第16卷6期2003年12月
城市环境与城市生态
URBANENVIRONMENT&URBANECOLOGYVol16,No.6Dec. 2003
267
城市大气污染综合治理规划方法
贺克斌,余学春,陆永祺,郝吉明,傅立新
(清华大学环境科学与工程系,北京 100084)
Ξ
摘要:以北京市2008年三种主要大气污染物PM10、SO2及NOx环境空气质量达标方案的设计为案例,从城市大气污染综合治理规划方法学角度,提出并发展了一套包括环境空气质量的模拟、城市背景浓度的确定、优化模型、传输矩阵、分区规划、等效排放、措施信息库等方法在内的城市大气污染综合治理规划问题的整体解决的技术方案,为全国其它类似城市进行大气污染综合治理规划提供一种实例与参考,同时,研究的结果对北京市2008年大气污染控制对策的制定提供了科学的依据。
关键词:空气质量模型;传输矩阵;优化模型;分区规划;等效排放;浓度预测中图分类号:X51 文献标识码:A 文章编号:1002-1263(2003)06-0267-02
IntegratedAnalysisofUrbanAirPollutionControlHEKe2bin,YUXue2chun,LUYong2qi,HAOJi2ming,FULi2xin
(DepartmentofEnvironmentalScience&Engineering,TsinghuaUniversity,100084,China.)Abstract:Thispaperdevelopedanintegratedanalysisapproachoftheurbanair,whichconcludedthesimulationoftheairquality,thedeterminationofthe,model,thetransfermatrix,theareadivision,theequivalentemissionBywayofthespecifiedapproach,acasestudyoftheairqualitymajorcriteriapollutants,PM10,SO2andNOxforBeijingin2008was,plefortheothersimilarcitiesandprovidedsomescientificalsupportstothegovernment.
Keywords:airmatrix; optimizingmodel; areadivision; equivalentemission;
目前,关于城市大气污染综合治理规划方法的
研究相对较少,现有的城市大气污染综合治理规划方法在规划的完整性和系统性方面尚存在某些不足。有些规划忽略区域污染对城市环境空气质量的影响而降低了规划的安全系数等等[1～4],本研究以北京市2008年三种主要大气污染物PM10、SO2及NOx环境空气质量全面达标方案的设计为案例,提出并发展了一套城市大气污染综合治理规划问题的整体解决的技术方案,为全国其它类似城市进行大气污染综合治理规划提供了一种实例与参考,为北京市2008年大气污染控制对策的制定提供科学的依据。
1 总体技术路线
本文提出并发展的城市大气污染综合治理规划方法的内容包括基准年排放清单、城市背景浓度、空气质量模型、基准年空气质量模拟、传输矩阵、优化模型、规划分区、等效排放、优化削减方案、备选措施信息库、实际削减方案、预测年控制目标、预测年排放清单、预测年空气质量模拟等十余个子单元。运
Ξ基金项目:国家科技部农村与社会发展司专项课题(20030002)
作过程为:先建立起基准年的排放清单,确定城市背
景浓度,选用合适的空气质量模型,对基准年城市环境空气质量进行模拟。然后,利用气质量模型,求出城市大气污染物的传输矩阵。确定规划年的控制目标。通过对城市进行规划分区,利用空气质量模型,得出排放高度、排放位置与影响浓度之间的定量规律。利用该规律,对排放清单中的不同排放高度、不同排放位置的污染源进行等效处理,使得对城市立体规划问题的求解转变成城市平面规划问题的求解,并形成求解优化模型的初始条件。利用传输矩阵及优化模型,求解在满足控制目标及初始条件下的最优削减控制方案。在建立基准年排放清单的同时,建立起相应污染源的时间、技术可行的控制措施信息库。从措施信息库中,按照一定的原则选出满足优化削减控制方案的措施进行组合,形成实际的削减控制方案。从基准年的排放清单中扣除实际的削减量,形成预测年的排放清单。利用传输矩阵,对规划年的环境空气质量进行预测。通过这套方法设计出的城市大气污染综合控制方案既具有较强的科
收稿日期:2003-06-13; 修改稿日期:2003-12-04
268
城市环境与城市生态 16卷6期 2003年
学性,有具有较强的实用性与可操作性。
2 基准年空气质量模拟
关于基准年排放清单的建立、城市背景浓度
的确定、空气质量模型的校核与验证、基准年空气质量的模拟等内容,参见文献[1]。
围内所有网格环境空气质量全面达到国家环境空气质量二级标准为约束,以各网格允许排放量最大(即削减量之和最小)为目标,利用大气污染物传输矩阵,优化求解满足上述约束条件及目标的最佳削减量分配方案,其数学表达式表示为:
MAX Q=∑qi
i=1n
3 传输矩阵
在规划系统中,传输矩阵起到至关重要的作用。
它源于空气质量模型,但一经产生,在规划中能起到替代空气质量模型的作用。它反应在一定的地形气象条件下一次污染物的排放与它所造成的浓度影响之间的线性关系,能快速计算污染物的影响浓度随污染物排放量的变化,从而使得利用优化模型进行线性规划成为可能。根据北京市建立起的分辨率为1km×1km大小的排放清单,本研究对应建立起1782×1782大小的二维传输矩阵。传输矩阵内任一元素aij反映了第j个污染源的单位排放量对第i个受体点的浓度影响程度。aij可表示为:
ij
s.t. AQΦS-Cb qiΕ0 qiΦqi0
式中:A为传输矩阵μ,g/(m3・t);S为由控制目标确定的污染物空气质量浓度μ,g/m3;Cb为城市背景浓度值μ,g/m3;Q为污染源排放量向量,t,Q=[q1,q2,…qi…q1782];qi为为第i个网格源的排放量,t;qi0为基准年第i个网格的初始排放量,t;设置条件qiΦqi0是基于规划过程中不增加新的污染源的考虑。
5,。东城、西城、宣武、崇文4个小区合并成一个区,称老城区,海淀区从中间分为海淀南和海淀北,石景山区独立成一区,丰台区从中间分成丰台东和丰台西,朝阳区从中间分成朝阳南和朝阳北。
研究发现:对每一区,三种污染物在不同高度的单位排放对城八区所有网格平均浓度的影响遵循对数递减的规律(如图
2所示)。
=
qj
式中:Cij为第j浓度影响μ,g/m3;j,t。传只与排放位置与高度有关,与排放量无关。
4 优化模型
本研究选用优化模型,即以北京市城八区范
图2 各区污染源排放高度与影响浓度关联图(左上图)及
2008年北京市城八区年均浓度分布图(PM10右上图,SO2左下图,NO2右下图)
由图2可知,当已知污染源所属区域及排放高度时,通过查图即可得到其污染排放对城八区平均浓度的影响,并可以将不同区域不同高度的污染排放在相同的浓度影响的前提下互相转化。例如,对某一区Hm高处的排放(排放量为qH),选定基准高度为14m,从图中查出Hm及14m浓度影响系数(图中的C/q),记为aH和a14,则将qH换算为浓度影响相同的14m的等效污染物排
放量q14,换算关系如下:
qH×H=q14×
q14=qH14
14
这样,即可将对立体的城市大气污染控制规划问题的求解转化为对平面的城市大气污染控制规划问题的求解,大大降低了城市大气污染控制
(下转第271页)规划的难度。
贺克斌,等 城市大气污染物来源特征
271
由表2可见,对PM10,石景山(排放占2610%,浓度影响占1117%)、朝阳南(排放占1917%,浓度影响占1715%)和老城区(排放占1219%,浓度影响占4311%)为主要的污染地区;对SO2,石景山(排放占4410%,浓度影响占2010%)、朝阳南(排放占2116%,浓度影响占2010%)和老城区(排放占418%,浓度影响占2318%)为主要的污染地区;对NOx石景山(排放占3014%,浓度影响占1019%)、朝阳南(排放占2416%,浓度影响占1717%)和老城区(排放占1011%,浓度影响占4014%)为主要的污染地区。
污染源的影响)的天数为202d,并确定了与这些天相对应的PM10、SO2及NOx的定陵监测浓度平均值分别为7619、1819及1919μg/m3,并以此作为北京市PM10、SO2及NOx的背景浓度值的初不结果。北京市城八区1999年PM10、SO2及NOx三种污染物的浓度分别为169、78及140μg/m3。由此确定,区域环境对北京市城八区污染物的浓度贡献PM10为4713%、SO2为2516%、NOx为1413%。
3 结论
本文以北京市1999年为案例,介绍了城市大气污染物排放清单的建立、环境空气质量的模拟和区域的环境影响分析等几种城市大气污染物来源特征分析的技术方法,由此分析城市大气污染、行业排放分担率、,。
作者简介:贺克斌(1962-),男,河北献县人,现清华大学环境科学与工程系教授、博士生导师,清华大学国际合作与交流办公室主任,负责或参加编写教材或专著7部,获省部级科技进步奖6项,国家专利两项。1996获国家教委“跨世纪优秀人才培养计划”基金支持,1998年获“霍英东优秀青年教师基金”支持,并入选人事部“百千万工程”。现已发表论文90余篇。
2 区域污染对城市环境空气质量影
响分析
区域环境污染对城市环境空气质量的影响(又称
城市背景浓度)对城市大气环境的控制规划有着重要的意义。本文利用北京市城市空气清洁参照点定陵监测点的监测资料,结合观象台气象资料进行分析,,,心50km左右,,但定通过对北京市气象监测站观象台站气象资料的分析,确定主导风向为北风(此时认为定陵监测值不受到市区
(上接第268页)
6 北京市2008年环境空气质量
预测
方案实施后各污染物浓度分布情况如图2所示。由图可见,在这套方案下,SO2、NO2在城八区范围内所有网格均能达到国家空气质量二级标准,而PM10除老城区及其周边部分地区仍平均超标6%左右外,其余大部分地区均达到国家环境空气质量二级标准,尤其是石景山及朝阳南工业区、老城区的严重污染状况将得到很大程度的改善。老城区位于市中心,人口密集,极不利于污染物的疏散。进一步解决老城区及其周边部分地区的空气质量达标问题,一方面应加强本地污染源(尤其是扬尘及餐饮业)的治理,另一方面应改善北京市周边区域大环境的空气质量,使得城市背
景浓度同步下降,走局地污染与区域污染同步治理的路子。参考文献
[1] 李达,蒋家文,陈波洋,等,社区大气污染物排放总量控制
研究[J].环境科学,1999,9(5):100-101.
[2] 栋,王晓东,陈文颖,等,城市大气污染治理规划方法[J].
城市环境与城市生态,1994,7(3):31-36.
[3] 陈长和,张镭,吴尚儒,等,兰州市区大气污染物治理方案的初
步研究[J].甘肃环境研究与监测,1995,8(2):9-11.
[4] 骆启仁,廖正军,雷孝恩,等,重庆市大气污染控制规划[J].
重庆环境科学,1996,18(6):8-14.
作者简介:贺克斌(1962-),男,河北献县人,现清华大学环境科学与工程系教授、博士生导师,清华大学国际合作与交流办公室主任,负责或参加编写教材或专著7部,获省部级科技进步奖6项,国家专利两项,1996获国家教委“跨世纪优秀人才培养计划”基金支持,1998年获“霍英东优秀青年教师基金”支持,并入选人事部“百千万工程”,现已发表论文90余篇。
第16卷6期2003年12月
城市环境与城市生态
URBANENVIRONMENT&URBANECOLOGYVol16,No.6Dec. 2003
267
城市大气污染综合治理规划方法
贺克斌,余学春,陆永祺,郝吉明,傅立新
(清华大学环境科学与工程系,北京 100084)
Ξ
摘要:以北京市2008年三种主要大气污染物PM10、SO2及NOx环境空气质量达标方案的设计为案例,从城市大气污染综合治理规划方法学角度,提出并发展了一套包括环境空气质量的模拟、城市背景浓度的确定、优化模型、传输矩阵、分区规划、等效排放、措施信息库等方法在内的城市大气污染综合治理规划问题的整体解决的技术方案,为全国其它类似城市进行大气污染综合治理规划提供一种实例与参考,同时,研究的结果对北京市2008年大气污染控制对策的制定提供了科学的依据。
关键词:空气质量模型;传输矩阵;优化模型;分区规划;等效排放;浓度预测中图分类号:X51 文献标识码:A 文章编号:1002-1263(2003)06-0267-02
IntegratedAnalysisofUrbanAirPollutionControlHEKe2bin,YUXue2chun,LUYong2qi,HAOJi2ming,FULi2xin
(DepartmentofEnvironmentalScience&Engineering,TsinghuaUniversity,100084,China.)Abstract:Thispaperdevelopedanintegratedanalysisapproachoftheurbanair,whichconcludedthesimulationoftheairquality,thedeterminationofthe,model,thetransfermatrix,theareadivision,theequivalentemissionBywayofthespecifiedapproach,acasestudyoftheairqualitymajorcriteriapollutants,PM10,SO2andNOxforBeijingin2008was,plefortheothersimilarcitiesandprovidedsomescientificalsupportstothegovernment.
Keywords:airmatrix; optimizingmodel; areadivision; equivalentemission;
目前,关于城市大气污染综合治理规划方法的
研究相对较少,现有的城市大气污染综合治理规划方法在规划的完整性和系统性方面尚存在某些不足。有些规划忽略区域污染对城市环境空气质量的影响而降低了规划的安全系数等等[1～4],本研究以北京市2008年三种主要大气污染物PM10、SO2及NOx环境空气质量全面达标方案的设计为案例,提出并发展了一套城市大气污染综合治理规划问题的整体解决的技术方案,为全国其它类似城市进行大气污染综合治理规划提供了一种实例与参考,为北京市2008年大气污染控制对策的制定提供科学的依据。
1 总体技术路线
本文提出并发展的城市大气污染综合治理规划方法的内容包括基准年排放清单、城市背景浓度、空气质量模型、基准年空气质量模拟、传输矩阵、优化模型、规划分区、等效排放、优化削减方案、备选措施信息库、实际削减方案、预测年控制目标、预测年排放清单、预测年空气质量模拟等十余个子单元。运
Ξ基金项目:国家科技部农村与社会发展司专项课题(20030002)
作过程为:先建立起基准年的排放清单,确定城市背
景浓度,选用合适的空气质量模型,对基准年城市环境空气质量进行模拟。然后,利用气质量模型,求出城市大气污染物的传输矩阵。确定规划年的控制目标。通过对城市进行规划分区,利用空气质量模型,得出排放高度、排放位置与影响浓度之间的定量规律。利用该规律,对排放清单中的不同排放高度、不同排放位置的污染源进行等效处理,使得对城市立体规划问题的求解转变成城市平面规划问题的求解,并形成求解优化模型的初始条件。利用传输矩阵及优化模型,求解在满足控制目标及初始条件下的最优削减控制方案。在建立基准年排放清单的同时,建立起相应污染源的时间、技术可行的控制措施信息库。从措施信息库中,按照一定的原则选出满足优化削减控制方案的措施进行组合,形成实际的削减控制方案。从基准年的排放清单中扣除实际的削减量,形成预测年的排放清单。利用传输矩阵,对规划年的环境空气质量进行预测。通过这套方法设计出的城市大气污染综合控制方案既具有较强的科
收稿日期:2003-06-13; 修改稿日期:2003-12-04
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城市环境与城市生态 16卷6期 2003年
学性,有具有较强的实用性与可操作性。
2 基准年空气质量模拟
关于基准年排放清单的建立、城市背景浓度
的确定、空气质量模型的校核与验证、基准年空气质量的模拟等内容,参见文献[1]。
围内所有网格环境空气质量全面达到国家环境空气质量二级标准为约束,以各网格允许排放量最大(即削减量之和最小)为目标,利用大气污染物传输矩阵,优化求解满足上述约束条件及目标的最佳削减量分配方案,其数学表达式表示为:
MAX Q=∑qi
i=1n
3 传输矩阵
在规划系统中,传输矩阵起到至关重要的作用。
它源于空气质量模型,但一经产生,在规划中能起到替代空气质量模型的作用。它反应在一定的地形气象条件下一次污染物的排放与它所造成的浓度影响之间的线性关系,能快速计算污染物的影响浓度随污染物排放量的变化,从而使得利用优化模型进行线性规划成为可能。根据北京市建立起的分辨率为1km×1km大小的排放清单,本研究对应建立起1782×1782大小的二维传输矩阵。传输矩阵内任一元素aij反映了第j个污染源的单位排放量对第i个受体点的浓度影响程度。aij可表示为:
ij
s.t. AQΦS-Cb qiΕ0 qiΦqi0
式中:A为传输矩阵μ,g/(m3・t);S为由控制目标确定的污染物空气质量浓度μ,g/m3;Cb为城市背景浓度值μ,g/m3;Q为污染源排放量向量,t,Q=[q1,q2,…qi…q1782];qi为为第i个网格源的排放量,t;qi0为基准年第i个网格的初始排放量,t;设置条件qiΦqi0是基于规划过程中不增加新的污染源的考虑。
5,。东城、西城、宣武、崇文4个小区合并成一个区,称老城区,海淀区从中间分为海淀南和海淀北,石景山区独立成一区,丰台区从中间分成丰台东和丰台西,朝阳区从中间分成朝阳南和朝阳北。
研究发现:对每一区,三种污染物在不同高度的单位排放对城八区所有网格平均浓度的影响遵循对数递减的规律(如图
2所示)。
=
qj
式中:Cij为第j浓度影响μ,g/m3;j,t。传只与排放位置与高度有关,与排放量无关。
4 优化模型
本研究选用优化模型,即以北京市城八区范
图2 各区污染源排放高度与影响浓度关联图(左上图)及
2008年北京市城八区年均浓度分布图(PM10右上图,SO2左下图,NO2右下图)
由图2可知,当已知污染源所属区域及排放高度时,通过查图即可得到其污染排放对城八区平均浓度的影响,并可以将不同区域不同高度的污染排放在相同的浓度影响的前提下互相转化。例如,对某一区Hm高处的排放(排放量为qH),选定基准高度为14m,从图中查出Hm及14m浓度影响系数(图中的C/q),记为aH和a14,则将qH换算为浓度影响相同的14m的等效污染物排
放量q14,换算关系如下:
qH×H=q14×
q14=qH14
14
这样,即可将对立体的城市大气污染控制规划问题的求解转化为对平面的城市大气污染控制规划问题的求解,大大降低了城市大气污染控制
(下转第271页)规划的难度。
贺克斌,等 城市大气污染物来源特征
271
由表2可见,对PM10,石景山(排放占2610%,浓度影响占1117%)、朝阳南(排放占1917%,浓度影响占1715%)和老城区(排放占1219%,浓度影响占4311%)为主要的污染地区;对SO2,石景山(排放占4410%,浓度影响占2010%)、朝阳南(排放占2116%,浓度影响占2010%)和老城区(排放占418%,浓度影响占2318%)为主要的污染地区;对NOx石景山(排放占3014%,浓度影响占1019%)、朝阳南(排放占2416%,浓度影响占1717%)和老城区(排放占1011%,浓度影响占4014%)为主要的污染地区。
污染源的影响)的天数为202d,并确定了与这些天相对应的PM10、SO2及NOx的定陵监测浓度平均值分别为7619、1819及1919μg/m3,并以此作为北京市PM10、SO2及NOx的背景浓度值的初不结果。北京市城八区1999年PM10、SO2及NOx三种污染物的浓度分别为169、78及140μg/m3。由此确定,区域环境对北京市城八区污染物的浓度贡献PM10为4713%、SO2为2516%、NOx为1413%。
3 结论
本文以北京市1999年为案例,介绍了城市大气污染物排放清单的建立、环境空气质量的模拟和区域的环境影响分析等几种城市大气污染物来源特征分析的技术方法,由此分析城市大气污染、行业排放分担率、,。
作者简介:贺克斌(1962-),男,河北献县人,现清华大学环境科学与工程系教授、博士生导师,清华大学国际合作与交流办公室主任,负责或参加编写教材或专著7部,获省部级科技进步奖6项,国家专利两项。1996获国家教委“跨世纪优秀人才培养计划”基金支持,1998年获“霍英东优秀青年教师基金”支持,并入选人事部“百千万工程”。现已发表论文90余篇。
2 区域污染对城市环境空气质量影
响分析
区域环境污染对城市环境空气质量的影响(又称
城市背景浓度)对城市大气环境的控制规划有着重要的意义。本文利用北京市城市空气清洁参照点定陵监测点的监测资料,结合观象台气象资料进行分析,,,心50km左右,,但定通过对北京市气象监测站观象台站气象资料的分析,确定主导风向为北风(此时认为定陵监测值不受到市区
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6 北京市2008年环境空气质量
预测
方案实施后各污染物浓度分布情况如图2所示。由图可见,在这套方案下,SO2、NO2在城八区范围内所有网格均能达到国家空气质量二级标准,而PM10除老城区及其周边部分地区仍平均超标6%左右外,其余大部分地区均达到国家环境空气质量二级标准,尤其是石景山及朝阳南工业区、老城区的严重污染状况将得到很大程度的改善。老城区位于市中心,人口密集,极不利于污染物的疏散。进一步解决老城区及其周边部分地区的空气质量达标问题,一方面应加强本地污染源(尤其是扬尘及餐饮业)的治理,另一方面应改善北京市周边区域大环境的空气质量,使得城市背
景浓度同步下降,走局地污染与区域污染同步治理的路子。参考文献
[1] 李达,蒋家文,陈波洋,等,社区大气污染物排放总量控制
研究[J].环境科学,1999,9(5):100-101.
[2] 栋,王晓东,陈文颖,等,城市大气污染治理规划方法[J].
城市环境与城市生态,1994,7(3):31-36.
[3] 陈长和,张镭,吴尚儒,等,兰州市区大气污染物治理方案的初
步研究[J].甘肃环境研究与监测,1995,8(2):9-11.
[4] 骆启仁,廖正军,雷孝恩,等,重庆市大气污染控制规划[J].
重庆环境科学,1996,18(6):8-14.
作者简介:贺克斌(1962-),男,河北献县人,现清华大学环境科学与工程系教授、博士生导师,清华大学国际合作与交流办公室主任,负责或参加编写教材或专著7部,获省部级科技进步奖6项,国家专利两项,1996获国家教委“跨世纪优秀人才培养计划”基金支持,1998年获“霍英东优秀青年教师基金”支持,并入选人事部“百千万工程”,现已发表论文90余篇。