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

(1.貴州省環境科學研究設計院，貴州 貴陽 550081；2.貴州省農業科學院水產研究所，貴州 貴陽 550025； 3.貴州省特種水產工程技術中心，貴州 貴陽 550025)

1 引言

近年來，隨著中國城市發展的不斷推進，大量的能源消耗，工業廢氣、城市臭氧污染等對區域性大氣復合污染特征的日益凸顯，嚴重制約了社會經濟的可持續發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境研究的重要基礎，為摸清城市和區域自身大氣污染來源、排放量以及排放特征，我國已有許多專家學者在不同污染源范疇內開展了有針對性的大氣污染排放清單研究工作。對大氣污染源污染物排放進行高分辨率空間分配，是評估和調控各類排放源對空氣污染的重要依據，同時也是運用空氣質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境統計、統計年鑒等信息，采用“自上而下”的估算方法，通常以鎮、縣等行政單位為最小單元對區域大氣污染物排放總量進行計算[7]。目前，我國區域大氣污染防治工作逐步由污染物總量控制為目標導向向以改善環境質量為目標導向轉變，大氣污染控制策略由單一污染物控制轉向區域大氣環境質量改善的目標控制，為了研究區域大氣污染的傳輸機制，滿足空氣質量預報預警及聯防聯控規劃需求，區域排放清單往往還需要開展時空的分配研究，針對不同污染源排放情況，以行政區為空間單位，以年總排放量為時間單元，依托點、線、面源為表征數據進行高精度的時空分配，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化[10，11]。

本文以貴州省黔東南地區為研究對象，梳理了貴州省大氣污染物排放清單的研究結果，借助GIS工具，結合實際點、線、面源表征數據，構建3 km×3 km分辨率的黔東南州大氣污染物排放清單，為當地環境管理部門提供較為精準的大氣污染源排放數據，同時也填補了該區域在此項研究上的空白。

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個縣(麻江、丹寨、黃平、施秉、鎮遠、岑鞏、三穗、天柱、錦屏、黎平、從江、榕江、雷山、臺江、劍河)[13]。

2.2 GIS空間分配方法

利用GIS的提取數據功能，提取黔東南州道路網、建成區面積、耕地面積、人口等柵格分布數據(即權重數據)[11，14]。利用GIS的統計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網格中：對于固定燃燒源、工藝過程源、堆場揚塵源等點源，按地理坐標將企業的污染排放量切分到所在網格中；對于道路移動源，將國道、省道、縣道向網格內切分，通過統計網格內道路長度計算分配量；對于建筑揚塵源，統計所在鄉鎮的建成區面積，將鄉鎮排放總量平均分配到各網格中；對于農業源，則統計所在鄉鎮的耕地面積，將鄉鎮排放總量平均分配到各網格中；對于生活源，利用人口分布柵格數據作為代用權重因子進行網格化分配。利用GIS的疊加分析功能，將點源柵格數據層、道路移動源柵格數據層、建筑揚塵源柵格數據層、農業源柵格數據層、生活源柵格數據層等進行疊加，得出黔東南州高空間分辨率大氣排放源清單。

2.2.1 與人口有關的污染源空間分配方法

結合黔東南州大氣污染排放源的分級分類，與人口分布有關的污染源有化石燃料固定燃燒源中的民用源(分城鎮、農村)、溶劑使用源中的家庭去污脫脂和餐飲源中的小型源，采用人口柵格數據作為代用參數權重新分配。

首先從全國人口柵格數據中裁剪出黔東南州人口分布柵格圖，通過對柵格圖計算得到各縣人口數，利用污染排放清單數據計算出人均污染物排放量，同時將網格化的行政區劃和人口柵格圖進行連接計算，得到各網格的污染排放量。

2.2.2 與土地有關的污染源空間分配方法

非道路移動源中的工程機械與城鎮用地分布有關，農業機械、小型通用機械與耕地分布有關，柴油發電機組與城鄉、工礦、居民用地分布有關；溶劑使用源中的農藥使用源與耕地分布有關；農業源中的氮肥施用源、土壤本底源、固氮植物源、秸稈堆肥源與耕地分布有關，畜禽養殖中的散養源與農村居民點分布有關；揚塵源中的土壤揚塵與旱地分布有關；生物質燃燒源中的生物質開放燃燒主要是秸稈露天焚燒源與旱地分布有關；農業源中的人體糞便源與耕地分布有關；生物質燃燒源中的戶用生物質爐具與農村居民點分布有關；堆場揚塵中煤礦與其他建設用地分布有關；非道路移動源中的船舶與河渠有關；這些與土地類型有關的污染源采用土地利用數據作為代用參數權重來分配。

由建設用地矢量數據分別計算出各市/縣建設用地面積，將建設用地數據與網格邊界圖進行合并，將矢量數據進行網格化；根據各市/縣單位建設用地面積的大氣污染物排放量，建立矢量數據與排放量的數學關系，采用GIS分別計算網格權重因子，依據建立的權重因子和污染物排放量，計算排放源在每個網格中的排放量，即得到污染物排放空間分布圖。

2.2.3 與道路有關的污染源空間分配方法

與道路分布有關的污染源有道路機動車、揚塵源中的道路揚塵、溶劑使用源中的瀝青鋪路等，其中非道路移動源中的鐵路內燃機車與鐵路有關，非道路移動源中的農用運輸車與農村道路有關，采用道路柵格數據作為代用參數權重來分配。

采用GIS工具界定研究區域范圍，利用網格邊界圖與道路矢量圖疊加計算，基于每個網格內路網長度占所在清單計算單元道路總長度比例計算出該網格的空間分配因子，根據機動車排放量和建立的空間分配銀子，實現排放源清單網格化的目的。

2.3 基礎數據來源

黔東南州大氣污染物排放量來源于2015年貴州省大氣污染物排放清單的研究結果[15]，與排放源相關的人口分布、建設用地分布、道路分布和耕地分布見表1，圖1、2。

表1 研究區人口、耕地分布情況

圖1 研究區建設用地分布

3 結果與討論

點源根據排污設施經緯度直接定位到相應網格，面源根據代用參數權重法將最小行政單元排放分配到柵格，如人口柵格數據、植被數據、道路柵格數據等，空間分配前(點源按經緯度直接定位到點、面源平均分攤到各鄉鎮)與分配后結果對比見圖3～11。

圖2 研究區道路分布

圖3 研究區大氣污染源CO空間分配對比

圖4 研究區大氣污染源NOx空間分配對比

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、鎮遠縣和麻江縣，SO2排放主要集中在凱里市、鎮遠縣和麻江縣，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，與人類活動區域基本呈一致分布。

圖5 研究區大氣污染源SO2空間分配對比

圖6 研究區大氣污染源NH3空間分配對比

圖7 研究區大氣污染源VOCs空間分配對比

圖8 研究區大氣污染物PM2.5空間分布特征

以VOCs為例，對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>臺江縣>鎮遠縣>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 研究區大氣污染源PM10空間分配對比

圖10 研究區大氣污染源BC空間分配對比

圖11 研究區大氣污染源OC空間分配對比

以VOCs為例，對污染物排放量排序為：凱里市>榕江縣>三穗縣>岑鞏縣>黃平縣>黎平縣>從江縣>天柱縣>鎮遠縣>麻江縣>錦屏縣>劍河縣>雷山縣>施秉縣>丹寨縣>臺江縣，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，與人類活動區域基本呈一致分布。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技術應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開展同類工作提供技術依據。但移動源空間分配工作仍存在一些不足，不同道路類型(高速、國道/快速路、省道/主干道等)具有不同流量和車速特征，因此，下一步工作需開展交通流調研，以獲得不同道路類型排放空間分配修正系數。