關中平原城市群PM2.5人口暴露風險時空演變特征研究

劉磊玉 張軍

關鍵詞：PM2.5；時空演變；人口暴露風險；關中平原城市群

前言

關于空氣污染暴露，是指人與大氣污染物接觸后，逐漸暴露于大氣污染區域的過程。研究表明，PM2.5是造成全球非傳染性疾病的主要原因之一。PM2.5濃度的增加會導致大氣能見度下降，長期暴露在PM2.5質量濃度較高的環境之下，可能會引發呼吸道疾病、心血管疾病等一系列疾病。因此，研究城市PM2.5人口暴露風險演變對人群健康和大氣污染防治具有重要意義。目前，中國相關研究的尺度多為全國、區域（如長三角和京津冀等地區）、省域等，對大區域PM2.5時空格局的研究，目前普遍使用25～50km空間分辨率的年際數據和長時間序列數據集。高空間分辨率、長時間序列的PM2.5監測數據較難獲取，城市群尺度PM2.5濃度變化及人群暴露風險研究較少。隨著經濟發展，關中平原城市群地區大氣污染日益嚴重，越來越多的人口逐漸暴露于高污染地區。因此有必要對關中平原城市群尺度PM2.5濃度變化及人群暴露風險開展深入研究。

研究以關中平原城市群為研究區域，利用2000年-2020年PM2.5濃度和人口分布數據，采用人口暴露風險模型，分析關中平原城市群PM2.5人口暴露風險的時空演變特征，揭示PM2.5人口暴露風險狀況，為改善人居環境和防治大氣污染提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

關中平原城市群以西安為中心，是全國的經濟發展重心。其中包括陜西6市（寶雞、咸陽、西安、渭南、商洛、銅川）、山西2市（運城、臨汾）、甘肅2市（天水、平涼）（如圖1所示），氣候類型屬于溫帶半濕潤性季風氣候，季節分異顯著。近些年來，由于經濟的快速發展，人口逐漸增加，導致關中平原城市群空氣污染嚴重，人口暴露的風險也在不斷升高。

1.2數據來源

研究所使用數據有PM2.5質量濃度數據、人口數據和行政邊界矢量數據，所使用的均為2000～2020年度數據。其中國家地球系統科學數據中心（ht-tp：//www. geodata. cn）為PM2.5質量濃度數據來源；Scientific Data的World Pop數據集為研究區人口柵格數據來源；國家基礎地理信息中心為行政邊界矢量數據來源，利用ArcGIS處理后得到研究區邊界。

1.3人口暴露風險模型

傳統暴露評估方法為暴露量=人口密度×污染物濃度，可量化區域內的人口污染暴露強度，但在區域空氣污染風險評估方面有缺陷，因此文章引入人口暴露風險模型，彌補傳統暴露評估方法的缺陷，量化關中平原城市群PM2.5人口暴露風險程度，計算公式如式（1）：

2結果與分析

2.1關中平原城市群PM2.5濃度時空演變特征

關中平原城市群2000年-2020年PM2.5濃度值在空間上分布相似（如圖2所示），PM2.5濃度高值區集中分布在研究區中東部，低值區集中分布在研究區西南部。從圖中可以看出，2000年-2012年研究區PM2.5濃度在不斷的增加，且高值區在不斷的從運城地區向渭南和西安等地區延伸；在2012年一2020年，研究區PM2.5濃度在不斷下降，高值區在逐漸縮小直至消失，西安和運城等地的PM2.5濃度也由原來的100ug·m_，逐步下降為65ug·m-3，在2019年起天水、平涼和寶雞等地也成為了濃度低值區，大氣狀況良好。根據2000年-2020年關中平原城市群PM2.5濃度的變化，表明政府對關中平原城市群大氣環境治理的效果顯著。

2.2關中平原城市群人口的時空演變特征

對于關中平原城市群人口的時空演變，各年份人口數量變化幅度較小。空間上，高值區集中在研究區中東部，低值區則集中在研究區西南部。時間上，2000年-2020年的人口逐漸增加，但增加幅度較小，每年以近2000人左右的速度逐漸增加，可見政府對于人口數量控制的很好。研究區人口主要集中在咸陽、西安中北部、渭南、運城、寶雞中部和臨汾等地，但西安中北部人口最多，因歷史文化悠久，經濟發達．人口存此分布比較集中。而寶雞南部和北部、天水東部等地因經濟發展等原因，人口分布較少。綜上，關中平原城市群人口數量穩步增長，一方面，經濟發展帶動人口增長，另一方面，可見政府對于人口的控制效果顯著。

2.3關中平原城市群PM2.5人口暴露風險的時空演變特征

2000年-2020年關中平原城市群PM2.5人口暴露風險的空間格局（如圖3所示），是基于各年度PM2.5濃度值和人口數量，采用人口暴露風險模型計算所得出。從圖中可知，研究區2000年-2020年的PM2.5人口暴露風險分布相似。高值區主要分布在西安中北部、商洛以及寶雞中東部，人口暴露風險值高達80～110ug·m-3；低值區主要分布在慶陽、平涼、咸陽北部、寶雞西北部以及天水東部；渭南和運城等地是較低風險地區；寶雞南部、運城中部和臨汾中部等地區是高風險和較高風險地區。總體來說，2000年-2020年各年份人口暴露風險變化較小。西安市是關中平原城市群核心城市，經濟發達，PM2.5排放多，人口多，導致該地人口暴露風險極高。而商洛市地處中國中緯度偏南地帶，且地形復雜，溝壑極多，每個地區的自然環境差異較大，水熱分布極不平衡，易發生一些自然災害，例如干旱等。商州區地廣人稀，2020年全區GDP總量僅有141.59億元。作為地級市唯一的主城區，經濟產量明顯略低，經濟發展水平低。因此，自然環境和社會經濟發展是造成商洛市人口暴露風險值較高的原因。而寶雞市干旱和冰雹等自然災害頻發，導致PM2.5難以揮發，造成該地人口暴露風險高。而平涼、天水、慶陽、寶雞西北部以及咸陽北部等都是人口暴露低風險地區，可見大氣環境以及人口等控制的較好。

世界衛生組織在2005年發布了《空氣質量準則》，其中提出了3個目標值（年均為15、25和35ug·m-3），中國《環境空氣質量標準》（GB 3095 -2012）中提出了PM2.5質量濃度限值（35ug·m-3）。文章將2000年-2020年各年份關中平原城市群PM2.5濃度值劃分為7個區間（如圖4所示），分析不同區間的變化。結果表明：這20年中，除2000年外，2001年-2020年關中平原城市群PM2.5年均質量濃度均在15ug·m-3以上；從2000年開始，年均濃度在66ug·m-3以上的占比越來越大，直到2012年達到頂峰，表明2000年-2012年PM2.5濃度逐漸升高，污染越來越嚴重；2012年起，年均濃度在66ug·m-3以上的占比越來越小，出現了濃度值在26～35ug·m-3的區域，可見政府治理結果顯著；以PM2.5年平均35ug·m-3的濃度限值（二類區）為衡量標準，除2020年外，其他年份超過該限值區域面積占比均在40%以上，空氣污染較為嚴重。

根據上文所劃分的7個PM2.5濃度區間，將各年份人口數量進行統計后，對各個區間的人口情況進行分析（如圖5所示）。結果表明：除2020年外，關中平原城市群其他年份所有人口聚集的濃度區間均為35ug·m-3以上，表明2000年-2019年各年份人口暴露于高污染區域的風險較大；2001年-2020年，聚集于PM2.5年均35ug·m-3質量濃度限值以上的人口規模巨大，有超過60%以上的人口集聚于35ug·m-3以上區域；年均質量濃度值大于66ug·m-3的人口從2000年開始增加，到2013年達到頂峰后逐漸減少，直到2019年消失不見。

人口暴露風險值從2000年開始增加，到2013年達到最大，依據上文分析，可知人口越多，PM2.5濃度越大，人口暴露風險越高，人口數量和PM2.5濃度是影響人口暴露風險的重要變量。同時，人口暴露風險值也受自然環境以及社會經濟等因素的影響，例如風速、地形等因素，會直接影響PM2.5的擴散與揮發。因此，這又對PM2.5人口暴露風險的研究提出了新的挑戰。

隨著經濟的快速發展，關中平原城市群逐漸在建設和發展，許多大中城市基礎設施逐漸完善，大量人口也逐漸聚集，與此同時，帶來的是不斷惡化的大氣環境，人口暴露于高污染地域的風險也越來越高。文章認為，除開源節流外，針對研究中PM2.5的高人口暴露風險區，還應提高公眾的環境意識、對重污染日進行健康預警、加強醫療設備的提供等。在這些社會方面進行相應的措施，可以有效的減緩大氣的污染以及人口暴露所帶來的危害。

3結束語

2000年-2020年，關中平原城市群PM2.5濃度總體呈下降趨勢，污染高值區集中在中東部，低值區集中在西部；2000年-2020年各年份人口逐年增加，高值區集中在研究區中東部，低值區集中在研究區西南部；2000年-2020年各年份PM2.5人口暴露風險變化較小，高風險區主要集中在西安中北部、商洛，低風險區集中在平涼、天水；人口數量和PM2.5濃度是影響人口暴露風險的重要變量。因此，政府應加強對關中平原城市群環境的治理，制定合理的政策，控制人口的增長，減少PM2.5的排放，共建美好中國。