張稼軒,李 博,王 穎,2*,李雪超,張 晗

1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000 2.蘭州大學(xué),半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000

隨著城市化、工業(yè)化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)源、交通源和生活源排放的大氣污染物日益增加，使得我國空氣污染問題日益突出，嚴(yán)重制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-3].為了有效控制地區(qū)污染負(fù)荷的增加，落實(shí)增產(chǎn)不增污，甚至增產(chǎn)減污的環(huán)境管理目標(biāo)，以保護(hù)和改善環(huán)境空氣質(zhì)量，我國提出了更為嚴(yán)格的污染物排放總量控制制度；該制度以環(huán)境容量為基礎(chǔ)，以改善環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)，采取一定的措施將排放進(jìn)入給定區(qū)域內(nèi)的全部污染物的排放總量控制在環(huán)境容量容許范圍內(nèi)，從而滿足該區(qū)域環(huán)境質(zhì)量要求[4-5].實(shí)施污染物排放總量控制是落實(shí)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措，對(duì)提高污染治理水平、促進(jìn)地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、拓展城市發(fā)展空間等有重要意義.

蘭州市地處青藏高原東北部的黃河河谷盆地內(nèi)(35°51′N～38°00′N、102°30′E～104°30′E)，蘭州市區(qū)處于東西長約35 km，南北寬2～8 km的啞鈴形帶狀的狹長黃河河谷盆地中，屬于典型的河谷城市.蘭州市冬季靜風(fēng)頻率高，逆溫頻發(fā)，不利于污染物擴(kuò)散的復(fù)雜地形條件及特殊的氣象條件，加之目前不太合理的能源結(jié)構(gòu)和工業(yè)布局等條件嚴(yán)重影響蘭州市的城市空氣質(zhì)量.為有效控制蘭州市空氣污染問題，蘭州市政府、蘭州市生態(tài)環(huán)境局及相關(guān)部門出臺(tái)了一系列防治大氣污染的政策和管理辦法，并且加大了環(huán)境治理力度，使得蘭州市的環(huán)境空氣質(zhì)量總體呈現(xiàn)出改善的趨勢.然而，由于蘭州市能源結(jié)構(gòu)仍然以煤為主，工業(yè)企業(yè)的排污占比較高[6]，城市污染問題依舊不容樂觀，如何有效地控制城市大氣污染問題仍是蘭州市環(huán)境保護(hù)工作的一項(xiàng)難題.為改善區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量，保障人居環(huán)境，推進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，根據(jù)區(qū)域污染擴(kuò)散特征給出大氣污染物排放總量是落實(shí)環(huán)境質(zhì)量管控措施，實(shí)現(xiàn)區(qū)域穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ).而在大氣污染總量控制研究中，受觀測高度和觀測點(diǎn)位數(shù)量的限制，很難通過觀測給出地理區(qū)域性總量控制系數(shù)(A)的基礎(chǔ)參數(shù)——VE(通風(fēng)系數(shù),混合層高度與混合層內(nèi)平均風(fēng)速的乘積).因此，根據(jù)區(qū)域污染擴(kuò)散條件，合理確定通風(fēng)系數(shù)和污染擴(kuò)散空間，對(duì)科學(xué)核算大氣環(huán)境容量，進(jìn)而實(shí)施區(qū)域污染源管控措施，實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)有重要的意義.

國內(nèi)計(jì)算大氣容量的方法主要有A值法、多源模式法和線性規(guī)劃法.多源模式法和線性規(guī)劃法是在一定的約束條件下(各控制點(diǎn)的濃度或不同功能區(qū)的環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo))，將污染物總量根據(jù)排放源對(duì)控制點(diǎn)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分配，然后根據(jù)控制點(diǎn)污染物濃度監(jiān)測結(jié)果和排放限值，給出各污染物的最大允許排放量，進(jìn)而確定污染物削減量和大氣污染物排放容量[7-13]；多源模式法和線性規(guī)劃法均以A值法確定的環(huán)境容量為基礎(chǔ)，根據(jù)污染源對(duì)控制點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn)，以環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)為約束，給出污染源的削減量，進(jìn)而修正污染物排放總量.這兩種方法是對(duì)A值法的改進(jìn)和完善，但需要獲得區(qū)域污染源排放及分布特征，在沒有污染源排放清單的地區(qū)，這兩種方法不適用.A值法是計(jì)算環(huán)境容量的基礎(chǔ)方法，根據(jù)A值法確定環(huán)境容量，基本不考慮污染源布局等因素對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，不會(huì)因?yàn)槲廴驹捶植记闆r的改變導(dǎo)致環(huán)境容量的不確定性，并且該方法簡單，所需基本參數(shù)不多，是目前應(yīng)用最廣泛的大氣環(huán)境容量計(jì)算方法.由于蘭州市目前尚無污染源排放清單，因此，該研究采用A值法確定蘭州市中心城區(qū)的大氣環(huán)境容量.歐陽曉光[14]采用單箱模型法和達(dá)標(biāo)保證率法分別計(jì)算了A值，結(jié)果表明這兩種方法計(jì)算的A值相對(duì)偏差微小，具有較好的可靠性；徐大海等[15]利用箱模型法計(jì)算了不同時(shí)段的A值并分析了其統(tǒng)計(jì)特性；邢文聽[16]利用2000—2006年的氣象資料計(jì)算了蘭州市市區(qū)主要污染物的大氣環(huán)境容量并探討了其季節(jié)性變化特征.這些研究成果雖關(guān)注到A值對(duì)大氣環(huán)境容量的影響，但未對(duì)A值法確定的大氣環(huán)境容量的合理性進(jìn)行分析.

以箱模型為依據(jù)的A值法計(jì)算大氣環(huán)境容量的前提是污染物在垂直方向一經(jīng)擴(kuò)散立即均勻混合，控制區(qū)范圍的確定直接影響區(qū)域環(huán)境容量的合理性.該研究首先根據(jù)蘭州市大氣環(huán)境功能區(qū)劃、城市開發(fā)可利用范圍，綜合考慮地形因素，從擴(kuò)散單元角度采用GIS方法確定污染擴(kuò)散空間，即控制區(qū)面積；其次根據(jù)李博等[17]研究中計(jì)算VE的方法，計(jì)算了蘭州市中心城區(qū)的VE以及A值，進(jìn)而得到蘭州市中心城區(qū)的基本大氣環(huán)境容量；同時(shí)，考慮污染物在大氣中的干沉積、濕沉積和化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，根據(jù)邊界層高度及降雨量等參數(shù)給出污染物的變動(dòng)大氣環(huán)境容量；最后基于基本大氣環(huán)境容量和變動(dòng)大氣環(huán)境容量給出蘭州市中心城區(qū)主要污染物的大氣環(huán)境容量，并與蘭州市中心城區(qū)污染物排放總量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)情況，分析環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果的合理性，以期為治理蘭州市大氣污染問題、改善區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量等提供依據(jù)和參考.此外，為應(yīng)對(duì)不利氣象條件——低層逆溫出現(xiàn)時(shí)的情景，該研究還分別給出逆溫高度為100和150 m時(shí)的大氣環(huán)境容量，并與常態(tài)下(基于平均混合層高度的A值法)的大氣環(huán)境容量進(jìn)行對(duì)比分析，給出環(huán)境容量的變化率，以期為特殊氣象條件下的污染物管控措施提供依據(jù).

1 研究方法

1.1 大氣環(huán)境容量的計(jì)算

在基于箱模型的A值法的基礎(chǔ)上，考慮干濕沉積及化學(xué)轉(zhuǎn)化過程后的大氣環(huán)境容量的計(jì)算公式[18]：

(Ud+WR×R+ 0.693×Hi/T1/2)

(1)

式中：Qa為區(qū)域的大氣環(huán)境容量，104t/a；A為地理區(qū)域性總量控制系數(shù)(主要由當(dāng)?shù)赝L(fēng)量VE決定)，104km2/a；Cs為GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中污染物質(zhì)量濃度限值，mg/m3；Cb為污染物在進(jìn)入?yún)^(qū)域上風(fēng)向邊界氣流中的本底質(zhì)量濃度，mg/m3；Si為控制區(qū)分區(qū)i的面積，km2；S為區(qū)域總面積，km2；Ud為干沉積速率，cm/s；WR為清洗比，取值為1.9×10-5；R為降水率，mm/a；Hi為控制區(qū)分區(qū)i的混合層高度，m；T1/2為污染物半衰期，s.

1.1.1基本大氣環(huán)境容量的計(jì)算

基本大氣環(huán)境容量的計(jì)算公式：

(2)

地理區(qū)域性總量控制系數(shù)A的計(jì)算公式：

(3)

(4)

該研究根據(jù)文獻(xiàn)[17]中計(jì)算混合層高度和混合層高度內(nèi)平均風(fēng)速的方法，計(jì)算蘭州市的VE進(jìn)而得到A值.

1.1.2變動(dòng)大氣環(huán)境容量的計(jì)算

由于VOCs相關(guān)轉(zhuǎn)換研究成果較為鮮見，并且其通過光化學(xué)反應(yīng)生成的O3是目前影響大氣環(huán)境質(zhì)量的重要污染物之一[22-26].因此，該研究暫不考慮VOCs的變動(dòng)大氣環(huán)境容量.

HJ 2.2—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》中提出：采用ARM2 (環(huán)境比率法2)算法計(jì)算ρ(NO2)/ρ(NOx)時(shí)，對(duì)1 h濃度采用內(nèi)定的比例值上限(0.9)，年均濃度采用內(nèi)置比例值下限(0.5).故該研究采用NO2干、濕沉降以及化學(xué)轉(zhuǎn)化速率計(jì)算NOx的變動(dòng)大氣環(huán)境容量.

1.1.2.1干沉積清除量

干沉積過程是大氣中污染物清除的主要過程之一，通過干沉積過程所清除的污染物的量稱為干沉積清除量.干沉積清除量的計(jì)算公式：

Q2=3.153 6×Cs×Si×Ud

(5)

式中，Q2為污染物的干沉積清除量，104t/a.

由于缺乏干沉降試驗(yàn)，該研究中干沉積速率Ud的取值參考已有的研究結(jié)果.張艷等[27]對(duì)不同下墊面上各典型污染物干沉積速率的研究表明，我國地區(qū)SO2的干沉降速率為(0.35±0.004 0)cm/s，NO2的干沉降速率為(0.07±0.000 7)cm/s.

1.1.2.2濕沉積清除量

濕沉積過程也是大氣中污染物清除的主要過程之一，通過濕沉積過程所清除的污染物的量稱為濕沉積清除量.

顆粒物濕沉積清除量的計(jì)算公式：

Q3=3.153 6×Cs×Si×WR×R

(6)

氣體濕沉積清除量的計(jì)算公式：

Q4=3.153 6×Cs×Si×Kw

(7)

式中：Q3為顆粒物污染物的濕沉積清除量，Q4為氣體污染物的濕沉積清除量，104t/a；Kw為氣體的濕沉積速率.

SO2濕沉積速率[28]的計(jì)算方法見式(8).桑建國等[29-30]研究表明，NO2的濕沉積率為SO2濕沉積率的1/4.

Kw=a×Rb

(8)

式中，a、b為與季節(jié)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，二者取值見表1.

表1 不同季節(jié)SO2濕沉積速率經(jīng)驗(yàn)常數(shù)a、b的取值Table 1 The value of empirical constants a and b in the formula of SO2 wet deposition rate in different seasons

1.1.2.3化學(xué)轉(zhuǎn)化清除量

氣體化學(xué)轉(zhuǎn)化清除量的計(jì)算公式：

Q5=3.153 6×Cs×Si×0.639×Hi/T1/2

(9)

式中：Q5為氣態(tài)污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化清除量，104t/a；T1/2為半衰期，SO2、NO2的半衰期分別為1.0×105、7.2×105s.

1.2 資料來源

采用NCEP提供的全球30 s地形資料和水平分辨率為1°×1°的FNL全球分析(Final Operational Global Analysis)資料作為WRF模式的初始場.

污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于蘭州市中心城區(qū)4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量國控監(jiān)測點(diǎn)(蘭煉賓館、職工醫(yī)院、生物制藥所和鐵路設(shè)計(jì)院)2016年的逐時(shí)監(jiān)測資料.4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量國控監(jiān)測點(diǎn)的位置如圖1所示.

圖1 蘭州市中心城區(qū)4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量國控監(jiān)測點(diǎn)分布Fig.1 The location of four atmospheric environmental quality national control monitoring points in Lanzhou City

1.3 控制區(qū)面積

由《蘭州市城市總體規(guī)劃(2011—2020年)》可知，蘭州市中心城區(qū)的范圍為北至鐵路貨運(yùn)北環(huán)線，南至南繞城高速公路，東至蘭州高新區(qū)榆中園區(qū)東部邊界，西至京藏高速公路，面積為741 km2，主要包括城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)和西固區(qū).

根據(jù)A值法的基本原理可知，控制區(qū)應(yīng)為污染物一經(jīng)擴(kuò)散立即稀釋混合的范圍.蘭州市中心城區(qū)范圍較大，包括南北兩側(cè)山地，而受地形阻擋限制，污染物很難越過山體擴(kuò)散，如果采用中心城區(qū)行政范圍計(jì)算大氣環(huán)境容量，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果明顯偏大.因此，該研究借助ArcGIS軟件平臺(tái)，以山體為界，確定大氣環(huán)境容量控制區(qū)的污染擴(kuò)散范圍.由圖2可見，蘭州市中心城區(qū)大氣環(huán)境容量控制區(qū)分為6個(gè)擴(kuò)散單元，總面積為349 km2，其中，城關(guān)區(qū)為88 km2，安寧區(qū)為65 km2，西固區(qū)為126 km2〔分為3個(gè)擴(kuò)散單元，分別為A1(15 km2)、A2(48 km2)、A3(63 km2)〕，七里河區(qū)為70 km2.

注：圖中紅色區(qū)域?yàn)閿U(kuò)散單元.圖2 蘭州市中心城區(qū)大氣環(huán)境容量控制區(qū)Fig.2 Air environmental capacity control area in Lanzhou City

1.4 總量控制因子及環(huán)境目標(biāo)值

1.4.1總量控制因子

我國自實(shí)行濃度控制和總量控制相結(jié)合的控制措施以來，總量控制因子隨城市污染特征和環(huán)境管理要求的變化而逐漸增加.《國家環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃》中將SO2和煙塵作為總量控制因子；《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》中將SO2和NOx作為總量控制因子；《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》提出，根據(jù)總量減排與質(zhì)量改善之間的響應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建基于質(zhì)量改善的區(qū)域總量控制體系，實(shí)施SO2、NOx、顆粒物、VOCs等多污染物的協(xié)同控制和均衡控制；《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中提出要嚴(yán)格實(shí)施污染物排放總量控制，將SO2、NOx、煙粉塵和VOCs排放是否符合總量控制要求作為建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)審批的前置條件.綜上，總量控制因子為SO2、NOx、顆粒物和VOCs.因此，該研究初步選取總量控制因子(SO2、NOx、顆粒物和VOCs)作為容量測算因子.

依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量考核中受沙塵天氣影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的暫行規(guī)定》《沙塵天氣分級(jí)技術(shù)規(guī)定》《受沙塵天氣過程影響城市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)補(bǔ)充規(guī)定》，剔除區(qū)域環(huán)境清潔對(duì)照點(diǎn)——榆中蘭大站點(diǎn)2013—2016年受沙塵天氣影響的監(jiān)測數(shù)據(jù)得到：ρ(PM10)本底值為83～103 μg/m3，超過GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(70 μg/m3)；ρ(PM2.5)本底值為36～46 μg/m3，超過GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(35 μg/m3)，說明區(qū)域已無顆粒物容量.

綜上，該研究選取SO2、NOx和VOCs作為容量測算因子.

1.4.2環(huán)境目標(biāo)值

該研究控制區(qū)范圍內(nèi)無一類環(huán)境空氣功能區(qū)，因此ρ(SO2)和ρ(NOx)的環(huán)境目標(biāo)值分別取 GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(0.06和0.05 mg/m3).VOCs目前尚無環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其環(huán)境目標(biāo)值參照GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置，該標(biāo)準(zhǔn)中ρ(VOCs)限值為8 h平均質(zhì)量濃度，而總量控制指標(biāo)中為污染物年均質(zhì)量濃度.根據(jù)HJ 2.2—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定：對(duì)僅有8 h平均質(zhì)量濃度限值、日均質(zhì)量濃度限值或年均質(zhì)量濃度的污染物，可分別按2、3、6倍折算為1 h平均質(zhì)量濃度限值.因此，該研究按照比例轉(zhuǎn)化關(guān)系，得到主要污染物的年均質(zhì)量濃度與短期平均質(zhì)量濃度的比例范圍為1/5～1/3.為了嚴(yán)格控制VOCs的排放，該研究選取VOCs 8 h平均質(zhì)量濃度限值的1/5作為ρ(VOCs)的年均值控制指標(biāo)，故ρ(VOCs)的年均值(環(huán)境目標(biāo)值)為0.12 mg/m3.

1.5 本底值

ρ(SO2)和ρ(NOx)的本底值均采用蘭州市清潔對(duì)照點(diǎn)——榆中蘭大站點(diǎn)2013—2016年的監(jiān)測值，為考慮背景值的代表性，分別取ρ(SO2)和ρ(NOx)的最小值作為ρ(SO2)和ρ(NOx)的本底值.

由于缺少環(huán)境背景值的監(jiān)測資料，無法準(zhǔn)確獲得ρ(VOCs)的本底值.由于GB 3095—2012一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(在自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等需要特別保護(hù)的區(qū)域執(zhí)行的環(huán)境質(zhì)量目標(biāo))可以代表污染物的本底值，根據(jù)1.4節(jié)中確定的ρ(VOCs)環(huán)境目標(biāo)值，按照其他污染物一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比值來確定VOCs的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值.將主要污染物的GB 3095—2012一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值與二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對(duì)比(比值介于30%～60%之間)，同時(shí)考慮ρ(VOCs)本底值有一部分為自然源排放，但蘭州市地處西北地區(qū)，植被覆蓋率低，由自然源排放的VOCs相對(duì)較低，因此，ρ(VOCs)的本底值按環(huán)境目標(biāo)值的30%進(jìn)行取值.

綜上，ρ(SO2)、ρ(NOx)和ρ(VOCs)的本底值分別為0.015、0.025和0.036 mg/m3.

2 結(jié)果與討論

2.1 A值

蘭州市中心城區(qū)不同季節(jié)的A值如表2所示.由表2可見：蘭州市中心城區(qū)的A值具有季節(jié)性變化特征，春、夏兩季較大，而秋、冬兩季較小，因?yàn)榇?、夏兩季邊界層高度及邊界層?nèi)的平均風(fēng)速較大，而冬季則相反；除安寧區(qū)外，其他3個(gè)區(qū)的A值均低于《城市大氣污染物總量控制方法手冊》中甘肅省(渭河以北地區(qū))A值范圍(3.5～4.9)，這是因?yàn)樘m州市地處河谷盆地，地形地貌及氣象條件復(fù)雜，風(fēng)速低且靜風(fēng)頻率高，使得A值低于《城市大氣污染物總量控制方法手冊》中的推薦值(3.5～4.9).為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的目標(biāo)，該研究選取蘭州市中心城區(qū)各區(qū)(城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)和七里河區(qū))冬季不利氣象條件下的A值來確定各區(qū)的大氣污染物排放總量.

2.2 基本大氣環(huán)境容量

根據(jù)式(2)計(jì)算得到蘭州市中心城區(qū)的基本大氣環(huán)境容量如表3所示.由表3可知，蘭州市中心城區(qū)SO2、NOx和VOCs的基本大氣環(huán)境容量分別為2.92×104、1.62×104和5.44×104t/a.

表2 蘭州市中心城區(qū)不同季節(jié)的A值Table 2 A value in each season in the downtown area of Lanzhou City 104 km2a

表2 蘭州市中心城區(qū)不同季節(jié)的A值Table 2 A value in each season in the downtown area of Lanzhou City 104 km2a

季節(jié)城關(guān)區(qū)安寧區(qū)西固區(qū)七里河區(qū)春季4.75.54.95.2夏季4.04.34.23.8秋季2.12.52.12.0冬季1.51.61.41.4年均值3.13.53.23.1

表3 蘭州市中心城區(qū)的基本大氣環(huán)境容量Table 3 Basic atmospheric environmental capacity in the downtown area of Lanzhou City 104 ta

表3 蘭州市中心城區(qū)的基本大氣環(huán)境容量Table 3 Basic atmospheric environmental capacity in the downtown area of Lanzhou City 104 ta

項(xiàng)目SO2NOxVOCs城關(guān)區(qū)0.630.351.18安寧區(qū)0.580.321.08西固區(qū)A10.240.140.46A20.440.240.81A30.500.280.93小計(jì)1.180.662.20七里河區(qū)0.530.290.98合計(jì)2.921.625.44

2.3 變動(dòng)大氣環(huán)境容量

該研究根據(jù)蘭州市的降雨量、邊界層高度等參量計(jì)算了SO2和NOx的干、濕沉積清除量和化學(xué)轉(zhuǎn)化清除量.蘭州市中心城區(qū)的變動(dòng)大氣環(huán)境容量如表4所示.由表4可見，蘭州市中心城區(qū)SO2和NOx的變動(dòng)大氣環(huán)境容量分別為1.13×104和0.19×104t/a.

2.4 蘭州市環(huán)境容量及合理性分析

2.4.1蘭州市大氣環(huán)境容量

根據(jù)2.2和2.3節(jié)獲得的蘭州市中心城區(qū)主要大氣污染物的基本大氣環(huán)境容量和變動(dòng)大氣環(huán)境容量，得到蘭州市中心城區(qū)的大氣環(huán)境容量如表5所示.由表5可見：蘭州市中心城區(qū)SO2的大氣環(huán)境容量為4.05×104t/a，城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)和七里河區(qū)的SO2容量分別為0.91×104、0.80×104、1.60×104和0.74×104t/a；蘭州市中心城區(qū)NOx的大氣環(huán)境容量為1.81×104t/a，城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)和七里河區(qū)的NOx大氣環(huán)境容量分別為0.39×104、0.35×104、0.73×104和0.34×104t/a；蘭州市中心城區(qū)VOCs的大氣環(huán)境容量為5.44×104t/a，城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)和七里河區(qū)的VOCs大氣環(huán)境容量分別為1.18×104、1.08×104、2.20×104和0.98×104t/a.

表4 蘭州市中心城區(qū)的變動(dòng)大氣環(huán)境容量Table 4 Changing atmospheric environmental capacity in the downtown area of Lanzhou City

表5 蘭州市中心城區(qū)的大氣環(huán)境容量Table 5 Summary of atmospheric environmental capacity in the downtown area of Lanzhou City 104 ta

表5 蘭州市中心城區(qū)的大氣環(huán)境容量Table 5 Summary of atmospheric environmental capacity in the downtown area of Lanzhou City 104 ta

項(xiàng)目SO2NOxVOCs城關(guān)區(qū)0.910.391.18安寧區(qū)0.800.351.08西固區(qū)A10.290.150.46A20.600.270.81A30.710.310.93小計(jì)1.600.732.20七里河區(qū)0.740.340.98合計(jì)4.051.815.44

2.4.2環(huán)境容量的合理性分析

由于資料的限制，無法獲得蘭州市中心城區(qū)2016年VOCs的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此該研究僅將SO2和NOx的現(xiàn)狀排放量與環(huán)境容量進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合區(qū)域環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測資料結(jié)果，說明大氣環(huán)境容量計(jì)算的合理性.

2.4.2.1蘭州市2016年SO2、NOx達(dá)標(biāo)情況

2016年蘭州市中心城區(qū)4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量國控監(jiān)測點(diǎn)ρ(SO2)和ρ(NOx)年均值如表6所示.由表6可見，4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量國控監(jiān)測點(diǎn)ρ(SO2)年均值均達(dá)到GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說明現(xiàn)狀排放的SO2未超過環(huán)境容量，SO2尚有環(huán)境余量；4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)ρ(NOx)的年均值均超過GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，說明現(xiàn)狀排放的NOx已超過環(huán)境容量.

2.4.2.2蘭州市2016年SO2和NOx排放情況

該研究中采用中國多尺度排放清單模型(multi-resolution emission inventory for China，簡稱“MEIC”) v.1.3版本提供的2016年0.25°×0.25°網(wǎng)格化排放數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了蘭州市中心城區(qū)2016年SO2和NOx的排放量，結(jié)果如表7所示.由表7可見，蘭州市中心城區(qū)2016年SO2和NOx的排放量分別為1.62×104和3.16×104t.

表6 蘭州市中心城區(qū)2016年4個(gè)國控點(diǎn)位污染物質(zhì)量濃度Table 6 Concentration values of pollutants in four national control points in the downtown area of Lanzhou City in 2016

表7 蘭州市中心城區(qū)2016年SO2和NOx的排放量Table 7 The SO2 and NOx emissions in the downtown area of Lanzhou City in 2016 104 t

2.4.2.3環(huán)境容量的合理性分析

將蘭州市中心城區(qū)2016年SO2和NOx的排放量與該研究所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：蘭州市中心城區(qū)SO2的實(shí)際年排放量(1.62×104t)未超過計(jì)算的大氣環(huán)境容量(4.05×104t)，尚有余量(2.43×104t)，根據(jù)各國控監(jiān)測點(diǎn)SO2監(jiān)測結(jié)果可知，各國控監(jiān)測點(diǎn)ρ(SO2)年均值均達(dá)到GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可見計(jì)算的SO2容量合理；蘭州市中心城區(qū)NOx的實(shí)際年排放量(3.16×104t)已超過計(jì)算的大氣環(huán)境容量(1.81×104t)，NOx已無環(huán)境容量(-1.35×104t).根據(jù)各國控監(jiān)測點(diǎn)NOx監(jiān)測結(jié)果可知，各國控監(jiān)測點(diǎn)ρ(NOx)年均值均超過GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，說明現(xiàn)有NOx排放量超過大氣擴(kuò)散稀釋能力，應(yīng)根據(jù)具體排放源的排放總量和區(qū)域污染擴(kuò)散特征制定區(qū)域削減方案.由此可見，計(jì)算的NOx大氣環(huán)境容量合理.

綜上，該研究采用A值法計(jì)算的蘭州市中心城區(qū)大氣環(huán)境容量符合區(qū)域污染擴(kuò)散特征，計(jì)算結(jié)果合理，可以為蘭州市的大氣污染防治等提供科學(xué)的參考依據(jù).

2.4.3不同逆溫層高度下的環(huán)境容量

蘭州市為盆地地形，冬季多逆溫現(xiàn)象且逆溫持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大，不利于大氣污染物的湍流擴(kuò)散.王麗霞等[6,31]研究表明，蘭州市冬季逆溫層底高度在100～150 m范圍內(nèi).因此，為了應(yīng)對(duì)不利氣象條件——低層逆溫出現(xiàn)時(shí)的情景，該研究還分別給出逆溫高度為100和150 m時(shí)的大氣環(huán)境容量，并與常態(tài)下的大氣環(huán)境容量(基于平均混合層高度的A值計(jì)算的環(huán)境容量)進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了環(huán)境容量的變化率.結(jié)果表明：蘭州市逆溫高度為100 m時(shí)，SO2、NOx和VOCs的大氣環(huán)境容量分別為1.03×104、0.29×104和0.66×104t/a，與常態(tài)下的環(huán)境容量相比，容量占比分別為25.4%、16.0%和12.1%；蘭州市逆溫高度為150 m時(shí)，SO2、NOx和VOCs的大氣環(huán)境容量分別為1.29×104、0.42×104和1.12×104t/a，與常態(tài)下的環(huán)境容量相比，容量占比分別為31.9%、23.2%和20.6%.

3 結(jié)論

a) 蘭州市中心城區(qū)的A值具有季節(jié)性變化特征，其在春、夏兩季較大，在秋、冬兩季較小，春、夏兩季A值較大的主要原因是邊界層高度及邊界層內(nèi)的平均風(fēng)速較大，而冬季則相反.為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，該研究選取各區(qū)冬季不利氣象條件下的A值來確定各區(qū)的大氣污染物排放總量.蘭州市中心城區(qū)冬季不利氣象條件下城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)、七里河區(qū)的A值分別為1.5×104、1.6×104、1.4×104、1.4×104km2a.

b) 蘭州市中心城區(qū)SO2、NOx和VOCs的基本大氣環(huán)境容量分別為2.92×104、1.62×104和5.44×104ta，SO2和NOx的變動(dòng)大氣環(huán)境容量分別為1.13×104和0.19×104ta，SO2、NOx和VOCs的大氣環(huán)境容量分別為4.05×104、1.81×104和4.01×104ta.

c) 2016年SO2的實(shí)際年排放量(1.62×104t)未超過大氣環(huán)境容量限值(4.05×104t)，尚有余量(2.43×104t)，這與蘭州市中心城區(qū)2016年4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)ρ(SO2)年均值均達(dá)到GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀一致；NOx的實(shí)際年排放量(3.16×104t)已超過大氣環(huán)境容量限值(1.81×104t)，NOx已無環(huán)境容量(-1.35×104t)，這與蘭州市中心城區(qū)2016年4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)ρ(NOx)年均值均超過GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的現(xiàn)狀一致.該研究采用A值法計(jì)算的蘭州市中心城區(qū)的大氣環(huán)境容量符合區(qū)域污染擴(kuò)散特征，計(jì)算結(jié)果合理.