基于gis的兰州市冬季大气污染空间分布特征研究

基于gis的兰州市冬季大气污染空间分布特征研究

随着我国快速城市化阶段的到来，城市发展环境问题已成为城市体系健康发展、秩序协调发展的重要制约因素。其中,大气环境质量的恶化首当其冲。科学准确、定量的描述城市大气环境质量情况,进而为实施有效科学的城市环境管理以及城市未来发展规划提供正确的科学依据,成为当前大气环境质量评价与相关研究的关键问题。而对于城市大气污染物浓度的空间分布的科学准确描述,是大气环境质量评价的核心之一,也是目前城市大气环境质量研究的一个难点。传统进行大气污染物空间分布研究基本采用地面实测资料与等值线绘图技术相结合和建立中小尺度城市大气运动模型进而由点代面研究城市大气污染物空间运动特征二种方法。这两种传统方法从其自身技术特征出发,不可避免的具有一定的缺陷。前者在研究前期的测点布设观测以及后期成果输出方面面临着成本巨大、研究周期过长的缺点。而后者采用以点带面,常常使成果失去代表意义。如何准确、快速、及时的反映裁大气环境质量状态已成为城市环境研究的必然求。GIS技术是融地理学、几何学、计算机科学为一体的新兴边缘学科,是对空间信息及其属性信息进行采集、存储管理、分析处理与显示输出的计算机系统。能将自然过程和人类社会活动的各种信息与空间位置、空间分布及其空间关系通过数字化而有机地结合在一起。非常适合于环境科学领域的有关问题的研究。近年来随着地理信息系统应用领域的不断扩展,它在大气环境科学领域的应用正处于方兴未艾的阶段。将GIS卓越的空间分析功能应用在城市大气环境的研究中,目前已进行了许多有益的尝试与探索,如将GIS与大气环境模型的结合、GIS与机动车尾气污染迁移扩散模型结合、GIS在大气环境规划评价中的应用以及GIS在区域大气环境污染状况的动态变化规律的应用等方面。这些研究为今后GIS技术在大气环境科学研究中的推广提供了很好的借鉴。但是,应当指出的是,上述科学研究仍然以基于区域大气环境模型进行大气环境质量研究。研究方法与研究模型均存在使用不便、研究对象针对性过强,推广不易的限制。寻求简便、准确、快速反映大气环境质量特征方法仍然是GIS在城市大气环境质量研究中的重要方向。由于兰州特殊的工业结构、自然地理条件,其成为目前全国大气环境质量堪忧的城市。大气环境质量对未来兰州市实现社会与环境协调可持续发展构成了严重的挑战。科学准确描述大气污染物在兰州市的空间分布特征,进而为城市环境规划与管理部门提供强有力的支持,是兰州市城市环境治理的迫切要求。本研究利用“兰州市大气污染资料数据库”中的污染源和污染监测资料,尝试性地将GIS的空间分析技术应用于兰州市大气污染源分布与大气污染状况的研究中,建立了兰州市生活、工业等各种污染源的空间数据库,利用该数据库,绘制出污染物SO2、TSP浓度分布图,综合分析了大气污染状况与污染源的内在关系与规律,结合国家环保总局的污染物浓度标准对上述污染物进行了污染类型区域划分,对大气污染状况进行了客观评价。为今后进一步进行城市大气环境治理与管理提供了便捷可靠的研究方法与研究成果。具有较强的实用与推广价值。1兰州的大气污染特征与环境因素分布1.1城市贴地逆温兰州市是一座以石油、化工为主的工业城市,是一个黄河穿过市区,四周高山环绕的典型盆地城市。其复杂的地形特征,形成了特殊的气象条件:年静风频率高达75%,尤其冬季高达87%以上;城区逆温层常年存在,尤其是冬季的贴地逆温,高度在200~600m之间,像一个锅盖一样盖在城市上空,城区内稳定度80%为稳定类;静风、逆温及大气层结稳定极不利于盆地内污染物的水平扩散和湍流扩散。从兰州市2000年的能源消耗情况来看,能源结构中煤的比重较大(79.2%),使得污染物中烟尘(TSP、PM10)、SO2的排放量较大;而且兰州市区周围生态环境较差,植被覆盖率低,造成自然扬尘在污染物中占较大的比例,因此兰州市区大气具有典型的“煤烟型”污染与颗粒物污染的综合特点,是我国大气污染最严重的城市之一。冬季由于特殊的气象条件;大量增加的采暖需求;以及进一步下降的生态环境质量,使该季节成为全年大气空气质量最差的时期。1.2大气污染源分布兰州市2000年大气污染源调查资料表明:全市区共有工业污染源509个,占污染源总数的20.9%,其中100m以上的高架源三个,分别是城关区的兰州二热厂与西固区的西固热电厂和兰州化肥厂,30~100m的工业源303个,30m以下的117个,其中40m以上的工业源耗煤量占77%。全市区各类生活源1921个,占污染源总数的79.1%。其中30m以上的生活源520个,30m以下污染源1401个。图2是根据甘肃省环境信息中心提供的“兰州市大气污染资料数据库”中的污染源分布和年排放量1km×1km网格资料,利用GIS技术绘制的兰州市城区大气污染源分布图。图中可以看出:兰州市污染源数量多、分布广,工业污染源主要分布在西固区,生活污染源主要分布在城关区。1.3so2的浓度和污染源为了更加直观地显示兰州市污染状况与各类污染源的内在关系,本文选取具有代表性的典型日的浓度监测数据,使用绘图软件Surfer,绘制SO2浓度等值线图,在ArcGIS平台下与SO2污染源分布图进行叠加,得到SO2的浓度与污染源分布图。代表日的选取依据以下原则:利用2000年12月在兰州城区监测得到的SO2浓度日均值,求取各个监测点的平均值,然后根据下述方差计算公式,找出方差最小的日期,认为是最能代表2000年12月份污染平均状况的典型日。S2=1n∑i=1n(xi−Ai)2S2=1n∑i=1n(xi-Ai)2,(1)式中:S2为方差;n为监测点位个数,n=7;xi为各监测点每日SO2日均值;Ai为各监测点SO2月均值。计算得出2000年12月最小方差值为0.001364,对应日期为12日,图3是利用2000年12月12日SO2的常规监测资料绘制的SO2的浓度与污染源分布图。图中可以看出在城关区SO2的高值中心与城关区密集的生活污染源分布紧密相关,城关区南部火车站附近集中了年排放量在200t以上的近10个污染源,而且这些污染源的排放高度比较低(小于30m),因此造成了SO2的污染在城关区铁路局一带十分突出。2.4tsp与1.2有机溶剂依据与上述SO2相同的方法,选取TSP的代表日,计算得到的最小方差为0.01826,对应日期是12月15日。图4是与图3相同的方法绘制的12月15日TSP与烟尘污染源的叠加图。图中所示:城关区南部的高值中心与烟尘排放量上百吨的密集生活源有关。可以看出兰州市区TSP污染相当严重,绝大部分区域超过国家三级质量标准。2兰州的污染2.1区域划分及so2浓度分布根据国家环保总局规定的环境空气质量标准(GB3095~1996)中污染物各级浓度限制,对SO2的污染程度进行了划分,然后利用ArcGIS8.3提供的相关功能,对图2中的SO2浓度分布图进行区域划分(针对兰州市城区,面积约180万hm2),得到图5。从图5中SO2的各级浓度分布图可以看出,兰州市城区满足国家环保总局规定的二级标准的区域约152.5万hm2,占城区总面积的85%(图6),满足三级标准的区域面积约25.6万hm2,占14%,超过三级标准的区域面积约1.56万hm2,位于城关区的铁路局附近,所占比例为1%。2.2兰州市区tsp污染情况从图4的TSP浓度分布图可以看出,2000年12月15日兰州市城区TSP污染相当严重,城区基本没有符合国家环保总局规定的TSP日均浓度二级标准(0.3mg/m3)的区域,全城区TSP浓度远远超过三级标准(0.5mg/m3)。为了对兰州市区TSP的污染程度与空间特征有一个直观认识,我们选取2000年12月TSP污染相对比较轻的11日,依据与上述SO2相同做法,参照下述TSP的空气质量标准(表3),对图4中的TSP浓度分布图进行处理,得到图7的分区结果。图7的分区结果可以看出,兰州市的TSP污染比较严重,大部分区域超过了0.3mg/m3的国家二级质量标准,满足二级标准的区域面积约48.9万hm2,所占比例为27%;满足三级标准的区域面积约78.4万hm2,所占比例为43%;超过三级标准的重污染区域面积约44.4万hm2,占25%;TSP大于0.7mg/m3的污染特别严重区域面积约8.1万hm2,占比例为5%,位于七里河区的职工医院一带。3大气污染源的排放以上将GIS技术应用于兰州市大气污染源与污染物浓度的分析中,得出了一些传统研究分析方法所无法得到的结果。(1)兰州市城区SO2和TSP污染程度走势与大气污染源的分布一致,城关区铁路局一带密集的生活源造成该区成为污染最严重区域之一;冬季过于稳定的大气状态与生活区大范围低高度污染排放是促使这种分布格局生成的主要原因。如何减少低高度面状排放源将是未来兰州大气环境治理与管理规划的重点。(2)兰州市冬季12月份SO2的污染比较轻,城区绝大部分区域达到国家二级质量标准(占85%的城区面积),超过三级标准的区域只占城区总面积的1%。(3)兰州市冬季TSP的污染非常严重,城区绝大部分区域超过国家三级质量标准,即使污染相对较轻的12月11日,超过TSP三级标准的区域仍占城区总面积的30%,因