基于情景分析法的上海市外高橋功能區(qū)空氣質量時空分析

基于情景分析法的上海市外高橋功能區(qū)空氣質量時空分析

區(qū)域總體規(guī)劃是指特定時期內的區(qū)域性質、發(fā)展目標和規(guī)模、土地利用、產業(yè)空間布局和各種建設措施的綜合配置和實施。區(qū)域發(fā)展總體規(guī)劃的環(huán)境評價不僅是中國《環(huán)境評估法》的要求，也是一個有效的因素。從源頭上看，它可以緩解人類活動對環(huán)境的影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?？傮w規(guī)劃環(huán)境評估屬于戰(zhàn)略環(huán)境評估的范疇。目前，國內外對區(qū)域全球規(guī)劃環(huán)境進行了全面評估。例如，英國評估了赫特福德縣的環(huán)境狀況，美國加利福尼亞州的圣羅伊納縣評估了2010年的全球計劃，瑞典在soltenpran和機槍前兩個城市實施總體規(guī)劃。近年來，中國科學家對武漢、大連、南寧等城市和營口港的全球規(guī)劃進行了評價。區(qū)域大氣環(huán)境影響評價是區(qū)域規(guī)劃環(huán)境評價的重要內容之一.區(qū)域開發(fā)涉及能源利用,產業(yè)規(guī)模、結構和空間布局的調整等,對于大氣環(huán)境的影響是多方面的,開展區(qū)域規(guī)劃大氣環(huán)境影響評價,能夠識別和預測開發(fā)活動對區(qū)域大氣環(huán)境可能產生的影響,分析污染物的時空分布特征,為消除或減輕不利環(huán)境影響,為管理部門制定污染控制對策提供有價值的信息.雖然目前已有《區(qū)域開發(fā)環(huán)境影響評價技術導則》和《規(guī)劃環(huán)境影響評價技術導則》對規(guī)劃環(huán)評的開展提供了技術方法上的指導,但由于規(guī)劃本身的模糊性、不確定性和非線性等特點,導致污染排放預測的不確定性,在技術方法上盡管可以借用項目環(huán)境評價較為成熟的方法,但總體上說,評價的技術手段仍處于探索與發(fā)展階段,尚未形成系統(tǒng)完善的理論體系,尤其是從何角度去評價規(guī)劃實施對環(huán)境的影響尚未有統(tǒng)一的認識.本文以上海市浦東新區(qū)外高橋功能區(qū)總體規(guī)劃大氣環(huán)境評價為例,采用美國環(huán)保局推薦的法規(guī)應用級模型ISC3(IndustrialSourceComplexDispersionModel)模擬計算區(qū)域主要大氣污染物SO2、NOx、PM10和特殊污染物長期與不利氣象條件下濃度的空間分布,結合總體規(guī)劃,針對未來污染物排放情況設置不同情景,對規(guī)劃年的區(qū)域環(huán)境空氣質量進行模擬預測,并結合區(qū)域人口分布,估算暴露于超標環(huán)境下的人口數(shù),為區(qū)域總體規(guī)劃大氣環(huán)境評價提供依據(jù).1外高橋功能區(qū)規(guī)劃外高橋功能區(qū)地處上海浦東新區(qū)東北端,瀕臨長江口,面積97.13km2(見圖1).區(qū)域內地勢平坦,地貌類型單一,水系發(fā)達,屬于典型的亞熱帶季風氣候,但受海洋影響明顯.目前,該功能區(qū)包括三鎮(zhèn)一區(qū),即高橋、高東、高行三鎮(zhèn)以及外高橋保稅區(qū),常住人口約為1.5×105.依據(jù)外高橋功能區(qū)總體規(guī)劃(2005～2020年),其基本定位為長江三角洲經(jīng)濟圈重要的集疏運物流中心之一,上海市重要的自由貿易區(qū).規(guī)劃采取了“一心三軸九組團”的組團式結構布局,計劃將外高橋功能區(qū)劃分為一個公共活動中心、三條發(fā)展軸線以及九個功能不同的區(qū)域,產業(yè)上規(guī)劃形成“優(yōu)勢第二產業(yè)+現(xiàn)代第三產業(yè)”共同推動經(jīng)濟增長的格局.2源分析2.1火炬點源污染物來源外高橋功能區(qū)域現(xiàn)狀產業(yè)呈較明顯的帶狀分布.濱長江地區(qū)利用其良好的港區(qū)條件集聚了倉儲物流、造船、運輸、加工制造等產業(yè),并配備了相應的電力、排污等市政基礎設施;外高橋保稅區(qū)主要以電子信息、機電加工、物流分撥三大產業(yè)群體為主;濱黃浦江地區(qū)集中了眾多石油化工企業(yè),除高橋石化集團規(guī)模較大,其他企業(yè)規(guī)模相對較小.區(qū)內點源主要常規(guī)污染物為SO2,NOx,PM10;特殊污染物為苯、二甲苯、非甲烷烴(NMHC).道路汽車尾氣主要污染物為CO及NOx.2005年,外高橋功能區(qū)域點源SO2,PM10和NOx排放量分別為3.25×104t,9.47×102t和1.002×105t,其中發(fā)電廠與石化企業(yè)是區(qū)域最主要大氣污染源.區(qū)內交通源排放CO7.29×105t,排放NOx1.08×104t.2.2外高橋功能區(qū)污染源治理外高橋功能區(qū)總體規(guī)劃分中期(2010年)和遠期(2020年)兩個階段,提出了未來區(qū)域內產業(yè)結構調整與布局的指導性意見,但并未對規(guī)劃年的污染物排放給出預測.一般地,由于區(qū)域總體規(guī)劃的年限較長,具有一定的不可預見性,難以給出詳細的污染物排放預測,這也給區(qū)域環(huán)境影響預測和評價增加了不確定性.本文以區(qū)域總體規(guī)劃中提出的產業(yè)結構與布局為主要依據(jù),設置不同的情景,以此預測規(guī)劃年區(qū)域污染排放清單,為大氣環(huán)境影響預測提供基礎數(shù)據(jù).情景設置的基本思想是:以現(xiàn)狀污染源為基礎,根據(jù)外高橋功能區(qū)總體規(guī)劃(2005～2020)和“十一五”經(jīng)濟與社會發(fā)展規(guī)劃,功能區(qū)內的重點產業(yè)為國際貿易、現(xiàn)代物流、房地產業(yè)、旅游業(yè)和以電子信息產業(yè)為主的先進制造業(yè).在規(guī)劃年,所有屬于上述行業(yè)的企業(yè)將繼續(xù)得到發(fā)展,參照總體規(guī)劃設定其產值增長的速率和規(guī)劃年的產值.根據(jù)各企業(yè)產值與污染物排放關系,預測規(guī)劃年上述企業(yè)的排放量.對于高橋石化區(qū)內的部分化工企業(yè),按照規(guī)劃將撤離外高橋功能區(qū),因此在2020年的排放預測中不包括上述污染源.對于其他限制產業(yè),按照總體規(guī)劃,假設其在規(guī)劃年的規(guī)模,產值保持在現(xiàn)狀年(20051)水平,污染物排放量也保持不變.對于道路線源,根據(jù)區(qū)域總體規(guī)劃,2020年的道路長度、路網(wǎng)密度和車流量將有所增加,但隨著國家第四階段機動車排放標準的實施,單車排放因子將大大減少,因此,在本研究中作保守估計,假定道路線源排放保持不變.表1為通過以上預測得到的外高橋功能區(qū)點源主要大氣污染物排放量.本次情景設置分為基本情景和削減情景,每一類情景均包括2010和2020年兩個規(guī)劃年.基本情景即根據(jù)污染物預測產生量估算規(guī)劃年的排放清單,即認為污染物未經(jīng)治理而直接排放進入大氣環(huán)境.對于2010年削減情景,依據(jù)外高橋功能區(qū)十一五規(guī)劃,SO2的削減率確定為26%,PM10,NMHC和苯/二甲苯的削減率設置為當前國際先進去除率的1/2,NOx的削減率則為當前國際先進脫氮率的1/4.對于2020年削減情景,假定SO2,PM10,NMHC和苯/二甲苯的削減率均達到當前國際先進去除率,并將NOx的削減率設置為當前國際先進脫氮率的1/2(表2).需要說明的是,在綠色世博、節(jié)能減排和創(chuàng)建國家環(huán)境保護模范城市等目標的引領下,上海市在環(huán)境保護“十一五”規(guī)劃中明確提出到2010年SO2減排26%,并且明確提出在大氣環(huán)境治理與保護領域,重點推進燃煤設施脫硫脫硝,因此外高橋主要污染物在規(guī)劃年達到當前國際的先進削減水平是可能的.在每一種情景下分別計算長期平均濃度和不利氣象條件下的短期濃度.3預測方法3.1環(huán)境空氣中污染物的濃度ISC3(IndustrialSourceComplexDispersionModel)是由美國聯(lián)邦環(huán)保署開發(fā)的工業(yè)污染源綜合擴散模型.自20世紀90年代起,該模型就應用于計算點源、面源、體源和開放源等各種工業(yè)源排放的SO2、TSP、PM10、NOx和CO等污染物在環(huán)境空氣中的濃度,模擬污染物在大氣環(huán)境中的遷移擴散和時空分布,并取得了較好效果,是美國聯(lián)邦環(huán)保署(U.S.EPA)推薦的法規(guī)應用級模型.該模型基于湍流統(tǒng)計理論的正態(tài)煙流模式,使用的公式為穩(wěn)態(tài)封閉型高斯煙羽方程.ISC3包括長期和短期兩種計算模式,分別稱為ISC短期擴散模型(ISCST)和ISC長期擴散模型(ISCLT).本文采用ISCLT計算區(qū)域長期平均濃度,采用ISCST計算不利氣象條件下的短期濃度,計算中主要考慮點源,并將中小點源、道路線源概化為面源處理.3.2污染物種間化學計量大氣環(huán)境影響預測范圍為整個外高橋功能區(qū),采用上海地方坐標系統(tǒng),網(wǎng)格分辨率為500m×500m.計算污染物種為SO2,NOx,PM10,CO,苯/二甲苯和NMHC的長期平均濃度(年日均濃度及四季日均濃度均見表3)以及不利氣象條件下的短期平均濃度,不考慮污染物種間化學反應.濃度受點為各網(wǎng)格中心點,受點高度均設為0,即考慮地面濃度.3.3常規(guī)資料的計算風速、風向、穩(wěn)定度聯(lián)合頻率根據(jù)上海寶山氣象臺2002～2004年的常規(guī)氣象資料計算.計算方法采用國家標準中推薦的修正的帕斯廓爾—特納方法.年平均氣溫和各季混合層高度的數(shù)據(jù)取自于華東師范大學地理學系報告2.3.4外高橋功能區(qū)內工業(yè)排放源污染源分為大點源、面源和道路線源三類,數(shù)據(jù)基準年為2005年.大點源共20個,為外高橋功能區(qū)內較大的工業(yè)排放源;面源均以網(wǎng)格為單位,主要包括中小工業(yè)源,排放高度為網(wǎng)格中各點源的平均排放高度.道路線源按照其位置將排放量分攤到各網(wǎng)格中,按面源的方式模擬,排放高度假設為1m.4模擬結果與討論4.1環(huán)境環(huán)境監(jiān)測二級標準依據(jù)上海市大氣環(huán)境功能區(qū)劃,外高橋功能區(qū)屬于二類區(qū),采用(GB3095—1996)《環(huán)境空氣質量標準》(2000修訂)二級標準;特殊污染物的濃度限制參考(TJ36-79)《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》(表3).4.2當前模擬4.2.1濃度貢獻分布圖2和圖3分別顯示了2005年外高橋功能區(qū)SO2,PM10,NOx以及苯、二甲苯,NMHC長期平均濃度貢獻的空間分布.從年日平均濃度來看,SO2與PM10的濃度高值區(qū)主要分布在功能區(qū)的中部與西部,這與區(qū)內大點源的空間分布相對應,說明污染排放量大的企業(yè)對周邊一定范圍內的環(huán)境空氣質量產生顯著影響.NOx同時受工業(yè)企業(yè)和交通排放的影響,雖然大點源排放量較大,但排放高度較高,且分布較集中,而中小點源和交通源排放高度較低,且空間分布相對均勻,對NOx的濃度貢獻也較大,因此,NOx濃度貢獻高值區(qū)呈現(xiàn)出呈帶狀分布的特點,貫穿整個外高橋功能區(qū).特殊污染物苯、二甲苯及NMHC的濃度貢獻高值分布在區(qū)內有排放的大點源周圍,表現(xiàn)出明顯的地域性特征.圖4顯示了外高橋功能區(qū)夏季與冬季SO2平均濃度貢獻的空間分布.從季平均濃度來看,SO2的濃度貢獻高值區(qū)均位于大型工業(yè)企業(yè)附近,夏季主要位于外高橋西北區(qū)域,東南方向濃度相對較低,冬季則相反.SO2污染在冬季最為嚴重,日均濃度貢獻最高值達0.098mg/m3;夏季則污染較輕,濃度貢獻最高值為0.082mg/m3.春、秋季SO2的高值區(qū)則分布于外高橋中部區(qū)域,濃度貢獻介于冬夏之間.其他污染物的空間分布規(guī)律與SO2類似.污染物濃度貢獻空間分布的四季差異與該區(qū)域受季風影響有關.夏季的東南風將排放的污染物帶向外高橋西北區(qū)域,冬季則相反.此外,冬季上海地區(qū)多受冷高壓控制,城市上空以下沉氣流為主,大氣層結穩(wěn)定,不利于污染物的擴散,易造成本地污染集聚.4.2.2主要污染物濃度貢獻根據(jù)上海寶山氣象站2004年的逐日氣象數(shù)據(jù),選取API指數(shù)較高的5d作為代表日計算外高橋功能區(qū)主要空氣污染物的小時平均濃度貢獻,以進一步考察不利氣象條件下區(qū)域的大氣污染水平.這5天分別為2004年4月11日、6月7日、6月8日、11月20日和12月9日,其天氣背景如表4所示,計算所得的濃度貢獻最大值如表5(見第336頁)所示.從表5可見,SO2和NOx的濃度貢獻都遠超過國家二級標準,這是由于在不利天氣條件下,小風與靜風不利于污染物的水平輸送,同時也影響污染物在側風向的分布,大氣層結穩(wěn)定也使大氣的擴散能力較弱,導致污染物在低空聚集,從而形成了高濃度貢獻.而苯/二甲苯和NMHC均未達到一次允許最高濃度的限值,結合企業(yè)污染排放數(shù)據(jù),判斷外高橋功能區(qū)中特殊污染物并不是主要污染物.4.3年中污染物濃度預測4.3.1外高橋污染治理能力和污染物排放總量在污染排放預測的基礎上,采用ISC3模型估算兩種預測情景下,規(guī)劃年(2010年、2020年)SO2,NOx,PM10,苯/二甲苯和NMHC的長期平均濃度貢獻.由圖5、表6可見,由于總體規(guī)劃確定的產業(yè)空間布局基本不變,預測濃度貢獻高值區(qū)分布與現(xiàn)狀基本一致.2020年,高橋石化等化工企業(yè)撤出功能區(qū),但其他企業(yè)污染排放隨產業(yè)發(fā)展而有所增加,在不考慮新增污染治理能力的基本情景下,2020年SO2年日均濃度貢獻低于2010年,但仍比現(xiàn)狀有所增長.PM10和NOx的濃度貢獻也與SO2基本一致.排放特殊污染物的企業(yè)以電子、機械加工行業(yè)為主,在規(guī)劃中分別屬于發(fā)展或限制行業(yè),在基本情景設置時認為污染物排放有所增長或基本不變,因此,特殊污染物的排放總體上持續(xù)增加,濃度貢獻也呈現(xiàn)出增加的趨勢.與表3比較可知,外高橋PM10的濃度貢獻低于國家二級標準,但SO2和NOx的濃度貢獻有超標現(xiàn)象.在削減情景下,實施了的脫硫除塵控制措施,污染物濃度貢獻得到了很好的控制,尤其在2020年,由于削減水平的提高,使SO2,PM10和特殊污染物的濃度貢獻大幅下降,SO2,PM10濃度貢獻均低于國家二級標準.對于NOx污染,由于道路線源對濃度的貢獻較大,并假定在預測年份線源排放保持現(xiàn)狀水平,因此,功能區(qū)內工業(yè)企業(yè)的排放削減對NOx濃度貢獻的影響并不大,仍存在超標現(xiàn)象.四季預測結果與年日均濃度規(guī)律基本一致.4.3.2污染物濃度貢獻率采用前文篩選出的代表日氣象數(shù)據(jù),對不利氣象條件下各污染物的濃度貢獻進行模擬計算,結果如表7所示.從表7,8可見,在基本情景下,2010年各污染物濃度貢獻普遍高于現(xiàn)狀,2020年由于高橋石化等化工企業(yè)的撤出,排放總量有所減少,因此,2020年各污染物濃度貢獻低于2010年,但仍比現(xiàn)狀濃度貢獻有所增長.在削減情景下,2020年污染物濃度貢獻遠低于現(xiàn)狀,而2010年則與現(xiàn)狀污染濃度貢獻相近.4.4外高橋功能區(qū)排放污染源的動態(tài)評估為考察區(qū)域污染物濃度貢獻對常住人口的影響,為區(qū)域大氣環(huán)境影響評價提供更為有效的依據(jù).本研究中,以年日均值為主要判據(jù),采用地理信息系統(tǒng)(GIS)估算區(qū)域污染物超標面積與暴露人口.對照表3,外高橋功能區(qū)域內,PM10,苯/二甲苯及NMHC年日均濃度貢獻均遠低于相應限值,同時在本文研究中,假設外部源的影響可基本忽略,因此,認為上述各污染物在研究區(qū)域內均未超標.而SO2和NOx的年日均濃度貢獻有部分值超出了《環(huán)境空氣質量標準》二級標準(分別為0.06mg/m3和0.11mg/m3),其中NOx超標情況比較嚴重,因此選取NOx為研究對象計算超標面積與暴露人口.通過GIS的等值線分析,計算NOx的超標區(qū)域及其面積,并通過與外高橋人口專題圖的疊置分析,估算暴露于超標環(huán)境中的人口數(shù).相關常住人口數(shù)據(jù)來自外高橋功能區(qū)總體規(guī)劃(表9,見第338頁).NOx超標面積與暴露人口分析結果如表10所示.從表10可見,在基本情景設置時,考慮重點行業(yè)的污染物排放量隨工業(yè)產值的增長而增加,因此規(guī)劃年(2010、2020年)的超標面積與暴露人口與現(xiàn)狀相比均有所增加,但在2020年考慮高橋石化區(qū)域內的部分化工企業(yè)按規(guī)劃撤離出外高橋功能區(qū),在污染物排放預測中不包括這部分污染源,因此2020年的超標面積與暴露人口數(shù)較2010年低.在削減情景下,由于實施了去除氮氧化物的治理措施,NOx污染得到有效控制,尤其在2020年,由于削減率提高,使NOx濃度貢獻大大減少,因此超標面積呈現(xiàn)減少的趨勢,但由于人口密度增加,暴露人口僅略有下降.從以上分析可見,在未來外高橋功能區(qū)應將NOx列為控制重點,應該對交通路網(wǎng)做出調整,實施嚴格的機動車排放標準,敦促企業(yè)采用處理脫氮措施以減少NOx的排放.5討論和結論5.1結果分析的意義1)情景設置已經(jīng)成為區(qū)域和規(guī)劃環(huán)境影響評價中一種被普遍接受的預測方案,它可以在一定程度上降低不確定性,便于方案的比選.但目前中國規(guī)劃環(huán)評中仍普遍缺乏多方案情景預測.本研究基于對規(guī)劃方案的詳細分析和解讀,從規(guī)劃中提取信息,并在與規(guī)劃編制與環(huán)保部門不斷溝通的基礎上,針對污染治理的不同水平設置情景,在一定程度上避免了預測的盲目性.2)污染物長期平均濃度是研究人群長期、低水平暴露于環(huán)境而導致健康影響的重要指標,反映了規(guī)劃造成的長期環(huán)境效應,并可通過四季的比較反映氣象條件對污染物空間分布的影響.由于大氣對污染物的擴散稀釋能力隨著氣象條件不同而發(fā)生很大變化,在不同氣象條件下同一污染源排放所造成的地面濃度相差幾十倍乃至幾百倍,因此不利氣象條件下的濃度預測亦非常重要,它能反映規(guī)劃造成的最不利的環(huán)境影響.長期平均濃度與不利氣象條件下的短期濃度預測相結合能夠更全面地定量反映規(guī)劃對區(qū)域大氣環(huán)境的影響.3)近年來,將人群暴露與健康評價的思想和方法引入?yún)^(qū)域和規(guī)劃環(huán)境評價已成為戰(zhàn)略環(huán)評的一個重要動向,但由于人群暴露與健康評價的復雜性,需要大量的基礎數(shù)據(jù)支持,因此,在實際的評價案例中尚不多見.本文將基于GIS空間分析的超標人口估算引入?yún)^(qū)域總體規(guī)劃的環(huán)境評價,是對這一思想的一種初步嘗試,具有一定的探索意義.超標面積和暴露人口估算有助于直觀了解大氣環(huán)境質量對區(qū)域人口的影響,為區(qū)域大氣環(huán)境影響評價和管理部門的決策以及后續(xù)跟蹤評價提供更為科學合理的依據(jù).5.2污染物濃度1)運用ISC3軟件模擬上海浦東新區(qū)外高橋功