【CN110046382A】大气污染的源解析方法、装置、电子设备及存储介质【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910168888.2
(22)申请日 2019.03.06
(71)申请人 环境保护部环境工程评估中心
地址 100012 北京市朝阳区洼里乡大羊坊8
号
(72)发明人 伯鑫　高爽　马岩　李时蓓　
任丽红　杨小阳　李刚　雷团团　
吕巍　张俊华　
(74)专利代理机构 北京市广友专利事务所有限
责任公司 11237
代理人 张仲波
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
G06Q 10/04(2012.01)
(54)发明名称大气污染的源解析方法、装置、电子设备及存储介质(57)摘要本发明的实施例公开一种大气污染的源解析方法、装置、电子设备及存储介质。

所述大气污染的源解析方法，包括：将一区域的排放清单中的各源类划分子源类；利用CALPUFF模型，对一区域的排放清单中的各源类中的子源类的排放、扩散过程进行模拟，得到所述区域的各个所述子源类对受体点的污染贡献比例；利用源成分谱和受体组分数据，对所述区域进行CMB模型的来源解析，得到所述区域的各类源的污染贡献比例；将所述CALPUFF模型模拟得到的各个子源类对受体点的污染贡献比例和所述CMB模型得到的所述区域的各类源的污染贡献比例进行耦合，建立细化
的来源解析结果。

权利要求书2页 说明书7页 附图3页CN 110046382 A 2019.07.23
C N 110046382
A
1.一种大气污染的源解析方法，其特征在于，所述方法包括：
将一区域的排放清单中的各源类划分子源类；
利用CALPUFF模型，对一区域的排放清单中的各源类中的子源类的排放、扩散过程进行模拟，得到所述区域的各个所述子源类对受体点的污染贡献比例；
利用源成分谱和受体组分数据，对所述区域进行CMB模型的来源解析，得到所述区域的各类源的污染贡献比例；
将所述CALPUFF模型模拟得到的各个子源类对受体点的污染贡献比例和所述CMB模型得到的所述区域的各类源的污染贡献比例进行耦合，建立细化的来源解析结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述各源类包括：工业源、交通源、燃煤源、扬尘源。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述工业源的子源类包括：重点企业和重点行业；所述重点行业包括：钢铁、石油化工、铸造行业；
所述交通源的子源类包括:道路移动源、非道路移动源，其中，道路移动源按城市主干道路划分；
所述燃煤源包括：民用燃煤源、非民用燃煤源，其中民用燃煤源按各个地理区域分；
所述扬尘源的子源类包括：道路扬尘、施工扬尘、堆场扬尘。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CALPUFF模型为三维非稳态拉格朗日扩散模型，包括：CALMET模块、CALPUFF模块、CALPOST模块。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CALPUFF模型模拟考虑有地形、气象和化学转化因素的综合影响。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述CALPUFF模型包括5种化学反应机制：①MESOPUFF II；②RIVAD；③RIVAD+ ISORROPIA；④SOA；⑤RIVAD+ISORROPIA+CalTechSOA；
其中，前三种所述化学机制用于计算无机气溶胶的生成；第四种化学机制用于计算有机气溶胶的生成；第五种化学机制用于计算无机和有机气溶胶的化学转化。

7.一种城市大气污染的源解析装置，其特征在于，包括：
划分单元，将一区域的排放清单中的各源类划分子源类；
CALPUFF模型处理单元，利用CALPUFF模型，对一区域的排放清单中的各源类中的子源类的排放、扩散过程进行模拟，得到所述区域的各个所述子源类对受体点的污染贡献比例；
CMB模型处理单元，利用源成分谱和受体组分数据，对所述区域进行CMB模型的来源解析，得到所述区域的各类源的污染贡献比例；
耦合单元，将所述CALPUFF模型模拟得到的各个子源类对受体点的污染贡献比例和所述CMB模型得到的所述区域的各类源的污染贡献比例进行耦合，建立细化的来源解析结果。

8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：壳体、处理器、存储器、电路板和电源电路，其中，电路板安置在壳体围成的空间内部，处理器和存储器设置在电路板上；电源电路，用于为上述电子设备的各个电路或器件供电；存储器用于存储可执行程序代码；处理器通过读取存储器中存储的可执行程序代码来运行与可执行程序代码对应的程序，用于执行前述任一权利要求所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现前述任一权利要求所述的方法。

大气污染的源解析方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
[0001]本发明涉及空气污染检测领域，尤其涉及一种大气污染的源解析方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术
[0002]目前对环境颗粒物源解析的方法以受体模型、源清单分析和空气质量模型3类为主。

CALPUFF基于排放源数据开展空间模拟，是广泛使用的中尺度空气质量模型；CMB基于受体点位监测或采样分析的PM2.5组分数据进行来源解析，是应用最为广泛的受体模型之一。

[0003]国外很早就开展了一些研究，研究综合使用空气质量模型和受体模型进行某一受体点的来源解析，两种模型相互对比、互相验证。

比如Amit M等人(2005年)运用CMAQ和CMB 模型解析了美国4个站点的PM2.5污染源贡献，比较了CMAQ和CMB模型的结果，发现前者模拟浓度小于后者，得出的结论包括：CMB模型在空间表达上有劣势，而CMAQ模型在反映时间变化方面存在不足，应当根据研究目的对两种模型结果综合分析。

[0004]Katsushige U等人(2017年)利用CMAQ和PMF模型对日本某地的PM2.5进行源解析，通过将CMAQ模型结果与PMF进行对比，找到哪一部分排放数据可能存在偏差，从而使空气质量模拟结果产生误差，为进一步优化空气质量模型做铺垫。

[0005]Swetha P等人(2016年)利用AERMOD和CMB分别对某点PM10开展来源解析，结果显示大部分站点AERMOD模拟结果低估了污染源浓度贡献，提出了排放清单不准确性对模拟结果会造成较大影响，建议通过完善源清单和细化排放源等角度优化空气质量模拟结果。

[0006]综上所述，前对多种模型结果耦合的研究较少，且研究方法精细化程度不高。

发明内容
[0007]有鉴于此，本发明实施例提供一种大气污染的源解析方法、装置、电子设备及存储介质，能够精细化研究各个污染源贡献。

[0008]一方面，提供一种大气污染的源解析方法，所述方法包括：
[0009]将一区域的排放清单中的各源类划分子源类；
[0010]利用CALPUFF模型，对一区域的排放清单中的各源类中的子源类的排放、扩散过程进行模拟，得到所述区域的各个所述子源类对受体点的污染贡献比例；
[0011]利用源成分谱和受体组分数据，对所述区域进行CMB模型的来源解析，得到所述区域的各类源的污染贡献比例；
[0012]将所述CALPUFF模型模拟得到的各个子源类对受体点的污染贡献比例和所述CMB 模型得到的所述区域的各类源的污染贡献比例进行耦合，建立细化的来源解析结果。

[0013]所述各源类包括：工业源、交通源、燃煤源、扬尘源。

[0014]所述工业源的子源类包括：重点企业和重点行业；所述重点行业包括：钢铁、石油化工、铸造行业；
[0015]所述交通源的子源类包括:道路移动源、非道路移动源，其中，道路移动源按城市
主干道路划分；
[0016]所述燃煤源包括：民用燃煤源、非民用燃煤源，其中民用燃煤源按各个地理区域分；
[0017]所述扬尘源的子源类包括：道路扬尘、施工扬尘、堆场扬尘。

[0018]所述CALPUFF模型为三维非稳态拉格朗日扩散模型，包括：CALMET模块、CALPUFF模块、CALPOST模块。

[0019]所述CALPUFF模型模拟考虑有地形、气象和化学转化因素的综合影响
[0020]所述CALPUFF模型包括5种化学反应机制：①MESOPUFF II；②RIVAD；③RIVAD+ ISORROPIA；④SOA；⑤RIVAD+ISORROPIA+CalTechSOA；
[0021]其中，前三种所述化学机制用于计算无机气溶胶的生成；第四种化学机制用于计算有机气溶胶的生成；第五种化学机制用于计算无机和有机气溶胶的化学转化。

[0022]一方面，提供一种城市大气污染的源解析装置，包括：
[0023]划分单元，将一区域的排放清单中的各源类划分子源类；
[0024]CALPUFF模型处理单元，利用CALPUFF模型，对一区域的排放清单中的各源类中的子源类的排放、扩散过程进行模拟，得到所述区域的各个所述子源类对受体点的污染贡献比例；
[0025]CMB模型处理单元，利用源成分谱和受体组分数据，对所述区域进行CMB模型的来源解析，得到所述区域的各类源的污染贡献比例；
[0026]耦合单元，将所述CALPUFF模型模拟得到的各个子源类对受体点的污染贡献比例和所述CMB模型得到的所述区域的各类源的污染贡献比例进行耦合，建立细化的来源解析结果。

[0027]另一方面，提供一种电子设备，所述电子设备包括：壳体、处理器、存储器、电路板和电源电路，其中，电路板安置在壳体围成的空间内部，处理器和存储器设置在电路板上；电源电路，用于为上述电子设备的各个电路或器件供电；存储器用于存储可执行程序代码；处理器通过读取存储器中存储的可执行程序代码来运行与可执行程序代码对应的程序，用于执行前述任一权利要求所述的方法。

[0028]另一方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现前述任一权利要求所述的方法。

[0029]本发明中CALPUFF对城市各主要源类的模拟，将一区域的排放清单中的各源类划分子源类，例如：工业源细分到重点企业和行业，民用源可分到区域，交通源可精细化到城市主干道路，相比于其他研究更为全面、精细化。

附图说明
[0030]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0031]图1为本发明的实施例大气污染的源解析方法的示意图；
[0032]图2为本发明大气污染的源解析方法的原理示意图。

[0033]图3为本发明的大气污染的源解析装置的结构示意图；
[0034]图4为本发明电子设备一个实施例的结构示意图。

具体实施方式
[0035]下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

[0036]应当明确，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0037]图1为本发明的实施例大气污染的源解析方法的示意图；图2为本发明大气污染的源解析方法的原理示意图。

以下结合进行描述。

[0038]一种大气污染的源解析方法，所述方法包括：
[0039]步骤11，将一区域的排放清单中的各源类划分子源类；其中，所述各源类包括：工业源、交通源、燃煤源、扬尘源。

[0040]所述工业源的子源类包括：重点企业和重点行业；所述重点行业包括：钢铁、石油化工、铸造行业；
[0041]所述交通源的子源类包括:道路移动源、非道路移动源，其中，道路移动源按城市主干道路划分；
[0042]所述燃煤源包括：民用燃煤源、非民用燃煤源，其中民用燃煤源按各个地理区域分；
[0043]所述扬尘源的子源类包括：道路扬尘、施工扬尘、堆场扬尘。

[0044]步骤12，利用CALPUFF模型，对一区域的排放清单中的各源类中的子源类的排放、扩散过程进行模拟，得到所述区域的各个所述子源类对受体点的污染贡献比例；所述CALPUFF模型为三维非稳态拉格朗日扩散模型，包括：CALMET模块、CALPUFF模块、CALPOST模块。

所述CALPUFF模型模拟考虑有地形、气象和化学转化因素的综合影响。

所述CALPUFF模型包括5种化学反应机制：①MESOPUFF II；②RIVAD；③RIVAD+ISORROPIA；④SOA；⑤RIVAD+ ISORROPIA+CalTechSOA；
[0045]其中，前三种所述化学机制用于计算无机气溶胶的生成；第四种化学机制用于计算有机气溶胶的生成；第五种化学机制用于计算无机和有机气溶胶的化学转化。

[0046]步骤13，利用源成分谱和受体组分数据，对所述区域进行CMB模型的来源解析，得到所述区域的各类源的污染贡献比例；
[0047]步骤14，将所述CALPUFF模型模拟得到的各个子源类对受体点的污染贡献比例和所述CMB模型得到的所述区域的各类源的污染贡献比例进行耦合，建立细化的来源解析结果。

[0048]以下描述本发明的应用场景。

[0049]为了深入研究城市尺度受体点的污染来源，精细化传统CMB来源解析结果中的各个污染源贡献，本发明提出CALPUFF-CMB复合模型技术，通过CALPUFF模型，开展城市排放源清单中各污染源对受体点贡献的模拟(模型考虑地形、气象、传输条件等因素)，并将其结果纳入CMB模型源解析中，建立具体到工业行业、燃烧类型等的精细化来源解析方法，为城市
大气污染有效管控和精准减排提供科学支撑，并为源解析技术的进一步发展打下基础。

[0050]本发明开展某城市较为全面的排放源清单扩散模拟，模拟结果和CMB源解析结果进行耦合，最终得到城市精细化的源解析。

[0051]如图2所示，本发明构建的CALPUFF-CMB复合模拟过程，主要分为3个步骤：[0052]步骤1、利用CALPUFF模型对排放清单中的主要源类中多个子源类的排放、扩散过程进行模拟，得到各个子源对受体点的贡献浓度和比例。

其中，工业源可细分到重点企业和行业，民用源可分到区域，交通源可精细化到城市主干道路。

[0053]CALPUFF模型为三维非稳态拉格朗日扩散模型，模型包括CALMET、CALPUFF、CALPOST等模块。

CALMET是三维气象模块，含有海风程序可用来模拟沿海城市的海陆风影响；CALPUFF为污染预测模块，能模拟非稳态情况(静小风、熏烟、环流、海岸效应等)。

[0054]本发明基于城市的污染源清单，以清单中固定燃烧源、工艺过程源、移动源、农业源、扬尘源、生物质燃烧源、其它排放源作为模型输入，涵盖了城市全面的污染源类。

根据清单，可将工业源细分到重点企业和行业，民用源分到区域，交通源精细化到城市主干道路。

CALPUFF模型模拟源清单的各子源类对受体点的污染贡献，最终输出贡献浓度，计算得到各子源类的贡献比例。

[0055]CALPUFF模型包括5种化学反应机制：①MESOPUFF II；②RIVAD；③RIVAD+ ISORROPIA；④SOA；⑤RIVAD+ISORROPIA+CalTechSOA。

前三种化学机制用于计算无机气溶胶的生成，第四种用于计算有机气溶胶的生成，RIVAD+ISORROPIA+CalTechSOA可同时考虑无机和有机气溶胶的化学转化。

由于我国城市PM2.5中二次粒子贡献占重要地位，因此本发明采用了RIVAD+ISORROPIA+CalTechSOA机制，在考虑SO2向硫酸盐、NO/NO2向硝酸盐的转化基础上，包含4种VOCs组分及其转化产物。

本发明将VOCs排放量分担到4种VOCs组分(甲苯、二甲苯、长链烷烃和多环芳烃)，同时考虑SNA和SOA的化学转化。

由于VOCs转化生成的SOA对PM2.5贡献不容忽视，因此选用该机制十分有必要。

[0056]步骤2、利用源成分谱和受体组分数据，开展CMB来源解析，得到主要源的污染贡献浓度及比例。

[0057]CMB模型是大气颗粒物来源解析技术方法中最重要的模型，由美国EPA推荐使用，主要用来研究TSP、PM10、PM2.5和VOC等污染物的来源及其贡献。

[0058]CMB模型进行源解析须满足6个条件：
[0059](1)对受体有贡献的所有源都能被确定，通过分析能够准确知道它们排放出来的颗粒物的化学组成；
[0060](2)从各类源排放出来的颗粒物的化学组成相对稳定；
[0061](3)从各类源排放出来的颗粒物之间没有相互影响；
[0062](4)各类源排放出来的颗粒物的化学组成有明显的差异；
[0063](5)分析元素的个数必须要大于等于源的个数，这由方程所决定；
[0064](6)测样方法的误差是随机的，符合正态分布规律。

[0065]CMB模型由一组线性方程构成，受体中每一种化学元素的浓度等于源成分谱的元素含量值和源贡献浓度值乘积的线性和。

其数学表达式为：
[0066]
[0067]式中，Cij是受体点测得的组分j在样品i中的环境大气浓度；p是源的数目；g ik是k
排放源对i样品的总贡献值；f kj是k排放源所排出的j组分的浓度，代表源的组成。

[0068]CMB模型采用的算法是有效方差最小二乘法，该方法就是使加权的元素测量值与计算值之差的平方和最小。

[0069]有效方差最小二乘法基本公式如下所示：
[0070]
[0071]式中：Ci一环境受体中VOCs化学组分i的浓度检测值；
[0072]Fij--第j类源的化学组分i的含量测量值；
[0073]Sj一第j类源贡献的浓度计算值；
[0074]Veff，i--有效方差,权重值。

[0075]
[0076]式中：σ—相应数值的标准偏差。

[0077]CMB模型的输入数据包括:各排放源各化学组分的质量分数(源成分谱)，受体点各化学组分的浓度以及排放源和受体点各组分测定的不确定值。

输出结果包括:排放源对受体点的贡献值，相应的源贡献率以及验证模型输出结果有效性的诊断参数，诊断参数一般包括拟合方程的回归系数、残差平方和和百分质量，诊断参数的理想范围分别是0.8-1、0-4.0和80％-120％。

[0078]步骤3、将CALPUFF模拟得到的子源类贡献和CMB结果耦合，建立细化的来源解析结果。

也就是说，综合CALPUFF、CMB模型结果，建立细化的来源解析饼图。

[0079]本发明主要有以下几个特点：
[0080]1、CALPUFF模拟考虑了地形、气象和化学转化等因素的综合影响，相比基于源清单对CMB结果的优化更为合理、科学。

[0081]2、本发明中CALPUFF对城市各主要源类的模拟，其中工业源细分到重点企业和行业，民用燃煤源可分到区域，交通源可精细化到城市主干道路，相比于其他研究更为全面、精细化。

[0082]3、CALPUFF-CMB模型嵌套方法，不同于现有的多模型综合应用、不同模型结果相互对比验证等方面的研究，而是建立一种以扩散模型结果优化受体模型来源解析的思路和方法，结合两种模型的优点，来完善区域来源解析研究。

[0083]如图3所示，为本发明的一种城市大气污染的源解析装置，包括：
[0084]划分单元31，将一区域的排放清单中的各源类划分子源类；
[0085]CALPUFF模型处理单元32，利用CALPUFF模型，对一区域的排放清单中的各源类中的子源类的排放、扩散过程进行模拟，得到所述区域的各个所述子源类对受体点的污染贡献比例；
[0086]CMB模型处理单元33，利用源成分谱和受体组分数据，对所述区域进行CMB模型的来源解析，得到所述区域的各类源的污染贡献比例；
[0087]耦合单元34，将所述CALPUFF模型模拟得到的各个子源类对受体点的污染贡献比例和所述CMB模型得到的所述区域的各类源的污染贡献比例进行耦合，建立细化的来源解析结果。

[0088]本实施例的装置，可以用于执行图1或图2所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

[0089]本发明实施例还提供一种电子设备，图4为本发明电子设备一个实施例的结构示意图，可以实现本发明图1-2所示实施例的流程，如图4所示，上述电子设备可以包括：壳体41、处理器42、存储器43、电路板44和电源电路45，其中，电路板44安置在壳体41围成的空间内部，处理器42和存储器43设置在电路板44上；电源电路45，用于为上述电子设备的各个电路或器件供电；存储器43用于存储可执行程序代码；处理器42通过读取存储器43中存储的可执行程序代码来运行与可执行程序代码对应的程序，用于执行前述任一实施例所述的。

[0090]处理器42对上述步骤的具体执行过程以及处理器42通过运行可执行程序代码来进一步执行的步骤，可以参见本发明图1-3所示实施例的描述，在此不再赘述。

[0091]该电子设备以多种形式存在，包括但不限于：
[0092](1)移动通信设备：这类设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。

这类终端包括：智能手机(例如iPhone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。

[0093](2)超移动个人计算机设备：这类设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。

这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。

[0094](3)便携式娱乐设备：这类设备可以显示和播放多媒体内容。

该类设备包括：音频、视频播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。

[0095](4)服务器：提供计算服务的设备，服务器的构成包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，服务器和通用的计算机架构类似，但是由于需要提供高可靠的服务，因此在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求较高。

[0096](5)其他具有数据交互功能的电子设备。

[0097]本发明的实施例还提供一种应用程序，所述应用程序被执行以实现本发明任一实施例提供的方法。

[0098]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0099]本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

[0100]尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

[0101]为了描述的方便，描述以上装置是以功能分为各种单元/模块分别描述。

当然，在实施本发明时可以把各单元/模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

[0102]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质
中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

[0103]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。