CN109446696B - 基于cmaq模型的快速大气环境容量测算方法、存储介质和终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法、存储介质和终端，方法包括：建立排放序列；模拟空气质量；建立排放‑浓度响应函数；计算达标浓度；建立排放削减假设并求解环境容量：将模拟结果与其对应的排放比例进行整理，求得不同的排放源对环境浓度的贡献值；根据不同的污染源贡献情况，设计相应的削减方案，结合对应排放源的排放‑浓度响应函数，求解对应的污染物浓度贡献；根据实际管控需求组合得到达标环境浓度，并计算得到对应的污染物排放量即大气环境容量。本发明有效节约计算时间和资源，具有清晰的物理意义，在不同的污染管控方式中灵活计算，可用于解决省级、城市级、区县级等不同尺度的大气环境容量衡算问题。

Description

基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法、存储介质和 终端

技术领域

本发明涉及基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法、存储介质和终端。

背景技术

随着我国对空气质量的关注度日益提升，我国学者围绕着不同环境目标下的大气容量做了很多研究，大气环境容量在我国一直作为我国大气污染总量控制的理论依据，同时也是大气环境质量管理和控制的重要支撑。

传统的大气环境容量计算方法包括A-P值法、迭代模拟法和线性规划法。

A-P值法是最简单的大气环境容量估算方法，其特点是不需要知道污染源的布局、排放量和排放方式，根据地域面积及自然条件，就能粗略估算研究区域的大气环境容量，简单易行，对决策和提出区域总量控制指标有一定的参考价值。但是，A-P值法难以考虑外来污染源和本地扬尘对环境的影响，通常将外来污染源和本地扬尘一起作为环境本底考虑，无法估算扬尘源的最大允许排放量。同时，A-P值法是强制削减，削减时不考虑不同污染源对环境空气质量的贡献，导致有些对环境质量影响较小但排放量大的污染源削减量偏大，而对环境空气质量影响较大的污染源，往往排放高度低，但排放量并不大，A-P值法对这类源的削减量偏小，其计算结果与污染排放源分布、强度关系不大，仅仅是在一定的气象条件约束下的理论容量，通常适用于理想状况的分析。

迭代模拟法考虑污染排放的情况下对排放源强度进行调整，并逐渐迭代模拟得到达标浓度下的排放量，从水平和垂直方向对污染物在大气中输送、反应、清除等过程进行仿真模拟，分析大气污染时空演变规律、内在机理、成因来源，在此基础上，建立“污染减排”与“质量改善”间定量关系，从而推进环境规划和管理向定量化、精细化过渡。但该方法的精度受污染源排放清单的不确定性、化学机制的精细化程度及本地适用性等因素影响。改进的三维迭代计算方法虽然克服了传统单一方法锁遇到的困难，对环境容量的空间、行业、前体物之间进行了三维优化，但多次迭代带来的大计算量及准确性问题仍然有值得改进的地方。

线性规划法适用于简单情况(明确的污染排放结构、分布)下的容量分析，通常适用于小型开发区，可以较细致地反映“排放源——受体”的响应关系，同时可以在区域上对环境容量进行优化配置，但该方法由于受到线性响应关系的制约，一般不能处理非线性过程显著的二次污染问题，而二次粒子对于PM2.5浓度有着不可忽视的影响。

目前，大气容量的研究区域一般都存在空间尺度大、排放源多样等特点，并且大气污染具有区域性和复合性，二次污染过程不可忽略。针对这些特点，传统的A-P值法、线性规划法等技术方法并不完全适用于目前的大气环境容量测算，而迭代模拟法由于涉及大量的模型迭代计算和结果检验，造成模拟时间的高度不确定性，并造成计算资源和计算时间的大量投入，此外，迭代模拟法由于其技术特点，若将排放源按照排放特征进行分组后，由于不同排放源在削减相同排放量或排放比例时，对敏感点位的影响存在差异，使得环境容量的计算结果存在不唯一性，考虑多种控制策略时，迭代模拟的难度将显著提高，故通常情况下迭代模拟将研究对象的所有排放看做整体，造成计算所得的环境容量难以反映不同控制策略的约束结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法、存储介质和终端。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法，包括以下步骤：

建立排放序列：对研究区域的排放清单按排放源类型进行分组，建立不同排放源分组的排放序列；处理城市原始排放清单，生成不同排放源对应的排放量，结合排放模型进行网格化四维排放清单的生成，得到模型可用的不同排放比例下的排放数据；

模拟空气质量：利用CMAQ模型进行目标区域不同排放源类型及其排放比例下的空气质量模拟，提取敏感点位空气质量模拟浓度；

建立排放-浓度响应函数：对控制质量模拟中得到的模拟结果进行梳理，得到不同排放源在不同排放比例下的浓度，利用最小二乘法等方法，对模拟结果进行拟合，得到排放-浓度响应函数，所述的排放-浓度响应函数的形式为：环境浓度＝A*排放比例+截距；式中，A表示单位排放比例变化下造成的环境浓度改变量，截距表示该排放源不排放时其他排放源造成的环境浓度高低；

计算达标浓度：对选定月结合月均观测数据计算得到模拟结果所需达到的浓度，计算公式如下：

式中，C_m为达标限值下模型模拟所需达到的目标浓度，C_s则为标准浓度，C_a为实测年均浓度，C_r则为月平均浓度；

建立排放削减假设并求解环境容量：将不同排放源类别的模拟结果与其对应的排放比例进行整理，求得不同的排放源对环境浓度的贡献值；根据不同的污染源贡献情况，设计相应的削减方案，结合对应排放源的排放-浓度响应函数，求解对应的污染物浓度贡献；根据实际管控需求组合得到达标环境浓度，并计算得到对应的污染物排放量即大气环境容量。

进一步地，所述的排放源类型包括工业源Ind、扬尘源Dst、移动源Mbl、生活源Res和其他源Oth。

进一步地，在建立不同排放源分组的排放序列时，综合计算时间和模型精度要求按等距法和/或加密法建立。

进一步地，采用等距法时，建立0％、25％、50％、75％、100％、125％六个情景，完成容量测算时进行30次模拟。

进一步地，采用加密法时，建立0％、25％、50％、75％、80％、90％、100％、110％、125％九个情景，完成容量测算时进行45次模拟。

进一步地，所述的结合排放模型为结合SMOKE模型。

进一步地，所述的环境容量的模拟按照四季代表月进行，即可仅对一月、四月、七月、十月进行模拟，并结合月均观测数据计算得到模拟结果所需达到的浓度；公式中的C_r替换为四季代表月平均浓度。

进一步地，所述的方法还包括：

验算容量结果：按不同削减比例对排放数据进行调整，利用空气质量模型对模拟结果进行验算，考察环境容量计算是否正确。

本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法的步骤。

本发明还提供一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法的步骤。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于响应曲线法的大气环境容量衡算方法，利用第三代空气质量模型结合气象条件对复杂污染源进行模拟，通过建立特定污染源不同污染物排放比例与环境浓度的响应关系，建立排放——浓度响应曲线，通过求解响应曲线方程计算得到大气环境容量，实现可针对不同排放源类型进行组合求解，实现模拟工作量的可预见，有效节约计算时间和资源的同时，具有较为清晰的物理意义，能够在不同的污染管控方式中灵活计算，并可用于解决省级、城市级、区县级等不同尺度的大气环境容量衡算问题。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2-图5为本发明得到的排放—浓度响应曲线实例图。

图6为本发明达标浓度衡算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法，该方法具有计算量小、物理意义明确等特点，解决了传统迭代法计算环境容量计算量大、无法考虑不同排放源控制力度差异等缺陷，可根据城市污染排放特点提出多重达标减排方案，且无需重复计算，计算所得的排放—浓度响应关系也可为地方提出大气污染防治对策建议，为大气环境治理提供更加科学的技术支撑。

具体地，如图1所示，所述的方法包括以下步骤：

S1：建立排放序列：

S11：首先对研究区域的排放清单按排放源类型进行分组。

其中，在本实施例中，所述的排放源类型包括工业源Ind、扬尘源Dst、移动源Mbl、生活源Res和其他源Oth。

S12：随后建立不同排放源分组的排放序列。

其中，在本实施例中，在建立不同排放源分组的排放序列时，综合计算时间和模型精度要求按等距法和/或加密法建立。

当采用等距法时，建立0％、25％、50％、75％、100％、125％六个情景，完成容量测算时进行30次模拟(6个情景*5个排放源类型)。

当采用加密法时，建立0％、25％、50％、75％、80％、90％、100％、110％、125％九个情景，完成容量测算时进行45次模拟(6个情景*9个排放源类型)。

通常情况下，采用等距法建立排放序列即可满足需要，可根据工时要求和计算能力按10％或25％进行排放序列的建立，加密法则主要针对80％至120％之间的排放比例进行加密，将增加一定的计算量，但是所得的排放—浓度曲线可对短期内可实现的污染管控(即30％左右的污染削减)进行直接衡算，更精确地得到对应的污染物浓度削减量，相比等距法更具指导意义。

S13：处理城市原始排放清单，生成不同排放源对应的排放量，结合排放模型进行网格化四维排放清单的生成，得到模型可用的不同排放比例下的排放数据。

在本实施例中，所述的结合排放模型为结合SMOKE模型。

S2：模拟空气质量：利用CMAQ模型进行目标区域不同排放源类型及其排放比例下的空气质量模拟，提取敏感点位空气质量模拟浓度。

其中，敏感点位表示的是容量衡算区域对应的环境监测站点。

S3：建立排放-浓度响应函数：对控制质量模拟中得到的模拟结果进行梳理，得到不同排放源在不同排放比例下的浓度，利用最小二乘法等方法，对模拟结果进行拟合，得到排放-浓度响应函数，所述的排放-浓度响应函数的形式为：环境浓度＝A*排放比例+截距；式中，A表示单位排放比例变化下造成的环境浓度改变量，截距表示该排放源不排放时其他排放源造成的环境浓度高低。

其中，可根据拟合结果确定拟合所需要的阶数(通常情况下，模拟对象的范围越大，需要的阶数越高，一般情况下一阶及二阶即可满足需要)，实现以期更好反映二者的关系。

S4：计算达标浓度：对选定月结合月均观测数据计算得到模拟结果所需达到的浓度，计算公式如下：

式中，C_m为达标限值下模型模拟所需达到的目标浓度，C_s则为标准浓度，以PM_2.5为约束的情况下为35μg/m³，C_a为实测年均浓度，C_r则为月平均浓度。

在本实施例的优选方案中，所述的环境容量的模拟按照四季代表月进行，即可仅对一月、四月、七月、十月进行模拟，并结合月均观测数据计算得到模拟结果所需达到的浓度；公式中的C_r替换为四季代表月平均浓度。

S5：建立排放削减假设并求解环境容量：

S51：将不同排放源类别的模拟结果与其对应的排放比例进行整理，如工业源50％排放下的浓度记作C_{Ind_50}，使用原始排放清单模拟得到的浓度记作C₀；求得不同的排放源对环境浓度的贡献值，如工业源贡献可记作C_Ind＝C_{Ind_100}-C_{Ind_0}，外来输送的贡献可记作C_Ipt＝C₀-C_Ind-C_Dst-C_Mbl-C_Res-C_Oth；

S52：根据不同的污染源贡献情况，设计相应的削减方案，结合对应排放源的排放-浓度响应函数，求解对应的污染物浓度贡献；根据实际管控需求组合得到达标环境浓度，并计算得到对应的污染物排放量即大气环境容量。

更优地，在本实施例中，所述的方法还包括：

S6：验算容量结果：按不同削减比例对排放数据进行调整，利用空气质量模型对模拟结果进行验算，考察环境容量计算是否正确。

实施例2

本实施例公开了采用实施例1的一组具体实际数据，以某市环境容量计算为例。

首先需对排放清单进行分组，综合考虑排放控制难度和模型计算量，通常可分为工业源、扬尘源、移动源、生活源和其他源五类，建立相应的排放序列，并使用CMAQ空气质量模型按代表月模拟不同排放源在不同排放比例下的污染物浓度，绘制排放比例为X、环境浓度为Y的排放—浓度响应曲线。

其中，图2～图5分别表示移动源(即机动车)的排放—浓度响应曲线、工业源的排放—浓度响应曲线、扬尘源的排放—浓度响应曲线、生活源的排放—浓度响应曲线。

随后，利用二次拟合对曲线进行拟合，得到不同排放源不同排放比例与环境浓度对应的响应方程，该响应方程即为大气环境容量计算的基础。

对模拟结果进行整理，明确不同排放源对地区空气质量的影响大小，以及区域输送占比，如某地计算得到外来输送占比为45％，本地工业源贡献20％、移动源贡献12％、扬尘源贡献18％、生活源贡献4％、其他源贡献1％。

结合实测数据，分析污染物浓度达标情况下，计算代表月所需达到的浓度水平。如某城市年均浓度为57.4μg/m³，四季代表月平均浓度为87.2μg/m³，则可算得目标浓度为53.2μg/m³。

如6示出了某城市各月实测浓度与达标浓度的对比示意图。

随后则需按照一定的假设对环境容量的实现方案进行设计，结合外来输送和本地排放源管控空间、贡献大小进行达标浓度分配，以某市的计算过程为例，假设区域联防联控的开展，外来输送的浓度贡献占比不变，即浓度达到53.2μg/m³时，区域输送浓度贡献为23.9μg/m³，本地贡献空间为29.3μg/m³，结合其他排放源浓度贡献的计算结果，考虑削减移动源污染30％、工业源20％、扬尘源30％、生活源30％，通过排放—浓度响应函数可计算得到，对应移动源贡献浓度为10.8μg/m³，工业源贡献11.2μg/m³，扬尘源贡献9.1μg/m³，生活源贡献1.9μg/m³，其他源贡献不变，合计29.0μg/m³，满足达标浓度限值。

随后，结合排放数据与削减比例，即可计算得到对应的排放浓度。

最后，计算可得某市PM_2.5的大气环境容量为4576.4吨，并可将该计算结果再次带入模型进行验算。

实施例3

基于实施例1的实现，本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行实施例1中所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法的步骤。

基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

实施例4

基于实施例1的实现，本实施例还提供一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行实施例1中所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法的步骤。

在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

在本发明所提供的所有实施例中，应该理解到，所揭露装置、系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元/模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法，其特征在于：包括以下步骤：

建立排放序列：对研究区域的排放清单按排放源类型进行分组，建立不同排放源分组的排放序列；处理城市原始排放清单，生成不同排放源对应的排放量，结合排放模型进行网格化四维排放清单的生成，得到模型可用的不同排放比例下的排放数据；

模拟空气质量：利用CMAQ模型进行目标区域不同排放源类型及其排放比例下的空气质量模拟，提取敏感点位空气质量模拟浓度；

建立排放-浓度响应函数：对空气质量模拟中得到的模拟结果进行梳理，得到不同排放源在不同排放比例下的浓度，利用最小二乘法，对模拟结果进行拟合，得到排放-浓度响应函数，所述的排放-浓度响应函数的形式为：环境浓度＝A*排放比例+截距；式中，A表示单位排放比例变化下造成的环境浓度改变量，截距表示该排放源不排放时其他排放源造成的环境浓度高低；

计算达标浓度：对选定月结合月均观测数据计算得到模拟结果所需达到的浓度，计算公式如下：

式中，C_m为达标限值下模型模拟所需达到的目标浓度，C_s则为标准浓度，C_a为实测年均浓度，C_r则为月平均浓度；

建立排放削减假设并求解环境容量：将不同排放源类型的模拟结果与其对应的排放比例进行整理，求得不同的排放源对环境浓度的贡献值；根据不同的排放源贡献情况，设计相应的削减方案，结合对应排放源的排放-浓度响应函数，求解对应的排放源浓度贡献；根据实际管控需求组合得到达标环境浓度，并计算得到对应的污染物排放量即大气环境容量；

所述的排放源类型包括工业源Ind、扬尘源Dst、移动源Mbl、生活源Res和其他源Oth；在建立不同排放源分组的排放序列时，综合计算时间和模型精度要求按等距法和/或加密法建立；

采用等距法时，建立0％、25％、50％、75％、100％、125％六个情景，完成容量测算时进行30次模拟；采用加密法时，建立0％、25％、50％、75％、80％、90％、100％、110％、125％九个情景，完成容量测算时进行45次模拟；

采用等距法建立排放序列满足需要时，根据工时要求和计算能力按10％或25％进行排放序列的建立；而加密法则针对80％至120％之间的排放比例进行加密，所得的排放—浓度曲线对短期内可实现的污染管控进行直接衡算。

2.根据权利要求1所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法，其特征在于：所述的结合排放模型为结合SMOKE模型。

3.根据权利要求1所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法，其特征在于：环境容量的模拟按照四季代表月进行，即仅对一月、四月、七月、十月进行模拟，并结合月均观测数据计算得到模拟结果所需达到的浓度；公式中的C_r替换为四季代表月平均浓度。

4.根据权利要求1所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法，其特征在于：所述的方法还包括：

验算容量结果：按不同削减比例对排放数据进行调整，利用空气质量模型对模拟结果进行验算，考察环境容量计算是否正确。

5.一种存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令运行时执行权利要求1至4中任一项所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法的步骤。

6.一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，其特征在于，所述处理器运行所述计算机指令时执行权利要求1至4中任一项所述的基于CMAQ模型的快速大气环境容量测算方法的步骤。

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