刍议大气污染源参数敏感性在规划环评中的应用

＊王虎 徐巍 曹振红 褚珣 赵磊 乔宝考

（1.北京神州瑞霖环境技术研究院有限公司 北京 100089 2.南堡环境监管中心 河北 063000 3.北京国环清华环境工程设计研究院 北京 100084）

1.研究背景

《规划环境影响评价技术导则总纲》（HJ130-2019）虽然增加了对情景设置的内容和要求，但多情景的设置也无法根本解决污染源参数的不确定性问题。笔者基于以往工作经验，提出在规划环评阶段，以区域污染源参数敏感性研究成果指导入园企业的排污设计。区域污染源参数敏感性研究成果，不仅可以对未来工业园区建设项目的污染源参数设计提供参考，还可以利用研究过程中各情境预测结果作为拟入园建设项目空气污染预测结果准确性判断的参考，为决策者限制重污染排放项目入园提供科学依据。本文以华北地区某化工园区为例，研究区域大气污染点源参数与最大落地浓度的相关性。

2.预测模型者简

2018年生态环境部颁布的《环境影响评价技术导则大气导则》将国际上主流的AERMOD模型、ADMS模型及CALPUFF模型等空气质量预测模型作为国家法规模型[1]。

其中CALPUFF是一种三维非稳态拉格朗日扩散模式，能较好地处理长距离污染物输送，能模拟一些非稳态情况（静小风、熏烟、地形效应等），适用于粗糙或复杂地形情况下的模拟。基于CALPUFF对研究范围、气象条件和地表条件有更广泛的适应性，因此本次研究采用CALPUFF模型进行预测。

3.参数选取

模型参数对环境空气预测结果的影响有着很大的不同。针对模型预测参数的敏感性分析，总结关键的参数变化对预测结果的影响规律，能够让工程设计人员更加合理的选用合理的设计参数，可以让主管部门快速判断建设项目是否合理可行。

在烟气高空排放对环境空气影响的预测评价中，区域地形、土地利用类型、气象条件、烟囱设计参数都对预测结果有较大影响。在工业园区规划环境影响评价中，园区的位置基本已经确定，短期内区域地形，土地利用类型和气象条件不会发生较大变化，本次研究不考虑地表和气象条件对烟气高空排放预测结果的影响，仅考虑烟囱设计参数对预测结果的影响，即烟囱几何高度（H）、烟囱出口内径（d）、出口烟气流速（v）、出口烟气温度（T）和污染物源强（Q）。

4.研究方法

(1)参数敏感性分析

参数敏感性分析是分析和研究因参数的变化引起计算模型输出结果变动的程度。参数敏感性分析就是在输入参数当中，找出敏感性较强的，减少由于人为选择参数不当造成的误差，为快速调试模型和技术评估提供依据[2]。

正交试验方法是一种处理多因素试验的科学试验方法。正交试验采用规格化的正交表，合理安排试验，只需做较少的试验就能判断出较好的条件。用正交试验法分析参数敏感性，是为了减少计算量、提高计算的准确度。简单的统计分析正交试验的结果，就可以对试验结果全面、系统地掌握，以便做出正确的判断[3]。

(2)数据处理

极差分析法的定义是对正交试验法得出的试验结果进行分析的方法。极差分析法的优点是对试验结果作少量计算就能直接比较出最优的各因子水平组合结构最佳操作条件。正交实验完成后，通常需要进行极差分析确定各个参数的敏感性排序。

回归分析法的定义是用一个或一组随机变量，估计预测另一个或一组随机变量所建立的数学模型及统计分析。回归分析法是解决各变量间非确定性关系的方法。回归分析法寻找诸变量之间所服从的数学模型或统计关系，并确定做出这种统计关系时的准确度。本研究运用回归分析法分析单个参数与预测结果的相关性。

本次研究利用Python语言编程的for循环语句，批量输入模型参数，进行模型运算，在确保参数输入正确的同时，大大提高了工作效率。

5.参数敏感性分析

本研究以规划区域的气象参数和拟建重点项目污染源参数数据为基础，参数因素水平值在允许的范围内等步长变化。将各实验情境下的参数值输入进CALPUFF模型系统中进行模拟计算，对计算结果进行参数敏感性分析和趋势性分析。

(1)园区自然条件

案例园区地处河北冲积平原，属暖温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温13.4℃，极端最高气温42.7℃（2002年7月15日），极端最低气温-21.9℃（1985年12月8日），年平均日照2608.9h，多年平均风速2.4m/s，最高风频为SSW，静风频率为16%。

(2)设计参数范围

①烟囱几何高度

综合考虑国内现行污染物排放标准和园区典型项目设计参数，本次研究选择烟囱高度的取值范围为15m～220m。

②烟囱出口内径和出口烟气流速

本次研究为简化实验方案，忽略烟囱内径与烟气流速的关联性，将两者作为独立的因素分别考虑。烟囱内径范围根据烟囱高度范围极值对应的典型烟囱内径确定，取值范围为0.5m～10m；综合考虑有关工程设计、防火设计、环保设计等规范和标准的要求，确定出口烟气流速取值范围为5m/s～25m/s。

③出口烟气温度

本次研究区域拟发展产业主要有精细化工、机械装备制造和服装纺织，点源出口烟气温度偏低，本次研究出口烟气温度取值范围为10℃～100℃。

④污染因子和污染物源强

根据大气污染物的存在状态，大气污染物可分为：气溶胶态污染物和气态污染物。气溶胶态污染物主要为颗粒污染物，气态污染物主要为含硫化合物、碳的氧化物、含氮化合物、碳氢化合物、卤素化合物。综合考虑园区行业排放的大气污染因子，本次研究选择以SO2为代表进行研究分析。

目前，为坚决打赢蓝天保卫战，持续开展大气污染防治行动计划，华北多地实行超低排放，电厂SO2的排放浓度已限制在35mg/m3以下，其排放速率已经较低。结合工程实践经验，本次研究SO2的源强取值范围为0.5kg/h～9kg/h。

(3)正交试验设计

本课题设置烟囱几何高度（H）、烟囱出口内径（d）、出口烟气流速（v）、出口烟气温度（T）和污染物源强（Q）总共5个因素，考虑每个因素可取值范围较大，均设置10个水平，理论上须进行10万次试验。为减少不必要的工作，提高试验效率，使用Allpairs正交设计算法进行正交实验设计，最终得到127个组合，具体实验情景见下表。

表1 正交试验结果一览表

(4)参数敏感性分析

为突显不同试验组合结果的差异性，本次研究的预测结果采取小时最大落地浓度。根据附表中各参数极差计算结果可以看出，输入参数对污染物浓度的影响大小分别为：烟囱出口内径（d）＞出口烟气流速（v）＞污染物源强（Q）＞烟囱几何高度（H）＞出口烟气温度（T），即烟囱出口内径对小时最大落地浓度的影响最大，其次为出口烟气流速和污染物源强。

根据正交试验结论可知，烟囱出口内径、出口烟气流速和污染物源强三个参数的敏感性极差最大，所以烟囱出口污染物排放浓度是决定最大落地浓度的最关键因素。

(5)单参数趋势性分析

分别将烟气高空排放参数（H、d、v、T、Q）作为独立影响因子进行回归性分析，利用Excel软件的趋势性分析确定参数变化与预测结果的回归性方程，分析案例园区烟气高空排放参数变化对环境空气预测结果影响规律。

①烟囱几何高度（H）

烟囱几何高度取值范围为15m～220m，以5m为步长，设置三种情景进行模型运算。

根据以上三个情景分析可知，当烟囱污染物排放浓度（C）较大时（情景一），烟囱几何高度较低范围对预测结果影响较大，随着烟囱几何高度增加影响逐步减小，在本次研究中烟囱几何高度大于85m后，烟囱几何高度的增加对预测结果影响很小。

图1 烟囱几何高度在情景一下与预测结果的趋势线分析

②烟囱出口内径（d）

烟囱出口内径设置范围为0.5m～10m，以1.06m为步长，设置三种情景进行模型运算。

根据以上三个情景分析可知，当污染物源强和出口烟气流速一定时，烟囱出口内径与烟囱污染物排放浓度（C）呈幂函数关系，当烟囱出口内径较小时，其变化对烟囱污染物排放浓度影响较大，随着烟囱出口内径增大，对烟囱污染物排放浓度影响随之减小。烟囱污染物排放浓度是预测结果的关键因素，为线性正相关，因此烟囱出口内径与预测结果也呈现幂函数关系。

图2 烟囱出口内径在情景二下与预测结果的趋势线分析

③出口烟气流速（v）

出口烟气流速取值范围设置为5m/s～25m/s，以2.22m/s为步长，设置三种情景进行模型运算。

根据以上三个情景分析可知，当出口烟气流速较小范围时参数变化对预测结果影响较大，随着出口烟气流速增加影响逐步减小，在本次研究中出口烟气流速大于16.1m/s后，参数变大对预测结果影响很小。该趋势在情景二下，最为明显。

图3 出口烟气流速在情景二下与预测结果的趋势线分析

④出口烟气温度（T）

出口烟气温度取值范围设置为10℃～100℃，以10℃为步长，设置三种情景进行模型运算。

根据以上三个情景分析可知，出口烟气温度对预测结果影响较小，整改取值范围最大落地浓度运算结果变化范围在5～20μg/m3之间。

(6)污染物源强(Q)

污染物源强取值范围设置为0.5kg/h～9kg/h，以0.94kg/h为步长，设置三种情景进行模型运算。

根据其他因子确定的情景分析可知，污染物源强与预测结果呈线性正相关，具有较强的敏感性，因此园区管理部门可以通过等比削减高空排放源，减小对中远距离敏感点的影响。

6.结论

本次研究仅在案例园区自然环境条件下进行点源参数敏感性分析，结论不具有普适性，但可为园区设计烟气高空排放方案提供参考，可为园区管理者定性判断烟气高空排放参数合理性提供依据。综合前文论述分析，本次研究可以得出如下结论：

（1）案例园区烟囱高空排放参数对污染物浓度的影响大小顺序为：烟囱出口内径（d）＞出口烟气流速（v）＞污染物源强（Q）＞烟囱几何高度（H）＞出口烟气温度（T）；

（2）在案例园区自然条件下，烟囱几何高度较低范围（＜85m）对预测结果影响较大，随着烟囱几何高度增加影响逐步减小。

（3）在案例园区自然条件下，当烟囱出口内径较小时（＜3.7m），其变化对烟囱污染物排放浓度影响较大，随着烟囱出口内径增大，对烟囱污染物排放浓度影响随之减小。

（4）在案例园区自然条件下，当出口烟气流速较小范围时（＜16.1m/s），参数变化对预测结果影响较大，随着出口烟气流速增加影响逐步减小。

（5）在案例园区自然条件下，出口烟气温度对预测结果影响较小。

（6）在案例园区自然条件下，污染物源强与预测结果呈线性正相关，具有较强的敏感性。

本次研究仅基于案例园区的自然环境下进行预测分析，成果对案例园区管理有一定的指导作用。由于气象条件和园区周边土地利用类型的不断变化，不同环境空气质量预测模型机理不同，具体拟建项目污染物高空排放的预测结果与本次研究结论可能存在冲突，因此本次研究成果不作为园区拟建项目污染物高空排放可行性的判断依据。