薛文博 付 飛 吳舜澤 汪藝梅 楊金田 雷 宇

(環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

我國近年來大氣環(huán)境管理歷程，大致可分為3 個(gè)階段:第一階段以污染源末端治理為核心，典型特征是以污染治理設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)減少污染物排放量;第二階段則是采用清潔能源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及末端治理等綜合手段，從污染物產(chǎn)生的全過程進(jìn)行控制，強(qiáng)調(diào)減少污染物產(chǎn)生量，優(yōu)化發(fā)展;第三階段是以黨的“十八大”提出的大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)為標(biāo)志，尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然，強(qiáng)調(diào)優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，控制開發(fā)強(qiáng)度。為了落實(shí)生態(tài)文明戰(zhàn)略，國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃、大氣污染防治行動計(jì)劃(2013－2017年)均提出要“探索編制城市環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃”、“研究開展城市環(huán)境總體規(guī)劃試點(diǎn)工作”［1］。

城市環(huán)境總體規(guī)劃與傳統(tǒng)的大氣污染防治規(guī)劃存在本質(zhì)差異，傳統(tǒng)的大氣污染防治規(guī)劃以環(huán)境問題為導(dǎo)向，以具體的污染治理任務(wù)為載體，進(jìn)而改善空氣質(zhì)量，強(qiáng)調(diào)“治污”;城市環(huán)境總體規(guī)劃以氣候、氣象、地形及土地利用等自然稟賦為出發(fā)點(diǎn)，基于“反規(guī)劃”思想的“零方案”，通過劃定大氣環(huán)境紅線，引導(dǎo)城市有序擴(kuò)張，強(qiáng)調(diào)“順應(yīng)自然”，因此劃定大氣環(huán)境紅線是城市環(huán)境總體規(guī)劃的核心內(nèi)容［2－4］。但大氣環(huán)境紅線的劃定與水環(huán)境紅線、自然生態(tài)紅線存在較大差異，水環(huán)境紅線與自然生態(tài)紅線有清晰的空間邊緣，同時(shí)有關(guān)法規(guī)政策也對其有明確的界定，如:飲用水源地、濕地、自然生態(tài)保護(hù)區(qū)等均為法定性紅線，水環(huán)境紅線與自然生態(tài)紅線可以基于現(xiàn)狀及已有法規(guī)政策劃定。與此對應(yīng)的是大氣環(huán)境紅線并沒有明確的空間邊緣，缺乏相應(yīng)政策法規(guī)界定，大氣環(huán)境紅線劃定理論與技術(shù)方法尚屬空白［5－9］。

本研究以福州市城市環(huán)境總體規(guī)劃為例，首次提出了大氣環(huán)境紅線的內(nèi)涵，將大氣環(huán)境紅線分為源頭布局敏感區(qū)、污染聚集敏感區(qū)及環(huán)境受體敏感區(qū)三類，并基于WRF/CALMET/CALPUFF 模型［10－12］創(chuàng)新性建立了大氣環(huán)境紅線劃定技術(shù)方法，初步構(gòu)建了適用于城市環(huán)境總體規(guī)劃的空間規(guī)劃技術(shù)體系，對指導(dǎo)我國城市環(huán)境總體規(guī)劃編制技術(shù)具有重要意義。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 技術(shù)框架

大氣環(huán)境紅線可以分為源頭布局敏感區(qū)、污染聚集敏感區(qū)及環(huán)境受體敏感區(qū)三類。源頭布局敏感區(qū)大致包括城市主導(dǎo)上風(fēng)向地區(qū)及大氣環(huán)流通道，在此布局污染源將對城市空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響;污染易聚集區(qū)指對大氣污染物天生自凈能力較弱的地區(qū)，如:山谷、河谷、盆地等，天生自凈擴(kuò)散能力差，不適于開發(fā)建設(shè);環(huán)境受體敏感區(qū)主要包括大氣環(huán)境一級功能區(qū)及人口密集地區(qū)，目的是保護(hù)人體健康及敏感環(huán)境受體。大氣環(huán)境紅線劃定主要包括大氣流場特征模擬、源頭布局敏感區(qū)識別、污染物易聚集敏感區(qū)識別、環(huán)境受體敏感區(qū)識別4 個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，具體見表1。

表1 大氣環(huán)境紅線劃定技術(shù)框架

1.2 方法設(shè)計(jì)

基于大氣環(huán)境紅線劃定技術(shù)框架，本研究的方法設(shè)計(jì)如下:(1)高分辨率三維氣象場模擬。采用WRF/CALMET 耦合模式模擬福州市2010年1、4、7、10 四個(gè)典型月份氣象場，其中WRF 主要是為CALMET 提供3km 分辨率初始輸入氣象數(shù)據(jù)，CALMET 對WRF 提供的數(shù)據(jù)進(jìn)一步診斷和模擬得到1km 高分辨率氣象場模擬結(jié)果;(2)設(shè)置虛擬點(diǎn)源和環(huán)境受體點(diǎn)位。設(shè)置1608 個(gè)“虛擬點(diǎn)源”和14 個(gè)“受體點(diǎn)位”，利用CALPUFF 模型建立“虛擬點(diǎn)源”污染排放與“受體點(diǎn)位”空氣質(zhì)量之間的響應(yīng)關(guān)系;(3)源頭布局敏感區(qū)識別。逐個(gè)模擬每個(gè)“虛擬點(diǎn)源”單位污染物排放對14 個(gè)“受體點(diǎn)位”空氣質(zhì)量的平均影響，按照影響強(qiáng)度進(jìn)行源頭布局敏感性分級;(4)聚集敏感區(qū)識別。模擬所有“虛擬點(diǎn)源”同時(shí)排放單位污染物對模擬范圍內(nèi)各網(wǎng)格空氣質(zhì)量的影響，按照各網(wǎng)格大氣污染物濃度聚集程度，進(jìn)行聚集敏感性分級;(5)受體敏感區(qū)識別。根據(jù)福州市大氣環(huán)境功能區(qū)劃、人口聚集度進(jìn)行受體敏感性分級。

1.3 WRF 氣象模型

模擬時(shí)段:分別選取2010年1、4、7、10 四個(gè)月進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間間隔設(shè)為1h。

模擬區(qū)域:模擬區(qū)域采用LAMBERT 投影，中心點(diǎn)經(jīng)緯度分別為118.10°E 和25.90°N，兩條平行緯線分別為25°N 和27°N，網(wǎng)格分辨率為3km，共將模擬區(qū)域劃分為160 ×180 個(gè)網(wǎng)格，模擬區(qū)域包括整個(gè)福建省及周邊省份部分區(qū)域。

數(shù)據(jù)來源:地形高程數(shù)據(jù)采用GTOPO30 數(shù)據(jù)［13］，土地利用數(shù)據(jù)采用美國地質(zhì)勘探局(USGS)提供的數(shù)據(jù)［14］，初始?xì)庀髨霾捎肗CEP 1° ×1°再分析數(shù)據(jù)［15］。

參數(shù)化方案:WRF 采用方案化過程參數(shù)見表2。

表2 WRF 參數(shù)化方案

1.4 CALPUFF 模型

CALPUFF 模型包括CALMET 氣象模塊、CALPUFF大氣擴(kuò)散模塊及CALPOST 后處理模塊三部分，其中CALMET 和CALPUFF 模型模擬參數(shù)為:

模擬時(shí)段:分別選取2010年1、4、7、10 四個(gè)月進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間間隔設(shè)為1h。

模擬區(qū)域:CALMET 和CALPUFF 模擬區(qū)域投影均與WRF 投影相同，網(wǎng)格分辨率為3km，共將模擬區(qū)域劃分為60 ×54 個(gè)網(wǎng)格，模擬區(qū)域涵蓋整個(gè)福州市域。

輸入數(shù)據(jù):地形高程數(shù)據(jù)采用GTOP030 數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)采用美國地質(zhì)勘探局(USGS)提供的數(shù)據(jù)，CALMET 氣象模塊的輸入數(shù)據(jù)由中尺度WRF 氣象模型提供。

1.5 虛擬點(diǎn)源

將福州市域劃分為3km 分辨率等間距網(wǎng)格，共包括1608 個(gè)網(wǎng)格，將每一個(gè)網(wǎng)格假設(shè)為一個(gè)“虛擬點(diǎn)源”。利用CALPUFF 模型逐個(gè)模擬每個(gè)“虛擬點(diǎn)源”每年排放1 萬噸污染物對“受體點(diǎn)位”的空氣質(zhì)量影響，依據(jù)每個(gè)網(wǎng)格對“受體點(diǎn)位”的影響強(qiáng)度，識別源頭布局敏感區(qū);利用CALPUFF 模型模擬所有“虛擬點(diǎn)源”同時(shí)排放等量污染物(1608 個(gè)虛擬點(diǎn)源合計(jì)排放1 萬噸)的環(huán)境影響，依據(jù)污染物濃度在空間上的聚集特征，識別出聚集敏感區(qū)。

1.6 受體點(diǎn)位

5 個(gè)中心城區(qū)各選取1 個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)、8 個(gè)郊區(qū)縣及瑯岐開發(fā)區(qū)分別選擇行政中心(8 縣無空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位)作為受體點(diǎn)位，合計(jì)14 個(gè)受體點(diǎn)，用于評價(jià)每個(gè)“虛擬點(diǎn)源”單位污染排放對其影響大小。受體點(diǎn)位名稱和坐標(biāo)見表3。

表3 受體點(diǎn)位名稱和坐標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 源頭布局敏感區(qū)識別

2.1.1 源頭布局敏感性評價(jià)

福州市全年大氣環(huán)境源頭敏感性模擬結(jié)果表明，全年盛行東北風(fēng)，源頭布局對“受體點(diǎn)位”影響較大的區(qū)域主要集中在福州市中心東北部、中心城區(qū)、永泰縣中心、閩江沿岸地區(qū)，源頭布局敏感區(qū)分布總體上與主導(dǎo)風(fēng)向一致，同時(shí)也呈現(xiàn)出沿閩江分布特征，這是由于閩江口是福州市主要通風(fēng)口，來自海洋的風(fēng)通過閩江口進(jìn)入市區(qū)，一定程度上改變了主導(dǎo)風(fēng)向;從月季變化情況來看，1、4、10月份主導(dǎo)風(fēng)向均為東北風(fēng)，且風(fēng)速差異較小，1、4、10月份源頭布局敏感性具有空間一致性，源頭布局對“受體點(diǎn)位”影響較大區(qū)域主要集中在福州市東北部和中心城區(qū)，包括福州市中心城區(qū)、羅源縣中心、永泰縣中心、閩江沿岸地區(qū);與此相反的是7月份福州市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，源頭布局對“受體點(diǎn)位”影響較大區(qū)域主要集中在市區(qū)西南部及中心城區(qū)，包括閩清縣、永泰縣、倉山區(qū)、臺山區(qū)、鼓樓區(qū)?？傮w來看，風(fēng)向、風(fēng)速是影響源頭布局敏感性的主導(dǎo)因素，河流、山地通過改變主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速大小對源頭布局敏感性產(chǎn)生一定影響。全年和1、4、7、10月份源頭布局敏感性識別結(jié)果見圖1、圖2 所示。

圖1 全年源頭布局敏感區(qū)分布

圖2 4 個(gè)月份源頭布局敏感區(qū)分布

2.1.2 源頭布局紅線劃定

依據(jù)源頭布局敏感性評價(jià)結(jié)果，將福州市劃分為紅線區(qū)、黃線區(qū)、藍(lán)線區(qū)、綠線區(qū)，劃分標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果見表4。紅線區(qū)主要集中在源頭布局高度敏感區(qū)域，面積約312km2，占全市域面積的2.61%左右;黃線區(qū)主要集中在源頭布局中度敏感區(qū)域，面積約342km2，占市域面積的2.86%左右;藍(lán)線區(qū)域主要集中在源頭布局輕度敏感區(qū)，面積約670km2，占市域面積5.85%左右;綠線區(qū)主要集中在福州市西北部和東南部，面積10613km2，占市域面積的88.68%左右。福州市大氣環(huán)境源頭布局紅線劃分結(jié)果見表4、圖3 所示。

2.2 聚集敏感區(qū)識別

2.2.1 聚集敏感性評價(jià)

福州市全年大氣環(huán)境聚集敏感性模擬結(jié)果表明，福州市域內(nèi)大氣污染物聚集能力表現(xiàn)出明顯差異，污染物易聚集區(qū)主要集中在閩清縣、中心城區(qū)至閩江上游沿江帶，而處于福州東南部的長樂市和福清市污染則不易聚集，這與地形條件具有很大關(guān)系。閩清縣地形多樣，山嶺丘陵廣布，整個(gè)地勢具有從四周山地向中央逐漸降低的趨勢，導(dǎo)致污染物易于在中央地勢較低處聚集，中心城區(qū)至岷江上游形成河谷地帶，易于形成面積較大的污染物高濃度區(qū);而東南部的長樂市和福清市處于沿海地帶，地勢較為平坦，受到來自海面的東北風(fēng)影響，大氣污染物擴(kuò)散條件較好，污染物不易聚集。從季節(jié)變化情況來看，1月份污染物易聚集區(qū)域范圍最大，其次為4月份和10月份，7月份最小，這是由于受到混合層高度、風(fēng)速大小等氣象因素影響，7月份相比其他月份大氣湍流運(yùn)動更加強(qiáng)烈，空氣資源較優(yōu)，有利于污染物的擴(kuò)散與稀釋。總體來看，大氣環(huán)境敏感性主要受到地形條件的影響，山谷、盆地、河流等地勢低洼地區(qū)容易形成污染物聚集。全年和1、4、7、10月份聚集敏感性評價(jià)結(jié)果如圖4、圖5 所示。

表4 源頭布局紅線劃分標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果

圖3 源頭布局敏感紅線區(qū)分布

圖4 全年聚集敏感區(qū)分布

2.2.2 聚集紅線劃定

圖5 4 個(gè)月聚集敏感區(qū)分布

依據(jù)源頭布局敏感性評價(jià)結(jié)果，將福州市劃分為紅線區(qū)、黃線區(qū)、藍(lán)線去、綠線區(qū)，劃分標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果見表5。紅線區(qū)對污染物聚集高度敏感，面積約為190km2，占全市域面積1.59%左右;黃線區(qū)對污染物聚集中度敏感，面積約為767km2，占全市域面積6.41%左右;藍(lán)線區(qū)對污染物聚集輕度敏感，面積約為838km2，占全市域面積7.00%左右;綠線區(qū)對污染物聚集不敏感，面積約為10174km2，占全市域面積85.01%左右。福州市大氣環(huán)境聚集紅線劃分結(jié)果見表5、圖6 所示。

表5 聚集紅線劃分標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果

圖6 聚集敏感紅線區(qū)分布

2.3 受體敏感區(qū)識別

受體敏感區(qū)包括《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095－2012)》中的環(huán)境空氣一類功能區(qū)(自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū))及人口密集區(qū)，依據(jù)表6 將福州市劃分為紅線區(qū)、黃線區(qū)、藍(lán)線區(qū)、綠線區(qū)。福州市大氣環(huán)境受體紅線區(qū)集中在各區(qū)縣中心區(qū)域，涵蓋所有自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)，受體紅線區(qū)面積約185km2，占市域面積1.55%左右;黃線區(qū)主要分布于長樂市和福清市，面積約900km2，占市域面積的7.52%左右;藍(lán)線區(qū)面積約1355km2，占市域面積的11.32%;其余地區(qū)為受體敏感綠線區(qū)，面積約9528km2，占市域面積79.61%左右。福州市大氣環(huán)境受體紅線劃分結(jié)果見表6、圖7 所示。

圖7 環(huán)境受體紅線區(qū)劃結(jié)果

表6 環(huán)境受體紅線劃定標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)受主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速大小影響，福州市大氣環(huán)境源頭布局敏感區(qū)域主要集中在羅源縣、中心城區(qū)和閩江沿岸地區(qū)，源頭布局紅線區(qū)面積約312km2，占全市域面積的2.61%左右。

(2)受地形條件的影響，福州市大氣環(huán)境聚集敏感區(qū)域主要集中在閩清縣、中心城區(qū)至閩江上游沿江帶，聚集紅線區(qū)面積約190km2，占全市域面積的1.59%左右。

(3)環(huán)境受體敏感區(qū)為各區(qū)縣中心，以及市域內(nèi)所有自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)，環(huán)境受體紅線區(qū)面積約185km2，占市域面積1.55%左右。

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