王西琴,張 遠(yuǎn),高 偉(.中國人民大學(xué)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展學(xué)院,北京 0087；.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室,北京 000；3.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明65009)

城市大氣環(huán)境安全距離測度模型與應(yīng)用

王西琴1,張 遠(yuǎn)2,高 偉3*(1.中國人民大學(xué)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展學(xué)院,北京 100872；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室,北京 100012；3.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明650091)

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大以及城市群的增加,城市之間的重疊污染現(xiàn)象日益顯現(xiàn),如何解決這一問題,成為關(guān)注的熱點(diǎn).提出大氣環(huán)境安全距離指數(shù)(AEI)用于評估城市之間重疊污染,建立大氣環(huán)境安全距離優(yōu)化模型,分別是:污染物總量削減優(yōu)化模型,污染源空間位置優(yōu)化模型和城市之間下墊面土地利用類型優(yōu)化模型.以H地區(qū)為例,評估了SO2和NOx兩種污染物在基準(zhǔn)年排放量情景下,H地區(qū)與相鄰5個(gè)地區(qū)之間的大氣環(huán)境安全距離.結(jié)果表明, H地區(qū)與K地區(qū)之間的AEI大于1,揭示兩者之間存在重疊污染現(xiàn)象.采用3種優(yōu)化模型對H地區(qū)與K地區(qū)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果顯示,通過削減H地區(qū)污染物排放量可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地區(qū)大氣環(huán)境安全距離的目標(biāo),H區(qū)SO2和NOx排放量需在基準(zhǔn)年的基礎(chǔ)上分別削減62.3%和63.7%.通過調(diào)整H地區(qū)污染源空間位置,污染源整體需向西南方向移動,H區(qū)與相關(guān)客體之間的單指標(biāo)污染擴(kuò)散距離可達(dá)標(biāo),其中SO2的AEI介于0.15～1.00,NOx的AEI介于0.17～1.00;通過對兩個(gè)地區(qū)之間下墊面土地利用優(yōu)化,在一定程度上可改善H地區(qū)和客體之間的大氣環(huán)境安全距離,H地區(qū)與K地區(qū)之間SO2和NOx的AEI比實(shí)際分別降低了8.8%和0.9%.

城市；大氣污染；重疊污染；環(huán)境安全距離指數(shù)；優(yōu)化

近年來,我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,過去 20年城鎮(zhèn)人口年均增長2087萬人[1].與此同時(shí),城市建成區(qū)面積迅速膨脹和蔓延,土地城市化速度已超過人口城市化[2],隨之而來的是城市之間的緩沖地

帶日益萎縮,出現(xiàn)了城市與城市之間的污染沖突與疊加問題,如跨界水污染沖突[3-4]、跨界大氣污染物輸移與污染等[5-8].未來我國將進(jìn)入城市化快速增長階段,城市群、城市集聚區(qū)的發(fā)展,無疑給城市規(guī)劃與發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn).如何實(shí)現(xiàn)城市合理、有序、健康發(fā)展,如何滿足環(huán)保工作兩個(gè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求,即人群健康的保障性原則和生態(tài)環(huán)境的安全性原則,以及如何合理開發(fā)和保護(hù)等,成為迫切需要解決的問題.

以往的城市規(guī)劃,較多地關(guān)注城市系統(tǒng)本身,忽略了城市與城市之間交錯(cuò)帶問題,進(jìn)而導(dǎo)致許多交錯(cuò)帶和邊緣區(qū)成為環(huán)境問題的集中區(qū),并進(jìn)一步引發(fā)交叉污染.生態(tài)市、生態(tài)創(chuàng)模、資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、城市可持續(xù)性等考核指標(biāo),盡管考慮了生態(tài)與環(huán)境因素,但是僅限于森林覆蓋率、人均綠地面積、濕地面積比重等指標(biāo)[9-11],缺乏反映城市之間在空間格局上相互影響的指標(biāo).雖然已有相關(guān)成果研究城市開發(fā)格局與空氣質(zhì)量的關(guān)系[12],但仍然局限于城市系統(tǒng)內(nèi)部.此外,污染物總量控制在污染減排方面起到了積極的效果,但是僅考慮了單個(gè)城市,未考慮城市之間疊加污染,從而造成排放總量達(dá)標(biāo)但實(shí)際污染尚未改善的困境.如果通過工業(yè)污染源布局優(yōu)化、城市與城市之間下墊面綠化率提高等,利用綠地對 SO2和 NOx等大氣污染物的凈化功能[13-14],那么就可能避免交叉污染,從而解決城市之間的重疊污染問題.針對當(dāng)前城市大氣重疊污染問題,有學(xué)者[15]論述了大氣污染擴(kuò)散距離與交叉污染之間的關(guān)系,指出研究大氣污染擴(kuò)散距離的必要性;也有學(xué)者[16]從多規(guī)合一角度探討了城市開發(fā)邊界與大氣污染擴(kuò)散距離問題.然而,從量化角度的研究還比較少,僅見水污染擴(kuò)散的城市安全距離研究[17].目前雖然缺乏城市大氣環(huán)境安全距離的概念,但已有研究表明大氣污染具有區(qū)域疊加和輸送衰減特征,實(shí)際體現(xiàn)了大氣環(huán)境安全距離的理念.例如,成都、天津和舟山等地區(qū)的實(shí)證研究表明大氣污染物可通過氣流輸送產(chǎn)生耦合和疊加作用[18-20].在大氣污染擴(kuò)散過程中,污染物也表現(xiàn)出衰減特征[21],且城市之間下墊面類型對大氣污染的擴(kuò)散和凈化具有重要影響,其中建設(shè)用地不利于污染物擴(kuò)散和凈化,而林地覆蓋類型有利于污染物凈化[22].國外尚未出現(xiàn)與大氣安全距離直接相關(guān)的研究,但有學(xué)者探討了城市綠色建筑與城市大氣污染的關(guān)系,認(rèn)為綠色建筑對城市大氣污染具有顯著的削減作用[23].

為此,本文提出大氣環(huán)境安全距離的概念,用于研究當(dāng)前我國城市之間污染重疊問題.以某個(gè)城市為主體的大氣環(huán)境安全距離定義為:能保證兩城市之間不產(chǎn)生重疊污染的相鄰建成區(qū)地理位置中心點(diǎn)之間的理論距離.

城市大氣環(huán)境安全距離的核心是避免城市與城市之間的跨界、交叉、重疊污染,目標(biāo)是使污染物排放影響范圍限制在行政邊界內(nèi).以空間距離為主要管理手段,可從整體角度綜合考慮區(qū)域環(huán)境問題,突破生態(tài)紅線僅劃定城市內(nèi)部生態(tài)空間范圍的局限,實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全和持續(xù)發(fā)展的雙重目標(biāo).為從根本上解決城市群重疊污染提供可操作的依據(jù).

本文以解決區(qū)域之間大氣重疊污染為目標(biāo),建立污染重疊的評估和優(yōu)化模型,分別從污染物總量削減、工業(yè)污染源空間優(yōu)化、下墊面條件改善等角度研究如何減少和降低重疊污染問題,以H地區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證分析,為大氣環(huán)境安全距離研究提供定量化方法,為解決H地區(qū)與相鄰地區(qū)的重疊污染問題提供決策依據(jù).

1 大氣環(huán)境安全評估與優(yōu)化方法

1.1 評估方法

1.1.1 大氣環(huán)境安全距離指數(shù) 為衡量區(qū)域之間的實(shí)際空間距離是否達(dá)到大氣環(huán)境安全要求,本研究引入大氣環(huán)境安全距離指數(shù)(AEI),即大氣污染擴(kuò)散距離與實(shí)際距離的比[式(1)].當(dāng) AEI大于 1時(shí),表示實(shí)際距離沒有達(dá)到污染擴(kuò)散距離的要求,兩者之間會產(chǎn)生重疊污染物;反之,當(dāng)AEI小于1時(shí),表示實(shí)際距離滿足污染擴(kuò)散距離要求,不會出現(xiàn)重疊污染.

式中:AEI為大氣環(huán)境安全距離指數(shù),無量綱;RAB為區(qū)域之間的大氣污染擴(kuò)散距離,km; R0為兩區(qū)域建成區(qū)中心點(diǎn)之間的實(shí)際距離,km.

1.1.2 大氣環(huán)境安全距離指數(shù)估算方法 主體對某一方位客體的影響程度與污染物排放強(qiáng)度以及該方位風(fēng)向頻率等有關(guān)[24].本文采用 16方位法劃分風(fēng)向(圖1).

圖1 目標(biāo)主體與16個(gè)風(fēng)向客體之間關(guān)系Fig.1 The 16 directions of wind compare to subject

相鄰客體之間也存在著重疊污染,本文重點(diǎn)考慮主體對客體的影響,未考慮客體與客體之間的重疊污染問題.主體對客體的污染物重疊量可用公式(2)表示:

式中:Ii為主體排放的污染物對客體的影響程度,采用污染物輸入量表示,t;E為主體污染物排放量,t;Wi為主體在方位i的年風(fēng)向頻率.

主體與客體之間對重疊區(qū)域污染物的降解,可通過該風(fēng)向方位(360°的1/16)對應(yīng)的下墊面區(qū)域來實(shí)現(xiàn)(圖2).圖2中的A、B兩點(diǎn)為理想狀態(tài)下 A、B兩個(gè)城市建成區(qū)的中心.該下墊面區(qū)域面積的大小及其土地利用類型決定其對重疊污染物的降解能力.下墊面區(qū)域面積可由主體與客體之間的距離和風(fēng)向方位的角度確定,由于本研究按照16個(gè)風(fēng)向方位考慮主客體之間的大氣污染擴(kuò)散關(guān)系(圖1),因此主體與客體的風(fēng)向方位構(gòu)成了一個(gè)以 22.5°(360°的 1/16)為對角的平行四邊形.兩者之間的面積與距離和角度之間的關(guān)系可用式(3)表示:

圖2 城市A與城市B之間下墊面面積與兩者距離的空間關(guān)系Fig.2 Intersection area of city A and city B

式中:S為下墊面面積,km2,根據(jù)前文大氣污染重疊的內(nèi)涵,這里的下墊面面積指主體與客體建成區(qū)之間的面積,RAB同前.

假定緩沖地帶大氣環(huán)境容量利用率為100%,主體與客體之間下墊面面積承擔(dān)重疊污染物的凈化功能.下墊面的凈化能力是由下墊面擴(kuò)散能力和下墊面不同土地利用類型的污染物吸收凈化能力構(gòu)成,下墊面對于污染物的凈化能力計(jì)算公式如下(式(4)):

式中:PCL為區(qū)域大氣污染凈化能力,t;WP為單位面積大氣環(huán)境容量,t/km2(基于 A值法或其他僅考慮大氣輸送與擴(kuò)散凈化能力方法的計(jì)算結(jié)果);LP為下墊面某種土地利用類型的面積比例;LSE為下墊面中某種土地利用類型的污染物凈化能力,t/km2,j為土地利用類型,S同前.

下墊面對大氣污染物的凈化能力如果大于主體與客體兩者重疊的污染物,則認(rèn)為兩者距離達(dá)到了大氣污染擴(kuò)散距離的要求,如果重疊的污染物量與下墊面降解的污染物量相等,則說明下墊面凈化能力恰好與其環(huán)境容量相當(dāng),這也正是本文要達(dá)到的目標(biāo),這時(shí)用式(5)表示它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系:

式中:EA和 EB分別為主體和客體的大氣污染物排放量,t;WPA、WPB分別為主體與客體在AB連線方向上的年風(fēng)向頻率,S、WP同前.

假定下墊面中有凈化能力的土地利用類型為林地和草地,意味著較大限度地利用了環(huán)境容量.則根據(jù)式(5)可以得到下墊面面積S的計(jì)算式(6):

根據(jù)下墊面面積與主、客體大氣污染物擴(kuò)散距離的關(guān)系(式 3), 可以得到區(qū)域之間的大氣污染擴(kuò)散距離計(jì)算公式(式7).

式中:RAB和 S符號涵義同前.表明, 區(qū)域之間大氣污染擴(kuò)散距離與下墊面面積有關(guān).根據(jù)式(1)得到大氣環(huán)境安全距離指數(shù)(AEI)的計(jì)算式(8):

式中:AEI、S、R0符號涵義同前.實(shí)現(xiàn)了距離與下墊面面積之間的轉(zhuǎn)化.求解AEI的關(guān)鍵就成為確定主體與客體之間的下墊面面積.兩者之間下墊面面積與風(fēng)向頻率、污染物強(qiáng)度、土地類型及其對污染物的凈化能力等有關(guān),見式(6).

1.2 優(yōu)化模型

影響大氣環(huán)境安全距離的因素可分為兩類,一類是不可控因素;另一類是可控因素.不可控因素主要考慮在當(dāng)前技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)成本下,難以調(diào)控的因素,如資源環(huán)境背景值、氣象條件、地形等.可控因素包括重要污染源的空間位置、污染物的排放量、環(huán)境保護(hù)目標(biāo)、下墊面條件等.為了達(dá)到大氣環(huán)境安全距離要求,通過對可控指標(biāo)的調(diào)整和優(yōu)化,使實(shí)際距離符合污染擴(kuò)散距離的要求.基于大氣污染擴(kuò)散距離的主要影響因素,分別給出三種情景調(diào)整方案,情景一:削減大氣污染物排放量;情景二:調(diào)整主要污染源(工業(yè)污染源)空間位置;情景三:改變下墊面土地利用類型.

1.2.1 情景一 削減污染物排放量是降低主體與客體重疊污染最直接和有效的方法.然而,污染物排放量削減受治理成本、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、以及勞動力就業(yè)等諸多因素,污染物削減率越高,所需要的成本越高,治理的難度增加.鑒于此,情景一的設(shè)計(jì)思路是在滿足污染物擴(kuò)散距離的約束條件下,求解允許排放的最大污染物量.以尋求既能夠滿足污染物擴(kuò)散距離要求,又能實(shí)現(xiàn)最低污染物削減率(最小成本).優(yōu)化模型如下:

目標(biāo)函數(shù):實(shí)現(xiàn)主體污染物排放量EA最大

式中: EA為主體污染物排放量, t.

約束條件 1:主體與各客體 k之間的污染擴(kuò)散距離RABk小于實(shí)際距離R0k.

式中各符號含義同前, k為客體編號.

約束條件 2:非負(fù)約束,污染物排放量不小于0,從而保證優(yōu)化結(jié)果的可行性.

決策變量:主體污染物排放量EA.

根據(jù)以上優(yōu)化模型,分別對SO2和NOx進(jìn)行優(yōu)化,求解出滿足兩種污染物擴(kuò)散距離條件下的污染物最大允許排放量.

1.2.2 情景二 通過對主體重點(diǎn)污染源空間位置優(yōu)化,達(dá)到主體與各客體之間污染擴(kuò)散距離的要求.本研究污染源空間位置的確定是選定排放量占 90%以上污染源,根據(jù)這些污染源分布的位置,概化到幾何中心點(diǎn),將該點(diǎn)位投影坐標(biāo)作為空間位置.目標(biāo)函數(shù)是污染擴(kuò)散距離最小,約束條件是主體與每個(gè)客體AEI不大于1,以及重點(diǎn)污染源的位置限定在其行政區(qū)范圍內(nèi)等.

優(yōu)化模型如下:

目標(biāo)函數(shù):主體與各個(gè)客體 k之間的大氣環(huán)境安全距離指數(shù)加和最小

式中符號含義同前.

約束條件1:主體與各客體k之間的AEI小于等于1,即RABk小于實(shí)際距離R0k.該約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)形式同情景一的約束條件1.

約束條件 2:重點(diǎn)污染源的位置位于主體行政范圍內(nèi)

式中:(x0,y0)為主體污染源投影橫縱坐標(biāo)值;f(x0)min為研究區(qū)下邊界與 x0對應(yīng)的投影坐標(biāo)值;f(x0)max為研究區(qū)上邊界與 x0對應(yīng)的投影坐標(biāo)值.

決策變量:主體污染源地理位置(x0,y0).

1.2.3 情景三 隨著城市綠化和生態(tài)工程的日益重視,通過生態(tài)空間的擴(kuò)大成為人類改善環(huán)境的重要途徑之一.本情景擬通過改變主、客體之間下墊面土地利用類型,增強(qiáng)緩沖區(qū)污染凈化能力,從而達(dá)到優(yōu)化大氣環(huán)境安全距離的目的.模型如下:

目標(biāo)函數(shù): 實(shí)現(xiàn)污染物擴(kuò)散邊界最小,通過最小化AEI間接表征.

式中符號含義同前.

約束條件 1:主體與各個(gè)客體 k之間的 AEI不大于1. 該約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)形式同情景一的約束條件1.

約束條件 2:林地和草地覆蓋率之和小于100%

式中:CRfor和 CRgra分別為主體與客體之間林地和草地的覆蓋率;CRwat為水域比例.

約束條件 3:主體與客體污染物排放量保持現(xiàn)狀不變.

式中:EA和Ei分別為主體和相關(guān)客體的污染物排放量,t;EA和Ekc分別為主體和客體的現(xiàn)狀年污染物排放量,t. k同前.

決策變量:緩沖帶林地覆蓋率(CRfor)和草地覆蓋率(CRgra).

以上模型求解在LINGO 9.0平臺上進(jìn)行,使用非線性全局最優(yōu)算法.

2 案例研究

2.1 目標(biāo)主體與客體識別

本文以遼寧省H地區(qū)為例進(jìn)行研究,該地區(qū)多年平均降水量為 620.1mm,具有時(shí)空分布不均勻特征;主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)檎?多年平均氣溫 10℃左右,研究區(qū)面積2299km2,基準(zhǔn)年總?cè)丝?00.8×104人,城鎮(zhèn)化率68.1%.包括5個(gè)重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)區(qū),6個(gè)重點(diǎn)園區(qū),2個(gè)化工園區(qū),重點(diǎn)行業(yè)為石油加工和煉焦業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)等,風(fēng)險(xiǎn)源企業(yè)約有200多家,重點(diǎn)污染源來自化工企業(yè),以大氣污染為主,污染指標(biāo)為 SO2、NOx. H區(qū)土地利用以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)為主,耕地 41.83%、林地 21.83%、草地 0.39%,水域5.17%、城鎮(zhèn)建設(shè)用地17.42%.擁有國家級自然保護(hù)區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園、風(fēng)景名勝區(qū)等,上述合計(jì)面積 300km2.擬規(guī)劃和建設(shè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),以帶動周圍地區(qū)的發(fā)展.為此,將 H地區(qū)作為主體,與其相鄰的5個(gè)地區(qū)作為客體,客體分別是J、K、L、M區(qū)、N等地區(qū)等(圖3).大氣污染擴(kuò)散包括主體與5個(gè)客體之間的擴(kuò)散距離,即由SO2和NOx2種污染物、5個(gè)大氣環(huán)境安全距離組成.

圖3 主體H地區(qū)與相鄰5個(gè)客體的地理位置Fig.3 Location of subject H and its related 5 objects

2.2 參數(shù)來源與確定

H區(qū)地理位置的中心點(diǎn)與客體地理中心點(diǎn)位置之間的距離作為實(shí)際距離.地理中心點(diǎn)根據(jù)建成區(qū)的幾何中心確定,操作平臺為ArcGIS 10.0.經(jīng)計(jì)算,主體與各個(gè)客體的實(shí)際距離分別是: H—J 46.44km、H—K 36.34km、H—L 66.03km、H—M 54.27km、H—N 64.53km.

所需參數(shù)有污染物排放量、單位面積大氣污染物環(huán)境容量、風(fēng)向頻率、森林和草地等對大氣污染物的凈化能力等.污染物排放量數(shù)據(jù)來源于環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒(表1),單位面積大氣污染物環(huán)境容量采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),其中 SO2、NOx分別為 22.49t/ km2、NOx18.44t/km2[25].

表1 基準(zhǔn)年主客體大氣污染物排放量(t)Table 1 Atmospheric pollutants emission for districts ofcase studied in base year (t)

根據(jù)研究區(qū)氣象站點(diǎn)的多年(1951～2012年)逐日風(fēng)向數(shù)據(jù),計(jì)算出H區(qū)在16個(gè)風(fēng)向的出現(xiàn)頻率(某風(fēng)向天數(shù)/總天數(shù)),根究客體所在風(fēng)向,計(jì)算得到H地區(qū)與5個(gè)客體之間的風(fēng)向頻率矩陣(表2).H區(qū)1951～2012年風(fēng)向頻率最大的是正北、其余依次是正南、南西南、北西北,風(fēng)向頻率分別是18.5%、18.2%、14.3%、10.6%.

表2 H區(qū)與客體風(fēng)向頻率矩陣Table 2 Matrix of wind frequency between H and the reference districts

根據(jù)基準(zhǔn)年土地利用類型,獲得下墊面森林覆蓋率和草地覆蓋率(表3),其中單位面積吸收污染物的數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[20-21].

表3 H地區(qū)與客體之間下墊面森林和草地覆蓋率及其污染物凈化能力Table 3 Purifying ability of forest and grassland in the intersection of H and the reference districts

2.3 大氣環(huán)境安全距離評估

依據(jù) 3.2節(jié)數(shù)據(jù),采用式(1)～式(9),評估基準(zhǔn)年污染物排放量情景下的大氣環(huán)境安全距離.

圖4 基準(zhǔn)年H與客體之間的大氣環(huán)境安全距離指數(shù)Fig.4 AEI of H and its related districts in base year

結(jié)果表明NOx環(huán)境安全距離大于SO2,按照取大原則,確定以 NOx指標(biāo)作為推薦值(圖 4),依次是:H地區(qū)-J地區(qū) 19.83km、H地區(qū)-K地區(qū)59.24km、H地區(qū)-L地區(qū)15.03km、H地區(qū)-M地區(qū)15.35km、H地區(qū)-N地區(qū)42.79km.由圖4看出,僅H—K地區(qū)之間的SO2、NOx的AEI大于1,分別是1.53、1.63,說明H地區(qū)與5個(gè)客體之間,僅與K地區(qū)之間存在著重疊污染,需要通過相關(guān)的措施進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化從而避免重疊污染.其余均在大氣污染擴(kuò)散距離范圍之內(nèi),符合大氣安全距離的要求.

2.4 大氣環(huán)境安全距離優(yōu)化

(1)情景一

表4 情景一H與客體之間的AEITable 4 AEI of H and the reference districts under Scenario 1

情景一的優(yōu)化結(jié)果見表 4,結(jié)果顯示,如果完全依靠H區(qū)減少污染物量達(dá)到H地區(qū)與K地區(qū)之間污染不重疊的要求,則H區(qū)SO2和NOx排放量需在基準(zhǔn)年的基礎(chǔ)上分別削減62.3%和63.7%.在這種方案下除H地區(qū)與K區(qū)AEI等于1外,其它客體AEI均小于1,介于0.14～0.52,說明這些客體存在一定的剩余環(huán)境容量.

(2)情景二

分別以SO2和NOx兩種污染物指標(biāo)進(jìn)行空間位置的優(yōu)化.結(jié)果顯示,SO2空間位置的優(yōu)化有2個(gè)解,即在不產(chǎn)生重疊污染的要求下,污染源位置可以進(jìn)行 2種方案的調(diào)整(表 5),由原來的(E121°56′40″,N39°25′0″)調(diào) 整 到 A 點(diǎn)(E121°47′48″,N39°7′1″)或者 B點(diǎn)(E121°52′11″, N39°3′4″),說明SO2污染源需要在現(xiàn)有位置基礎(chǔ)上向西南方向移動.在這種方案下,H區(qū)與相關(guān)客體之間的 SO2污染將不發(fā)生重疊,AEI介于0.15～1.

NOx的污染源空間優(yōu)化得到2個(gè)解,具體位置見表 5,由原來的 (E121°56′40″,N39°25′0″)調(diào)整到 A點(diǎn)(E121°52′15″,N39°7′39″)或者 B點(diǎn)(E121°58′3″,N39°7′54″),說明污染源在東西方向上的約束不強(qiáng),需要在現(xiàn)有的位置基礎(chǔ)上向南移動.在這種方案下,H區(qū)與相關(guān)客體之間的NOx不產(chǎn)生重疊污染,AEI介于0.17-1.00,相對于SO2的優(yōu)化點(diǎn)位,NOx優(yōu)化點(diǎn)位更偏東.

表5 情景二H地區(qū)污染源優(yōu)化位置及AEITable 5 AEI and optimal location of H and the reference districts under Scenario 2

可以看出,通過污染源的空間布局優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)單指標(biāo)污染物不重疊目標(biāo),空間布局優(yōu)化具有較高的潛力,合理的工業(yè)布局可以有效緩解和解決區(qū)域之間的污染重疊問題.

(3)情景三

優(yōu)化下墊面土地利用類型結(jié)果顯示(表 6), SO2指標(biāo)的AEI介于 0.19～1.40之間、NOx介于0.23～1.61之間,H地區(qū)和K地區(qū)之間的AEI仍然大于 1,對比優(yōu)化前的 H—K地區(qū)之間的SO2、NOx的AEI 1.53和1.63,在該方案下,分別降低了8.8%和0.9%,說明改變下墊面條件在一定程度上可以改善兩者之間的重疊污染,但是難以實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境安全的目標(biāo),主要原因是現(xiàn)有的主體與客體之間緩沖地帶面積有限,即使全部替換為林地,也不足以凈化兩者之間的重疊污染物量.

表6 情景三H區(qū)與客體之間下墊面類性及AEITable 6 AEI of H and the reference districts underScenario 3

3 結(jié)論

3.1 本文提出大氣環(huán)境安全距離指數(shù)并用于評估城市之間的重疊污染問題, 通過城市之間緩沖區(qū)面積表征兩者之間的污染擴(kuò)散距離,較好地實(shí)現(xiàn)了大氣污染物擴(kuò)散距離與空間的轉(zhuǎn)換,從而為環(huán)境管理實(shí)現(xiàn)空間管控提供理論依據(jù).本文對H地區(qū)與相鄰5個(gè)地區(qū)重疊污染問題的研究結(jié)果表明,基準(zhǔn)年排放情況下僅H地區(qū)與K地區(qū)之間存在重疊污染問題,需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)控.

3.2 本文提出的3種情景優(yōu)化策略分別是以污染減排、以污染源空間位置調(diào)控和以下墊面結(jié)構(gòu)調(diào)控為決策變量構(gòu)建優(yōu)化模型.對H區(qū)的研究結(jié)果表明,前2種情景均能解決H地區(qū)與K地區(qū)之間的重疊污染問題,其中削減污染物排放總量需要較大的幅度,而現(xiàn)狀環(huán)境容量利用率未超過污染物總量排放目標(biāo).因此,通過削減污染物調(diào)控兩個(gè)區(qū)域之間重疊污染的挑戰(zhàn)較大.

第二種優(yōu)化方案需要在現(xiàn)有污染源布局的基礎(chǔ)上向西南方向移動,就可以解決H地區(qū)與K地區(qū)之間的單指標(biāo)重疊污染問題,主要原因是充分利用了下墊面的污染凈化能力,規(guī)避了污染排放過度集中的問題.經(jīng)過污染源空間優(yōu)化.第三種情景優(yōu)化方法雖然不能完全解決H地區(qū)與K地區(qū)之間的重疊污染問題,但是在一定程度上降低了重疊污染的程度,AEI下降了0.9%.

3.3 本文涉及到的主要參數(shù)有污染物排放量、風(fēng)向頻率等,特殊的參數(shù)包括下墊面土地利用類型、下墊面對污染物的凈化能力、單位面積大氣污染物環(huán)境容量等,由于各地區(qū)下墊面類型的差異以及對污染物凈化能力的不同,決定了對于同一種污染物具有不同的凈化能力.所以,在具體研究時(shí)需要根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)確定.本文森林和草地等對大氣污染物的凈化能力、單位面積大氣污染物環(huán)境容量等參數(shù),均采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),且未考慮主體與各客體之間下墊面的區(qū)別,同時(shí)未考慮農(nóng)田對于污染物的凈化問題,此外,本文僅考慮了主體與客體之間的重疊污染問題,沒有考慮相鄰客體之間的重疊污染, 難免對評估和優(yōu)化結(jié)果精確性有一定的影響,上述問題希望在今后的研究中不斷完善.

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《中國環(huán)境科學(xué)》核心影響因子學(xué)科排名實(shí)現(xiàn)五連冠

根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所2016年10月12日發(fā)布的《2016年版中國科技期刊引證報(bào)告(核心版)》,中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會主辦的《中國環(huán)境科學(xué)》2015年核心影響因子1.812,在環(huán)境科學(xué)技術(shù)及資源科學(xué)技術(shù)學(xué)科排名繼續(xù)位居第一,在統(tǒng)計(jì)的1985種中國核心科技期刊中排名38位.自2011年以來,《中國環(huán)境科學(xué)》影響因子排名一直保持學(xué)科榜首.

《中國環(huán)境科學(xué)》編輯部

Evaluating model and application of atmospheric environmental safety distance in urban.

WANG Xi-qin1, ZHANG Yuan2, GAO Wei3*(1.School of Agricultural Economics and Rural Development, Renmin University of China, Beijing 100872, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Laboratory of Riverine Ecological Conservation and Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.School of Ecology and Environmental Sciences, Yunnan University, Kunming 650091, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3292～3300

With the expansion of urban area and growing urban groups, cross-city pollution is becoming increasingly serious, and more concerns have been raised over this issue. This study defined the concept of atmospheric environmental safety distance index (AEI) as an indicator of cross-city pollution and built an optimization model to quantify the environmental safety distance. The model consists three components: (1) pollution reduction, (2) adjusting pollution source location, (3) optimizing land use. In the case study, the model was applied to H area, to calculate 5AEIs related to H in two scenarios of different pollutant emissions of SO2and NOxin a base year. Results showed that AEI between H and K is larger than 1, indicating the presence of cross pollution between these two areas. Results from optimization indicated that the AEI can be reduced to 1.0under the emission reduction scenario when pollutant emissions for SO2and NOxwould be reduced by 62.3% and 63.7% respectively. The adjusting pollution source location scenario showed that the location should be moved to southwest, and AEI for SO2and NOxcould be reduced to 0.15～1.00 and 0.17～1.00. Optimizing land use can reduce AEI though fails to meet the target. Moreover, the AEI between H and K could be reduced by 8.8% and 0.9% for SO2and NOxrespectively.

urban；air pollution；cross-city pollution；environmental safety distance；objective optimization

X321

A

1000-6923(2017)09-3292-09

2017-02-24

云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目(Y0120160068)

* 責(zé)任作者, 講師, gaowei@ynu.edu.cn

王西琴(1965-),女,陜西西安人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事資源經(jīng)濟(jì)與環(huán)境管理.發(fā)表論文80余篇.