城市大氣環(huán)境分區(qū)管控方法與實(shí)踐：以保山市為例

柴素盈，劉岳雄，張星梓，楊芳園，李 森

( 1.云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034；2.昆明市氣象局，云南 昆明 650500)

0 引言

“十二五”期間，為推動(dòng)城市環(huán)境總體規(guī)劃編制與實(shí)施，薛文博等首次提出大氣環(huán)境紅線(xiàn)內(nèi)涵，其劃定技術(shù)方法在規(guī)劃編制工作中得到廣泛應(yīng)用[1-4]，為大氣環(huán)境分區(qū)管控研究奠定了基礎(chǔ)。《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》提出要加快構(gòu)建“生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)、環(huán)境質(zhì)量底線(xiàn)、資源利用上線(xiàn)和生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)入清單”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三線(xiàn)一單”），建立“三線(xiàn)一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控體系是新時(shí)期貫徹落實(shí)生態(tài)文明思想、提升生態(tài)環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化水平的重要舉措[5-6]。大氣環(huán)境分區(qū)管控成為“三線(xiàn)一單”的重要內(nèi)容，其以大氣環(huán)境的內(nèi)在功能、結(jié)構(gòu)過(guò)程等為出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)優(yōu)化空間布局，控制開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，從源頭控制大氣污染，為人類(lèi)活動(dòng)提供前置性、引導(dǎo)性、控制性的環(huán)境基礎(chǔ)框架。與傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)“治污”的大氣污染防治思路不同，大氣環(huán)境分區(qū)管控強(qiáng)調(diào)“源頭防控”，是解決城市大氣污染問(wèn)題的有力手段。在大氣環(huán)境紅線(xiàn)劃定的基礎(chǔ)上，張南南等進(jìn)一步擴(kuò)展和細(xì)化了大氣環(huán)境管控分區(qū)劃定技術(shù)方法[7-8]，其主要內(nèi)容為劃定大氣環(huán)境優(yōu)先保護(hù)區(qū)、重點(diǎn)管控區(qū)和一般管控區(qū)，并提出各分區(qū)管控要求，其中重點(diǎn)管控區(qū)又包含布局敏感區(qū)、弱擴(kuò)散區(qū)、受體敏感區(qū)、高排放區(qū)等。國(guó)內(nèi)學(xué)者在不同城市開(kāi)展了諸多實(shí)踐，主要對(duì)分區(qū)劃定方法和劃定結(jié)果進(jìn)行了深入研究[10-13]，但分區(qū)管控策略和在不同領(lǐng)域的應(yīng)用探索仍較缺乏。

本文以云南省保山市為例，采用NCEP FNL 1°×1°再分析資料、地面氣象觀測(cè)資料等數(shù)據(jù)，利用中尺度天氣數(shù)值模式WRF和空氣質(zhì)量模式CALPUFF模擬計(jì)算得到3 km×3 km網(wǎng)格的污染源貢獻(xiàn)系數(shù)和污染物濃度，對(duì)大氣環(huán)境布局敏感性和擴(kuò)散性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果開(kāi)展分區(qū)劃定，提出分區(qū)管控策略，探討其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用思路，為城市大氣污染治理、國(guó)土空間規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化、“三線(xiàn)一單”成果落地實(shí)施等提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

保山市（98°25′~100°02′ E, 24°08′~25°51′ N）位于云南省西部，地處橫斷山脈滇西縱谷南端，高黎貢山和怒山南延于境內(nèi)，地勢(shì)自西北向東南傾斜，高山盆地（壩子）相間，山高谷深。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，且立體氣候顯著，雨熱同期、干濕分明。國(guó)土面積19637 km2，山區(qū)占總面積的92%，壩區(qū)占8%，下轄1區(qū)1市3縣，為隆陽(yáng)區(qū)、騰沖市、施甸縣、龍陵縣、昌寧縣。

WRF模式輸入初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件采用2017年NCEP FNL 1°×1°再分析資料，每6 h輸入一次。使用的2017年逐小時(shí)地面氣象觀測(cè)資料由氣象局提供，站點(diǎn)包括5個(gè)大監(jiān)站，氣象要素為氣壓、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和降水等，詳見(jiàn)表1。地形高程數(shù)據(jù)采用GeoTIFF數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)采用美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）提供的數(shù)據(jù)。

表1 地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息

1.2 模擬方案設(shè)置

本文模擬時(shí)段為2017年全年，模擬輸出時(shí)間間隔為1 h，水平格點(diǎn)數(shù)為72×81個(gè)，水平分辨率為3 km×3 km，模擬范圍覆蓋德宏州及周邊區(qū)域。WRF模式垂直分32層，大氣頂氣壓50 hPa，模式啟動(dòng)時(shí)間1個(gè)月，模式參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。CALPUFF模型垂直分10層，分別離地0、10、40、80、160、320、640、1200、2000、3000 和4000 m 。CALMET為CALPUFF模型系統(tǒng)中的氣象模塊，為擴(kuò)散模塊提供三維氣象場(chǎng)，輸入CALMET的地面數(shù)據(jù)采用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，高空數(shù)據(jù)采用WRF模擬結(jié)果。

表2 WRF模式參數(shù)設(shè)置

1.3 分區(qū)劃定方法

將大氣環(huán)境管控分區(qū)劃分為三級(jí)：環(huán)境空氣一類(lèi)功能區(qū)劃作優(yōu)先保護(hù)區(qū)；受體敏感區(qū)、高排放區(qū)、布局敏感區(qū)、弱擴(kuò)散區(qū)劃作重點(diǎn)管控區(qū)；剩余其它區(qū)域?yàn)橐话愎芸貐^(qū)[8-9]。

1.3.1 優(yōu)先保護(hù)區(qū)

優(yōu)先保護(hù)區(qū)劃定，目的是從保障敏感環(huán)境受體安全角度出發(fā)，識(shí)別環(huán)境空氣質(zhì)量需保障的區(qū)域。基于環(huán)境空氣功能區(qū)劃將環(huán)境空氣一類(lèi)功能區(qū)識(shí)別為優(yōu)先保護(hù)區(qū)，根據(jù)《GB 3095—2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，環(huán)境空氣一類(lèi)功能區(qū)應(yīng)包括自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等。

1.3.2 重點(diǎn)管控區(qū)

（1）受體敏感區(qū)

受體敏感區(qū)劃定，目的是從保障人體安全角度出發(fā)，識(shí)別環(huán)境空氣質(zhì)量需保障的區(qū)域。由于城市建成區(qū)和重點(diǎn)鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)區(qū)人口較密集，因此將城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界識(shí)別為受體敏感區(qū)。

（2）高排放區(qū)

高排放區(qū)劃定，目的是識(shí)別出污染排放較大的工業(yè)集聚區(qū)域，以便更高效地進(jìn)行監(jiān)管。基于園區(qū)總體規(guī)劃、規(guī)劃環(huán)評(píng)等資料將工業(yè)集聚區(qū)劃定為高排放區(qū)。

（3）布局敏感區(qū)

布局敏感區(qū)劃定，目的是識(shí)別出污染源布局對(duì)人口密集的城市空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響的區(qū)域，為后期含有大氣污染排放的項(xiàng)目提供空間布局指導(dǎo)。布局敏感性評(píng)價(jià)常采用以下方法：虛擬將網(wǎng)格點(diǎn)設(shè)置為“虛擬點(diǎn)源”，假定每個(gè)網(wǎng)格排放等量的污染物，使用WRF_CALPUFF模型模擬“虛擬點(diǎn)源”對(duì)城市受體點(diǎn)位空氣質(zhì)量的影響，利用模型溯源技術(shù)獲得網(wǎng)格污染源濃度貢獻(xiàn)系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)和劃定依據(jù)。

（4）弱擴(kuò)散區(qū)

弱擴(kuò)散區(qū)劃定，目的是識(shí)別出大氣擴(kuò)散能力弱、空氣資源匱乏的區(qū)域，為后期城市發(fā)展和工業(yè)布局提供指導(dǎo)。本文采用污染物濃度模擬法進(jìn)行弱擴(kuò)散評(píng)價(jià)，即將網(wǎng)格點(diǎn)設(shè)置為“虛擬點(diǎn)源”，利用WRF_CALPUFF模型模擬所有“虛擬點(diǎn)源”同時(shí)排放等量污染物對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，獲得污染物濃度的空間分布作為評(píng)價(jià)指標(biāo)和劃定依據(jù)。

2 氣象特征分析

2.1 站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)保山市地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掌握主導(dǎo)風(fēng)向、靜風(fēng)頻率等影響污染物輸送擴(kuò)散的典型氣象特征。保山市各縣（市、區(qū)）氣象要素統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，2017年平均氣溫15.8~18.7℃，累積降水量886.3~2033.4 mm，施甸縣降水較少，相對(duì)濕度65.6%~82.9%，風(fēng)速1.32~1.78 m/s，靜風(fēng)頻率6.7%~18.2%，其中騰沖、龍陵、隆陽(yáng)區(qū)靜風(fēng)頻率較高。圖1為保山市各縣區(qū)風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖，可以看到，保山市多盛行西南風(fēng)、南風(fēng)和東南風(fēng)。

圖1 保山市各縣（市、區(qū)）風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖

2.2 山谷風(fēng)特征

2.2.1 模擬驗(yàn)證

為檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取隆陽(yáng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，其它4個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)作為CALMET輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象要素模擬，以2017年1月1日—10日的模擬結(jié)果為例，圖2給出了溫度和風(fēng)速模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比及相關(guān)分析。可以看到，溫度、風(fēng)速的變化趨勢(shì)模擬與觀測(cè)保持一致，模擬平均值略低于觀測(cè)0.93℃和0.20 m/s，可決系數(shù)分別為0.97和0.74，說(shuō)明模式能夠模擬出保山地區(qū)氣象要素的基本特征，模擬結(jié)果可信。

圖2 隆陽(yáng)站模擬值與觀測(cè)值對(duì)比及相關(guān)分析（a和b為溫度，c和d為風(fēng)速，紅線(xiàn)為模擬值，黑線(xiàn)為觀測(cè)值）

2.2.2 模擬結(jié)果

圖3給出典型時(shí)刻的山谷風(fēng)環(huán)流地面風(fēng)場(chǎng)。白天由于山坡的加熱作用形成谷風(fēng)，風(fēng)由谷地吹向山地，但被盛行風(fēng)覆蓋；夜間，由于山坡迅速降溫，谷風(fēng)減弱并發(fā)生轉(zhuǎn)向形成山風(fēng)，風(fēng)由山地吹向谷地。受多面環(huán)山的地形阻擋影響，保山市壩區(qū)擴(kuò)散能力較弱，白天污染物易在迎風(fēng)坡堆積，夜間山風(fēng)又將污染物帶回城區(qū)，加上夜晚容易形成貼地輻射逆溫，利于局地污染累積。

圖3 典型時(shí)刻山風(fēng)（a）和谷風(fēng)（b）環(huán)流地面風(fēng)場(chǎng)圖

3 大氣環(huán)境分區(qū)管控

3.1 分區(qū)劃定結(jié)果

大氣環(huán)境優(yōu)先保護(hù)區(qū)包括環(huán)境空氣一類(lèi)功能區(qū)，主要分布于高黎貢山自然保護(hù)區(qū)、瀾滄江省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、小黑山自然保護(hù)區(qū)、騰沖北海濕地自然保護(hù)區(qū)、昌寧瀾滄江自然保護(hù)區(qū)以及騰沖地?zé)峄鹕絿?guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)等。

大氣環(huán)境重點(diǎn)管控區(qū)包括受體敏感區(qū)、高排放區(qū)、布局敏感區(qū)、弱擴(kuò)散區(qū)四類(lèi)。其中，受體敏感區(qū)主要為人口密集的城市建成區(qū)和重點(diǎn)鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)區(qū)，高排放區(qū)主要為工業(yè)活動(dòng)集中的工業(yè)園區(qū)。對(duì)保山市進(jìn)行布局敏感性評(píng)價(jià)，采用WRF_CALPUFF模型模擬獲得污染源濃度貢獻(xiàn)系數(shù)（見(jiàn)圖4），根據(jù)其空間分布識(shí)別出污染源布局對(duì)此地區(qū)人口密集的城區(qū)大氣環(huán)境造成較大影響的區(qū)域即為布局敏感區(qū)（見(jiàn)圖6），可以看到，布局敏感區(qū)主要分布在城市上風(fēng)向、輸送通道等區(qū)域。對(duì)保山市進(jìn)行弱擴(kuò)散評(píng)價(jià)，通過(guò)WRF_CALPUFF模型模擬得到擴(kuò)散指數(shù)（見(jiàn)圖5），根據(jù)其空間分布識(shí)別出擴(kuò)散條件差、大氣污染物容易聚集的區(qū)域即為弱擴(kuò)散區(qū)（見(jiàn)圖6），弱擴(kuò)散區(qū)主要分布在山谷河谷地區(qū)。受山高谷深的地形影響，谷地風(fēng)速及混合層高度較低，擴(kuò)散能力弱，加之山谷風(fēng)的影響，導(dǎo)致大氣污染物易在谷地發(fā)生聚集。

圖5 虛擬污染物年平均濃度空間分布

圖6 大氣環(huán)境管控分區(qū)范圍

大氣環(huán)境一般管控區(qū)為除優(yōu)先保護(hù)區(qū)、重點(diǎn)管控區(qū)以外的區(qū)域。

綜合大氣環(huán)境三級(jí)管控區(qū)的識(shí)別結(jié)果，利用GIS空間融合技術(shù)，按照優(yōu)先保護(hù)區(qū)>受體敏感區(qū)>高排放區(qū)>布局敏感區(qū)>弱擴(kuò)散區(qū)>一般管控區(qū)的原則，進(jìn)行聚合處理，融合結(jié)果如圖6所示。

3.2 分區(qū)管控策略

根據(jù)不同管控分區(qū)特征，提出相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)、空間布局、污染物排放管控、風(fēng)險(xiǎn)防控、資源開(kāi)發(fā)利用等方面的環(huán)境準(zhǔn)入要求。根據(jù)《GB 3095—2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，優(yōu)先保護(hù)區(qū)應(yīng)執(zhí)行一級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其它管控區(qū)執(zhí)行二級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)先保護(hù)區(qū)的大氣環(huán)境功能極重要，應(yīng)實(shí)施嚴(yán)格的大氣污染排放限制，明確空間布局約束。受體敏感區(qū)人口密集，應(yīng)從保障人體安全的角度出發(fā)，結(jié)合高污染燃料禁燃區(qū)劃定方案提出空間布局約束、污染物排放管控、資源開(kāi)發(fā)利用要求。高排放區(qū)為工業(yè)活動(dòng)集中的區(qū)域，對(duì)于空氣質(zhì)量未達(dá)標(biāo)的單元，應(yīng)明確削減要求，嚴(yán)格環(huán)境準(zhǔn)入；涉及有毒有害和易燃易爆物質(zhì)的項(xiàng)目，應(yīng)明確風(fēng)險(xiǎn)防控措施。布局敏感區(qū)和弱擴(kuò)散區(qū)為城市上風(fēng)向、輸送通道和大氣擴(kuò)散條件差的區(qū)域，應(yīng)提出空間布局約束，明確禁止的新、改、擴(kuò)建項(xiàng)目，嚴(yán)格控制涉及大氣污染物排放的工業(yè)項(xiàng)目準(zhǔn)入。一般管控區(qū)需貫徹落實(shí)國(guó)家和地方的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整措施和環(huán)境管理要求。

4 應(yīng)用探討

4.1 在國(guó)土空間規(guī)劃編制中的應(yīng)用

大氣環(huán)境分區(qū)管控作為“三線(xiàn)一單”成果內(nèi)容可隨之融入到國(guó)土空間規(guī)劃的編制中，例如在城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界的劃定中，可對(duì)優(yōu)先保護(hù)區(qū)和重要生態(tài)空間進(jìn)行避讓和保護(hù)；在探索推進(jìn)“標(biāo)準(zhǔn)地”改革中，通過(guò)區(qū)域空間生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)落實(shí)生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控制度，推進(jìn)“三線(xiàn)一單”、規(guī)劃環(huán)評(píng)和項(xiàng)目環(huán)評(píng)深度融合，提出“標(biāo)準(zhǔn)地”生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)入清單，嚴(yán)守區(qū)域生態(tài)環(huán)境底線(xiàn)。在城鎮(zhèn)空間布局的設(shè)計(jì)中，可識(shí)別其位置的環(huán)境分區(qū)屬性，銜接管控約束進(jìn)行符合性分析，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)和工業(yè)發(fā)展區(qū)空間結(jié)構(gòu)，落實(shí)管控要求，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)科學(xué)合理布局，促進(jìn)形成國(guó)土空間保護(hù)和開(kāi)發(fā)相協(xié)調(diào)的空間格局。

4.2 在污染防治和產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化中的應(yīng)用

分區(qū)管控的實(shí)施可促進(jìn)城市大氣污染防治與產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化，例如結(jié)合分區(qū)管控成果，開(kāi)展行業(yè)整治、工業(yè)園區(qū)監(jiān)管能力提升和提質(zhì)升級(jí)；對(duì)于位于優(yōu)先保護(hù)區(qū)和重點(diǎn)管控區(qū)不符合管控要求的企業(yè)，進(jìn)行整改或逐步遷出；為項(xiàng)目引進(jìn)篩選提供指導(dǎo)，為符合準(zhǔn)入條件的項(xiàng)目提供選址建議、強(qiáng)化污染防治措施等，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化和轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)大氣污染減排和源頭防控，推動(dòng)環(huán)境空氣質(zhì)量改善。

5 結(jié)論

（1）WRF_CALPUFF模式能夠有效模擬出保山地區(qū)氣象要素的基本特征，通過(guò)空氣質(zhì)量模擬得到污染源貢獻(xiàn)系數(shù)和污染物濃度作為評(píng)價(jià)依據(jù)，準(zhǔn)確識(shí)別出大氣環(huán)境布局敏感區(qū)和弱擴(kuò)散區(qū)。

（2）保山市大氣環(huán)境優(yōu)先保護(hù)區(qū)包括環(huán)境空氣一類(lèi)功能區(qū)，受體敏感區(qū)包括城市建成區(qū)和重點(diǎn)鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)區(qū)，高排放區(qū)主要為工業(yè)活動(dòng)集中的工業(yè)園區(qū)，布局敏感區(qū)主要分布在各縣城的上風(fēng)向、輸送通道等區(qū)域，弱擴(kuò)散區(qū)主要分布在保山市南部的山谷河谷地區(qū)。各類(lèi)管控單元應(yīng)根據(jù)自身屬性特征實(shí)施差異化的大氣環(huán)境管控策略，提出環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)、空間布局、污染物排放管控、風(fēng)險(xiǎn)防控、資源開(kāi)發(fā)利用等方面的管控要求。

（3）大氣環(huán)境分區(qū)管控作為“三線(xiàn)一單”成果之一可應(yīng)用于國(guó)土空間規(guī)劃編制，利于形成國(guó)土空間保護(hù)和開(kāi)發(fā)相協(xié)調(diào)的空間格局。同時(shí)可應(yīng)用于大氣污染防治和產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化中，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)大氣污染減排和源頭防控，實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量改善。