大气环境容量是指在给定的区域内，达到环境空气保护目标而允许排放的某种大气污染物总量，或者是基于某种标准限值区域所能承载的污染物最大排放量。特定地区的大气环境容量与许多因素有关，包括区域范围与下垫面复杂程度，空气环境功能区划及空气环境质量保护目标，区域内污染源及其污染物排放强度的时空分布，区域大气扩散、稀释能力，以及特定污染物在大气中的转化、沉积、清除机理等。对于规划项目，一定时期内规划区域的具体项目（污染源清单）存在较大的不确定性，此种情况下估算出的区域大气环境容量也具有相当大的不确定性。对于建设项目，一定时期内区域污染源清单也可能处于一个变化的过程，即污染物排放量也具有一定的不确定性。

估算大气环境容量的数值计算方法，主要有A-P值法、空气质量模型模拟法和线性规划法等。其中基于箱体模型的A-P值法或修正的A-P值法最简单，只需知道评价区域面积、污染物浓度标准限值以及控制系数A值便可计算环境容量。由于A值仅考虑了地表特征和大气边界层等自然因素，并未考虑污染源排放特征，因此A-P值法计算的环境容量常会有较大偏差，尤其是针对区域面积较大的指定区域。空气质量模型模拟法和线性规划法适用于规模较大区域的环境容量计算，涉及大气污染物的扩散和污染物进入环境后的物理和化学过程，因此其计算过程比较复杂，但其计算精度或准确度比A-P值法高得多。

（一）空气质量模型估算环境容量的基本思路

（1）对评价区域进行网格化处理（i=1，2，…，N；j=1，2，…，M），并按环境功能分区确定每个网格的环境质量保护目标。网格的大小可以根据实际需要进行确定，如27 km×27 km、9 km×9 km、3 km×3 km，或者1 km×1 km。通常情况下，网格越小表示精细化程度越高，或表示分辨率越高。

（2）掌握评价区域的环境空气质量现状，确定项目某污染物控制浓度。

（3）根据规划内容，利用工程分析、类比分析等方法预测污染源的分布、源强（按达标排放）和排放方式，并分别处理为点源、面源、线源和体源。

（4）利用《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ 2.2—2018）规定的环境空气质量模型，或经过验证适用于本评价区域的其他环境空气质量模型，模拟所有预测污染源达标排放的情况下，规划或建设项目活动对环境空气质量的影响，即。

（5）比较和Cij（i=1，2，…，N；j=1，2，…，M），如果预测影响值超过污染物的控制浓度，提出布局、产业结构或污染源控制调整方案，然后重新计算，直到所有点的环境影响都等于或小于控制浓度为止。

（6）将满足控制浓度的所有污染源的排放量相加，得到的总排放量即为评价区域的某污染物的大气环境容量。需要指出的是，采用模拟法估算区域大气环境容量时，还需要充分考虑周边发展的影响，这也是采用模拟法的优势所在。

（二）空气质量模型模拟法

空气质量模型模拟是运用数学方法，通过模拟影响大气污染物的扩散和反应的物理和化学过程来模拟区域内的污染物浓度。因此，利用环境空气质量模型模拟开发活动所排放的污染物引起的环境质量变化，可以知道其是否会导致环境空气质量超标。如果超标，则可按等比例或按对环境质量的贡献率对相关污染源的排放量进行削减，以最终满足环境质量标准的要求。满足这个充分必要条件所对应的所有污染源排放量之和，可以作为区域的大气环境容量。

用于模拟计算污染物的大气环境容量的空气质量模型多年来一直在发展和不断完善过程中，如美国EPA（环境保护署）推出的空气质量模型由20世纪70年代的第一代逐渐发展到第三代，包括AERMOD模型、ADMS模型、CALPUFF模型、Model-3/CMAQ、CAMx及WRFChem。另外，欧洲也发展了自己的相关模型，我国也有一些应用较为广泛的空气质量模型，如区域-城市空气质量模型和嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）等。

1.第一代和第二代空气质量模型

在20世纪70至80年代，美国EPA推出了第一代空气质量模型，主要包括基于质量守恒定律的箱式模型、基于湍流扩散统计理论的高斯模型和拉格朗日轨迹模型。其中高斯模型代表主要有ISC（industrial source complex）、AERMOD（AMS/EPA regulatory model）等，拉格朗日轨迹模型代表主要有EKMA（empirical kinetics modeling approach）及CALPUFF（the CALPUFF modeling system）模型等。上述模型一般以Pasquill和Gifford等提出的大气扩散参数曲线，以及由Pasquill方法确定的扩散参数为基础，用简单的参数化线性机制对复杂的大气物理过程进行描述。这些模型结构简单，没有或仅有简单的化学反应模块，计算快捷，适用于模拟常规污染物的浓度影响。

20世纪80至90年代，研究学者在第一代空气质量模型中加入了较为复杂的气象模型和非线性反应机制，形成了第二代空气质量模型，主要是欧拉网格模型，代表性的模型有UAM（urban air-shed model）、ADMS（atmospheric dispersion modelling system）等。这一时期的模型能够模拟三维网格单元的大气层中的化学变化过程，以及网格周边的边界网格的大气状况，适用于模拟单一物质的输出浓度，在光化学反应中只能将气态污染物与固态污染物分开模拟。然而，开放的大气环境内各种大气污染物间存在着复杂的物理与化学变化过程，因此，这些模型并没有充分考虑到污染物的二次反应、相互转化和相互影响的过程。

尽管第一代或第二代模型存在许多不足，但这些模型也在不断改进，如ADMS、AERMOD、CALPUFF模型应用了20世纪90年代以来大气研究的最新成果，与传统的第一代模型已有很大不同。同时，为了提高第一代、第二代空气质量模型模拟结果的准确性，技术人员将中尺度的气象预报模型WRF与AERMOD、ADMS或CALPUFF结合，构建了诸如WRF-AERMOD或WRF-CALPUFF 耦合模型，使得区域大气环境容量的模拟结果更接近于实际情况。目前，第一代空气质量模型在许多方面都得到了改进，使其模拟结果的可靠性得到不同程度的提高，而且其计算过程比第三代空气质量模型要简单得多。因此，改进后的第一代空气质量模型在规划和区域环境影响评价中逐步得到推广应用，并成为许多国家的第二代法规化模型。

目前，我国《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ 2.2—2018）推荐将AERMOD、ADMS和CALPUFF模型用于开展中尺度或大尺度范围常用的环境容量模拟计算。其中AERMOD和ADMS模型采用的是高斯烟羽扩散模型，适用于评价范围（直径）小于或等于50 km的项目。CALPUFF模型采用的是拉格朗日烟团扩散模型，相较于高斯烟羽模型，其具有可处理一些非稳态气象场情况，如静风、熏烟、环流、地形和海岸效应等特殊气象场，模拟效果更接近真实情况的优点，对大范围的环境问题模拟具有更合适的处理方式，适用范围可从几十千米延伸到数百千米。因此，针对长距离的空气质量预测模拟，CALPUFF模型模拟的结果更具有可信度，该模型也是美国EPA长期支持开发的首选法规化模型。实际环境影响评价应用中，将根据规划或建设项目涉及区域面积大小，选择合适的空气质量模型。

这里以WRF-CALPUFF耦合模型为例，简要说明该模型的基本构架，如图2-4所示。CALPUFF是一种三维拉格朗日烟团扩散模型，可以模拟三维变化气象场内污染物的输送与扩散等过程，适用于污染物长距离（50 km以上）运输的污染物模拟。

图2-4 WRF-CALPUFF模型框架图

从图2-4可知，WRF-CALPUFF模型系统中不仅有CALMET、CALPUFF和CALPOST三个模块，还包含一系列对地理数据、常规气象数据进行预处理的模块。CALMET是气象模块，包括了陆上和水上边界层模型，可以利用气象监测站点数据，或者WRF中尺度气象模型模拟数据作为初始气象场，生成三维逐时气象场；CALPUFF模块是污染物浓度运输模拟模块，模拟在CALMET模块生成的气象场下，研究区域内污染物的化学转化及扩散过程；CALPOST是后处理模块，用于处理CALPUFF模块的输出文件，提取所需浓度。

2.第三代空气质量模型

虽然AERMOD模型、ADMS模型和CALPUFF模型等第一代或第二代空气质量模型已经成为很多国家的法规化模型，但这些基于线性理论，如质量守恒定律、高斯扩散定理或拉格朗日定理等的模型仅模拟污染物在空气中的演变情况，很少涉及复杂的物理化学反应过程。因此，这些相对简单的空气质量模型已经很难再现真实的大气污染过程。为此，出于科学研究和环境管理的需要，研究者基于“一个大气”的概念，将大气看作一个整体进行研究，以此将所有的大气问题全部在模型中进行充分的考虑，形成了一个多尺度网格嵌套的三维欧拉模型。这就是第三代空气质量模型，具有代表性的有美国EPA开发的CMAQ和美国环境技术公司ENVIRON开发的CAMx模型，美国国家大气研究中心（NCAR）、美国国家环境预报中心（NCEP）和俄克拉荷马大学联合开发的WRF-CHEM模型，以及中国科学院大气物理研究所开发的嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）模型等。这些模型可以同时模拟多种污染物，并考虑了更多的污染源影响。与第一代和第二代空气质量模型相比，第三代空气质量模型中加入了更加丰富的物理化学理论，用户还可根据实际情况自行添加特定模块。

这里以CMAQ模型为例，简要说明该模型模拟的基本构架，如图2-5所示。该模型的输入数据由以下几个子程式组成：MCIP，ICON，BCON和CCTM四个模块以及模拟区域的污染物排放清单。

图2-5　CMAQ模型模拟框架图

图2-5中的WRF气象模型模拟的气象输出文件在MCIP模块中进行转化，并对时间和空间尺度进行裁剪，为CMAQ模型提供可用的气象场文件。ICON和BCON模块为模型提供初始场条件和边界场条件，得到模拟初始时刻的模拟区域和模拟边界网格的垂直浓度分布文件。CCTM模块是CMAQ模型的关键模块，该模块主要模拟污染物在大气中的扩散过程、气象化学过程、输送过程、气溶胶化学过程、云水化学过程等物理化学过程。外层的模拟结果为内层CMAQ模型提供初始场和边界场文件。在CMAQ-5.2.1模型版本中，考虑到海盐气溶胶排放、云水化学的气相化学反应，气相化学反应机理选用CB-05化学机制，其中CB-05共包括51个物种和156个反应。考虑气溶胶反应机理时可以选用AERO5模式，气溶胶热力学模型选用ISORROPIA模式。ISORROPIA模式主要用于无机气溶胶，计算无机颗粒物与其前体气态污染物的转化过程。

第三代空气质量模型的模拟结果比WRF-CALPUFF模型更接近于实际情况，但其模拟过程更加复杂，所需要的参数更多样化，因此在实际的环境影响评价技术服务中的应用比较有限。

综上所述，不管是第一代和第二代的空气质量模型，还是第三代空气质量模型，如果希望提高空气质量模型模拟结果的准确性，均需要考虑两方面的问题：一是提供更详细的大气污染排放源清单，这涉及究竟有多少污染物进入大气环境中；二是建立较完善的三维气象场，因为气象场对大气污染物在环境中的扩散迁移和转化有很直接的影响。因此，高分辨率的污染排放源清单和趋于实际情况的三维气象场，是保证空气质量模型模拟的区域大气环境容量结果准确性的关键因素。

2019年，我国已经采用新的技术方法完成了第二次污染源普查工作，这使得各地的大气污染源排放清单质量得到了明显提高。通常情况下，大气污染排放源清单，其内容包括污染源地理位置、污染物排放种类和排放量、污染源的活动水平等数据。它是利用模型模拟空气质量的基础，它覆盖的污染源越全面，提供的污染物排放特征越详细，便越有利于提升空气质量模型的模拟精度。目前国内广泛应用的MEIC清单编制方法中，将污染源分为工业源、电力源、生活源和交通源等大类。

对于三维气象场，若能较好模拟研究时间段内的三维气象场，将有效还原大气污染物的传输过程，提升空气质量模型模拟结果的准确度。三维气象场需要借助中尺度气象模型进行模拟。目前应用较为广泛的是第五代中尺度模型MM5和天气预报模型WRF。中尺度气象模型输出结果可作为空气质量模型的气象场，因此，将中尺度气象模型和空气质量模型进行耦合，是环境空气质量模拟研究的常用方法。

（三）线性规划法

对于特定的评价区域，如果污染源布局排放方式已经确定，则可以建立污染源排放和环境空气质量之间的输入响应关系。然后，根据区域空气质量环境保护目标，采用最优化方法，便可以估算出各污染源的最大允许排放量。而各污染源最大允许排放量之和，就是给定条件下的最大环境容量。

采用线性规划模型法，关键是将环境容量的计算变为一个线性规划问题并求解。一般情况下，可以以不同功能区的环境质量保护目标为约束条件，以区域污染物排放量极大化为目标函数，建立基本的线性规划模型。这种满足功能区空气质量达标对应的区域污染物极大排放量，可视为区域的大气环境容量。

设目标函数为maxf（Q）=DTQ，约束条件如式（2-6）所示。(www.daowen.com)

其中

式中：m为排放源总量；n为环境质量控制点总数；qi为第i个污染源的排放量；Csj为第j个环境质量控制点的标准；Caj为第j个环境质量控制点的现状浓度；aij为第i个污染源排放单位污染物对第j个环境质量控制点的浓度贡献；di为第i个污染源的价值（权重）系数。

浓度贡献系数矩阵A中各项，可采用《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ 2.2—2018）中推荐的扩散模式计算。价值系数矩阵D中各项，在没有特殊要求时可取1。

线性规划模型可用单纯形法或改进单纯形法求解，具体计算过程参阅有关线性规划理论书籍，由计算机辅助完成。

（四）A-P值法

A-P值法以大气质量标准为控制目标，在大气污染物扩散稀释规律的基础上，利用《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T 3840—1991）提出的总量控制区排放总量限值计算公式，计算出排放量限值，同时考虑区域大气环境质量现状本底情况。在此基础上，确定出该区域某污染物可容许的排放量，即为该区域某大气污染物的环境容量。

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，就可以粗略地估算指定区域的大气环境容量，对决策和提出区域总量控制指标有一定的参考价值，适用于特定区域规划阶段的大气环境容量分析，如开发区某些污染物的环境容量计算。

利用A-P值法估算某区域的大气环境容量，需要掌握以下基本资料：

（1）开发区范围和面积；

（2）区域环境功能分区；

（3）第i个功能区的面积Si；

（4）第i个功能区的环境质量保护目标；

（5）第i个功能区的污染物背景浓度。

在掌握以上资料的情况下，可以按如下步骤估算某区域的大气环境容量：

（1）根据所在地区，按GB/T 3840—1991中的参考值或表2-6所示的参考值，查取总量控制系数A值（取中值）；

（2）确定第i个功能区的污染物控制浓度（年平均浓度限值标准）；

（3）确定各类功能区内某种污染物排放总量控制系数Aki，由式（2-7）计算：式中：Aki为第i功能区某种污染物排放总量控制系数，104t·a-1·km-1；Cki为国家和地方有关大气环境质量标准所规定的与第i功能区类别相应的年日平均浓度限值，mg·m-3；A为地理区域性总量控制系数，104·km2·a-1。

Aki亦可按《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T 3840—1991）中的方法求取。

对于点源，可以通过下述方法计算各个功能分区内的点源允许排放量。其中点源按实际高度分类：低架点源排气筒高度小于30 m，中架点源排气筒高度大于或等于30 m但小于100 m，高架点源为排气筒高度大于或等于100 m。中架点源与低架点源一般主要影响邻近区域所在功能区的大气质量，而高架点源则可以影响全控制区的环境空气质量。因此在某功能区内点源调整系数βi可以由式（2-8）确定：

式中：Qai为第i个功能区允许的排放总量；Qbi为第i个功能区的低架源允许的排放总量；Qmi为第i个功能区的中架源允许的排放总量。如果βi＞1，则取βi=1。

在总控制区域内，将属于中架源的点源初始排放量相加，得到中架源的初始允许排放总量Qm；将属于高架源的点源初始排放量相加，得到高架源的初始允许排放总量Qc；二者都用104t表示。总量控制区内的点源调整系数β由式（2-9）确定：

式中：Qa为总量控制区域污染源初始允许的排放总量；Qb为总量控制区域低架源初始允许的排放总量；Qm为总量控制区域中架源的初始允许排放总量；Qc为总量控制区域高架源的初始允许排放总量。如果β＞1，则取β=1。

最后，各个功能区内所有点源的最终允许排放总量Qp（单位为t/h）由式（2-10）确定：

式中：Qpi为最终允许排放量；Ci为日平均浓度限值标准；He为点源的有效高度；P为总量控制系数。

实施现有点源允许排放限值后，各功能区即可保证排放总量不超过允许的环境容量。

表2-6　各地区总量控制系数A、低源分担率α、点源控制系数P值（GB/T 3840—1991）

综合上述分析可知，估算大气环境容量的几种方法各具特色，选择哪种方法要根据评价对象的特征进行判定，也可利用不同方法分别估算，再与实际情况进行比对后择优，更有学者将三种方法结合起来，充分发挥每种算法的长处。