基于情景分析法的上海市外高桥功能区空气质量时空分析

基于情景分析法的上海市外高桥功能区空气质量时空分析

区域总体规划是指特定时期内的区域性质、发展目标和规模、土地利用、产业空间布局和各种建设措施的综合配置和实施。区域发展总体规划的环境评价不仅是中国《环境评估法》的要求，也是一个有效的因素。从源头上看，它可以缓解人类活动对环境的影响，实现可持续发展。总体规划环境评估属于战略环境评估的范畴。目前，国内外对区域全球规划环境进行了全面评估。例如，英国评估了赫特福德县的环境状况，美国加利福尼亚州的圣罗伊纳县评估了2010年的全球计划，瑞典在soltenpran和机枪前两个城市实施总体规划。近年来，中国科学家对武汉、大连、南宁等城市和营口港的全球规划进行了评价。区域大气环境影响评价是区域规划环境评价的重要内容之一.区域开发涉及能源利用,产业规模、结构和空间布局的调整等,对于大气环境的影响是多方面的,开展区域规划大气环境影响评价,能够识别和预测开发活动对区域大气环境可能产生的影响,分析污染物的时空分布特征,为消除或减轻不利环境影响,为管理部门制定污染控制对策提供有价值的信息.虽然目前已有《区域开发环境影响评价技术导则》和《规划环境影响评价技术导则》对规划环评的开展提供了技术方法上的指导,但由于规划本身的模糊性、不确定性和非线性等特点,导致污染排放预测的不确定性,在技术方法上尽管可以借用项目环境评价较为成熟的方法,但总体上说,评价的技术手段仍处于探索与发展阶段,尚未形成系统完善的理论体系,尤其是从何角度去评价规划实施对环境的影响尚未有统一的认识.本文以上海市浦东新区外高桥功能区总体规划大气环境评价为例,采用美国环保局推荐的法规应用级模型ISC3(IndustrialSourceComplexDispersionModel)模拟计算区域主要大气污染物SO2、NOx、PM10和特殊污染物长期与不利气象条件下浓度的空间分布,结合总体规划,针对未来污染物排放情况设置不同情景,对规划年的区域环境空气质量进行模拟预测,并结合区域人口分布,估算暴露于超标环境下的人口数,为区域总体规划大气环境评价提供依据.1外高桥功能区规划外高桥功能区地处上海浦东新区东北端,濒临长江口,面积97.13km2(见图1).区域内地势平坦,地貌类型单一,水系发达,属于典型的亚热带季风气候,但受海洋影响明显.目前,该功能区包括三镇一区,即高桥、高东、高行三镇以及外高桥保税区,常住人口约为1.5×105.依据外高桥功能区总体规划(2005～2020年),其基本定位为长江三角洲经济圈重要的集疏运物流中心之一,上海市重要的自由贸易区.规划采取了“一心三轴九组团”的组团式结构布局,计划将外高桥功能区划分为一个公共活动中心、三条发展轴线以及九个功能不同的区域,产业上规划形成“优势第二产业+现代第三产业”共同推动经济增长的格局.2源分析2.1火炬点源污染物来源外高桥功能区域现状产业呈较明显的带状分布.滨长江地区利用其良好的港区条件集聚了仓储物流、造船、运输、加工制造等产业,并配备了相应的电力、排污等市政基础设施;外高桥保税区主要以电子信息、机电加工、物流分拨三大产业群体为主;滨黄浦江地区集中了众多石油化工企业,除高桥石化集团规模较大,其他企业规模相对较小.区内点源主要常规污染物为SO2,NOx,PM10;特殊污染物为苯、二甲苯、非甲烷烃(NMHC).道路汽车尾气主要污染物为CO及NOx.2005年,外高桥功能区域点源SO2,PM10和NOx排放量分别为3.25×104t,9.47×102t和1.002×105t,其中发电厂与石化企业是区域最主要大气污染源.区内交通源排放CO7.29×105t,排放NOx1.08×104t.2.2外高桥功能区污染源治理外高桥功能区总体规划分中期(2010年)和远期(2020年)两个阶段,提出了未来区域内产业结构调整与布局的指导性意见,但并未对规划年的污染物排放给出预测.一般地,由于区域总体规划的年限较长,具有一定的不可预见性,难以给出详细的污染物排放预测,这也给区域环境影响预测和评价增加了不确定性.本文以区域总体规划中提出的产业结构与布局为主要依据,设置不同的情景,以此预测规划年区域污染排放清单,为大气环境影响预测提供基础数据.情景设置的基本思想是:以现状污染源为基础,根据外高桥功能区总体规划(2005～2020)和“十一五”经济与社会发展规划,功能区内的重点产业为国际贸易、现代物流、房地产业、旅游业和以电子信息产业为主的先进制造业.在规划年,所有属于上述行业的企业将继续得到发展,参照总体规划设定其产值增长的速率和规划年的产值.根据各企业产值与污染物排放关系,预测规划年上述企业的排放量.对于高桥石化区内的部分化工企业,按照规划将撤离外高桥功能区,因此在2020年的排放预测中不包括上述污染源.对于其他限制产业,按照总体规划,假设其在规划年的规模,产值保持在现状年(20051)水平,污染物排放量也保持不变.对于道路线源,根据区域总体规划,2020年的道路长度、路网密度和车流量将有所增加,但随着国家第四阶段机动车排放标准的实施,单车排放因子将大大减少,因此,在本研究中作保守估计,假定道路线源排放保持不变.表1为通过以上预测得到的外高桥功能区点源主要大气污染物排放量.本次情景设置分为基本情景和削减情景,每一类情景均包括2010和2020年两个规划年.基本情景即根据污染物预测产生量估算规划年的排放清单,即认为污染物未经治理而直接排放进入大气环境.对于2010年削减情景,依据外高桥功能区十一五规划,SO2的削减率确定为26%,PM10,NMHC和苯/二甲苯的削减率设置为当前国际先进去除率的1/2,NOx的削减率则为当前国际先进脱氮率的1/4.对于2020年削减情景,假定SO2,PM10,NMHC和苯/二甲苯的削减率均达到当前国际先进去除率,并将NOx的削减率设置为当前国际先进脱氮率的1/2(表2).需要说明的是,在绿色世博、节能减排和创建国家环境保护模范城市等目标的引领下,上海市在环境保护“十一五”规划中明确提出到2010年SO2减排26%,并且明确提出在大气环境治理与保护领域,重点推进燃煤设施脱硫脱硝,因此外高桥主要污染物在规划年达到当前国际的先进削减水平是可能的.在每一种情景下分别计算长期平均浓度和不利气象条件下的短期浓度.3预测方法3.1环境空气中污染物的浓度ISC3(IndustrialSourceComplexDispersionModel)是由美国联邦环保署开发的工业污染源综合扩散模型.自20世纪90年代起,该模型就应用于计算点源、面源、体源和开放源等各种工业源排放的SO2、TSP、PM10、NOx和CO等污染物在环境空气中的浓度,模拟污染物在大气环境中的迁移扩散和时空分布,并取得了较好效果,是美国联邦环保署(U.S.EPA)推荐的法规应用级模型.该模型基于湍流统计理论的正态烟流模式,使用的公式为稳态封闭型高斯烟羽方程.ISC3包括长期和短期两种计算模式,分别称为ISC短期扩散模型(ISCST)和ISC长期扩散模型(ISCLT).本文采用ISCLT计算区域长期平均浓度,采用ISCST计算不利气象条件下的短期浓度,计算中主要考虑点源,并将中小点源、道路线源概化为面源处理.3.2污染物种间化学计量大气环境影响预测范围为整个外高桥功能区,采用上海地方坐标系统,网格分辨率为500m×500m.计算污染物种为SO2,NOx,PM10,CO,苯/二甲苯和NMHC的长期平均浓度(年日均浓度及四季日均浓度均见表3)以及不利气象条件下的短期平均浓度,不考虑污染物种间化学反应.浓度受点为各网格中心点,受点高度均设为0,即考虑地面浓度.3.3常规资料的计算风速、风向、稳定度联合频率根据上海宝山气象台2002～2004年的常规气象资料计算.计算方法采用国家标准中推荐的修正的帕斯廓尔—特纳方法.年平均气温和各季混合层高度的数据取自于华东师范大学地理学系报告2.3.4外高桥功能区内工业排放源污染源分为大点源、面源和道路线源三类,数据基准年为2005年.大点源共20个,为外高桥功能区内较大的工业排放源;面源均以网格为单位,主要包括中小工业源,排放高度为网格中各点源的平均排放高度.道路线源按照其位置将排放量分摊到各网格中,按面源的方式模拟,排放高度假设为1m.4模拟结果与讨论4.1环境环境监测二级标准依据上海市大气环境功能区划,外高桥功能区属于二类区,采用(GB3095—1996)《环境空气质量标准》(2000修订)二级标准;特殊污染物的浓度限制参考(TJ36-79)《工业企业设计卫生标准》(表3).4.2当前模拟4.2.1浓度贡献分布图2和图3分别显示了2005年外高桥功能区SO2,PM10,NOx以及苯、二甲苯,NMHC长期平均浓度贡献的空间分布.从年日平均浓度来看,SO2与PM10的浓度高值区主要分布在功能区的中部与西部,这与区内大点源的空间分布相对应,说明污染排放量大的企业对周边一定范围内的环境空气质量产生显著影响.NOx同时受工业企业和交通排放的影响,虽然大点源排放量较大,但排放高度较高,且分布较集中,而中小点源和交通源排放高度较低,且空间分布相对均匀,对NOx的浓度贡献也较大,因此,NOx浓度贡献高值区呈现出呈带状分布的特点,贯穿整个外高桥功能区.特殊污染物苯、二甲苯及NMHC的浓度贡献高值分布在区内有排放的大点源周围,表现出明显的地域性特征.图4显示了外高桥功能区夏季与冬季SO2平均浓度贡献的空间分布.从季平均浓度来看,SO2的浓度贡献高值区均位于大型工业企业附近,夏季主要位于外高桥西北区域,东南方向浓度相对较低,冬季则相反.SO2污染在冬季最为严重,日均浓度贡献最高值达0.098mg/m3;夏季则污染较轻,浓度贡献最高值为0.082mg/m3.春、秋季SO2的高值区则分布于外高桥中部区域,浓度贡献介于冬夏之间.其他污染物的空间分布规律与SO2类似.污染物浓度贡献空间分布的四季差异与该区域受季风影响有关.夏季的东南风将排放的污染物带向外高桥西北区域,冬季则相反.此外,冬季上海地区多受冷高压控制,城市上空以下沉气流为主,大气层结稳定,不利于污染物的扩散,易造成本地污染集聚.4.2.2主要污染物浓度贡献根据上海宝山气象站2004年的逐日气象数据,选取API指数较高的5d作为代表日计算外高桥功能区主要空气污染物的小时平均浓度贡献,以进一步考察不利气象条件下区域的大气污染水平.这5天分别为2004年4月11日、6月7日、6月8日、11月20日和12月9日,其天气背景如表4所示,计算所得的浓度贡献最大值如表5(见第336页)所示.从表5可见,SO2和NOx的浓度贡献都远超过国家二级标准,这是由于在不利天气条件下,小风与静风不利于污染物的水平输送,同时也影响污染物在侧风向的分布,大气层结稳定也使大气的扩散能力较弱,导致污染物在低空聚集,从而形成了高浓度贡献.而苯/二甲苯和NMHC均未达到一次允许最高浓度的限值,结合企业污染排放数据,判断外高桥功能区中特殊污染物并不是主要污染物.4.3年中污染物浓度预测4.3.1外高桥污染治理能力和污染物排放总量在污染排放预测的基础上,采用ISC3模型估算两种预测情景下,规划年(2010年、2020年)SO2,NOx,PM10,苯/二甲苯和NMHC的长期平均浓度贡献.由图5、表6可见,由于总体规划确定的产业空间布局基本不变,预测浓度贡献高值区分布与现状基本一致.2020年,高桥石化等化工企业撤出功能区,但其他企业污染排放随产业发展而有所增加,在不考虑新增污染治理能力的基本情景下,2020年SO2年日均浓度贡献低于2010年,但仍比现状有所增长.PM10和NOx的浓度贡献也与SO2基本一致.排放特殊污染物的企业以电子、机械加工行业为主,在规划中分别属于发展或限制行业,在基本情景设置时认为污染物排放有所增长或基本不变,因此,特殊污染物的排放总体上持续增加,浓度贡献也呈现出增加的趋势.与表3比较可知,外高桥PM10的浓度贡献低于国家二级标准,但SO2和NOx的浓度贡献有超标现象.在削减情景下,实施了的脱硫除尘控制措施,污染物浓度贡献得到了很好的控制,尤其在2020年,由于削减水平的提高,使SO2,PM10和特殊污染物的浓度贡献大幅下降,SO2,PM10浓度贡献均低于国家二级标准.对于NOx污染,由于道路线源对浓度的贡献较大,并假定在预测年份线源排放保持现状水平,因此,功能区内工业企业的排放削减对NOx浓度贡献的影响并不大,仍存在超标现象.四季预测结果与年日均浓度规律基本一致.4.3.2污染物浓度贡献率采用前文筛选出的代表日气象数据,对不利气象条件下各污染物的浓度贡献进行模拟计算,结果如表7所示.从表7,8可见,在基本情景下,2010年各污染物浓度贡献普遍高于现状,2020年由于高桥石化等化工企业的撤出,排放总量有所减少,因此,2020年各污染物浓度贡献低于2010年,但仍比现状浓度贡献有所增长.在削减情景下,2020年污染物浓度贡献远低于现状,而2010年则与现状污染浓度贡献相近.4.4外高桥功能区排放污染源的动态评估为考察区域污染物浓度贡献对常住人口的影响,为区域大气环境影响评价提供更为有效的依据.本研究中,以年日均值为主要判据,采用地理信息系统(GIS)估算区域污染物超标面积与暴露人口.对照表3,外高桥功能区域内,PM10,苯/二甲苯及NMHC年日均浓度贡献均远低于相应限值,同时在本文研究中,假设外部源的影响可基本忽略,因此,认为上述各污染物在研究区域内均未超标.而SO2和NOx的年日均浓度贡献有部分值超出了《环境空气质量标准》二级标准(分别为0.06mg/m3和0.11mg/m3),其中NOx超标情况比较严重,因此选取NOx为研究对象计算超标面积与暴露人口.通过GIS的等值线分析,计算NOx的超标区域及其面积,并通过与外高桥人口专题图的叠置分析,估算暴露于超标环境中的人口数.相关常住人口数据来自外高桥功能区总体规划(表9,见第338页).NOx超标面积与暴露人口分析结果如表10所示.从表10可见,在基本情景设置时,考虑重点行业的污染物排放量随工业产值的增长而增加,因此规划年(2010、2020年)的超标面积与暴露人口与现状相比均有所增加,但在2020年考虑高桥石化区域内的部分化工企业按规划撤离出外高桥功能区,在污染物排放预测中不包括这部分污染源,因此2020年的超标面积与暴露人口数较2010年低.在削减情景下,由于实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,由于削减率提高,使NOx浓度贡献大大减少,因此超标面积呈现减少的趋势,但由于人口密度增加,暴露人口仅略有下降.从以上分析可见,在未来外高桥功能区应将NOx列为控制重点,应该对交通路网做出调整,实施严格的机动车排放标准,敦促企业采用处理脱氮措施以减少NOx的排放.5讨论和结论5.1结果分析的意义1)情景设置已经成为区域和规划环境影响评价中一种被普遍接受的预测方案,它可以在一定程度上降低不确定性,便于方案的比选.但目前中国规划环评中仍普遍缺乏多方案情景预测.本研究基于对规划方案的详细分析和解读,从规划中提取信息,并在与规划编制与环保部门不断沟通的基础上,针对污染治理的不同水平设置情景,在一定程度上避免了预测的盲目性.2)污染物长期平均浓度是研究人群长期、低水平暴露于环境而导致健康影响的重要指标,反映了规划造成的长期环境效应,并可通过四季的比较反映气象条件对污染物空间分布的影响.由于大气对污染物的扩散稀释能力随着气象条件不同而发生很大变化,在不同气象条件下同一污染源排放所造成的地面浓度相差几十倍乃至几百倍,因此不利气象条件下的浓度预测亦非常重要,它能反映规划造成的最不利的环境影响.长期平均浓度与不利气象条件下的短期浓度预测相结合能够更全面地定量反映规划对区域大气环境的影响.3)近年来,将人群暴露与健康评价的思想和方法引入区域和规划环境评价已成为战略环评的一个重要动向,但由于人群暴露与健康评价的复杂性,需要大量的基础数据支持,因此,在实际的评价案例中尚不多见.本文将基于GIS空间分析的超标人口估算引入区域总体规划的环境评价,是对这一思想的一种初步尝试,具有一定的探索意义.超标面积和暴露人口估算有助于直观了解大气环境质量对区域人口的影响,为区域大气环境影响评价和管理部门的决策以及后续跟踪评价提供更为科学合理的依据.5.2污染物浓度1)运用ISC3软件模拟上海浦东新区外高桥功