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整理人: chanceroad(2000-02-24 12:31:38), 站内信件
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我国SO2排放总量控制方法探索与初步评估
为落实国家“九五”环境保护目标，国家环境保护总局制定了《国家环境保
护“九五”计划和2010年远景目标》和《“九五”期间全国主要污染物排放总量
控制计划》，其中二氧化硫被列为必须实施总量控制的最重要的12种污染物之一
。
控制大气污染的基本方法有3种，即：①浓度控制法。该方法是通过控制污染
源排放口污染物的浓度，减少大气排污量；②P值控制法。该方法是通过调整污染
源排放高度(烟囱)和排放量，降低近地面大气中的污染物浓度，它对控制民用小
污染源(小烟囱)没有效果，这种方法与国外的K值控制法类似；③总量控制法。该
方法的基本含义是：为确保在给定区域内实现国家规定的环境质量标准，根据环
境科学基本理论计算出该区域所允许某种污染物排放的总量，并将其合理分配给
该区域内的每一个排放源，每一个排放源只允许排放在总量控制下所分到的污染
物排放数量。
世界经济发达国家的大气污染治理历程基本相同，即浓度控制→P值控制(K值
控制)→总量控制。我国已经实行过浓度控制和P值控制。目前，仅对排放源采用
浓度控制法和P值控制法已不能保证对大气环境质量的控制。为此，实行大气污染
物排放的总量控制已迫在眉。
1 实施总量控制的理论基础
在80年代，我国环境科学工作者提出环境容量与环境背景值的概念。在此基
础上创建了污染物排放的局部总量控制法，较好地解决了局部地区的环境质量控
制问题。但是，全国范围内的总量控制问题尚未解决。大气环境容量和大气输送
理论是国家“七五”和“八五”科技攻关项目中在环境背景场研究方面的重要成
果，它们将是研究全国总量控制方法问题的理论基础［1～4］。
1.1 大气环境容量理论
把给定地区的自然输送、稀释作用概率M(r|rs,τ)与污染物本身的化学和物
理性质导致的清除概率N(τ)的特征，统称之为该地区的大气环境过程函数，其参
变量由野外探测及室内实验得出。
根据多年实际经验和论证分析证明［1］，大气环境容量是一个由两类自然参
数和一类规划变量(包括地区规划与控制工程设计，环境区划与环境管理目标等)
构成的概率性质的目标函数，并伴随费用最少的约束条件：
伴随的约束条件：
F(投资费用)→最小
δ1(地区损失函数)=0
δ2(地区开支函数)=0
式中：Q——地区大气污染物排放量；
a——表示某一种污染物；
B——表示不同地区；
αm——地区自然规律参数；
βn——污染物的化学物理特性参数；
γp——规划变量。
从理论上可以证明，地区规划变量γp(属于人的主观社会活动)，若能完全适应给
定地区的自然规律参数αm和污染物的物理化学特性参数βn(属客观的自然规律，
不随人的意志而转移)，则可以实现地区经济、社会发展与环境保护的最佳效益，
即当规划变量γp适应αm，βn的规划控制时，求得Q=Q；当γi<p适应αm,αn
的规划控制时，求得Q=Q′。可以证明得到Q>Q′，Q是给定地区效益最大的大
气环境容量，为概率分布。
控制方程的基本形式为：
式中：C——大气污染物浓度；
t——大气污染物扩散时间；
u——主风向风速；
v——横切风向风速；
w——垂直风向风速；
x——主风向污染物移动距离；
y——横切风向污染物移动距离；
z——垂直风向污染物移动距离；
Vg——污染物沉降末速度；
Kx——污染物在主风向的扩散系数；
Ky——污染物在横切向的扩散系数；
Kz——污染物在垂直向的扩散系数；
q——某一种大气污染物的排放量。
进而定义
将L代入控制方程，得到：
大气环境容量使用的控制方程为：
该方程的解为不适定，即有解但不是唯一的，因此很适合解决环境问题。因为如
果一个方程有多个解，则相当于存在多个环境控制规划方案。根据给定地区的实
际承受能力及其约束条件，可以从中选择一个最佳方案。
1.2 大气输送理论
影响一个地区的大气环境质量的因子是很复杂的，仅仅使用大气环境容量理
论还不能完全解决大气环境的总量控制问题，还必须引进大气输送理论。因为大
气输送的尺度特征不同，即有大尺度输送(如复杂地区的区域性大气环境及其宏观
规律)、中尺度输送(涉及大型工业城市排污及其城市发展建设)和小尺度输送(如
小城镇的发展，山谷中的矿山火电站排污)，因而对大气污染物的扩散、迁移和转
化的影响也不同。在影响大气环境的外界因子当中，气象要素是非常重要的，它
的变化最大而且也最复杂。此外，地形条件也是影响地区大气输送的重要因子，
特别在开发西南、西北地区的资源时，复杂的地形条件常常滞积着排放到大气中
的污染物，因此这类地区的总量控制研究是最为复杂的。
采用欧拉型大气污染输送方程［5］：
式中：C——大气污染物浓度，此处指大气中的SO2浓度；
Ke——扩散系数，包括水平扩散系数KH和垂直扩散系数KV；
E——SO2向SO42-的转化速率；
V——风速矢量；
S——源强。
为了研究大气污染物排放总量控制，还必须揭示大气输送的气候序列问题，
即既要考虑年际之间大气输送规律的差异，又必须研究时间序列的大气输送场的
空间演变问题。研究发现，大气输送宏观规律具有正常年和异常年的分别，正常
年为多数年，异常年为少数年；大气污染物的垂直输送，海岸带的海陆风等都是
影响地区大气环境质量的重要因子。因此，它们都是研究总量控制问题必须要考
虑的问题。大气输送理论的特征量，即输送参数，对于大气污染物的扩散、迁移
及转化等过程影响很大。因此，掌握全国范围的输送参数及其季节性的变化规律
，对于研究大气排放总量控制问题是非常重要的。
2 全国大气SO2总量控制的计算方法
全国大气SO2总量控制计算的基本过程是：①根据能源的消费数量，计算出S
O2的排放数量；②以SO2空气质量的二级标准为约束条件，计算出大气的SO2排放
容量，确定各个省(区)的大气SO2排放控制总量；③计算全国的大气SO2的排放控
制总量。在排放控制总量的计算过程中，需要利用基本控制方程，大气环境容量
理论和网络模型。
2.1 基本控制方程
考虑到研究和控制区域是我国的全部范围，因此选择球坐标下的大气污染物
输送方程：
式中：R——地球半径；
θ——地球经度；
φ——地球纬度；
KH——水平扩散系数；
KV——垂直扩散系数；
S——源强；
E——化学转化项；
D——沉降项；
σ——地形追随坐标；
W——地形追随坐标下的垂直速度。
地形追随坐标和地形追随坐标下的垂直速度表达式：
式中：h——地形高度函数；
H——对流层高度。
模式分辨率：水平计算范围为73°～135°E，18°～55°N；水平网络距0.2
°×0.2°；垂直计算范围从地面至对流层顶，网格不等距的分为11层，即：σ=
0，0.012，0.04，0.06，0.1，0.2，0.3，0.4，0.6，0.8，1.0，距地面的高度大
约为200，600，900，1 600,3 000 m。
研究总量控制所需要的空气环境质量分布的计算方法，与大气酸沉降量的计
算方法不同。大气酸沉降计算的是大气中的酸性物质以干沉降和湿沉降形式沉降
到地表面的数量，模式计算网格取1×1；而总量控制则要求计算出作为人类
活动空间的大气层的空气环境质量浓度，这一浓度与人类的生存环境，与人体的
健康，特别是与人类的呼吸活动密切相关。因此，要求计算网格应当具有能够反
映出城市范围的分辨率。在该项研究中，计算网格取0.2×0.2，即可满足这
种要求。
SO2的总量控制的约束条件取国家规定的SO2空气浓度二级标准，即年均值取
0.060 mg/m3。
2.2 计算方法
根据0.2×0.2网格上的计算得到的SO2浓度数值，以及总量控制的约束条
件，按照大气输送的网络模型中大气输送通道，采用容量计算法，导出各个区域
内的已有的SO2排放源的必须减排数量以及该区域内的个别地区尚可增排的数量；
然后进一步计算得到全国SO2排放的总控制数量。
在该研究中，将排放源分为地面源和高架源(高架源主要是指燃煤发电厂)。
SO2排放源资料采用文献［6～8］中提供的数据。
3 我国SO2排放总量控制目标
根据上面介绍的计算原则和方法，笔者导出了各个省区以及全国的总量控制
数量。我国各个省(区)及全国2010年的总量控制的数量在表1中给出。2010年全国
预测SO2排放总量为3 830.80万t，控制数量为1 248.46万t，减排量为2 582.34万
t。
表1 2010年各省(区)SO2排放控制数量(混合源) 万
t
省(区) 预测排放量 减排量 控制量 说明
河北 191.36 164.81 26.55
北京 42.41 3.84 38.57
天津 28.30 4.58 23.73
山西 227.09 172.54 54.55
内蒙 202.70 114.04 88.66
辽宁 207.88 138.10 69.78
吉林 77.05 58.02 19.03
黑龙江 120.75 80.99 39.76
江苏 258.01 203.78 54.23
上海 45.60 -17.12 62.72
浙江 144.33 122.16 22.17
安徽 209.05 177.89 31.16
福建 68.95 53.72 15.23
江西 110.59 90.11 20.48
山东 323.18 206.74 116.44
河南 169.27 150.18 19.09
湖北 114.58 88.42 26.16
湖南 141.78 91.88 49.90
广东 154.42 112.29 42.13
广西 132.02 77.30 54.72
海南 5.11 3.68 1.43
香港 13.34 0.00 13.34
陕西 204.57 158.54 46.03
甘肃 66.49 38.80 27.69 只计算兰州
宁夏 15.50 6.41 21.91
新疆 34.78 17.35 52.13 只计算乌鲁木齐
青海 22.66 18.69 3.97 只计算西宁
四川 331.03 257.27 73.76
贵州 118.37 42.91 75.46
云南 49.48 41.92 7.56
西藏 0.15 -49.97 50.12 只计算拉萨
台湾 — — — 目前未统计
合计 3 830.80 2 582.34 1 248.46
注：“—”表示未统计
对于青海、西藏、新疆和甘肃，除西宁、拉萨、乌鲁木齐和兰州以外的其他
地区，由于能源消耗的地区分布和数量等约束条件不清，在总量控制的计算中，
暂时未考虑。
4 我国SO2排放总量控制研究的初步评估
在该研究中，对排放源进行计算的每一个网格的大小取0.2×0.2，也就
是20 km×20 km的区域范围。将计算范围精确到20 km×20 km范围以内，取这样
小的网格对SO2排放数量进行研究，这在以前还没有人做过。
该研究采用反演的方法，首先计算出各个省(区)的SO2排放浓度，然后以国家
规定的大气SO2浓度二级质量标准作为约束条件，计算出各省(区)应该削减的SO2
排放数量，由此进一步导出各个省(区)和全国必须控制的SO2排放数量。
根据大气输送理论，一个地区的污染物浓度，除受到本地源影响外，还可能
受邻近地区或者较远地区的排放源的影响［5］。因此，为了控制大气中的SO2浓
度，除削减本地源的SO2排放数量外，还必须考虑削减邻近地区或者较远地区排放
源的SO2的影响。另外，根据大气网络模型，还可以找到影响一个地区大气污染物
浓度的本地源和远地源的地理位置。
计算所得结果仅为参考，且只适用于宏观决策，不适宜于每一省一市对号入
座。
5 参考文献
1 任阵海，姜振远，杨新兴，等.我国酸性物质的大气输送、沉降及省际间的相
互影响.见：中国高等科学技术中心.中国酸雨学术会议论文集.北京：中国高等科
学技术中心，1997.75～96.
2 任阵海，黄美元，董保群，等.我国酸性物质的大气输送研究.见：中国环境科
学研究院.国家攻关课题研究报告(85-912-01-03).北京：中国环境科学研究院，
1995.139～162.
3 任阵海，陈复，柴发合，等.大气环境容量研究.见：中国环境科学研究院.国
家攻关课题研究报告(75-60-02-02).北京：中国环境科学研究院，1990.
4 任阵海，苏福庆.大气输送的环境背景场.大气科学，1998，22(9)：454～459
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1998，11(4)：27～34.
6 杨新兴，高庆先，任阵海，等.我国SO2减排构想与经济分析.环境科学研究，
1998，11(6)：13～15.
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学与技术.北京：中国环境科学出版社，1997.30～33.
8 刘鸿亮，张远航，番自强，等.能源发展与生态环境.见：中国工程院.中国工
程院咨询报告(97－00－01).北京：中国工程院，1998.1～2.
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____ _ _ ___ _ ___ 苍天笑 纷纷世上潮 谁负谁胜出 天知晓
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