武衛(wèi)玲 薛文博 雷 宇

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

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宜昌市大氣環(huán)境紅線研究

武衛(wèi)玲 薛文博 雷 宇

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

本文通過(guò)WRF-CALMET氣象模式模擬分析了宜昌市2011年1、4、7、10四個(gè)典型月份1km分辨率氣象場(chǎng)，利用CALPUFF空氣質(zhì)量模型識(shí)別了大氣環(huán)境布局敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)、受體重要區(qū)?；谠搭^敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)及受體重要區(qū)劃定宜昌市大氣環(huán)境紅線。結(jié)果表明，宜昌市大氣環(huán)境紅線區(qū)主要包括城區(qū)及各區(qū)縣的上風(fēng)向等地區(qū)，三峽庫(kù)區(qū)沿岸等不易擴(kuò)散地區(qū)，中心城區(qū)、各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、森林公園、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等大氣環(huán)境一類功能區(qū)，大氣環(huán)境紅線區(qū)面積共計(jì)3537.59km2，占市域面積比例16.65%。

宜昌；環(huán)境總體規(guī)劃；大氣環(huán)境紅線；CALPUFF

引言

黨的“十八大”提出大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，要求尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然，強(qiáng)調(diào)優(yōu)化國(guó)土空間開(kāi)發(fā)格局，控制開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。為落實(shí)國(guó)家戰(zhàn)略部署，環(huán)境保護(hù)部提出“探索編制城市環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃”。環(huán)境總體規(guī)劃具有基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、前置性和制約性的特征，是對(duì)尊重自然、順應(yīng)自然新形勢(shì)的新思考，是城市環(huán)境保護(hù)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的總結(jié)。自2013年環(huán)保部相繼啟動(dòng)了30個(gè)城市的環(huán)境總體規(guī)劃試點(diǎn)工作，城市環(huán)境總體規(guī)劃的編制對(duì)于從源頭上杜絕污染，優(yōu)化國(guó)土合理開(kāi)發(fā)，改善空氣質(zhì)量發(fā)揮了積極作用。宜昌市作為中部地區(qū)試點(diǎn)城市，地處鄂西山地到江漢平原的過(guò)渡地帶，境內(nèi)地貌復(fù)雜，西部為中低山，中部為丘陵，東部為平原，形成“七山二丘一平”的地貌特征，長(zhǎng)江從西向東橫貫全境，宜昌市環(huán)境總體規(guī)劃的編制及大氣紅線劃定對(duì)于保護(hù)長(zhǎng)江中上游生態(tài)環(huán)境具有重要意義。為此，本研究利用WRF-CALMET-CALPUFF模型模擬了氣象場(chǎng)，識(shí)別了大氣環(huán)境布局敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)、受體重要區(qū)，并劃定了大氣紅線區(qū)，為宜昌市優(yōu)化國(guó)土開(kāi)發(fā)格局提供了科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 技術(shù)路線

采用WRF-CALMET模型，結(jié)合地形高程數(shù)據(jù)、地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，模擬分析宜昌市大氣流場(chǎng)特征，揭示宜昌市大氣污染空間輸送規(guī)律。通過(guò)三維流場(chǎng)定性識(shí)別上風(fēng)向、擴(kuò)散通道及靜風(fēng)等典型氣象特征區(qū)域，其中上風(fēng)向和擴(kuò)散通道布局污染源影響范圍、影響強(qiáng)度大，可劃為布局敏感區(qū)；靜風(fēng)區(qū)或風(fēng)速較小的地區(qū)不利于污染物擴(kuò)散，易造成局地污染，可劃為聚集脆弱區(qū)。模擬的三維流場(chǎng)將作為CALPUFF模型定量模擬大氣環(huán)境敏感性的輸入數(shù)據(jù)。

大氣環(huán)境空間敏感性分析考慮源頭布局敏感性、污染聚集脆弱性和受體重要性(一類大氣環(huán)境功能區(qū)、居住區(qū)等)三個(gè)因素。采用WRF-CALMET-CALPUFF模型耦合技術(shù)，從三個(gè)方面對(duì)宜昌市大氣環(huán)境敏感性進(jìn)行解析：①為指導(dǎo)未來(lái)污染源合理布局，開(kāi)展源頭敏感性分析，識(shí)別和劃分污染源布局敏感區(qū)域；②為指導(dǎo)城市空間擴(kuò)張模式與方向，進(jìn)行污染物聚集區(qū)敏感性分析，識(shí)別和劃分污染聚集區(qū)；(3)為保護(hù)人體健康等重要目標(biāo)，基于現(xiàn)有建成區(qū)、環(huán)境功能區(qū)劃等社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素識(shí)別和劃分敏感的環(huán)境受體。大氣環(huán)境紅線劃定的具體技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 大氣環(huán)境空間格局解析技術(shù)路線

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

CALPUFF模型是由美國(guó)EPA推薦的用于模擬污染物傳輸行為的集成模式，可模擬三維流場(chǎng)中隨時(shí)間和空間變化的污染物傳輸、轉(zhuǎn)化和清除過(guò)程。CALPUFF模式結(jié)構(gòu)由CALMET氣象模塊、CALPUFF煙團(tuán)擴(kuò)散模塊和CALPOST后處理模塊三部分組成。

模擬時(shí)段：選取2011年1月、4月、7月、10月四個(gè)典型月份，模擬時(shí)間間隔1小時(shí)，用四個(gè)典型月份模擬結(jié)果平均代表全年模擬結(jié)果。

模擬范圍：CALMET模型模擬區(qū)域采用LAMBERT投影，中心點(diǎn)經(jīng)緯度分別為111.15°E、30.75°N，兩條平行緯度分別為30°N和31.5°N。水平模擬范圍為X方向(-110km-110km)、Y方向(-100km-100km)，網(wǎng)格間隔1km，共將模擬區(qū)域劃分為220×200網(wǎng)格；垂直方向共設(shè)置7個(gè)氣壓層，層間距自下而上逐漸增大，分別為0m、20m、50m、100m、500m、2000m、3000m、5000m。CALPUFF在源頭敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)識(shí)別，選用1km的氣象流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)3km的污染源，宜昌市域包括3km規(guī)則矩形網(wǎng)格共2362個(gè)。

氣象數(shù)據(jù)：WRF模型的初始輸入數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的6h一次、1°分辨率的FNL全球分析資料。探空氣象數(shù)據(jù)來(lái)源http：//rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/。

地形數(shù)據(jù)：地形數(shù)據(jù)采用GOTOP30數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)采用美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)來(lái)自http：//www.webgis.com/terr_world_03.html。

化學(xué)機(jī)制：污染物以SO2為代表，且僅研究一次污染物的輸送，未考慮大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

2 氣象流場(chǎng)分析

氣象特征是大氣環(huán)境中最重要的自然要素，其中風(fēng)向、風(fēng)速、混合層高度是氣象條件的關(guān)鍵指標(biāo)。風(fēng)向反映了大氣污染的來(lái)源、輸送過(guò)程及歸宿的整個(gè)流程；風(fēng)速反映自然環(huán)境對(duì)污染物的自凈能力，是度量環(huán)境自凈能力的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，風(fēng)向、風(fēng)速特征是劃定大氣環(huán)境敏感區(qū)的重要參數(shù)。本研究結(jié)合地形數(shù)據(jù)、10個(gè)氣象站點(diǎn)4個(gè)典型月份觀測(cè)的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)速、風(fēng)向、云高、總云、氣溫、濕度、氣壓、降水)，采用WRF-CALMET模擬分析宜昌市的三維氣象場(chǎng)。

宜昌地形地貌復(fù)雜，風(fēng)向、風(fēng)速在空間上存在顯著差異。三維流場(chǎng)模擬結(jié)果表明，全年風(fēng)速偏小，平均風(fēng)速1m/s，1月、10月平均風(fēng)速明顯低于4月、7月；城區(qū)全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，西南部多山地，主導(dǎo)風(fēng)向不顯著。宜昌市風(fēng)場(chǎng)分布特征見(jiàn)圖2。模型模擬的主導(dǎo)風(fēng)向和氣象監(jiān)測(cè)主導(dǎo)風(fēng)向一致。

圖2 宜昌市全年主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速分布

3 大氣環(huán)境敏感性空間區(qū)劃

城市環(huán)境總體規(guī)劃的核心是解析大氣環(huán)境的空間格局，劃定大氣環(huán)境紅線。本研究從以下三個(gè)方面解析大氣環(huán)境的空間敏感性：

(1)布局敏感區(qū)識(shí)別。依據(jù)污染源影響程度定量分析污染源空間布局的敏感性，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(duì)城市空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

(2)聚集脆弱區(qū)識(shí)別。利用空氣質(zhì)量模型模擬宜昌市污染物均勻排放時(shí)，污染物濃度的空間聚集特征，分析污染易聚集區(qū)及不利擴(kuò)散區(qū)，污染易聚集區(qū)主要集中在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(kāi)發(fā)建設(shè)。

(3)受體重要區(qū)識(shí)別。環(huán)境受體重要區(qū)主要包括大氣環(huán)境一級(jí)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。

3.1 布局敏感區(qū)

假定在宜昌市2362個(gè)網(wǎng)格中心各布設(shè)一個(gè)虛擬污染點(diǎn)源，每個(gè)網(wǎng)格的污染物排放量相同，均為100噸/年，模型模擬的污染物均為一次穩(wěn)態(tài)氣態(tài)污染物SO2。模型中的受體點(diǎn)為宜昌市13個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)(四零三、環(huán)保局、伍家崗、夷陵區(qū)、點(diǎn)軍區(qū)、宜都市環(huán)境監(jiān)測(cè)站、當(dāng)陽(yáng)市環(huán)保局、枝江市環(huán)境監(jiān)測(cè)站、文化中心、秭歸縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站、遠(yuǎn)安縣環(huán)保局、長(zhǎng)陽(yáng)城建局、五峰土家族自治縣環(huán)保局)。利用CALPUFF空氣質(zhì)量模型模擬每個(gè)網(wǎng)格單位污染物排放，對(duì)受體點(diǎn)的影響程度，依據(jù)其影響程度定量識(shí)別每個(gè)網(wǎng)格的布局敏感性。2011年1月、4月、7月、10月以及全年平均的布局敏感性分析結(jié)果：全年平均的布局敏感區(qū)主要集中在宜昌市中心城區(qū)，1月份城區(qū)盛行東北風(fēng)，布局敏感區(qū)主要集中在城區(qū)及其東北部地區(qū)；4月、7月風(fēng)速較大，大氣自凈能力強(qiáng)，布局敏感區(qū)范圍較小，主要集中在城區(qū)；10月份風(fēng)速較小，布局敏感區(qū)范圍較大，主要集中在夷陵區(qū)、伍家崗區(qū)、點(diǎn)軍區(qū)等。

3.2 聚集脆弱區(qū)

假設(shè)2362個(gè)虛擬污染點(diǎn)源同時(shí)排放污染物，每個(gè)網(wǎng)格SO2排放量為100噸，利用CALPUFF空氣質(zhì)量模型模擬所有網(wǎng)格同時(shí)排放等量污染物時(shí)的濃度分布，污染物濃度較高地區(qū)為不易擴(kuò)散或易聚集地區(qū)。

宜昌市域內(nèi)大氣環(huán)境聚集特征顯著，有明顯的污染物易聚集區(qū)，主要集中在城區(qū)長(zhǎng)江干流地區(qū)、興山和秭歸的河谷地區(qū)、清江沿岸。在排放強(qiáng)度相同的情況下，污染物更容易在聚集敏感地區(qū)聚集，從而導(dǎo)致局地性空氣污染，因此對(duì)環(huán)境質(zhì)量需求較高的功能區(qū)，應(yīng)盡量布局在聚集脆弱區(qū)范圍外。污染物濃度聚集程度與風(fēng)速等大氣自凈能力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，聚集脆弱區(qū)主要分在風(fēng)速較小的地區(qū)與時(shí)段。

3.3 受體重要區(qū)

基于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)不同環(huán)境空氣功能區(qū)，對(duì)大氣環(huán)境受體重要區(qū)進(jìn)行識(shí)別。將一類功能區(qū)中的自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和其他需要特殊保護(hù)的區(qū)域納入受體重要區(qū)，依據(jù)人口密度將二類區(qū)中的人口聚集區(qū)劃定為受體重要區(qū)。

宜昌市受體重要區(qū)主要集中在中心城區(qū)和各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、森林公園、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等。森林公園主要包括玉泉寺國(guó)家森林公園、柴埠溪國(guó)家森林公園、大老嶺國(guó)家森林公園等；自然保護(hù)區(qū)主要包括五峰后河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、三峽濕地自然保護(hù)區(qū)、高壩洲濕地自然保護(hù)區(qū)、龍山自然保護(hù)小區(qū)、萬(wàn)朝山自然保護(hù)區(qū)、崩尖子自然保護(hù)區(qū)、九畹溪自然保護(hù)小區(qū)、二墩巖自然保護(hù)小區(qū)等；風(fēng)景名勝區(qū)主要包括隔河巖庫(kù)區(qū)濕地自然保護(hù)區(qū)黃牛巖風(fēng)景名勝區(qū)、峽口-牛扎坪風(fēng)景名勝區(qū)、玉泉山風(fēng)景名勝區(qū)、長(zhǎng)陽(yáng)清江風(fēng)景名勝區(qū)、鳴鳳風(fēng)景名勝區(qū)等。宜昌市大氣環(huán)境受體重要紅線區(qū)見(jiàn)圖3。

圖3 環(huán)境受體重要區(qū)

4 大氣環(huán)境紅線劃定

結(jié)合源頭布局敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)及受體重要區(qū)，劃定宜昌市紅線、黃線、綠線三級(jí)大氣環(huán)境體系，實(shí)施紅線禁止、黃線限制和綠線引導(dǎo)的分級(jí)控制。

將全年平均布局敏感性按照各網(wǎng)格對(duì)受體點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn)進(jìn)行分級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。源頭布局敏感紅線區(qū)集中在城區(qū)及各區(qū)縣城區(qū)的上風(fēng)向地區(qū)，面積為2762.3km2，占宜昌市域面積比例13.0%。宜昌市布局紅線區(qū)見(jiàn)圖4。

表1 源頭敏感性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖4 源頭敏感性分區(qū)管控

將全年平均聚集敏感性按照濃度分級(jí)，劃定紅線、黃線和綠線，劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。宜昌市大氣環(huán)境聚集紅線區(qū)見(jiàn)圖5。聚集脆弱紅線區(qū)集中在興山縣河谷地帶、秭歸縣三峽庫(kù)區(qū)沿岸，面積為731.0km2，占宜昌市域面積比例3.5%。

表2 聚集敏感性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖5 聚集敏感性分區(qū)

宜昌市大氣環(huán)境紅線區(qū)主要包括城區(qū)及各區(qū)縣的上風(fēng)向等地區(qū)，三峽庫(kù)區(qū)沿岸等不易擴(kuò)散地區(qū)，中心城區(qū)、各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、國(guó)家自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)大氣環(huán)境一類功能區(qū)等，面積共計(jì)3537.6km2，占市域面積比例16.7%；大氣環(huán)境黃線區(qū)面積為6958.3km2，占市域面積比例32.7%；大氣環(huán)境綠線區(qū)主要包括當(dāng)陽(yáng)市、枝江市東部平原地區(qū)等，面積約10752.8km2，占市域面積比例50.6%。

表3 宜昌市大氣環(huán)境分級(jí)劃定

圖6 宜昌市大氣環(huán)境紅線

5 結(jié) 論

(1)宜昌市布局敏感紅線區(qū)主要集中在宜昌市中心城區(qū)，面積為2762.3km2，占宜昌市域面積比例13.0%。

(2)宜昌市聚集脆弱紅線區(qū)主要集中興山縣河谷地帶、秭歸縣三峽庫(kù)區(qū)沿岸。面積為 731.0km2，占宜昌市域面積比例3.44%。

(3)宜昌市受體重要區(qū)主要集中在中心城區(qū)和各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、森林公園、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等。

(4)基于布局敏感紅線區(qū)、聚集脆弱紅線區(qū)、受體重要區(qū)，劃定宜昌市大氣環(huán)境紅線。大氣紅線主要集中在城區(qū)及各區(qū)縣的上風(fēng)向等地區(qū)，三峽庫(kù)區(qū)沿岸等不易擴(kuò)散地區(qū)，中心城區(qū)、各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、森林公園、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等，面積共計(jì)3537.6km2，占市域面積比例16.7%。

[1]薛文博，吳舜澤，楊金田，等.城市環(huán)境總體規(guī)劃中大氣環(huán)境紅線內(nèi)涵及劃定技術(shù)[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，01：14-16.

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Study on the Atmospheric Red Lines in Yichang

WU Weiling XUE Wenbo LEI Yu

(Chinese Academy for Environmental Planning，Beijing 100012)

By coupling meteorological model WRF and CALMET，the meteorological fields of January，April，July and October of 2011，four typical months of each season，were simulated with the resolution of 1 km in Yichang.The identification of source sensitive areas，pollutant accumulation areas and receptor sensitive areas have been conducted in Yichang by using CALPUFF，based on which the environment red lines were designated.Corresponding to three kinds of areas mentioned above，the red line areas mainly covered the upwind area of Yichang，the three gorges reservoir areas along the coast where pollutant accumulated，the receptor sensitive areas including the central urban area and county towns，forest parks，nature reserves and scenic spots.The inline area of atmospheric red line was about 3537.59 km2in total，as 16.65% of the whole city.

Yichang；Environmental Master Planning；Atmospheric red lines；CALPUFF

武衛(wèi)玲，助理研究員，主要從事環(huán)境規(guī)劃、衛(wèi)星遙感反演等方面的研究

薛文博，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)榭諝赓|(zhì)量模型、排放清單、環(huán)境衛(wèi)星遙感及大氣污染控制對(duì)策等

X823

A

1673-288X(2016)06-0182-04

項(xiàng)目資助：項(xiàng)目得到宜昌市人民政府委托宜昌環(huán)境總體規(guī)劃研究資助

引用文獻(xiàn)格式：武衛(wèi)玲 等.宜昌市大氣環(huán)境紅線研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：182-185.