基于gis的蘭州市冬季大氣污染空間分布特征研究

基于gis的蘭州市冬季大氣污染空間分布特征研究

隨著我國(guó)快速城市化階段的到來(lái)，城市發(fā)展環(huán)境問題已成為城市體系健康發(fā)展、秩序協(xié)調(diào)發(fā)展的重要制約因素。其中,大氣環(huán)境質(zhì)量的惡化首當(dāng)其沖。科學(xué)準(zhǔn)確、定量的描述城市大氣環(huán)境質(zhì)量情況,進(jìn)而為實(shí)施有效科學(xué)的城市環(huán)境管理以及城市未來(lái)發(fā)展規(guī)劃提供正確的科學(xué)依據(jù),成為當(dāng)前大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與相關(guān)研究的關(guān)鍵問題。而對(duì)于城市大氣污染物濃度的空間分布的科學(xué)準(zhǔn)確描述,是大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心之一,也是目前城市大氣環(huán)境質(zhì)量研究的一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)進(jìn)行大氣污染物空間分布研究基本采用地面實(shí)測(cè)資料與等值線繪圖技術(shù)相結(jié)合和建立中小尺度城市大氣運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)而由點(diǎn)代面研究城市大氣污染物空間運(yùn)動(dòng)特征二種方法。這兩種傳統(tǒng)方法從其自身技術(shù)特征出發(fā),不可避免的具有一定的缺陷。前者在研究前期的測(cè)點(diǎn)布設(shè)觀測(cè)以及后期成果輸出方面面臨著成本巨大、研究周期過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。而后者采用以點(diǎn)帶面,常常使成果失去代表意義。如何準(zhǔn)確、快速、及時(shí)的反映裁大氣環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)已成為城市環(huán)境研究的必然求。GIS技術(shù)是融地理學(xué)、幾何學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的新興邊緣學(xué)科,是對(duì)空間信息及其屬性信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)管理、分析處理與顯示輸出的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。能將自然過(guò)程和人類社會(huì)活動(dòng)的各種信息與空間位置、空間分布及其空間關(guān)系通過(guò)數(shù)字化而有機(jī)地結(jié)合在一起。非常適合于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的有關(guān)問題的研究。近年來(lái)隨著地理信息系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,它在大氣環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正處于方興未艾的階段。將GIS卓越的空間分析功能應(yīng)用在城市大氣環(huán)境的研究中,目前已進(jìn)行了許多有益的嘗試與探索,如將GIS與大氣環(huán)境模型的結(jié)合、GIS與機(jī)動(dòng)車尾氣污染遷移擴(kuò)散模型結(jié)合、GIS在大氣環(huán)境規(guī)劃評(píng)價(jià)中的應(yīng)用以及GIS在區(qū)域大氣環(huán)境污染狀況的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的應(yīng)用等方面。這些研究為今后GIS技術(shù)在大氣環(huán)境科學(xué)研究中的推廣提供了很好的借鑒。但是,應(yīng)當(dāng)指出的是,上述科學(xué)研究仍然以基于區(qū)域大氣環(huán)境模型進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量研究。研究方法與研究模型均存在使用不便、研究對(duì)象針對(duì)性過(guò)強(qiáng),推廣不易的限制。尋求簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、快速反映大氣環(huán)境質(zhì)量特征方法仍然是GIS在城市大氣環(huán)境質(zhì)量研究中的重要方向。由于蘭州特殊的工業(yè)結(jié)構(gòu)、自然地理?xiàng)l件,其成為目前全國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量堪憂的城市。大氣環(huán)境質(zhì)量對(duì)未來(lái)蘭州市實(shí)現(xiàn)社會(huì)與環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)?？茖W(xué)準(zhǔn)確描述大氣污染物在蘭州市的空間分布特征,進(jìn)而為城市環(huán)境規(guī)劃與管理部門提供強(qiáng)有力的支持,是蘭州市城市環(huán)境治理的迫切要求。本研究利用“蘭州市大氣污染資料數(shù)據(jù)庫(kù)”中的污染源和污染監(jiān)測(cè)資料,嘗試性地將GIS的空間分析技術(shù)應(yīng)用于蘭州市大氣污染源分布與大氣污染狀況的研究中,建立了蘭州市生活、工業(yè)等各種污染源的空間數(shù)據(jù)庫(kù),利用該數(shù)據(jù)庫(kù),繪制出污染物SO2、TSP濃度分布圖,綜合分析了大氣污染狀況與污染源的內(nèi)在關(guān)系與規(guī)律,結(jié)合國(guó)家環(huán)保總局的污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述污染物進(jìn)行了污染類型區(qū)域劃分,對(duì)大氣污染狀況進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)。為今后進(jìn)一步進(jìn)行城市大氣環(huán)境治理與管理提供了便捷可靠的研究方法與研究成果。具有較強(qiáng)的實(shí)用與推廣價(jià)值。1蘭州的大氣污染特征與環(huán)境因素分布1.1城市貼地逆溫蘭州市是一座以石油、化工為主的工業(yè)城市,是一個(gè)黃河穿過(guò)市區(qū),四周高山環(huán)繞的典型盆地城市。其復(fù)雜的地形特征,形成了特殊的氣象條件:年靜風(fēng)頻率高達(dá)75%,尤其冬季高達(dá)87%以上;城區(qū)逆溫層常年存在,尤其是冬季的貼地逆溫,高度在200~600m之間,像一個(gè)鍋蓋一樣蓋在城市上空,城區(qū)內(nèi)穩(wěn)定度80%為穩(wěn)定類;靜風(fēng)、逆溫及大氣層結(jié)穩(wěn)定極不利于盆地內(nèi)污染物的水平擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散。從蘭州市2000年的能源消耗情況來(lái)看,能源結(jié)構(gòu)中煤的比重較大(79.2%),使得污染物中煙塵(TSP、PM10)、SO2的排放量較大;而且蘭州市區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境較差,植被覆蓋率低,造成自然揚(yáng)塵在污染物中占較大的比例,因此蘭州市區(qū)大氣具有典型的“煤煙型”污染與顆粒物污染的綜合特點(diǎn),是我國(guó)大氣污染最嚴(yán)重的城市之一。冬季由于特殊的氣象條件;大量增加的采暖需求;以及進(jìn)一步下降的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,使該季節(jié)成為全年大氣空氣質(zhì)量最差的時(shí)期。1.2大氣污染源分布蘭州市2000年大氣污染源調(diào)查資料表明:全市區(qū)共有工業(yè)污染源509個(gè),占污染源總數(shù)的20.9%,其中100m以上的高架源三個(gè),分別是城關(guān)區(qū)的蘭州二熱廠與西固區(qū)的西固熱電廠和蘭州化肥廠,30~100m的工業(yè)源303個(gè),30m以下的117個(gè),其中40m以上的工業(yè)源耗煤量占77%。全市區(qū)各類生活源1921個(gè),占污染源總數(shù)的79.1%。其中30m以上的生活源520個(gè),30m以下污染源1401個(gè)。圖2是根據(jù)甘肅省環(huán)境信息中心提供的“蘭州市大氣污染資料數(shù)據(jù)庫(kù)”中的污染源分布和年排放量1km×1km網(wǎng)格資料,利用GIS技術(shù)繪制的蘭州市城區(qū)大氣污染源分布圖。圖中可以看出:蘭州市污染源數(shù)量多、分布廣,工業(yè)污染源主要分布在西固區(qū),生活污染源主要分布在城關(guān)區(qū)。1.3so2的濃度和污染源為了更加直觀地顯示蘭州市污染狀況與各類污染源的內(nèi)在關(guān)系,本文選取具有代表性的典型日的濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),使用繪圖軟件Surfer,繪制SO2濃度等值線圖,在ArcGIS平臺(tái)下與SO2污染源分布圖進(jìn)行疊加,得到SO2的濃度與污染源分布圖。代表日的選取依據(jù)以下原則:利用2000年12月在蘭州城區(qū)監(jiān)測(cè)得到的SO2濃度日均值,求取各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值,然后根據(jù)下述方差計(jì)算公式,找出方差最小的日期,認(rèn)為是最能代表2000年12月份污染平均狀況的典型日。S2=1n∑i=1n(xi?Ai)2S2=1n∑i=1n(xi-Ai)2,(1)式中:S2為方差;n為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位個(gè)數(shù),n=7;xi為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每日SO2日均值;Ai為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)SO2月均值。計(jì)算得出2000年12月最小方差值為0.001364,對(duì)應(yīng)日期為12日,圖3是利用2000年12月12日SO2的常規(guī)監(jiān)測(cè)資料繪制的SO2的濃度與污染源分布圖。圖中可以看出在城關(guān)區(qū)SO2的高值中心與城關(guān)區(qū)密集的生活污染源分布緊密相關(guān),城關(guān)區(qū)南部火車站附近集中了年排放量在200t以上的近10個(gè)污染源,而且這些污染源的排放高度比較低(小于30m),因此造成了SO2的污染在城關(guān)區(qū)鐵路局一帶十分突出。2.4tsp與1.2有機(jī)溶劑依據(jù)與上述SO2相同的方法,選取TSP的代表日,計(jì)算得到的最小方差為0.01826,對(duì)應(yīng)日期是12月15日。圖4是與圖3相同的方法繪制的12月15日TSP與煙塵污染源的疊加圖。圖中所示:城關(guān)區(qū)南部的高值中心與煙塵排放量上百噸的密集生活源有關(guān)?？梢钥闯鎏m州市區(qū)TSP污染相當(dāng)嚴(yán)重,絕大部分區(qū)域超過(guò)國(guó)家三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。2蘭州的污染2.1區(qū)域劃分及so2濃度分布根據(jù)國(guó)家環(huán)保總局規(guī)定的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095~1996)中污染物各級(jí)濃度限制,對(duì)SO2的污染程度進(jìn)行了劃分,然后利用ArcGIS8.3提供的相關(guān)功能,對(duì)圖2中的SO2濃度分布圖進(jìn)行區(qū)域劃分(針對(duì)蘭州市城區(qū),面積約180萬(wàn)hm2),得到圖5。從圖5中SO2的各級(jí)濃度分布圖可以看出,蘭州市城區(qū)滿足國(guó)家環(huán)?？偩忠?guī)定的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域約152.5萬(wàn)hm2,占城區(qū)總面積的85%(圖6),滿足三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域面積約25.6萬(wàn)hm2,占14%,超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域面積約1.56萬(wàn)hm2,位于城關(guān)區(qū)的鐵路局附近,所占比例為1%。2.2蘭州市區(qū)tsp污染情況從圖4的TSP濃度分布圖可以看出,2000年12月15日蘭州市城區(qū)TSP污染相當(dāng)嚴(yán)重,城區(qū)基本沒有符合國(guó)家環(huán)?？偩忠?guī)定的TSP日均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.3mg/m3)的區(qū)域,全城區(qū)TSP濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.5mg/m3)。為了對(duì)蘭州市區(qū)TSP的污染程度與空間特征有一個(gè)直觀認(rèn)識(shí),我們選取2000年12月TSP污染相對(duì)比較輕的11日,依據(jù)與上述SO2相同做法,參照下述TSP的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表3),對(duì)圖4中的TSP濃度分布圖進(jìn)行處理,得到圖7的分區(qū)結(jié)果。圖7的分區(qū)結(jié)果可以看出,蘭州市的TSP污染比較嚴(yán)重,大部分區(qū)域超過(guò)了0.3mg/m3的國(guó)家二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),滿足二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域面積約48.9萬(wàn)hm2,所占比例為27%;滿足三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域面積約78.4萬(wàn)hm2,所占比例為43%;超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的重污染區(qū)域面積約44.4萬(wàn)hm2,占25%;TSP大于0.7mg/m3的污染特別嚴(yán)重區(qū)域面積約8.1萬(wàn)hm2,占比例為5%,位于七里河區(qū)的職工醫(yī)院一帶。3大氣污染源的排放以上將GIS技術(shù)應(yīng)用于蘭州市大氣污染源與污染物濃度的分析中,得出了一些傳統(tǒng)研究分析方法所無(wú)法得到的結(jié)果。(1)蘭州市城區(qū)SO2和TSP污染程度走勢(shì)與大氣污染源的分布一致,城關(guān)區(qū)鐵路局一帶密集的生活源造成該區(qū)成為污染最嚴(yán)重區(qū)域之一;冬季過(guò)于穩(wěn)定的大氣狀態(tài)與生活區(qū)大范圍低高度污染排放是促使這種分布格局生成的主要原因。如何減少低高度面狀排放源將是未來(lái)蘭州大氣環(huán)境治理與管理規(guī)劃的重點(diǎn)。(2)蘭州市冬季12月份SO2的污染比較輕,城區(qū)絕大部分區(qū)域達(dá)到國(guó)家二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(占85%的城區(qū)面積),超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域只占城區(qū)總面積的1%。(3)蘭州市冬季TSP的污染非常嚴(yán)重,城區(qū)絕大部分區(qū)域超過(guò)國(guó)家三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),即使污染相對(duì)較輕的12月11日,超過(guò)TSP三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域仍占城區(qū)總面積的30%,因