李瑩，毛靜

（西安財經(jīng)大學，陜西 西安 710100）

0 引言

2021年全國生態(tài)環(huán)境保護工作會議明確指出，“十四五”生態(tài)環(huán)境保護工作的總體思路是堅持新發(fā)展理念，以生態(tài)環(huán)境高水平保護促進經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，促進我國經(jīng)濟社會發(fā)展向全面綠色低碳轉(zhuǎn)型。自上世紀80年代以來，我國的經(jīng)濟發(fā)展模式體現(xiàn)出“高投入、高消耗、高污染”的特點，在滿足人民日益增長的物質(zhì)文化需求的同時，這種發(fā)展模式給我國生態(tài)環(huán)境及其治理帶來了非常嚴峻的挑戰(zhàn)，其中大氣污染惡化現(xiàn)象極為嚴重。這一現(xiàn)象嚴重制約了我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，給我國現(xiàn)行的環(huán)境管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。陜西省是我國的文化古都所在地和旅游大省，其生態(tài)環(huán)境保護，不僅關(guān)系自身發(fā)展質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展，而且關(guān)系全國生態(tài)環(huán)境大局，因此對陜西省大氣環(huán)境的相關(guān)研究具有很重要的現(xiàn)實意義。

目前地區(qū)的大氣污染衡量指標主要為空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)AQI和六項大氣污染物濃度數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測大氣污染物濃度的數(shù)值對地區(qū)大氣污染物的污染程度和大氣污染變化做出相應(yīng)分析。近年來不同學者對不同地區(qū)大氣污染物的時間分布進行了研究并發(fā)現(xiàn)，各大氣污染物濃度在日變化趨勢上呈現(xiàn)出晚上明顯高于白天的特點；在年變化趨勢上，有明顯的季節(jié)特征，即冬春高，夏秋低，且北方在冬季有集中采暖措施，因此污染程度也高于全年平均狀態(tài)及非采暖期[1-4]。在經(jīng)濟快速發(fā)展的進程中，產(chǎn)生的大量的大氣廢棄物，不可避免地對大氣環(huán)境造成一定程度的污染，國外學者Querol和Shan等提出交通繁忙地區(qū)和工業(yè)區(qū)的PM2.5濃度遠高于城市郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)，經(jīng)濟水平和城市化水平發(fā)展較快的城市群的大氣污染比較嚴重[5-6]，地面SO2人為排放量的空間分布呈現(xiàn)出由中心城市逐步向外擴展的集聚狀態(tài)[7-8]。田愛國從環(huán)境監(jiān)測入手，具體分析了環(huán)境監(jiān)測對于環(huán)境保護的意義，同時指出應(yīng)該逐漸提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量[9]。此外，還有學者對區(qū)域內(nèi)大氣污染物地理空間分布進行了可視化分析并發(fā)現(xiàn)，同一區(qū)域內(nèi)不同地區(qū)的大氣污染物濃度變化水平存在地區(qū)差異。

現(xiàn)有學者從多維時間變化規(guī)律和地理空間分布特征對區(qū)域大氣環(huán)境的污染現(xiàn)狀展開分析，并根據(jù)所得結(jié)論對區(qū)域大氣污染的防控治理提出相關(guān)建議。本文在此基礎(chǔ)上引入可乘季節(jié)模型，對區(qū)域空氣質(zhì)量指標AQI月平均變化曲線進行擬合預(yù)測，借助時間序列和空間可視化分析得到陜西省大氣污染在時間和地理空間上的分布特征，為后續(xù)陜西省各市區(qū)污染物減排政策提供數(shù)據(jù)支撐，這對于打贏大氣污染防治攻堅戰(zhàn)、推動陜西省經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源

本文旨在對陜西省大氣污染的時間變化規(guī)律和地理空間分布現(xiàn)狀展開分析，大氣污染物相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺，包括2015年1月到2020年3月陜西省10個市區(qū)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)AQI和四項大氣污染物濃度數(shù)據(jù)（PM2.5、PM10、SO2、CO），陜西省社會經(jīng)濟活動等相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于陜西省統(tǒng)計年鑒或各市區(qū)統(tǒng)計年鑒。

2 陜西省大氣污染的分布特征分析

2.1 陜西省大氣污染物的可視化分析

將空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺收集到的陜西省10個市區(qū)污染物濃度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，借助ArcMap分析各污染因子的空間分布狀態(tài)，得到陜西省各市區(qū)2019年的部分污染物年平均濃度分布，如圖1至圖4所示。

圖1 陜西省PM10分布圖

圖2 陜西省PM2.5分布圖

由圖1至圖4可知，陜西省10個市區(qū)中，咸陽、渭南和西安的PM10濃度較高，污染較小的為商洛市，除污染最小的商洛市之外，其余地區(qū)都超過國家二級標準。PM10不同于其他污染物，該污染物能夠長時間存在于空氣中，不易散去，對人體健康造成很大影響，同時降低可見度給居民出行造成不便。PM2.5污染最嚴重的地區(qū)集中在陜西中部地區(qū)，分別是咸陽市、渭南市和西安市，污染較小的地區(qū)主要在陜北、陜南地區(qū)，如榆林市、延安市、商洛市、安康市。PM2.5作為造成霧霾的“主力軍”，為大氣污染做出來很大“貢獻”。從氣象特征來看，關(guān)中地區(qū)全年以東北風為主導風向，靜風頻率為35%～45%，平均風速為0.7m/s～2.6m/s，這種條件狀況不利于大氣污染物的擴散。其次，陜西中部地區(qū)是陜西省人口分布最為密集的地區(qū)，這里的汽車尾氣和城市建設(shè)等使大氣顆粒物濃度在該區(qū)域達到一個相對較高水平。CO污染較為嚴重的地區(qū)在延安市和漢中市，這兩個市作為大型煉鋼、煉鐵基地都存在許多煉鋼廠，這對于CO的排放量產(chǎn)生了很大影響。SO2污染指數(shù)較高的地區(qū)集中在榆林市，濃度最低地區(qū)出現(xiàn)在西安市和寶雞市，即便如此，SO2的濃度水平仍超過國家規(guī)定的SO2排放量的二級標準。綜合所有污染指標來看，污染較為嚴重的地區(qū)為榆林市、咸陽市、渭南市以及西安市，綜合環(huán)境質(zhì)量最好的為商洛市和安康市。

圖3 陜西省CO分布圖

圖4 陜西省SO2分布圖

圖6 陜西省非采暖期CO分布圖

此外，為了探究陜西省各市區(qū)污染物指標的季節(jié)趨勢，本文將陜西省全年劃分為采暖期和非采暖期，借助ArcMap作圖進行對比分析，如圖5至6所示。采暖期間，延安、渭南、漢中CO的排放量高出CO的年平均排放量，相比于非采暖期，CO排放量最高的漢中市也低于年平均排放量。目前我國采暖的方式還是主要依靠煤炭、天然氣等的燃燒，陜西中部及北部地區(qū)在冬季采取集中供熱的方式，相比于與非采暖期以及在冬季沒有集中供熱的地區(qū)，污染物的指數(shù)呈現(xiàn)出明顯的差別。

圖5 陜西省采暖期CO分布圖

2.2 陜西省大氣污染物的時間序列分析

為了進一步了解陜西省近五年的空氣質(zhì)量及其近期走向，本文以西安市為例，對其大氣環(huán)境的時間分布展開研究。根據(jù)2015年至2020年西安月平均空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）數(shù)據(jù)，畫出時序圖，如圖7所示。

圖7 西安市月平均AQI時序圖

由圖可知，從2015年到2020年3月，西安市AQI月平均指數(shù)波動受季節(jié)因素影響，具有一定的季節(jié)趨勢，有固定的周期和穩(wěn)定的趨勢。這個序列顯現(xiàn)出很強的季節(jié)效應(yīng)，但趨勢并不明顯，因此我們對該序列做滯后12期的差分以試圖去掉季節(jié)成分，然后再做滯后1期的差分，圖8左圖為原序列滯后12期的差分，右圖為原序列滯后12期的差分再做滯后1期的差分。

圖8 差分后的序列圖

經(jīng)過第一次差分之后還有些趨勢成分，而兩次差分后基本看不出周期和趨勢。在對序列有一個初步的了解之后，引入Box-Jenkins季節(jié)ARIMA模型。借助R語言軟件對該序列進行擬合。

可乘季節(jié)ARIMA模型可記為ARIMA（0,1,1）（1,1,1），表達式如下：

即西安市AQI月平均指數(shù)服從ARIMA（0,1,1）（1,1,1）[12]模型，具體表達式如下：

通過該模型以2015年1月到2019年1月的數(shù)據(jù)為測試集，用其做14期的預(yù)測，得訓練集2019年2月到2020年3月的預(yù)測值見表1（預(yù)測值保留兩位小數(shù)）：

表1 ARIMA模型的預(yù)測結(jié)果

代入計算得到ME=1.34，表明預(yù)測值與觀測值之間的平均差異為1.34，說明該模型給出的西安市月AQI的預(yù)測值與實際的觀測值的差異程度不大，模型擬合較好。

3 結(jié)語

本文旨在利用GIS和ARIMA模型對陜西省各市區(qū)大氣污染的現(xiàn)狀展開分析。對陜西大氣污染物的地理空間可視化分析可知，陜西省大氣污染較重的市區(qū)有西安、咸陽、渭南和榆林，空氣質(zhì)量較好的兩個市區(qū)是商洛和安康，并且陜西省采暖期的大氣污染情況比非采暖期嚴峻，西安市的AQI月平均指數(shù)服從ARIMA（0,1,1）（1,1,1）模型。

陜西省大氣污染防控的重點在于控制重工業(yè)污染廢氣的大量排放以及機動車輛尾氣的排放。要控制大氣中污染物的濃度首先需要在某種程度上優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，將部分工作的重心慢慢地從第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移；其次可以加大大型企業(yè)廢氣的治理及檢測力度，對超出標準排放廢氣的企業(yè)給與警告并收取高額罰款，提高中小型企業(yè)的辦廠要求，提升保護大氣環(huán)境在各企業(yè)心中的地位；最后嚴控交通工具的尾氣排放，禁止隨意焚燒垃圾。此外相關(guān)部門還應(yīng)重點推進新型燃料的研制，燃料在日常生活中是必不可少的，現(xiàn)有的燃料主要是以汽油、煤油、天然氣為主，其燃燒排放的廢氣中含有大量的一氧化碳，氮氧化物，二氧化碳等對環(huán)境質(zhì)量不友好的氣體。水電、風電以及太陽能發(fā)電還沒有完全在我們生活中普及，并且不能滿足大型工業(yè)企業(yè)的需求，因此推廣性價比高的清潔替代燃料是目前預(yù)防大氣污染的重中之重。