基于GIS的大氣污染源排放清單空間分配研究
——以貴州省黔東南州為例

楊敬婷，王艷妮, 王金樂(lè)

(1.貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550025； 3.貴州省特種水產(chǎn)工程技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)城市發(fā)展的不斷推進(jìn)，大量的能源消耗，工業(yè)廢氣、城市臭氧污染等對(duì)區(qū)域性大氣復(fù)合污染特征的日益凸顯，嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及危害人類身體健康[1]。大氣污染源排放清單是大氣環(huán)境研究的重要基礎(chǔ)，為摸清城市和區(qū)域自身大氣污染來(lái)源、排放量以及排放特征，我國(guó)已有許多專家學(xué)者在不同污染源范疇內(nèi)開(kāi)展了有針對(duì)性的大氣污染排放清單研究工作。對(duì)大氣污染源污染物排放進(jìn)行高分辨率空間分配，是評(píng)估和調(diào)控各類排放源對(duì)空氣污染的重要依據(jù)，同時(shí)也是運(yùn)用空氣質(zhì)量模型模擬功能最基本的輸入要素[2～5，8]。

早期大氣污染物排放清單研究主要依托于環(huán)境統(tǒng)計(jì)、統(tǒng)計(jì)年鑒等信息，采用“自上而下”的估算方法，通常以鎮(zhèn)、縣等行政單位為最小單元對(duì)區(qū)域大氣污染物排放總量進(jìn)行計(jì)算[7]。目前，我國(guó)區(qū)域大氣污染防治工作逐步由污染物總量控制為目標(biāo)導(dǎo)向向以改善環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)導(dǎo)向轉(zhuǎn)變，大氣污染控制策略由單一污染物控制轉(zhuǎn)向區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量改善的目標(biāo)控制，為了研究區(qū)域大氣污染的傳輸機(jī)制，滿足空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警及聯(lián)防聯(lián)控規(guī)劃需求，區(qū)域排放清單往往還需要開(kāi)展時(shí)空的分配研究，針對(duì)不同污染源排放情況，以行政區(qū)為空間單位，以年總排放量為時(shí)間單元，依托點(diǎn)、線、面源為表征數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的時(shí)空分配，使原本單一污染源的空間表征更為清晰，以便更好的模擬污染物的形成與轉(zhuǎn)化[10，11]。

本文以貴州省黔東南地區(qū)為研究對(duì)象，梳理了貴州省大氣污染物排放清單的研究結(jié)果，借助GIS工具，結(jié)合實(shí)際點(diǎn)、線、面源表征數(shù)據(jù)，構(gòu)建3 km×3 km分辨率的黔東南州大氣污染物排放清單，為當(dāng)?shù)丨h(huán)境管理部門(mén)提供較為精準(zhǔn)的大氣污染源排放數(shù)據(jù)，同時(shí)也填補(bǔ)了該區(qū)域在此項(xiàng)研究上的空白。

2 材料與方法

2.1 研究范圍

黔東南州位于貴州省東南部，地跨東經(jīng)107°17′20″～109°35′24″、北緯25°19′20″～27°31′40″，州府所在地凱里市，全州轄凱里市和15個(gè)縣(麻江、丹寨、黃平、施秉、鎮(zhèn)遠(yuǎn)、岑鞏、三穗、天柱、錦屏、黎平、從江、榕江、雷山、臺(tái)江、劍河)[13]。

2.2 GIS空間分配方法

利用GIS的提取數(shù)據(jù)功能，提取黔東南州道路網(wǎng)、建成區(qū)面積、耕地面積、人口等柵格分布數(shù)據(jù)(即權(quán)重?cái)?shù)據(jù))[11，14]。利用GIS的統(tǒng)計(jì)分析功能將不同污染源排放的污染量按以下方法劃分到精細(xì)網(wǎng)格中：對(duì)于固定燃燒源、工藝過(guò)程源、堆場(chǎng)揚(yáng)塵源等點(diǎn)源，按地理坐標(biāo)將企業(yè)的污染排放量切分到所在網(wǎng)格中；對(duì)于道路移動(dòng)源，將國(guó)道、省道、縣道向網(wǎng)格內(nèi)切分，通過(guò)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格內(nèi)道路長(zhǎng)度計(jì)算分配量；對(duì)于建筑揚(yáng)塵源，統(tǒng)計(jì)所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建成區(qū)面積，將鄉(xiāng)鎮(zhèn)排放總量平均分配到各網(wǎng)格中；對(duì)于農(nóng)業(yè)源，則統(tǒng)計(jì)所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地面積，將鄉(xiāng)鎮(zhèn)排放總量平均分配到各網(wǎng)格中；對(duì)于生活源，利用人口分布柵格數(shù)據(jù)作為代用權(quán)重因子進(jìn)行網(wǎng)格化分配。利用GIS的疊加分析功能，將點(diǎn)源柵格數(shù)據(jù)層、道路移動(dòng)源柵格數(shù)據(jù)層、建筑揚(yáng)塵源柵格數(shù)據(jù)層、農(nóng)業(yè)源柵格數(shù)據(jù)層、生活源柵格數(shù)據(jù)層等進(jìn)行疊加，得出黔東南州高空間分辨率大氣排放源清單。

2.2.1 與人口有關(guān)的污染源空間分配方法

結(jié)合黔東南州大氣污染排放源的分級(jí)分類，與人口分布有關(guān)的污染源有化石燃料固定燃燒源中的民用源(分城鎮(zhèn)、農(nóng)村)、溶劑使用源中的家庭去污脫脂和餐飲源中的小型源，采用人口柵格數(shù)據(jù)作為代用參數(shù)權(quán)重新分配。

首先從全國(guó)人口柵格數(shù)據(jù)中裁剪出黔東南州人口分布柵格圖，通過(guò)對(duì)柵格圖計(jì)算得到各縣人口數(shù)，利用污染排放清單數(shù)據(jù)計(jì)算出人均污染物排放量，同時(shí)將網(wǎng)格化的行政區(qū)劃和人口柵格圖進(jìn)行連接計(jì)算，得到各網(wǎng)格的污染排放量。

2.2.2 與土地有關(guān)的污染源空間分配方法

非道路移動(dòng)源中的工程機(jī)械與城鎮(zhèn)用地分布有關(guān)，農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型通用機(jī)械與耕地分布有關(guān)，柴油發(fā)電機(jī)組與城鄉(xiāng)、工礦、居民用地分布有關(guān)；溶劑使用源中的農(nóng)藥使用源與耕地分布有關(guān)；農(nóng)業(yè)源中的氮肥施用源、土壤本底源、固氮植物源、秸稈堆肥源與耕地分布有關(guān)，畜禽養(yǎng)殖中的散養(yǎng)源與農(nóng)村居民點(diǎn)分布有關(guān)；揚(yáng)塵源中的土壤揚(yáng)塵與旱地分布有關(guān)；生物質(zhì)燃燒源中的生物質(zhì)開(kāi)放燃燒主要是秸稈露天焚燒源與旱地分布有關(guān)；農(nóng)業(yè)源中的人體糞便源與耕地分布有關(guān)；生物質(zhì)燃燒源中的戶用生物質(zhì)爐具與農(nóng)村居民點(diǎn)分布有關(guān)；堆場(chǎng)揚(yáng)塵中煤礦與其他建設(shè)用地分布有關(guān)；非道路移動(dòng)源中的船舶與河渠有關(guān)；這些與土地類型有關(guān)的污染源采用土地利用數(shù)據(jù)作為代用參數(shù)權(quán)重來(lái)分配。

由建設(shè)用地矢量數(shù)據(jù)分別計(jì)算出各市/縣建設(shè)用地面積，將建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)與網(wǎng)格邊界圖進(jìn)行合并，將矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化；根據(jù)各市/縣單位建設(shè)用地面積的大氣污染物排放量，建立矢量數(shù)據(jù)與排放量的數(shù)學(xué)關(guān)系，采用GIS分別計(jì)算網(wǎng)格權(quán)重因子，依據(jù)建立的權(quán)重因子和污染物排放量，計(jì)算排放源在每個(gè)網(wǎng)格中的排放量，即得到污染物排放空間分布圖。

2.2.3 與道路有關(guān)的污染源空間分配方法

與道路分布有關(guān)的污染源有道路機(jī)動(dòng)車(chē)、揚(yáng)塵源中的道路揚(yáng)塵、溶劑使用源中的瀝青鋪路等，其中非道路移動(dòng)源中的鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)與鐵路有關(guān)，非道路移動(dòng)源中的農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)與農(nóng)村道路有關(guān)，采用道路柵格數(shù)據(jù)作為代用參數(shù)權(quán)重來(lái)分配。

采用GIS工具界定研究區(qū)域范圍，利用網(wǎng)格邊界圖與道路矢量圖疊加計(jì)算，基于每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)路網(wǎng)長(zhǎng)度占所在清單計(jì)算單元道路總長(zhǎng)度比例計(jì)算出該網(wǎng)格的空間分配因子，根據(jù)機(jī)動(dòng)車(chē)排放量和建立的空間分配銀子，實(shí)現(xiàn)排放源清單網(wǎng)格化的目的。

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源

黔東南州大氣污染物排放量來(lái)源于2015年貴州省大氣污染物排放清單的研究結(jié)果[15]，與排放源相關(guān)的人口分布、建設(shè)用地分布、道路分布和耕地分布見(jiàn)表1，圖1、2。

表1 研究區(qū)人口、耕地分布情況

圖1 研究區(qū)建設(shè)用地分布

3 結(jié)果與討論

點(diǎn)源根據(jù)排污設(shè)施經(jīng)緯度直接定位到相應(yīng)網(wǎng)格，面源根據(jù)代用參數(shù)權(quán)重法將最小行政單元排放分配到柵格，如人口柵格數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、道路柵格數(shù)據(jù)等，空間分配前(點(diǎn)源按經(jīng)緯度直接定位到點(diǎn)、面源平均分?jǐn)偟礁鬣l(xiāng)鎮(zhèn))與分配后結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3～11。

圖2 研究區(qū)道路分布

圖3 研究區(qū)大氣污染源CO空間分配對(duì)比

圖4 研究區(qū)大氣污染源NOx空間分配對(duì)比

黔東南州大氣污染源CO排放主要集中在凱里市、三穗縣和麻江縣，NOx排放主要集中在凱里市、鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣和麻江縣，SO2排放主要集中在凱里市、鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣和麻江縣，NH3排放主要集中在凱里市、三穗縣和麻江縣，VOCs排放主要集中在凱里市、三穗縣和岑鞏縣，PM2.5排放主要集中在凱里市、三穗縣和岑鞏縣，PM10排放主要集中在凱里市、麻江縣和三穗縣，BC排放主要集中在凱里市、三穗縣和天柱縣，OC排放主要集中在凱里市、三穗縣和雷山縣，與人類活動(dòng)區(qū)域基本呈一致分布。

圖5 研究區(qū)大氣污染源SO2空間分配對(duì)比

圖6 研究區(qū)大氣污染源NH3空間分配對(duì)比

圖7 研究區(qū)大氣污染源VOCs空間分配對(duì)比

圖8 研究區(qū)大氣污染物PM2.5空間分布特征

以VOCs為例，對(duì)單位面積污染物排放量排序：凱里市>三穗縣>岑鞏縣>麻江縣>黃平縣>丹寨縣>雷山縣>榕江縣>臺(tái)江縣>鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣>錦屏縣>天柱縣>施秉縣>劍河縣>從江縣>黎平縣，其中凱里市、三穗縣、岑鞏縣、麻江縣、黃平縣、丹寨縣、雷山縣和榕江縣的單位面積排放量均大于黔東南州總體水平。不同污染物在不同市(縣)的單位面積排放量排序不同，凱里市最大。

圖9 研究區(qū)大氣污染源PM10空間分配對(duì)比

圖10 研究區(qū)大氣污染源BC空間分配對(duì)比

圖11 研究區(qū)大氣污染源OC空間分配對(duì)比

以VOCs為例，對(duì)污染物排放量排序?yàn)椋簞P里市>榕江縣>三穗縣>岑鞏縣>黃平縣>黎平縣>從江縣>天柱縣>鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣>麻江縣>錦屏縣>劍河縣>雷山縣>施秉縣>丹寨縣>臺(tái)江縣，其中凱里市、榕江縣和三穗縣污染物排放量較大，總量之和占全州的41.7%，而錦屏縣、劍河縣、雷山縣、施秉縣、丹寨縣和臺(tái)江縣的排放量較小，總量之和占全州的20.1%。不同污染物在不同市(縣)的排放量排序不同，凱里市最大。

4 結(jié)論

(1)黔東南州各市(縣)排放的污染物分布不均衡，與人類活動(dòng)區(qū)域基本呈一致分布。不同污染物在不同市(縣)單位面積排放量、總排放量的排序不同，凱里市最大。

(2)GIS技術(shù)應(yīng)用于黔東南州大氣污染源排放清單高分辨率空間分配，可為全省或其他地區(qū)開(kāi)展同類工作提供技術(shù)依據(jù)。但移動(dòng)源空間分配工作仍存在一些不足，不同道路類型(高速、國(guó)道/快速路、省道/主干道等)具有不同流量和車(chē)速特征，因此，下一步工作需開(kāi)展交通流調(diào)研，以獲得不同道路類型排放空間分配修正系數(shù)。