工业园区SO2大气环境容量时间变化特征分析∗

尹稚祯，何秉宇，陈瑞

(新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046)

0 引言

随着经济发展，大气环境问题日益突显．当污染物排放量超出环境容量时，就会造成环境污染，因此，准确掌握区域大气环境容量是大气污染治理工作的基础，是环境规划的依据[1]．核算园区大气环境容量对于园区产业布局、污染物排放总量控制以及环境质量改善具有重要意义[2]．

目前，修正A值法是计算大气环境容量的通用方法，但实际应用中皆采用区域近年气象、环境浓度背景值等因素的年均值进行容量测算，这就造成了极大的不准确性．文中在重新进行风速的统计后，以污染物SO2为例，探讨一个园区在月、季、采暖期与非采暖期的大气环境容量变化，以期在计算大气环境容量时，充分考虑自然地理环境与气候特征，计算不同时段的环境容量，使大气污染总量控制更具针对性、可操作性；其次，在修正A值法的基础上，通过灰色关联度分析法对影响园区SO2大气环境容量的因素进行分析，找到影响园区SO2大气环境容量的因素，以便更有效率的进行大气环境治理．

1 材料与方法

1.1 园区情况简介

X园区位于西北干旱区内，规划范围总面积近300 km2，建设面积近200 km2．该地区属温带、寒温带大陆性干旱半干旱气候，降水量少、蒸发量大．多年平均气温5.7◦C，多年平均降水量127.6 mm．园区近年环境空气质量根据当地自动监测站资料分析，如表1所示．

表1 X园区2013—2016年SO2浓度值

1.2 园区污染气象学特征

空气污染物在大气中的扩散迁移规律与当地的气象条件密切相关，影响大气扩散的主要气象因素有风向、风速、气温和大气稳定度等．因园区与C气象站同处于山前冲洪积扇上，下垫面地形条件及植被等环境基本一致，受同一天气系统控制，故园区气象统计资料以C气象站资料作为参考．

1.2.1 地面风速

根据C气象站对地面风速平均值进行统计，修正后的风速具体数值见表2．

表2 X园区2013—2016年月平均风速统计表(m/s)

1.2.2 大气稳定度

根据C气象站资料，X园区中性（D）类稳定度占绝对优势，分别占春、夏、秋、冬，全年稳定度的53.36%、50.37%、59.83%、84.09%、61.91%．

1.3 修正A值法

修正A值法是在单箱模型的基本原理上提出的，是假设大气污染物排放后即刻呈均匀分布状态时箱体中大气污染物的平均质量浓度，C定义为[3]

式中：C为箱内大气污染物平均浓度（mg/m3）；q为污染物在单位面积上单位时间的排放量（mg/m2·s）；u为平均风速（m/s）；Hi为混合层高度（m）；Cb为污染物背景浓度（mg/m3）；ud为干沉积速度（m/s），取值0.003 5 m/s[4]；R为年降水率（m/s），园区地处干旱地区，降水率较小，可忽略不计；Wr为清洗比（无量纲），取值1.9×10−5[5]；半衰减周期为105s；∆X为箱内顺风长度（m），Tc为污染物半衰减周期（s），Tc=T1/2/0.693[7]．

以大气污染物浓度的环境标准限值CS代替大气污染物的平均质量浓度C，Cb为园区背景浓度，由式（1）可推出

T时间内，总量控制区域允许排放污染物的总量应为

式中Q为总量控制区域允许排放污染物的总量，单位为104t/a，取时间T为一年；综合考虑式（1）、（2）、（3）可推导出

在对园区进行不同时间下SO2大气环境容量计算时，需要重新计算地理区域性总量控制系数A，将X园区的A值细化，则

式中δi为时间系数，取一年365天，δi=3.153 6；取月31天时，δi=0.267 84；取月30天时，δi=0.259 2；取月28天时，δi=0.250 6．

1.4 风速修正探讨

在数据分析时发现，依据逐日风速统计月平均风速时，出现某日风速值极大，或极小，这种异常值的出现削弱了平均值的稳定性．因此文中统计月平均风速时考虑权数进行计算．

（1）将风速大小划分区间

（2）将每月的日平均风速分别划分到各个区间，统计该区间内的平均风速．区间内的平均风速公式如下

（3）修正后的月平均风速值为

式中Xi是气象站逐日风速平均值，i是该区间内出现风速次数，为区间平均风速，n为区间数．

1.5 灰色关联度分析法

根据修正A值法公式，SO2大气环境容量影响因素有系数A、混合层高度Hi、风速、环境质量背景浓度．文中采用灰色关联度分析法[8]比较这四种影响因素对X园区SO2大气环境容量影响程度的大小，从中找到改善园区环境质量的方法和途径，关联系数公式如下

式中ξi(k)为比较数列与参考数列在第k个因素的关联系数；ρ为分辨系数，一般取0.5[9]；∆(min)与∆(max)分别为比较序列与参考序列绝对值差值的最小值和最大值．灰色关联度ri的公式如下

2 结果与分析

2.1 环境容量变化分析

2.1.1 年环境容量变化

见图1，在研究期2013—2016年，X园区SO2年环境容量呈抛物线型变化，4年环境容量分别是20 301.32 t、28 093.31 t、34 420.23 t、30 270.52 t，平均值为28 271.35 t，极值为14 119.91 t，均方差为5 132.21，由此可知SO2大气环境容量年际变化极大，需进一步探讨．

图1 SO2年环境容量

图2 SO2月均环境容量

2.1.2 月、季环境容量变化趋势

计算X园区研究期SO2月均容量平均值为2 435.69 t，极差为2 567.56，均方差为788.58，可知不同月之间的SO2大气环境容量变化大，因此准确掌握各月环境容量的变化并依据该变化调整企业污染物的排放具有极大限值意义．

图2所示研究期SO2月环境容量变化趋势特征为：总体在1至5月呈上升趋势，在5月份达到最大值后，从6至12月开始下降，在1月达到最小值．具体看，当地春季为3至5月，夏季6至8月，秋季9至11月，冬季12至2月，X园区SO2大气环境容量在春、夏季较高，冬季最小．

由图3知X园区在2014年8月，2015年1月，2016年1至4月，6至10月SO2大气环境容量同比下降外，其余皆呈增长状态．除2014年8月是由于背景浓度增加而导致SO2大气环境容量同比下降外，2015、2016年中的SO2月环境容量同比下降是由于风速下降的影响．

图3 SO2月环境容量同比变化率

图4 SO2采暖期与非采暖期环境容量

2.1.3 采暖期与非采暖期环境容量

根据当地气候变化规律通常确认采暖期为10至3月，非采暖期为4至9月．

研究期SO2采暖期环境容量分别为8 726.89 t、12 699.55 t、15 603.95 t、13 703.04 t，平均值为12 683.36，其方差为2 511.15．SO2非采暖期环境容量为17 197.78 t、20 642.74 t、25 749.24 t、22 180.28 t，其平均值为21 442.51，方差为3 049.81．两者协方差为7 527 866.37，知SO2采暖期与非采暖期环境容量变化极大．

由图4可知X园区研究期间SO2采暖期与非采暖期环境容量皆呈抛物线型上升趋势，且SO2采暖期环境容量明显小于非采暖期容量．

2.2 影响环境容量的因素分析

依据灰色关联度分析法，以X园区研究期年均环境容量作为参考数据，即

以X园区研究期年均系数A、风速、混合层高度作为比较数据与参考数据建立原始矩阵

通过灰色关联度法，X园区SO2大气环境容量影响因素的灰色关联度大小如表3所示．

表3 SO2大气环境容量影响因素的灰色关联度分析

从表3可知，4个因素与SO2大气环境容量的关联度由强到弱排列分别为A>Hi>V>Cb．

（1）通过灰色关联度分析法，分析系数A、混合层高度、风速、浓度对SO2大气环境容量的影响，知系数A是影响SO2大气环境容量的最大因素，如图5所示．X园区研究期月均A值与月均容量变化趋势趋于一致，月均A值在5月份达到最大值0.45，SO2月均容量亦达到最大值3 774.98 t，1月为最小值0.15，SO2月均环境容量亦为最小值1 207.42 t；由于研究期间春秋季风速较大、冬季风速较小导致春、秋季系数A值较大，冬季最小．研究期春、夏、秋、冬风速均值分别为2.24、2.17、1.82、1.38m/s，A值分别为0.37、0.34、0.24、0.14．

（2）由表3可知混合层高度与风速对SO2大气环境容量影响的灰色关联度强弱相差较小；X园区研究期月均混合层高度与月平均风速变化趋势趋于一致，通过修正A值法公式和图6知，混合层高度皆与风速有直接关系．因春、夏季对流性天气偏多，风速大，混合层高度相对偏高，而秋、冬季大气风速较小，混合层高度相应亦偏小．研究期春、夏、秋、冬风速均值分别为2.24 m/s、2.17 m/s、1.82 m/s、1.38 m/s，混合层高度均值分别为685.53 m、664.08 m、556.3 m、421 m．

（3）由灰色关联度计算结果以及上述（1）（2）分析知风速不仅影响SO2大气环境容量而且影响系数A以及混合层高度．

图5 SO2月均容量与系数A值变化曲线

图6 混合层高度与风速变化曲线

3 结论

文中根据C气象站近年气象观测资料，依据修正A值法重新计算了年、月、采暖期与非采暖期的大气环境容量，研究发现：

（1）在依据逐日风速统计月平均风速时，某日风速的极值会削弱平均值的稳定性，文中统计月平均风速时考虑权数进行风速的统计修正；

（2）面积较大的X园区不同时段（年、月、采暖期与非采暖期）的SO2大气环境容量变化大．因此掌握不同时间段的大气环境容量是十分必要的；

（3）X园区在研究期，SO2月环境容量1至5月呈上升趋势，在5月份达到最大值后开始下降，1月达到最小值；SO2季环境容量在春、夏季较高，冬季最小，SO2采暖期与非采暖期之间环境容量变化巨大．若按统一的污染物排放标准，势必使企业在夏季生产潜力没有得到鼓励，使园区在冬季污染严重；

（4）根据灰色关联度分析法，最大影响SO2大气环境容量因素是系数A，其次是混合层高度、风速、环境背景浓度；其中系数A变化趋势与SO2大气环境容量变化趋势趋于一致，混合层高度与风速变化趋势趋于一致；系数A、混合层高度受风速直接影响，日后可从风速入手寻求提高园区SO2大气环境容量的方法．