1 绪论1.1 本课题的研究背景世界上局部地区的大气污染现象在18世纪就出现了。
第二次世界大战以后，大气污染问题日益严重。
在一些大量燃烧矿物燃料的城市、工业区，曾发生多起严重的大气污染事件，如伦敦烟雾事件[1]，曾导致数以千计的市民死亡。
60年代,有人用空气中二氧化硫（SO2）和颗粒物的浓度与因大气污染事件引起受害致病的人数进行对比分析，求其相关关系；并根据实测结果，求出上述两种污染物对人群健康的影响程度指数，用这种指数对大气质量进行定量的评价。
从此大气质量评价研究便迅速发展起来[2]。
大气是环境要素之一，它与人类的关系极为直接和重要，但却比较简单，即其质量的好坏，主要看它对人群健康的影响。
其次，大气的组成成分，在未受人为影响的情况下，在水平方向的空间中几乎没有差异。
可见，大气质量的优劣主要取决于受人类污染的程度。
现在所进行的大气质量评价，通常都是评价大气受污染的程度，所以也可以叫做大气污染评价[3]。
因此，对大气质量的评价，主要是以大气对人体健康影响的程度作为尺度。
在单要素环境质量评价系统中，大气质量评价在内容上和方法上都是比较简单的。
大气中常见的污染物有总悬浮颗粒物、降尘、可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、铅、臭氧和苯并芘。
大气中的含硫污染物主要有H2S、SO2、SO3、CS2、H2SO4和各种硫酸盐。
它们主要来源于煤和石油燃料的燃烧、含硫矿石的冶炼、硫酸等化工产品生产排放的废气。
作为大气污染的主要指标之一，二氧化硫在各种大气污染物中分布最广、影响最大，因此，在硫氧化物的检测中常常以二氧化硫为代表。
氮氧化物主要来源于石化燃料高温燃烧和硝酸、化肥等生产排放的废气，以及汽车排气[4]。
氮氧化物包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等，这些氧化物中占主要成分的是一氧化氮和二氧化氮。
氮氧化物及其在空气中的反应产物会对人体健康产生严重影响。
颗粒物质是大气污染物中数量最大、成分复杂、性质多样、危害较大的一种，它本身可以是有毒物质，还可以是其它有毒有害物质在大气中的运载体、催化剂或反应床。
在某些情况下，颗粒物质与所吸附的气态或蒸气态物质结合，会产生比单个组分更大的协同毒性作用。
所以，对颗粒物质的研究是控制大气污染的一个重要内容。
随着大同市经济的高速增长、城市化进程加快，对能源消耗迅猛增长，大量有毒有害气体污染物排放到大气中，形成日益严重的大气污染，对大同市的经济增长产生了极大的阻碍。
大同市的煤矿资源丰富，煤是日常生活中屡见不鲜的事物。
一旦入冬，煤炭更是取暖的保障，再加上没有采取适当的保护措施，大气污染日益严重，成为了当前首要亟待解决的难题。
大气虽然有自然净化的能力，可是这种能力是有限的，大气环境所能容纳的污染量也是有限的[5]，由此使大气环境污染成为一个公众日益关注的重大的社会问题。
对于大同来说，随着经济的不断发展和城市化进程的不断加速，日趋严重的空气环境问题，已经成为制约大同市的建设和谐社会、实现可持续发展的一个突出瓶颈[6]。
大气环境质量评价与大气环境容量研究是有效控制大气污染、改善环境质量的基础。
对于制定环境管理计划和环境规划、实施总量控制和排污许可，科学合理利用大气环境资源，优化促进区域经济健康持续发展，建设资源节约、环境友好型社会，具有十分重要的意义[7]。
1.2 关于大气环境质量评价的模型对于大气环境质量评价来说，掌握质量评价模型是十分重要的。
大气环境质量评价指在大气环境质量变化规律的基础上，按一定的方法和标准，对大气污染程度进行评定，或是对大气对人类健康适宜程度进行评定。
它包括在自然环境因素影响下的自然过程及其所形成的大气环境的组成、结构、功能特性、大气环境背景值、净化功能、自我调节功能、大气环境容量等相对稳定而仍在不断变化中的环境基本属性，以及在人类活动影响下的大气环境污染和大气环境状态的变化。
大气环境质量评价，是依据大气环境质量评价分级标准来判别某一个地区某一时间内的大气质量与哪一个等级标准最接近[8]，则认为该地区的大气综合质量属于该等级。
对大气环境质量进行评价的目的，在于提高和改善大气环境质量，并提出控制和减缓大气环境恶化的对策和措施。
大气环境质量评价可以为制订城市环境规划，进行大气环境综合整治，制订区域污染物排放标准、环境标准和环境法规，搞好环境管理提供依据；也可以为比较各地区所受污染的程度和变化趋势提供科学依据[9]。
由于不同环境区域自然环境的形成和发展不同，因而不同区域代表性污染物也不一样，所以在环境评价中评价因子的选择也不一样[10]。
一般情况下，大气环境质量评价中多选用二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、可吸入颗粒物（PM10）、CO、NO X、O3、碳氧化合物和总悬浮物（TSP）等。
1.2.1 空气污染指数法空气污染指数，是在PSI评价法的基础上加以简化，将常规监测的几种空气污染物浓度简化成污染指数，并分级表征质量状况与污染的程度，其结果简明直观，使用方便，能产生实际的效果。
换言之，就是将常规监测的几种污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式[11]。
空气污染指数评价法采用指数形式反映大气环境质量状况，它的形式简单且计算方便，而且其结果的表达方式比较符合中国人的思维习惯，因而以前在我国相当大的范围内包括《全国环境质量报告书》中都在使用，但由于环境质量指数法在评价中介入主观因素过多，失去了对环境质量真实性的准确反映，而且评价结论是抽象的描述性结论[12]。
因此环境质量指数法不宜用作区域环境质量评价方法，只可用于评述环境结构因子的达标状况，所以渐渐的减少了使用它的次数。
1.2.2 GIS技术法地理信息系统（GIS），是一门技术引导的多技术交叉的信息空间科学，它是对地理信息数据进行采集、存储、加工和再现，并能回答一系列问题的计算机系统[11]。
地理信息系统可成为大气环境监测和评价的全新高技术工具[13]。
利用GIS 技术法进行大气环境质量评价能更为科学地、直观地、鲜明地反映大气环境的状况，给评价工作带来了方便，使我们更为清楚地了解到当时的具体情况，有很大的参考价值。
不仅利用信息的技术提高了工作效率，实现了评价结果的及时性和直观化，而且使评价结果具有更明确的物理意义，为我们提供了现实意义。
因此，该方法对于进行环境质量评价有一定的借鉴意义，是我们常使用的方法[14]。
1.2.3 模糊综合评价法模糊综合评价法对于大气环境质量的评价来说，既有充分理论依据，又极具客观性和合理性。
可最大限度的避免人为的误差[15]。
若这种评价过程涉及模糊因素的量化，便称之为模糊综合评价。
该模型对影响大气环境质量的因素及评价中存在的一些模糊信息加以合理综合处理，是一种定性、定量相结合的处理技术。
由于最终计算结果是一量化值，不仅可用于比较同一城市不同日期的大气环境质量差别，还可用于比较不同城市间的大气环境质量优劣，直观地表示了大气环境质量水平的变化及差异情况。
1.2.4 人工神经网络技术法人工神经网络是模拟生物脑神经系统的信息处理机制建立起来的一种智能信息处理模型，具有很强的适应复杂环境和多目标控制要求的自学习能力，并具有可以任意精度逼近任意非线性连续曲线的特性[16]。
人工神经网络方法具有很强的学习联想和容错功能，具有高度非线性函数映射功能。
它使得大气环境质量评价结果的精度大大提高，并且BP网络模型用于评价时不需要过多的数理统计知识，也不需要对数据进行复杂的预处理，同时该方法还适用于进行其它相关的评价[17]。
1.2.5 灰色关联判断法灰色关联判断法是一种逻辑性极强的评判法，广泛的应用于各个研究机构中，是研究人员喜欢应用的一种方法。
灰色关联是指事物之间不确定的关联。
灰色关联评判是灰色系统理论用关联度大小来描述事物之间及因素之间关联程度的一种定量化方法。
它以系统地定性分析为前提，定量分析为依据，进行系统因素之间、系统行为之间的曲线相似性的关联分析[18]。
灰色关联判断决策考虑了大气环境质量评价的模糊性和灰色性，此外，灰色统计决策法不仅考虑到各评价因子在综合评价中的作用，而且考虑到各因子的分散数据在评价中的作用，在实际评价中，更具有现实意义。
1.3 大气环境容量核定技术概述大气环境容量，是指在一个特定区域内、一定的气象条件、一定的自然边界条件及一定的排放源结构条件下，在满足该区域大气环境质量目标前提下，所允许的区域大气污染物的最大排放量。
对于局地性区域来说，大气环境容量是大气传输、扩散和排放方式的具体体现。
大气环境容量考虑空间开放性和气象条件复杂性，注重结合区域的社会功能、环境背景、污染物布局、污染物的物化性质和环境的自净能力等因素。
鉴于不同模型对环境因素考虑的广度和深度有所差别，取不同模型估算的同一区域的环境容量有所不同[19]。
1.3.1 箱式模型法箱式模型是研究污染物排放量与环境质量之间关系的一种最简单的模型，基本原理是将总量控制区上空的空气混合层视为承纳地面排放污染物的一个箱体。
污染物排入箱体后被假定为均匀混合，箱体能够承纳的污染物量与箱体体积（等于混合层高度乘区域面积）、箱体的污染物净化能力以及对箱内污染物浓度的限度（即区域环境空气质量呈正比）[20]。
其中箱体高度和自净能力属于自然条件，随地区而定，方法中用A值来表示。
在不同地区，可根据当地的A值、当地总量控制区的环境空气质量目标以及控制区面积确定总量控制区的环境空气质量。
1.3.2 ADMS-Urban大气扩散模型方法ADMS-Urban大气扩散模型方法，是由英国剑桥环境研究中心(CERC)开发的一套先进的大气扩散模型，屑新一代空气质量模型。
该模型是一个三维高斯模型，以高斯分布公式为主计算污染浓度，但在非稳定条件下的垂直扩散使用了倾斜式的高斯模型；使用一个拉格朗日烟羽抬升模块，烟羽抬升模块预测抬升轨迹和因为热的气态物质的排放对污染物浓度的稀释，其机理是一个顶盖内嵌模型，包括对逆温渗透的处理。
该模型的主要特点是：（1）用点源、线源、面源、体源和网格源模型来模拟污染物在大气中的扩散，考虑到了从最简单到最复杂的城市污染物扩散问题；（2）应用了基于Monin-obukhov长度和边界层高度描述边界层结构参数的最新物理知识[21]，边界层结构被可直接测量的常规气象参数定义。
这样可以更真实地表现出随高度的变化而变化的扩散过程，所获取的污染物浓度的预测结果通常是更精确，更可信的；（3）ADMS-Urban 大气扩散模型可以作为一个独立的系统使用，也可以与地理信息系统联合使用；（4）可以用来研究大气环境容量及大气质量管理措施，应用于环境评价及规划。
1.3.3 ISCST3 大气扩散模型方法ISCST3模型的基础是正态烟流模式[22]，考虑了城市垂直方向扩散能力，包括源抬升、落地点抬升、烟羽抬升、干沉降、垂直风向的限制混合，以及物理化学衰减、城市建筑物下洗作用与城市线源、面源的初始扩散尺寸等过程，对稳态高斯扩散方程作了修正。