兰州市主要大气污染物浓度季节变化时空特征分析 - 王希波

??

第23卷??第4期2007年8月中??国??环??境??监??测EnvironmentalMonitoringinChinaVol.23??No.4

??

Aug.2007

兰州市主要大气污染物浓度季节变化时空特征分析

王希波,马安青,安兴琴,陈尚,王其翔??

1

1,2

3

4

4

(1??中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛

266003;2??中国海洋大学海洋生态教育部重点实验室,山东青岛266003;3.北京大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京100871;4.国家海洋局第一研究所,山东青岛266061)

摘??要:应用统计方法分析了兰州市大气污染物SO2、NOx、TSP浓度时空分布的季节变化特征。使用GIS空间叠加分析技术,利用污染源、人口、绿地覆盖等空间数据,对上述污染物时空分布特征的成因进行了探讨。研究表明,兰州市大气环境质量状态存在鲜明的冬春高、夏秋低的季节差异。空间上,经济活跃、人口密集城区污染程度更高。TSP污染物是造成兰州市大气环境质量下降的主要污染源,但其他两种污染物对兰州市区大气环境质量的影响也不能忽视。相关分析表明,社会经济因素对兰州市空气质量的时空分布有一定影响。GIS空间分析功能是分析城市空气环境质量时空变化特征的一个有效工具。

关键词:兰州市;主要大气污染物;浓度;GIS;时空演变

中图分类号:X511??????文献标识码:A??????文章编号:1002-6002(2007)04-0061-04

BasedonGIStoAnalyzeSeasonalCharacteristicandReasonofSpatialDistributionofConcentrationofPollutantsinLanzhouCity

WANGX-ibo1,etal??(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEcology,OceanUniversityofChina,Qingdao266003,China)Abstract:BasedoncontinuousobservationaldataofmainatmosphericpollutantscomposedofSO2,NOxandTSPontheLanzhoucitydatedfrom2000to2001,thestudyanalyzedseasonalandspatialvarietycharacteristicofthepollutants,aidedbystatisticmethod.Then,thestudyusedspatialoverlayfunctionofGISandcorrelativecoefficient,integratingwithspatialdataofdischargesources、populationandgreenbelttodisclosedrivefactorsoftheabovecharacteristic.Thestudyhasshownthatbeingancityofseriousairpollute,thereexistsobviousseasonaldifferenceofqualitystatusofatmosphericenvironmentinthecity,whichshowthatwinterorspringisperiodwhenconcentrationofpollutantreachesits??climax,andtheoppositeperiodofthelowestisinsummer.Amongfourareaswhichmakeupofthecityarea,theChengguanandXiguwhichnotonlyarepopulousandhigheconomiclevel,butalsoareseriouspolluted.TheAnningownstheoppositestatus.TSPisthemostimportantresourcewhichcausequalityfallofatmosphericenvironment.Theenvironmentalproblemcausedbytheotherpollutantisserioustoo.Especiallyinwinter,theproblemwasgottentight.Asusingcorrectivecoefficienttoanalyzerelationbetweenspatial-temporalvarietyofconcentrationofeachpollutantandunitareaGDP,thecontributionofsocioeconomicfactorswasprovedevident.Sotheabovemethodswereprovedefficientinstudyingspatial-temporalvarietyruleofpollutantconcentrationinLanzhoucity.

Keywords:LanzhouCity;ConcentrationofPollutants;GIS;Spatial-temporalVariety

????随着我国城市化进度的加快,城市环境,尤其

是大气环境日益恶化。掌握城市大气污染物浓度空间分布信息是进行城市大气环境科学研究的关键。随着地理信息系统(GIS)的迅猛发展,其应用范围不断拓展到许多学科和领域,尤其在大

[9]

气环境规划评价方面以及GIS在区域大气环境污染状况的动态变化规律的研究方面得到了广泛

[10,11]

的应用。

收稿日期:2006-09-30

[1-8]

甘肃省省会兰州市,是一座以石油、化工为主

的工业城市。由于特殊的地貌气象条件以及燃料结构

[12,13]

,是我国大气污染严重的城市之一。

本文利用??兰州市大气污染资料数据库??中的污染源和污染监测资料,将GIS的空间分析技术应用于兰州市大气污染物时空动态变化与成因研究中,对兰州市的大气污染状况进行了客观评价。

基金项目:国家自然基金项目(40305020);中国科学院知识创新项目(2004406)作者简介:王希波(1974-),男,山东青岛人,在职硕士研究生.通讯作者:马安青

??62??中??国??环??境??监??测第23卷??第4期??2007年8月??

1??数据获取与评价

????研究中污染源数据采用2000~2001年兰州市大气污染源调查资料。空间数据来自于1??10万兰州市行政区划图;1??10万兰州市城市绿地分布图;同年全市各区人口与GDP产值数据。以及兰州市市区内7个监测点连续日观测数据,获取该时间段内各月,以及各季节SO2、NOx与TSP的平均浓度时空分布特征。

分析

如图1~图3所示,三种污染物在各个城区的时间变化均表现为??山谷??状特征,即春季与冬季是所有污染物大气分布浓度最高时间,而夏季

基本是污染物污染程度最低的时间。冬季是SO2与NOx污染最严重的季节,但TSP浓度的高峰期出现在春季。

2??结果分析

2??1??污染物年平均浓度的分布特征评价

表1??主要大气污染物浓度划分国家标准mg??m3

污染物SO2

时间段年平均季平均月平均

NOx

年平均季平均

月平均

TSP

年平均季平均月平均

浓度标准

一级0??020??0240??030??050??0580??0670??080??0870??095

二级0??060??0710??0880??050??058

0??0670??200??220??24

三级0??100??120??150??100??110??120??300??330??372

图1??各城区TSP浓度季节变化特征

表2??主要大气污染物年平均浓度空间分异特征

地区全市城关区七里河区安宁区西固区

SO20??0620??0610??0540??0530??081

NOx0??0530??0510??0540??0430??064

TSP0??8550??9160??8930??7540??858

图2??各城区SO2浓度季节变化特征

????由表1、表2可见,2000年兰州市全市区大气SO2浓度超过国家大气洁净水平2级标准,低于3级标准,大气SO2洁净度较低,污染较严重。城区中,西固区年平均SO2污染最重,但基本仍在2级与3级之间;NOx浓度全市与城关、七里河、西固区污染程度均超过了国家二级标准。其中,西固区是四个市区中该污染物污染程度最严重的城区,而安宁区污染程度尚未达到国家一级标准,属于较清洁的地区。整个兰州市TSP污染程度非常严重,四个市区中,该污染物大气浓度最低的安宁区的污染程度也远远超过了国家规定的3级标准。其中,城关区与七里河区是四个城区中该污

染物浓度最高地区。

2??2??主要大气污染物浓度季节变化的空间特征图3??各城区NOx浓度季节变化特征

除安宁区,其它三个区冬季SO2浓度均超过国家3级标准,污染程度十分严重。其中,城关区与西固区是污染程度最严重地区。夏季城关区与七里河区SO2空气浓度迅速下降,远低于国家一级标准,空气比较清洁。同期安宁区该污染物浓??王希波等:兰州市主要大气污染物浓度季节变化时空特征分析????63

度下降则没有如此显著。其它季节,除了西固区维持较高水平,其它三个区的SO2浓度基本保持在国家1~2级之间。极差是衡量指标值时间段变化强度的一个有效方法,本研究表明,城关区是

SO2季节分异最显著地区,而安宁区则是最小地区,使用方差分析,这种分异特征表现的更为明显。

如表3所示。

表3??各城区污染物浓度时间变化特征

地区城关区

污染物(mg??m3)

SO2NOx

TSPSO2NOx

安宁区

TSPSO2NOxTSP

西固区

SO2NOxTSP

春季0??03120??03981??30080??0370??04421??38730??03920??02981??4060??0740??05951??3504

夏季0??00560??03230??40870??00540??03640??43930??0361

0??03170??24250??02360??04480??5732

季节

秋季0??05490??05720??73760??04990??0610??69340??01870??04790??54820??07040??070??677

冬季0??15130??07641??21480??12250??07421??05150??102

0??04940??69560??13720??0830??8471

极差0??14580??04410??89210??11710??03780??94810??0833

0??01961??16360??11360??03810??7773

方差0??0030??00030??13160??00180??00020??12880??0018??1E-050??18220??00160??00020??0891

七里河

????NOx在兰州市的污染程度尚未达到SO2的程度。最高浓度出现的冬季,除了安宁区,其它三区浓度水平在国家标准的2级与3级之间,属于较严重的污染程度,同期安宁区仍然是全市污染程度最轻的地区。春夏两季是整个市区NOx大气浓度最低的时期,除了西固区外,基本低于国家一级标准,空气质量较为洁净。NOx浓度在秋季开始上升,冬季达到高峰。四个城区中,西固区NOx浓度季节差异最显著,安宁区表现则相反。同SO2的季节表现特征相类似,城关地区大气NOx分布浓度季节变化最为显著,其极差值与方差值超过了其它三个地区。而安宁区仍然表现出相反的特征。

如图1所示,四个季节中,TSP在整个市区的浓度分布表现为??V??形状特征,与其他两种污染物不同,TSP浓度最高值均出现在春季,而冬季仅是其浓度分布的一个高潮阶段。安宁区在夏季的平均浓度值(0??24mg??m)在国家标准2~3级(0??22~0??33mg??m)间,属于较严重污染。其它时间段,其他城区的TSP浓度均大大超过国家3级标准,属于严重污染。其中,春季安宁区TSP分布浓度超过了其他城区,城关区则是同期TSP分布浓度最低地区。夏季西固区成为四个区中TSP浓度分布最高的地区。TSP对安宁区环境质量状态影响超过其他地区。TSP浓度变化季节差异在安宁区的表现要远远超过其他地区。3

3

2??3??空气环境质量时空变化特征与社会经济要素相关关系分析

大量研究表明,地貌对兰州市空气污染格局的形成具有举足轻重的作用

[13]

。但城市大气环

境质量的变化是人类活动与自然环境相互作用的结果,社会经济要素对城市空气质量起着大小不同的作用。研究中引入相关系数,通过分析一些重要社会经济指标与大气污染物时空变化关系,力图揭示出社会人文因素对兰州市大气环境质量状态时空变化的作用机制。在研究过程中使用人口密度、污染源密度、绿地面积比例与单位面积GDP产值等社会经济指标,它们与大气污染物时空变化特征存在如表4所示相关关系。

分析表明,较其他衡量指标,绿地面积比例与污染物时空变化存在较显著的相关关系。其中,与SO2和NOx变化表现为正相关关系,与TSP变化为负相关关系。SO2与NOx浓度季节差异显著的城关、西固等是全市绿地面积比例最高的城区;安宁区是全市绿地面积比例最低的城区,同时是TSP季节变化最显著的城区。除了与NOx季节变化存在一定的负相关关系,污染源密度与其他两种污染物的季节变化相关程度很低。人口密度与SO2的季节变化存在较高的相关关系,与NOx存在一定的相关关系,这表明人口是SO2季节变化的重要驱动因素。??64??中??国??环??境??监??测第23卷??第4期??2007年8月??

表4??大气污染物平均浓度时空演变特征与社会经济统计指标相关关系分析

社会经济指标人口密度(人??立方米)污染源密度(个??立方米)

绿地面积(%)

单位面积GDP值(元??立方米)

SO20??739-0??570??9420??792

极差

NOx0??557-0??6310??861

TSP-0??030??3-0??86-0??93

SO20??817-0??50??8490??7

方差

NOx0??718-0??640??9690??791

TSP0??1110??29-0??77-0??84

SO2-0??510??2920??4210??755

年平均浓度

NOx-0??26-0??210??6650??77

TSP0??679-0??770??970??734

????TSP年平均浓度的空间差异与表4中四个社

会人文指标存在较高的相关关系。城关区人口密度、绿地面积比例均居各区之首,其年均TSP浓度也显著超过其他城区。社会人文指标中,单位面积产值与所有衡量污染物时空变化的指标都存在很好的相关关系,这说明社会经济的发展水平对城市各区污染物时空动态变化存在一定的影响。

时空状态的各项指标均有很好的相关关系,这说明社会经济发展与大气环境质量存在一定的关系。

本研究借助GIS研究手段和数理统计中相关系数分析方法,比较准确地揭示出大气污染物浓度时空变化与社会经济要素的相互关系。但是,社会经济要素与大气环境质量状态的变化之间的相互关系总体上属于间接关系;并且,导致大气环境质量状态变化的因素是多方面的。要更深入揭示其变化的驱动机制,需要采用更多方法、指标,更深入、更全面揭示城市大气环境质量动态变化规律。参考文献:

[1]傅肃性.世纪之交地理信息系统的理论与应用发展

[J],地球信息科学,1999(2):17-23.

[2]GoodchildMF,HainingR,WiseS,IntegratingGISand

spatialdataanalysis:problemsandpossibilities[J],IntJGIS,1992,6(5):407-423.[3]GoodchildMF,

ParksBO,

SteyaertLT,

eds

EnvironmentalModelingwithGIS[C],NewYork:OxfordUniversityPress,1993.

[4]CorwinDL,WagenetRJ.ApplicationofGIStothe

modelingofnonpointsourcepollutantsintheVadosezone:aconferenceoverview[J].JEnvironQuality,1996,25:403-411??

[5]ReboljD,SturmPJ.AGISbasedcomponent-oriented

integratedsystemforestimation,visualizationandanalysisofroadtrafficairpollution[J].EnvironModeling&Software,1999,14:531-539.

[6]赵碧云,贺彬,朱庆发等.大气污染扩散空间信息系

统[J],环境科学研究,1999,12(6):10-12.

[7]汪小钦.GIS与大气质量模型结合的探讨[J].环境

科学研究,2000,Vol.13(4):50-58).

[8]吴必军,李利新,王伟,基于GIS城市机动车尾气扩

散迁移研究[J].环境污染与防治,2002,Vol.24(4):240-242.

[9]赵凤琴,汤洁,周德春,GIS的空间分析技术在长春

市大气环境功能分区中的应用[J].吉林大学学报(地球科学版),2002,Vol.32(3):265-272.3??结果与讨论

????上述分析表明,影响兰州市大气环境质量的污染物中,TSP是最主要的污染物。兰州市TSP污染除了夏季的安宁区外,其他地区其他季节,大气浓度水平都远远超过了国家标准。SO2和NOx污染在兰州市也表现突出。SO2浓度季节分异较NOx显著,它与人口密度的相关关系也较后者显

著。已有研究表明,兰州市SO2排放源以生活源为主。本研究中,相关系数值验证了这个结论。TSP高峰期出现在春季,兰州市是中国北方受到沙尘暴影响最严重的城市之一,降尘是导致兰州市春季TSP浓度急剧上升的主要原因。四个城区中,由于安宁区农用土地比重相对较高,春季干燥裸露土地在风力作用下为大气提供丰富浮尘来源,导致安宁区是同期TSP浓度最高地区。在其他时期,TSP主要来自于燃烧煤炭,这时,它的浓度大小与人口密度,经济活动强度有着密切关系。

相关系数分析表明,兰州市大气污染物浓度分布的季相特征与社会人文因素存在一定的关系,这在SO2与人口密度相关关系分析中均得到了验证,绿地面积比例与污染物季节特征,以及与NOx、TSP年平均浓度存在很高的相关关系。实际上绿地面积比例在兰州市的分布与城区社会经济发展程度存在密切关系。人口密度大、经济较发达的城关、七里河等区,污染物分布浓度大,空气质量差,也是绿地面积比重最大地区。绿地分布对大气质量变化的驱动作用在本研究中无法体现出来。单位面积GDP值是反映区域经济发展程度的重要指标,在本研究中,它与反映大气污染物??

第23卷??第4期2007年8月中??国??环??境??监??测EnvironmentalMonitoringinChinaVol.23??No.4

??

Aug.2007

改善山西大气污染现状的对策措施初探

梁富生??

(山西省环境监测中心站,山西太原030027)

摘??要:以山西省大气环境质量和污染现状为基础,深入分析了污染成因及其影响,并以此提出了进一步改善山西省大气环境质量,控制大气污染的技术、经济、管理等方面的对策措施。关键词:山西省;大气污染;对策措施

中图分类号:X511??????文献标识码:A??????文章编号:1002-6002(2007)04-0065-03

PreliminarySearchingtheCountermoveandMeasureforImprovingtheStatusofAirPollutionofShanxiProvinceLIANGFu-sheng(ShanxiProvinceEnvironmentalMonitoringCentre,Taiyuan030027,China)

Abstract:OnthebaseofthestatusofairpollutionandenvironmentalqualityforShanxiprovince,thisarticlerelativelypenetratlyanalysisthepollutingreasonandinfluencetotheotherareas,furthergivethecountermoveandmeasureoftechnology,economicandmanagementforimprovingairenvironmentalqualityandcontrollingairpollutionofShanxiprovince.Keywords:Shanxiprovince;Airpollution;Countermoveandmeasure

1??山西省大气污染物排放现状

1.1??大气污染物排放量

据统计,山西省2002年排放SO2313万吨,颗粒物661万吨,其中PM10451万吨、PM2??5126万吨;原煤消耗2??6亿吨。1??2??污染源构成分析

山西的区域空气环境污染属典型的煤烟型污染。污染源的构成类型主要是以煤消耗为主的工业结构类型。煤炭作为主要的工业动力、原料和民用生活供暖能源等,污染物排放量占总排放量90%以上;另外,建材、冶炼、矿山开采等排放的粉尘亦占有相当比重。其中中小工业源SO2年排放量占总量的62??8%,PM10年排放量占27??27%。

2??城市环境空气质量状况

2??1??环境空气质量现状

2004年山西省城镇环境空气污染较重,15个主要城镇颗粒物及二氧化硫污染浓度均超过国家二级标准,超标城镇占监测城镇的100%。有12个城镇的颗粒物、二氧化硫超过国家三级标准,占监测城镇的80%。15个城镇二氧化氮均未超过国家二级标准。

全省城镇整体环境空气污染仍属以二氧化硫和颗粒物为主要污染物的煤烟型污染。首要污染物仍为二氧化硫。三项主要污染物污染负荷分别为二氧化硫,占57%;其次为颗粒物,占32%;再次为二氧化氮。

收稿日期:2006-09-30;修订日期:2007-04-25

作者简介:梁富生(1965-)男,山西阳泉人,高级工程师.

[10]袁国林,大气污染扩散可视化-地理信息系统的应

用[J].云南环境科学,2000,Vol.19(1):19-23.[11]赵同谦,胡斌,基于GIS的城市大气TSP污染空间分

析[J].环境工程,2002,20(3):68-70.

[12]尉元明,李耀辉,康凤琴等,兰州城区近十年污染源

特征分析及对策[J].高原气象,2001,20(增刊):141

-146.

[13]龙学著,余金香,黄建国等.兰州城区冬季SO2大气

环境容量研究[C].陈长和,黄建国,程麟生等.复杂地形上大气边界层和大气扩散的研究[M].北京:气象出版社,1993??193-204.