 环境基尼系数衡量总量指标分配的公平性，借助该方法对岳阳市s 0 2 总量指标分 配的公平合理性进行了研究，结果表明岳阳市的s o ：总量控制指标严重倾向于火 力发电业。本文以工业总产值作为环境基尼系数的分配指标，分配过程中，通过 环境基尼系数的调整体现公平的思想，制定s o ：总量削减方案，对岳阳市大气环 境保护工作提出建议。 这一结论从定量的角度说明：城区工业结构应合理，以达到合理利用环境容 量的目的。 关键词：大气容量；a p 指数法；湖陆风；环境基尼系数；总量控制 岳rr i 人i 环境奔苗及s o 二总h 分配方法研亢 a b s t r a c t y u e y a n gc i t yi so f t h eo b v i o u sf e a t u r e s ：b e i n gl o c a t e do nt h es o u t hb a n ko f c h a n g i i a n gr i v e r a n dt h ew e s tt od o n g t i n gl a k e i ti sb e l o n g e dt ot h et y p i c a ll a n d f o r mo f p l a i na n dh i l ta n di st h e m u l t i f u n c t i o nf i e l do fb u s i n e s s ，i n d u s t r y , a n dl i v i n g i no r d e rt og e tt h em o r ea c c u r a t ed a t ao f a t m o s p h e r i cc a p a c i t ya b o u tt h i st y p eo fa r e a , s u c ha sy u e y a n g ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e c t m r a c t e r i s t i c so fy u e y a n gm e t e o r o l o g y , g a t h e r e dt h ef e a t u r e so f a t m o s p h e r i cp o l l u t i o ns o l i c e s ， w o r k e do u tt h em a i np r o b l e m si ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i na d d i t i o n ，w ea n a l y z e dt h er o l eo f a t m o s p h e r i ct r a n s p o r ta n dd i f f u s i o n ，a n dt o o kt h ef r e q u e n c yo fl a k ea n db r e e z et om o d i f yt h e d a t ao f a t m o s p h e r i cc a p a c i t yo fy u e y a n g ，w h i c hw a s a c h i e v e db ya - pi n d e x ，a n dc o m p a r e st h e m o d i f i e dd a t ao fa t m o s p h e r i cc a p a c i t yw i t ht h ed a t ao fa t m o s p h e r i cc a p a c i t ya c h i e v e db y m u l t i - s o u r c e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta c c o r d i n gt ot h ef a c to fl a k ea n db r e e z e ，t a k i n gt h e f r e q u e n c yo f l a k ea n db r e e z et om o d i f yt h ed a t ao f a t m o s p h e r i cc a p a c i t yo f t h ef i e l dw i t l ls t a b l e l a k ea n db r e e z e ，w h i c hi sa c h i e v e db ya - pi n d e x ，m a d et h ea t m o s p h e r i cc a p a c i t ym o r ea c c u r a t e a c c o r d i n g l nt h er e s u l tc o u l db em o r er e l i a b l ei ft h em o d i f i e dd a t ai st a k e nt oc a l c u l a t et h e a t m o s p h e r i cc a p a c i t yw h e nw ea s s e s st h ei m p a c to nt h ee n v k o n m e n to f t h ef i e l dw i t hs t a b l el a k e a n dl a n db r e e z e m e a n t i m e ，s i n c et h et h e o r ya n dm e t h o do ft o t a lq u a n t i t ya l i o c a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h e m o s ti m p o n a _ n tp a r to ft o t a lq u a n t i t yc o n t r o l ，t h i sp a p e rt o o ke n v i r o n m e n t a lg i n it oa s s e s st h e e q u a l i t yo ft o t a lq u a n t i t ya l l o c a t i o n ，a n dt o o kt h em e t h o d st oa n a l y z et h er e a s o n a b i l i t yo ft o t a l q u a n t i t ya l l o c a t i o no fs 0 2o fy u e y a n gc i t y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ey u e y a n g s t o t a l q u a n t i t yc o n t r o lp l a no fs 0 2i sd i s t r i b u t e dt o om u c ht od e v e l o pp o w e ri n d u s t r y t h i sp a p e rt o o k t h eg r o s si n d u s t r yp r o d u c t i o na se n v i r o n m e n t a lg i n i sf e a t u r ef o ra l l o c a t i o nt os h o wt h e e q u a l i t yt h r o u g ht h e 砌u s t m e n to fg i n id u r i n gt h ec o u r s eo fa l l o c a t i o n ，a n dw o r k e do u tt h e p l a nf o rd e c r e a s i n gt h et o t a lq u a n t i t yo fs 0 2 ，a n df o u n do u tt h ep r o p e rm e t h o d st op r e v e n t p o l l u t i o n ，i n c l u d i n ge n v i r o n m e n tm a n a g e m e n t , c o n t r o l l i n gi n d u s t r ys t r u c t u r e sa a j u s t m e n t ，a n d s oo n a tl a s t , s o m ea d v i c e sf o ra t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ny u e y a n gc i t yw a s s u g g e s t e d t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e rs u g g e s t e dt h a tt h ei n d u s t yc o n s t r u c t u r es h o u l db er e a s o n a b l e s oa st om a k eg o o du s eo f c i t y se n v i r o n m e n tc a p a c i t y k e yw o r d s ：a t m o s p h e r i cc a p a c i t y ；a pi n d e x ；l a k ea n dl a n db r e e z e ；e n v i r o n m e n t a lg i n i t o 诅lq u a n t i t yc o n t r 0 1 i 样硕p i ? 沦之 插图索弓 2 1岳阳市建城区区域图 3 12 0 0 1 年全年稳定度频率分如图 3 ，22 0 0 2 年全年稳定度频率分布图 3 32 0 0 3 年全年稳定度频率分布图 3 42 0 0 2 年采暖期稳定度频率分布图 3 ，51 月风向频率玫瑰图 3 ，64 月风向频率玫瑰图 3 ，77 月风向频率玫瑰图 3 81 0 月风向频率玫瑰图 3 92 0 0 2 年风速变化曲线图 3 10 采暖期胍速变化图 31 12 0 0 2 年1 月污染系数图 3 122 0 0 2 年4 月污染系数图、 3 ，132 0 0 2 年7 月污染系数图 3 142 0 0 2 年10 月污染系数图 3 152 0 0 1 年污染系数图 3 162 0 0 2 年污染系数图 4 1 岳阳市常规大气监测点位图 4 2 控制区污染源位置图 、 4 32 0 0 0 2 0 0 3 年s 0 2 、n 0 2 变化趋势 5 1 控制区网格化图 6 1 在海风作用下污染扩散情形 6 2 夜间污染物在山谷凹地中积聚的情形 6 ，3 污染物浓度在迎风坡上增加的情形 6 4 山丘对污染物分布的影响 6 5 建筑物对污染物分布的影响 6 6 一个街道c o 垂直剖面 6 7 大气环境容量计算结果图 7 j 洛兹伦曲线 7 ，2 环境基尼系数总量分配方法技术路线 7 ，3 基于工业总产值的洛伦兹曲线图 7 4 削减方案一基于工业总产值的洛伦兹曲线 7 5 削减方案二基于工业总产值的洛伦兹曲线 7 6 削减方案三基于工业总产值的洛伦兹曲线 7 7 削减方案四基于工业总产值的洛伦兹曲线 7 8 削减方寨五基于工业总产值的洛伦兹曲线 1 1 】9 19 19 1 9 2 0 2 0 2 1 2 l 2 l 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 23 2 3 25 2 7 2 9 3 4 37 3 7 3 8 3 8 38 38 4 1 4 8 5 0 5l 5 2 5 2 5 2 5 3 5 3 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 附表索引 2 1 岳阳市主要行业原煤、电力消耗情况 2 2 岳阳市主要能源消耗情况 2 3 机动车排放污染程度划分标准 3 1 岳阳市区湖陆风次数 一 4 1 君山公园环境空气监测结果统计表 4 2 环境空气质量评价标准 4 32 0 0 0 2 0 0 3 年城区空气质量统计表 5 1 a 值法各污染物的环境容量 522 0 0 2 年1 2 2 0 0 3 年2 月岳阳市大气常规监测统计结果表 5 3 模型计算值与实测值结果统计表 6 1 修正后的岳阳市大气环境容量 6 2 城市环境空气监测结果统计表 6 3 城市大气环境容量计算结果统计表 7 1s o 2 点源清单 7 2 污染源表 i2 i2 1 4 17 2 6 28 2 9 3 l 3 6 3 6 4 0 4 0 4 1 4 7 51 表表表表表表表表表表襄表表表表 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 相。 作者签名：祷毒宜日期：。r 年、- 月驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 诲导宝日期：一f 年- t 月8 日 日期：一r 年tr 月v日 程硕 学位论文 第1 章绪论 环境问题是当今世界三大问题之一，但在不同的国家有不同的特征。大量的 研究表明，我国环境污染控制最突出的问题是：污染的社会性、广泛性与其治理 的个体性、局限性之间的矛盾，这种现象促使我国污染控制政策亟待提高。在最 近的十多年中，我国在环境管理上主要采取的是浓度控制政策，其它管理政策和 管理方法也都是以浓度控制为基本出发点( 如排放标准、收费政策、监测方法等) 。 应当肯定，浓度控制的管理方式有其优点( 比较简单、管理方便、与我国目前的 监测队伍和监测水平相配套等) ，在过去的十多年间对控制污染起到相当重要的作 用。但随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的普遍提高，污染物质的排放量 都逐渐增大，使得污染的趋势难有效遏止，这必须从环境管理政策上寻找新的突 破口。事实上，从全国第三次环境保护会议之后，我国的环境政策就进入了新的历 史时期。这主要反映在管理方法由定性管理向定量管理、由微观管理向宏观管理、 由浓度管理向总量管理的一系列转变上【1 - 4 1 0 地方管理部门在执行新的政策时，关键在于怎样使政策目标和政策手段相匹 配。众所周知，在环境管理中，环境质量标准是政策目标，它对所要控制的环境 介质规定了一个极限值，超过这个极限值即认为环境受到了污染。相应地，污染 源控制标准( 即排放标准) 是政策手段，它以实现环境质量标准为目标，并考虑 技术上的可能性和经济上的合理性，规定污染源排放污染物的数量或浓度。随着 经济的发展，人口的增长，人民生活水平的提高，以及环境资源破坏的加剧，人 们对高质量的要求日益强烈，客观上存在着政策目标提高的必要，余下的问题是 寻求相应的政策手段，以保证达到相应的环境质量标准。 由浓度管理向总量管理的转变，实质上是一种政策手段的改变，其下逐渐成 为我国环境管理政策发展过程的中心和主线。大气污染总量控制研究中，大气环 境容量的计算和总量分配方案的制定在环境管理中显得尤为重要。本文通过对湖 南省岳阳市大气环境容量的计算和s 0 2 总量分配方案的研究，探索湖陆风盛行地 区大气环境容量的计算方法，并采用环境基尼系数定量衡量总量分配方案的公平 合理性，为大气污染总量控制积累经验。 1 1 浓度管理的弊端 浓度管理作为一种政策手段，可以说是与环境政策同时孕育和产生的，它以 岳mi h 人气环境容量及s 0 2 总量分配方法研究 对排污者具有法律约束的有强制执行意义的排放标准柬体现。然而，最值得关心 的是环境标准与环境质量标准间的响应问题，即政策手段与政策目标准间的匹配 问题。达标排放是否能实现环境质量标准呢? 从浓度管理方法上我们得不到完整 答案。虽然排放标准是为了达到环境质量标准而制定和实施的，但由于上述两种 由国家制定、各地统一执行的标准与地区特殊性结合不紧，它们就成为了一种无 差别的一般性原则。这种控制政策最为显著的缺陷是：目标和手段之间存在着缺 乏自动联系的缺点。手段和目标的脱节带来了很多反常和不平衡，政策执行的效 果也就难尽人意，它表现在： 1 、从理论上，把一定污染物按着排放标准稀释时，是不违背排放标准的。 排放前的稀释可以无限制地向环境排放污染物，这样对污染物的控制变得不可能， 环境质量目标变得无法实现。 2 、对具有高稀释自净扩散能力的区域 济上来说是一种浪费。 3 、对低稀释扩散自净扩散能力的区域 不可能满足环境质量标准。 不能做到合理利用环境容量，从经 即使所有的点都达到排放标准，仍 4 、区域增加新污染源，必定增加污染。若按达标排放，则浓度管理办法就 反映不出新增加的污染源，也就是说浓度管理办法不能适应环境规划的要求。 5 、浓度管理办法不可能真正体现“谁污染、谁治理”的原则。排污单位只负责 达标前的治理，待达标排放后，不管排向环境的污染物总量的多少，也不管对环 境影响程度的大小，均属于合法排放，概不再负责治理，不再承担缴纳超标排污 费的责任和削减污染负荷的任务。相反，有些单位通过努力，污染介质量大为减 少，但浓度有些增高，因而出现要上交更多排污费的不合理现象。 6 、因排放浓度达标，也就不能以经济的、行政的、及其它手段对企业提出 污染控制要求。 总之，没有环境容量概念，只追求稀释、扩散的污染控制政策是一种有限度 的战略。重要的途径是依据环境容量和环境平衡来采取措施。 1 2 总量概念的引入 针对浓度管理所存在的缺陷，七十年代初，日本地方自治体首先引入了总量 控制的概念。他们基于如下的考虑：为实现以环境质量标准为终极的政策目标， 必须找到另一种有别于浓度管理的政策手段，其有效性体现在以下双重原则上： 岳p r l ；人气环境容量及s 0 2 总蕾分配方法研究 对排污者具有法律约束的有强制执行意义的排放标准柬体现。然而，最值得关心 的是环境标准与环境质量标准问的晌麻问题，即政策手段与政策目标准间的匹配 问题。达标排放是古能实现环境质量标准呢? 从浓度管理方法上我们得不到完整 答案。虽然排放标准是为了达到环境质量标准而制定和实施的，但由于上述曲种 由国家制定、各地统一执行的标准与地区特殊性结合小紧，它们就成为了种无 差别的一般性原则。这种控制政策最为显著的缺陷是：目标和手段之间存在着缺 乏自动联系的缺点。手段和目标的脱节带来了很多反常和不平衡，政策执行的效 果也就难尽人意，它表现在： 1 、从理论上，把一定污染物按着排放标准稀释时，是不违背排放标准的。 排放前的稀释可以无限制地向环境排放污染物，这样对污染物的控制变得不可能， 环境质量目标变得无法实现。 2 、对具有高稀释自净扩散能力的区域 济上来说是一种浪费。 3 、对低稀释扩散自净扩散能力的区域 不u j 能满足环境质量标准。 不能做到合理利用环境容量，从经 即使所有的点都达到排放标准，仍 4 、区域增加新污染源，必定增加污染。若按达标排放，则浓度管理办法就 反映不出新增加的污染源，也就是说浓度管理办法不能适应环境规划的要求。 5 、浓度管理办法不可能真正体现“谁污染、谁治理”的原则。排污单位只负责 达标前的治理，待达标排放后，_ i 管排向环境的污染物总量的多少，也不管对环 境影响程度的大小，均属于合法排放，概不再负责治理，不再承担缴纳超标排污 费的责任和削减污染负荷的任务。相反，有些单位通过努力，污染介质量大为减 少，但浓度有些增高，冈由出现要上交更多排污费的不合理现象。 6 、因排放浓度达标，也就不能以经济的、行政的、及其它手段对企业提出 污染控制要求。 总之，没有环境容量概念，只追求稀释、扩散的污染控制政策是一种有限度 的战略。重要的途径是依据环境容量和环境平衡来采取措施。 1 2 总量概念的引入 针对浓度管理所存在的缺陷，七卜年代初，日本地方自治体首先引入了总量 控制的概念。他们基于如下的考虑：为实现以环境质量标准为终极的政策目标， 必须找到另一种有别于浓度管理的政策手段，其有效性体现在以下双重原则上： 必须找到另一种有别于浓度管理的政策手段，其有效性体现在以下颓重原则上： 1 、以区域环境容量为基点；2 、对不同区域不同污染有不同的排放控制标准。 以区域环境容量为基点只能确定区域污染物总量控制标准，即规定区域内所 能接纳的污染物总量。正如环境质量标准一样，总量控制标准也是环境政策的目 标，这个标准本身对污染者起不到制约作用。对污染者有约束力的是排放标准。 所以，总量控制标准需要改编为环境政策的真f 手段，也就是说需要改编为一系 列的排放标准。但是，一个总排放量可以改编为一系列的排放标准组合。在政策 上遇到的实际问题是：在这些不同的排放标准系列中应该选择哪个系列呢? 即怎 样选择一组合理的总量分配呢? 总量控制的概念并没有对这个问题作出解答。但 是这种思想方法是非常有价值的。之所以如此，是因为它给环境政策提出了新的 目标。将总量控制思想具体化的过程是总量控制概念引入后的发展。日、美及欧 洲共同体和我国某些城市的实践过程中，其发展着重在总量分配模式的建立上， 即形成一套与实际相结合的排放标准。确实总量分配是总量控制的关键和核心， 其它一切工作，如功能分区、环境容量的确定等等都只是总量分配的外围性工作， 总量分配将涉及经济发展与环境保护、污染物排放与环境容量、生产工艺与污染 治理、人工处理与自然净化等等一系列关系的协调与平衡，是一件细致、复杂、 技术性非常强的工作。因此，总量分配理论和方法成为目前我国实行总量控制中 的一个重要课题。一些国家和地区的的实践表明：总量控制方法能明显地弥补浓 度管理中的一些缺陷。对一个区域而言，由于对排放总量有一定的规定，管理机 关就可以在各个污染源间进行总量分摊的同时，结合进行产业结构的调整、土地 利用、生产力布局、环境规划，以达到区域整体防治的目的，同时，根据某些分 配原则，可使总量分摊形成经济性。对工厂而言，各工厂就必须在各厂内污染排 放设施间分摊排放量，因此有充分的理由相信，该办法最经济可行。 1 3 环境容量 容量是在一定空间容纳某种物质的能力。环境容量是指某一环境区域内对人 类活动造成影响的最大容量。就污染而言污染物存在的数量超过最大容纳量，这 一环境的生态平衡和正常功能就会遭到破坏。大气环境容量是一种特殊的环境资 源，它与其他自然资源在使用上有着明显的差异。鉴于环境条件和污染物排放的 复杂性，准确计算一定空间环境的大气环境容量是十分困难的，因为大气是没有 边界的，一定空间区域内外的污染物互相影响、传输、扩散。在做一定的假设后， 可借助数学模型模拟估算一定条件下的大气环境容量。 确定一个地区后，根据国家标准用a p 值法很容易得到该城市的一个大气环 境容量，主要考虑的是当地的区域面积和多年平均风速，也就是通风量。这个大 气环境容量定义为理想大气环境容量。 臣市人气环境弈量及s o ! 总量分能方法研究 而实际大气环境容量是指：对于一定地区，根据其自然净化能力，在特定的 污染源布局和气象条件下，为达到环境目标值，所允许的大气污染物最大排放量 总和，也就足平常所说的城市区域大气环境总量。环境目标值即所确定的相应等 级的国家或地方环境大气质量标准。 在确定地区空间内，大气环境容量度不是唯一的常量。在大气的环境目标值 确定后，当污染源的排放量一定时，大气环境容量可以随污染源的位置的排放高 度、气象条件、季节、地形条件等的不同而变化。 对于整个城市来说，它的实际环境容量比理论环境容量( 均匀混合后的容量) 要小。因为，城市包含了不能布局污染源的区域。 1 4 国内外有关研究及进展 在大气容量计算方法发展过程中，容量计算方法主要有a p 值控制法以及多 源模型法。a p 值控制法是对区域大气污染物进行宏观总量控制的一种方法，它 首先利用基于箱模型的a 值法求得控制区内某种污染物的允许排放总量，然后采 用p 值法，在该区域内所有污染源污染物排放量之和不超过上述容量的约束条件 下，确定出各个点源的允许排放量。城市多源模型是将污染源及扩散过程与控制 点联系起来，以目标控制点的浓度达标作为约束，通过线性、非线性规划或整数 规划等优化方法确定源的最大允许排放量或削减量。不同的方法有其优越性和不 足，a p 值控制法需要的输入参数简单，能迅速估算出给定控制出的污染物允许 排放总量，并能对点源进行控制，其结果可操作性强，便于环境管理部门的行政 管理，不足之处在于该方法不能充分反应污染源排放和控制点浓度的复杂关联。 多源模型在很大程度上弥补了a p 值法的不足，但是却需要更多的输入资料，一 般也要对污染物传输模式进行检验。 相当多的研究集中在大气扩散模式 s - 1 1 l 方面，空气质量模式是一种数学工具， 在具备输入资料的条件下，可以用来计算污染物的浓度及其时空的变化。根据污 染物、数学方法、流体力学方法、湍流扩散比拟、污染源、时间和空间的不同， 空气质量模式可以分成不同类型。 对于污染物，依照物理形态，可以分成气态和颗粒态污染物。常见的s 0 2 和 n o 。为气态污染物：t s p 、p m l 。为颗粒污染物。根据化学性质，可以分成惰性和 有化学变化的污染物，在小尺度问题中，污染物输送扩散的时间较短，常可以不 考虑化学变化过程，如城市尺度的s 0 2 、n o 。、t s p 和p m i o 的模拟等。但是有的 空气污染问题和化学变化密切相关，就必须考虑化学转化过程，比如光化学烟雾 是0 3 、n o 。、v o c 。和p a n 的混合物，这时n o 。便不能假设为惰性了。又如p m 2s 常和某些气态物质的氧化过程有关，硝酸根n 0 3 和硫酸根s 0 42 是重要的组成部 4 分，因此模拟p m 25 时，s 0 2 、n o 、的化学过程就必须包括在内。已经发现p m lo 可以经历中长距离输送过程，而且p m 25 是p m j o 的一部分，比较详细地模拟p m io 时，也应当包括化学过程。近年来，e p a 丌发了第三代模式，称为m o d e l s 一3 ， 这模式基于“只有一个大气层”的思想，把先前开发的高斯模式、光化学模式和 酸雨模式等结合在一起，并结合信息技术的最新成果，像地理信息系统、计算机 图形及因特网数据传输等，据称可以模拟各种各样的空气质量问题。 对于数学方法，空气质量模式主要分为统计模式、解析模式和数值模式。统 计模式指在具有大量观测数据的基础上，应用统计方法建立的计算模式，常见有 时间系列分析、多元回归和人工神经网络模式等。统计模式结构简单，主要要求 有足够数量和充分代表性的监测数据，以便建立泛性好的计算模式。模式计算本 身简单、快速，适用于计算条件较差，但又具有长期气象和环境监测数据的情况。 统计模式可应用于城市空气污染指数( a p i ) 的预测预报，但通常不能进行污染物 浓度的空间分布计算。解析模式指在一定的假设条件下，空气污染物浓度分布可 以以简单的数学公式表示，以解析形式得到计算结果，箱模式是一种代表性的解 析模式，结构也比较简单。对讨论区域建立一个箱体，在垂直方向上假设污染物 达到了均匀分布，而污染源则假设均匀分布在地面上。为了接近于实际情况，常 把研究区域分成多个箱体，形成“多箱模式”，箱模式的困难在于选择箱体高度。 以及垂直方向扩散的处理方式。然而由于计算简单、快速，近年来在大气环境规 划或决策支持系统中，箱模式又重新得到了应用。数值模式是根据科学原理，针 对污染物的排放、输送扩散、化学转化和沉降等过程，进行数学抽象后建立的。 数值模式复杂，要求污染源、气象、地形等大量输入数据，需要解微分方程，计 算工作量大。但数值模式可以计算浓度的时空分布，确定污染源和接受体之间的 定量关系。近年来计算机技术得到了高速发展，数值模式因此在城市空气质量评 价和规划中得到广泛应用。 常用于大气环境评价和规划中的高斯模式主要是一种经验模式。大量野外实 验表明，高斯分布( 又称正态分布) 是污染物浓度分布的较好的近似形式，高斯 模式数学形式简单，通过大规模野外实验获得了模式计算需要的主要参数，可以 在各种气象条件下选用。自2 0 世纪6 0 年代以来，高斯模式被称为“黄金模式”， 在大气环境问题中受到了最为广泛的应用。但高斯模式的基础源于湍流扩散的统 计理论。湍流扩散是污染物在大气输送中的重要过程之，形式上和分子扩散相 象，但有实质性的不同。 从流体力学方法角度，数值模式常分为拉格朗日轨迹型和欧拉网格型，或简 称轨迹模式和网格模式。轨迹模式以常微分方程为主，网格模式则主要应用偏微 方程。数值模式通常分为气象和输送扩散两个部分。对气象部分，最基本的是风 场模拟，有诊断型和动力学型两类，诊断型风场计算以实测数据为基础，进行内 岳h 人气环境容量及s 0 2 总鲑分雕方法研究 插，再应用质量守恒原理进行调整( 客观分析) ，是比较简单的一种方法。动力学 模式则从流体力学方程组出发，考虑空气运动的动力学和热力学过程，包括十分 复杂的计算工作。当城市较小，地形平坦，研究的又是短时间或代表性气象条件 下的空气污染问题时，常可以假设风向风速不发生变化，应用高斯烟流模式，轴 线不发生变化，不需要进行) i l 场模拟。 轨迹模式着眼于设定的空气团：假设空气团在输送过程中不破碎或合并，因 此可以根据风场首先计算空气团的轨迹，然后沿轨迹再进行扩散、转换和沉降的 计算。轨迹模式又可以分为前向轨迹型和后向轨迹型。前向轨迹从污染源出发计 算轨迹，然后沿轨迹从污染源出发模拟该污染源排放的污染物通过输送扩散过程 对计算区域内空气污染的影响，再把多个污染计算的结果进行迭加。由于各个污 染源造成的污染浓度分布是分别计算后再迭加的，因此容易用来计算各个污染源 关于选定位置空气污染浓度的贡献比例，应用于制定削减计划，但也因为污染源 是分别计算的，一些非线性过程便难以模拟了，所以湿沉降、云雨过程及化学转 化等只能通过参数化的形式来表示。后向轨迹模式以选定位置( 接受点) 为基点， 计算气团到达到该位置的轨迹，然后沿轨迹计算气团一路上经过哪些污染源，因 此受至影响，并经历各种物理化学过程，直到到达该选定位置，后向轨迹模式可 以包括复杂的化学反应，也能较清晰地说明各个污染源和受体之间的关系，但不 能模拟扩散过程。 网格模式则着眼于空间点，其基础是湍流扩散的梯度输送理论；预先根据问 题条件把计算空间划分为固定网格，把各个梯度输送理论方程和边界初始条件离 散化，再进行数值计算，风场由诊断型或动力学型气象模块提供，如果需要考虑 云雨过程，还需要一个单独的模块。扩散输送过程的数值计算需要注意数值计算 本身引起的误差( 虚假扩散或数值扩散问题) ，数值方法的收敛性和计算速度是需 要考虑的重要问题。网格模式原则上可以包括各种复杂的物理化学过程，因此光 化学烟雾等常用网格模式。网格模式计算工作量庞大，常应用于详细研究的课题 中。因为计算量限制，网格常常较粗，因此会发生“亚网格”问题。比如，从一个 点源排放的污染物不能立刻在其所在网格中充分混合，可能需要采用烟流一网格 混合型模式。此外，要确定各个网格上的参数相当困难，必须引进许多项假设， 比如应用湍流研究中的混合长度模式参数化各网格的湍流扩散系数等。 根据问题的需要，空气质量模式可以有各种不同的时空尺度，可能采用不同 的形式。对于空间尺度：微尺度指几百米以内，小尺度指i l o k m 甚至几十公里 的范围，中尺度为几百公里，大尺度则达到上千公里甚至更大范围，城市范围一 般属于小尺度，但因为空气污染有化学转化和输送过程，根据具体问题，城市空 气质量模式可能涉及中尺度甚至更大尺度的模拟过程。对于时间尺度，常分为短 期模式和长期模式，短期模式少至几小时，多至3 5 d ，多模拟事件性的空气污染 程硕十学位论文 问题。长期模式以月平均、或年平均气象条件为基础，或以代表性的气象条件为 基础进行模拟计算，目的是污染物在相应时段内的平均浓度分布。 在城市空气污染问题中，还常见一种“受体模式”，主要应用于颗粒态污染物。 这种模式以在选定地点( 受体) 采集到的颗粒态污染物样本为基础，进行成分和 元素分析，常包括正负离子、有机碳和碳元素、以及特定成分等，然后对可能影 响到该选定地点空气质量的各种类型污染源也进行采样成分分析。再通过质量平 衡和聚类分析等方法，确定各种类型污染源对选定地点空气污染的贡献比例，这 可以为需要削减何种污染源的排放量提供依据。但是，“受体模式”不能提供污染 物浓度的空间分布，也不能提供特定污染源对选定地点空气污染的关系，因此一 般不称为空气质量模式。 空气质量模式形成商业软件包的有：美国环保局推荐的i s c a e r m o d ”大气 扩散模型、多维多箱空气质量预测模型、高斯模式，由美国l a k e s 环境公司开发， 已经汉化，在中国的一些城市成功应用：英国剑桥环境研究公司开发的a d m s 大 气扩散模型软件，分“a d m s 评价”、“a d m s 一工业”、“a d m s 城市”等独立系统， 也有一些城市正在使用；我国自“六五”以来，陆续有不少城市计算过大气环境容 量，各自开发编制和使用过针对自身城市特点的大气扩散模型，如宁波环科院六 五软件工作室开发的e i a a 环评助手、中国环科院的“区域大气环境总量控制管理 模型”等。未形成商业软件包的有：国家环保总局环境规划院的“大气扩散烟团轨 迹模型”。 对于现在国内广泛使用的大气总量控制a p 值法，秦艳【u j 从分析大气污染物 的净化的各种理化过程着手，计论该模式简化处理的合理性及局限性，指出只考 虑输送和扩散过程的现用控制模式在一定程度上估算容量偏小，会抑制城市经济 和建设的发展。指出在实施污染总量控制时，应合理引入干沉积、湿沉积和化学 转化3 个过程，以充分利用大气环境容量。除此之外的研究主要是针对a 值法通 风量的计算上。王勤耕 1 3 】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的污染物总量的实际贡献， 使得a p 值控制法更为科学合理，且具有更广泛的适用性。 城市大气是一个多变量、多目标、多层次的复杂系统，大气环境容量的计算 必须要在充分了解当地大气背景的基础上，根据大气环境管理目标及污染源分布 现状，结合城市经济发展和总体规划，确定大气环境容量及其开发利用的最佳方 案。只有设计选用较为全面地考虑各种因素的一套大气环境容量计算和控制模型， 才能较为准确地估计大气环境容量，从面控制大气污染物允许排放总量。在利用 常用的a p 值法计算大气环境容量时，则应考虑下垫面条件。 k - ；- 市人气王= 、境容苗及s 0 2 总革分配力泫研究 复杂地形区域之胍场及污染物的输送，受地形影响往往是非均匀的，这类地区 大气环境容量的估算也有别于平坦地形区域。向可宗i t 4 以粤东山区之梅州市工业 居民混合区为例，介绍了复杂地形条件下人气环境容量的计算方法。主要包括：1 确 定地形影响下近地面之主要流型2 合理给出模式调整前容量的初估值，以尽量减 少模式调整的工作量3 ，建立非均匀风场条件下的环境容量调整模式。4 ，通过模式调 整得出大气环境容量的准确值。 岳阳市地处洞庭湖东岸，局地湖陆风环流是该地区特殊大气现象之一，由下 垫面热力条件诱生。日间，尤其在小风、晴朗日射较强情况下，低层风自湖上吹 向陆地谓湖风；夜间，则由陆地吹向湖面谓陆风，上层风中，则风向相反。在湖 面和陆地上空一定水平范围内，分别存在有上升气流区和下沉气流区，从而构成 一种局地环流即湖陆风环流。由其特有的气流系统和边界层结构支配，使得排放 在这类地区的空气污染物有其特殊的散布形式回流散布封闭型散布熏烟型 散布。根据美国密执安湖岸( 1 9 7 0 ) 的观测表明：在向岸流湖风条件下，排放较 高的烟流穿过入流层而进入上空回流层并返回水面，反之，如果是在晚间离岸流 情况下，排放伸入上空的烟流就会返回岸上，对岸边环境环境造成重复污染。对 湖陆风环流明显区域的大气坏境容量计算而言，回流散布影响较大，较多的研究 集中在利用模式模拟污染物浓度分布1 5 4 6 1 求得大气环境容量，对于a p 值法在这 种地区的应用较少报道。 1 5 岳阳市大气环境容量及总量分配方法的研究 岳阳市城区环境的最大特点是：地处长江南岸，洞庭湖西侧，属平原微丘区， 是城区、工业区、居民区等多功能分区的混合地带，本区环境质量受到人类活动 的影响发生了深刻变化，成了许多环境矛盾的交叉点，但在许多大气环境特征中， 具有决定意义的是本区的化工、热电、纺织工业为主的工业区，及城市多种多样 污染物汇集区，本区工业的发展，致使单位面积能源、水源、原材料的负荷量较 高，是环境保护的重点地区。 区域环境问题是一个多层次、多因素、多因子的复杂课题，不进行全面、系 统、综合而重点深入的研究，是无法认识和解决的。面对岳阳市大气环境复杂情 况及特点，我们开展了以下几个方面的研究： 1 、查明岳阳市城区大气环境背景的主要特点： 2 、查明岳阳市城区主要环境污染物、污染源； 3 、查明岳阳市城区主要环境问题： 4 、查明岳阳市城区主要大气污染物的迁移转化规律 5 、确定岳阳市城区主要大气污染物的大气容量 6 、将环境基尼系数运用于总量分配方案中，探索总量分配方案的合理性。 本文运用a p 值法和多源模型分别对岳阳市大气环境容量进行核算，将环境 背景、污染模式、污染物的迁移化规律、措施方案结合进来，根据岳阳市的下垫 面情况，对a p 指数法求得的岳阳市大气环境容量值用湖陆风频率进行修正，并 将修正后的大气环境容量与多源模型( 区域大气环境容量计算模型) 求得的大气 环境容量进行对比，得出结论：根据湖陆风环流情况下的大气扩散方式，对有稳 定的湖陆风环流的地区，采用湖陆风频率修正a p 指数法求大气环境容量，进一 步提高了计算的准确性。在对有稳定的湖陆风环流的地区进行区域环境影响评价 时，应用这一结论计算大气环境容量，结果更加可信。 同时，由于总量分配理论和方法己成为总量控制的一个重要课题，本文采用 环境基尼系数衡量总量指标分配的公平性，借助该方法对岳阳市s 0 2 总量指标分 配的公平合理性进行了研究，结果表明岳阳市的s 0 2 总量控制指标严重倾向于火 力发电业。本文以工业总产值作为环境基尼系数的分配指标，分配过程中，通过 基尼系数的调整体现公平的思想，制定s 0 2 总量削减方案，对岳阳市大气环境保 护工作提出建议。 听市人气叫、境容量及s 0 2 总啦分配方法研究 2 1 城市基本情况 第2 章城市概况 岳阳古称巴陵，又名岳州，是一座有2 5 0 0 多年历史的文化名城。它位于湖南 省东北部，与湖北、江西两省相邻，是一个富( 资源丰富) 、优( 区位优越) 、美 ( 风景优美) 的地方。城市人口7 8 万。其中岳阳市建城区面积7 2k m 2 。见图2 1 。 岳阳市属北亚热带季风湿润气候区，温暖期长，严寒期短，四季分明，雨量 充沛。年平均气温1 7 ，年平均降雨量1 3 0 2 m m ，年平均相对湿度为7 9 ，全年 无霜期为2 7 7 天，处日照时数为1 7 2 2 1 至1 8 1 6 5 小时，年太阳辐射总量为1 0 9 5 至1 1 0 4 千卡平方厘米，是湖南曰照时数最多的地区之一。 境内有洞庭湖、长江两大水系，除洞庭湖外，境内有大小内湖1 6 5 个，总湖 泊面积3 3 5 5k m2 总湖容1 0 9 亿k m 3 o 其特点可概括为：湖泊众多，河网密布， 水系发达，水源充足，素有洞庭水乡之称。 近年来岳阳经济保持了持续稳定的发展态势，2 0 0 1 年，国内生产总值达到的 4 0 6 9 7 亿元，其中第一产业增加值9 8 2 亿元；第二产业增加值1 6 6 3 6 亿元；第三产 业增加值1 4 2 4 亿元。一、二、三产业在国内生产总值中的比重分别为2 4 1 、 4 09 、3 5 o 。全市共有工业企业2 0 0 0 多家，其中大中型企业9 0 多家，工业总 产值5 2 4 亿元，初步形成了石油化工、建材、制冷、纸业、电力、饲料、医药、 纺织8 大工业支柱2 0 0 2 年全市完成g d p 4 5 2 0 2 亿元，完成各项税收2 5 1 亿元， 其中，上解中央“两税”6 ，4 亿元。财政总收入达1 8 7 2 亿元( 市县两级可用财力为 8 8 亿元，其中市本级可用财力2 - 3 亿元) 。全市年末各项贷款余额2 4 0 亿元，年 末各项存款余额1 9 0 亿元，其中居民储蓄1 3 0 亿元。城镇居民人均可支配收入7 2 8 6 元，农民人均可支配收入2 3 5 1 元。 2 2 城市交通及能源结构 岳阳市中心城区以南湖大道、岳阳大道、洞庭大道