基于大气环境容量、环境质量及污染排放量制定大气污染物减排方案的方法与流程

本发明涉及环境信息化管理技术领域，具体是基于大气环境容量、环境质量及污染排放量制定大气污染物减排方案的方法。

背景技术：

大气污染是指大气中一些物质的含量达到有害的程度以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象。大气污染物由人为源或者天然源进入大气(输入)，参与大气的循环过程，经过一定的滞留时间之后，又通过大气中的化学反应、生物活动和物理沉降从大气中去除(输出)。如果输出的速率小于输入的速率，就会在大气中相对集聚，造成大气中某种物质的浓度升高。当浓度升高到一定程度时，就会直接或间接地对人、生物或材料等造成急性、慢性危害，大气就被污染了。大气污染会对人体、工农业、气候和植物等产生不可逆的严重危害，因此对大气污染的治理至关重要。

国家颁布大气环境质量标准，对大气环境质量依环境质量标准进行管理考核，大气污染物减排方案是进行大气环境管理的重要手段，当某区域大气环境质量超出大气环境质量标准时，相关环境管理部门及技术单位需制定大气污染物减排方案并督促相关单位及公众按照大气污染物减排方案安排生产生活，以期使本地区大气环境质量符合国家标准，完成国家规定的相关大气环境管理目标。大气污染物减排方案根据不同工作的需要可分为长期方案(时间多为数月或一年)和短期方案(时间多为数天至数月)。

目前环境管理部门及技术单位在进行大气环境质量管理时仅依据相关区域大气环境质量是否超标决定是否要制定大气污染物减排方案，在制定方案时主要依据相关地区历年来大气污染物排放统计量及执行相关减排政策后大气污染物排放预估量，此种大气污染物减排方案制定方法有时间上的滞后性，无法在重污染天气到来之前制定大气污染物减排方案，且所依赖的基础数据为往年相关统计数据，因此适用于制定长期方案，难以制定短期方案。

因此，我们亟待一种基于大气环境容量、环境质量及污染排放量制定大气污染物减排方案的方法用以解决以上问题。

技术实现要素：

针对上述情况，本发明提供基于大气环境容量、环境质量及污染排放量制定大气污染物减排方案的方法，有效的解决了背景技术中提到的问题。

本发明为基于大气环境容量、环境质量及污染排放量制定大气污染物减排方案的方法，其特征在于，分为以下几个步骤：

第一：计算污染物排放量数据：污染源排放污染物浓度、排气量等数据由安装在排气口的传感器记录并传输至服务器，建立相应数据库，由数据库中获取所需参数从而计算出污染物排放量数据，计算公式如下：

mh＝ρh×vh，式中：mh污染源每小时污染物排放量，单位：千克；ρh每小时污染物排放平均浓度，单位：千克/立方米；vh每小时污染物排放体积，单位：立方米；

第二：基于wrf模型计算污染物大气环境容量：基于wrf模型的计算机程序化计算大气环境容量的方法，计算步骤如下：

步骤一：计算某一选定区域w污染物的大气环境容量，选定所要计算区域中心坐标为北纬a，东经b，边长为x*y的范围，计算时间长度为k年l月m日0时-23时，根据公式：

δ＝[0.006918-0.399912cosθ0+0.070257sinθ0-0.006758cos2θ0+0.000907sin2θ0-0.002697cos3θ0+0.001480sin3θ0]×180/π，式中：θ0＝360dn/365,deg；δ—太阳倾角，deg；dn—一年中日期序数，0，1，2……，364，得出所要计算区域k年l月m日的太阳倾角δ；

步骤二：将步骤一中求得的太阳倾角代入公式：

h0＝arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos(15t+λ-300)]，式中：h0—太阳高度角，deg；φ—当地纬度，deg；t—北京时间，h；λ—当地纬度，deg；计算区域中心坐标为：北纬a，东经b，得出0时-23时各个时间段内对应的太阳高度角h0，根据太阳高度角可知：k年l月m日昼间为c-d时，夜间为g-h时，e-f时；

步骤三：查询地面气象sam文件得出网格点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的总云量/低云量；

步骤四、由太阳高度角h0、总云量/低云量、以及昼夜情况查询太阳辐射等级表得出所要计算区域中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的太阳辐射等级；

步骤五：将以上数据参数由wrf模型运算完成输出所要计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内的风速u、干沉降速率ud、降水速率r；

步骤六：由太阳辐射等级与风速的对应关系，查询大气稳定度等级表得出计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内的大气稳定度等级；

步骤七：结合地区序号表确定计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，所处的地区序号，并且结合大气稳定度等级查询我国不同地区和在不同大气稳定度等级下所对应的as/bs数值，求得计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的as/bs数值；

步骤八：综合计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的风速以及0时-23时各个时间段内对应的as/bs数值，求得网格点中心坐标为：北纬a，东经b，地转参数f以及0时-23时各个时间段内对应的大气混合层厚度h；

步骤九：大气环境容量q的表达式表示为：

其中：h:大气混合层厚度m；u：风速m/s；ud:干沉降速度m/s；r：降水速率mm/a；ωr：清洗比，由《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》gb/t13201-91里规定取值为1.9×10^-5；cs：污染物标准浓度mg/m³；s：区域面积km²；q：大气污染物容量10⁴t/a；

区域内存在不同大气功能区时各功能区ai计算公式为：

ai＝aci，

式中ci为大气环境质量标准规定的第i功能区类别对应的年日平均浓度限值mg/m³；

qi＝ai×csi×si/s^1/2，

式中：csi：大气环境质量标准规定的第i功能区类别对应的年平均浓度限值(mg/m3)；si：第i功能区面积；ci、csi由查询气象文件及相关国家标准获得；

计算得出计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的qi值，由于公式中qi值量纲为10⁴t/a，乘以系数1.14最终得出小时值qhi对qhi进行求和得出计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时内w污染物的大气环境容量。

第三：基于wrf模型预报污染物大气环境容量：预报污染物大气环境容量方法与计算大气环境容量方法基本相同，在计算时风速、降水速率、干沉降速度、太阳倾角等参数采用由wrf模型生成的未来相应时段的预报参数，最终得到预报的污染物大气环境容量qhb。

第四：计算大气污染物减排量及生成污染物减排方案：大气污染物减排量jh及未来大气污染物减排量jhb计算公式如下：

在对历史时期进行减排量研究时使用公式1，在指导未来一段时间污染物减排工作时使用公式2，其中当jh，jhb值为正数时表明该地区污染物排放超标，当jh，jhb值为负数时表明该地区大气环境容量仍有剩余，可容纳更多的大气污染物。

优选的，在选定的计算区域中进行网格化处理，将其网化为x*y个网格，选取计算范围以单个网格来进行计算，有关计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b的相关数据均取网格点中心坐标：北纬a，东经b的相关数据。

优选的，在步骤八中综合计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的风速以及0时-23时各个时间段内对应的as/bs数值，根据公式：

在大气稳定度为a、b、c和d级时：

在大气稳定度为e和f级时：

f＝2ωsinφ(e3)

式中：h—混合层厚度，m；u—10m高度上平均风速，m/s；大于6m/s时取为6m/s；as，bs—混合层系数；f—地转参数；ω—地转角速度，由《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》gb/t13201-91里规定取为7.29×10-5rad/s；φ—地理纬度；

求得计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，地转参数f以及0时-23时各个时间段内对应的大气混合层厚度h。

本发明以污染物排放在线监测数据、环境质量在线监测数据以及基于wrf模型计算机程序化计算出的大气环境容量数据为基础核算大气污染物减排量，并最终生成大气污染物减排方案，并且由于wrf模型可以计算预报未来一周内气象参数，可以据此预报一周内的大气环境容量，因此使用本发明技术方案的方法，可在重污染天气到来之前提前制定减排方案，并可制定时间精度为1小时的短期污染物减排方案，使得区域内的大气污染减排方案处于动态控制，更加适用短期减排方案的制定，完美契合可持续发展战略的部署，将破坏降到最低，适合推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例中空气污染源操作页面1。

图2为本发明实施例中空气污染源操作页面2。

图3为本发明实施例中空气污染源操作页面3。

图4为本发明实施例中空气污染源操作页面4。

图5为本发明实施例中空气污染源操作页面5。

图6为本发明实施例中污染源自定义上传页面1。

图7为本发明实施例中污染源自定义上传页面2。

图8为本发明实施例中污染源自定义上传页面3。

图9为本发明实施例中污染源自定义上传页面4。

图10为本发明实施例中污染源自定义上传结果页面1。

图11为本发明实施例中污染源自定义上传结果页面2。

图12为本发明实施例中污染源自定义上传结果页面3。

图13为本发明实施例中污染源自定义上传结果页面4。

图14为本发明实施例中减排方案操作页面1。

图15为本发明实施例中减排方案操作页面2。

图16为本发明实施例中减排方案操作页面3。

图17为本发明实施例中减排方案操作页面4。

图18为本发明实施例中减排方案操作页面5。

图19为本发明实施例中减排方案操作页面6。

图20为本发明的流程框图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例，同时我们给出实施例在实际中的应用及其取得的效果，为实施例的实行提供有效的数据参考和依据。

本发明为基于大气环境容量、环境质量及污染排放量制定大气污染物减排方案的方法，其特征在于，分为以下几个步骤：

第一：计算污染物排放量数据：污染源排放污染物浓度、排气量等数据由安装在排气口的传感器记录并传输至服务器，建立相应数据库，由数据库中获取所需参数从而计算出污染物排放量数据，计算公式如下：

mh＝ρh×vh，式中：mh污染源每小时污染物排放量，单位：千克；ρh每小时污染物排放平均浓度，单位：千克/立方米；vh每小时污染物排放体积，单位：立方米；得到污染物的排放数据；

第二：基于wrf模型计算污染物大气环境容量：基于wrf模型的计算机程序化计算大气环境容量的方法，计算步骤如下：

步骤一：计算某一选定区域w污染物的大气环境容量，选定所要计算区域中心坐标为北纬a，东经b，边长为x*y的范围，对于所要计算区域进行网格化处理，将其格网化为x*y个网格，选取计算范围以单个网格为例进行计算，计算时间长度为k年l月m日0时-23时；根据公式：

δ＝[0.006918-0.399912cosθ0+0.070257sinθ0-0.006758cos2θ0+0.000907sin2θ0-0.002697cos3θ0+0.001480sin3θ0]×180/π，式中：θ0＝360dn/365,deg；δ—太阳倾角，deg；dn—一年中日期序数，0，1，2……，364，得出所要计算区域k年l月m日的太阳倾角δ；

步骤二：将步骤一中求得的太阳倾角代入公式：

h0＝arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos(15t+λ-300)]，式中：h0—太阳高度角，deg；φ—当地纬度，deg；t—北京时间，h；λ—当地纬度，deg；计算区域中心坐标为：北纬a，东经b，得出0时-23时各个时间段内对应的太阳高度角h0，根据太阳高度角可知：k年l月m日昼间为c-d时，夜间为g-h时，e-f时；

步骤三、查询地面气象sam文件得出网格点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的总云量/低云量；

步骤四、由太阳高度角h0、总云量/低云量、以及昼夜情况查询太阳辐射等级表得出所要计算网格点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的太阳辐射等级；

步骤五、将以上数据参数由wrf模型运算完成输出所要计算网格点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内的风速u、干沉降速率ud、降水速率r；

步骤六、由太阳辐射等级与风速的对应关系，查询大气稳定度等级表得出网格点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内的大气稳定度等级；

步骤七、结合地区序号表确定网格点中心坐标为：北纬a，东经b，所处的地区序号，并且结合大气稳定度等级查询我国不同地区和在不同大气稳定度等级下所对应的as/bs数值，求得网格点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的as/bs数值；

步骤八、综合网格点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的风速以及0时-23时各个时间段内对应的as/bs数值，根据公式：

在大气稳定度为a、b、c和d级时：

在大气稳定度为e和f级时：

f＝2ωsinφ(e3)

式中：h—混合层厚度，m；u—10m高度上平均风速，m/s；大于6m/s时取为6m/s；as，bs—混合层系数；f—地转参数；ω—地转角速度，由《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》gb/t13201-91里规定取为7.29×10-5rad/s；φ—地理纬度；

求得计算网格点中心坐标为：北纬a，东经b，地转参数f以及0时-23时各个时间段内对应的大气混合层厚度h。

步骤九：大气环境容量q的表达式表示为：

其中：h:大气混合层厚度m；u：风速m/s；ud:干沉降速度m/s；r：降水速率mm/a；ωr：清洗比，由《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》gb/t13201-91里规定取值为1.9×10^-5；cs：污染物标准浓度mg/m³；s：区域面积km²；q：大气污染物容量10⁴t/a；

区域内存在不同大气功能区时各功能区ai计算公式为：

ai＝aci，

式中ci为大气环境质量标准规定的第i功能区类别对应的年日平均浓度限值mg/m³；

qi＝ai×csi×si/s^1/2，

式中：csi：大气环境质量标准规定的第i功能区类别对应的年平均浓度限值(mg/m3)；si：第i功能区面积；ci、csi由查询气象文件及相关国家标准获得；

计算得出计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时各个时间段内对应的qi值，由于公式中qi值量纲为10⁴t/a，乘以系数1.14最终得出小时值qhi对qhi进行求和得出计算区域点中心坐标为：北纬a，东经b，0时-23时内w污染物的大气环境容量。

第三：基于wrf模型预报污染物大气环境容量：预报污染物大气环境容量方法与计算大气环境容量方法基本相同，在计算时风速、降水速率、干沉降速度、太阳倾角等参数采用由wrf模型生成的未来相应时段的预报参数，最终得到预报的污染物大气环境容量qhb。

第四：计算大气污染物减排量及生成污染物减排方案：大气污染物减排量jh及未来大气污染物减排量jhb计算公式如下：

在对历史时期进行减排量研究时使用公式1，在指导未来一段时间污染物减排工作时使用公式2，其中当jh，jhb值为正数时表明该地区污染物排放超标，当jh，jhb值为负数时表明该地区大气环境容量仍有剩余，可容纳更多的大气污染物。

利用本发明技术方案中的方法，开发了河南省环境保护科学研究院—颗粒物源解析平台中的减排方案模块，实施方式如下：

参考附图1-5和附图6-9，图1-5是空气污染源操作页面，附图6-9是污染源自定义上传页面，此处需要说明的是附图1-5是一个完整的空气污染源操作页面，附图6-9是一个完整的污染源自定义上传页面，为表达清楚，将空气污染源操作页面分为5个不同的附图表示，将污染源自定义上传页面分为4个不同的附图表示，在地图模块，可查看河南省范围内空气污染源排放信息，其中在点开某一企业后，可查看该企业历史污染物排放信息；在报表模块，用户可自定义选择要查看的区域、时间范围和污染物种类；在饼状图模块，用户可选择查看不同时间段、不同区域的空气污染物贡献比率；在预测模块，可查看指定区域的不同污染物排放的变化情况；同比环比模块，可查看指定时间指定区域的污染物同比和环比结果。另外，在该页面添加了实验数据上传的功能，可将用户搜集到的企业排放数据上传到系统，在地图上展示新上传的企业信息，自定义企业的污染物生产公式，并将计算得到区域污染物排放量更新到原有污染物排放数据库中。

在成功导入污染源排放数据后，结果如附图10-13所示，此处需要说明的是附图10-13是一个完整的污染源自定义上传结果页面，为表达清楚，将污染源自定义上传结果页面分为4个不同的附图表示；

关于“污染源”页面，除地图模块，均提供数据导出功能；

参考附图14-19，图14-19是完整的减排方案操作页面，此处需要说明的是附图14-19是一个完整的减排方案操作页面，为表达清楚，将减排方案操作页面分为6个不同的附图表示，在地图模块，可查看河南省范围内不同地区不同时段的污染物历史减排信息，并可以切换不同气象数据源的结果；在预测模块里，可查看不同数据源下的不同区域当天和未来两天各种污染物的减排数据；在历史查询模块里，可查看不同地区、不同时间段的各种污染物历史减排信息；在减排统计模块，用户可查看不同气象数据源下的不同地区在不同时间段里各种污染物的减排数据；在同比环比模块，用户可以查看不同污染物同比和环比的结果；在实验数据分析模块，用户可上传用于实验的区域环境容量和污染物排放数据，以柱状图和表格的形式展示。

本发明技术方案的方法以污染物排放在线监测数据、环境质量在线监测数据以及基于wrf模型计算机程序化计算出的大气环境容量数据为基础核算大气污染物减排量，并最终生成大气污染物减排方案。可在重污染天气到来之前提前制定减排方案，并可制定时间精度为1小时的短期污染物减排方案。