基于GIS的武漢市AQI時空分布規(guī)律研究

詹長根，吳 藝，韋淑貞，涂李蕾

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430079）

基于GIS的武漢市AQI時空分布規(guī)律研究

詹長根1，吳 藝1，韋淑貞1，涂李蕾1

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430079）

以武漢市2013-01-01～2013-06-30期間的10個環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站的AQI監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用GIS空間分析工具，采用反距離加權(quán)插值法（IDW）獲得武漢市各月AQI空間分布圖。并將AQI監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測站其他6項空氣污染物監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，2013年上半年武漢市AQI具有明顯的時空分布特征，1～6月AQI總體呈逐漸下降趨勢，中心城區(qū)AQI高值面積逐漸縮小，北部AQI高于南部地區(qū)。各項污染指標(biāo)對于AQI的相關(guān)程度依次是PM2．5、CO、SO2、NO2、PM10、O3。

AQI；反距離加權(quán)插值法；時空分布；相關(guān)性分析

2013年上半年武漢市城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率為38．1%，其中9 d優(yōu)，60 d良、55 d輕度污染、25 d中度污染、26 d重度污染，6 d嚴重污染[1]。空氣質(zhì)量指數(shù)（air quality index，AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)[2]，可以反映某一地區(qū)某一時間段的空氣質(zhì)量水平。AQI的數(shù)值越大、級別越高，說明空氣質(zhì)量環(huán)境越差，指數(shù)越小，級別越低，空氣質(zhì)量環(huán)境越好。

GIS是一個用于管理、分析和顯示地理信息的系統(tǒng)，包含一整套用于處理和表達地理數(shù)據(jù)的綜合工具[3]。反距離加權(quán)插值法在研究區(qū)域性環(huán)境污染物質(zhì)空間分布方面具有很好的應(yīng)用[4,5]，可應(yīng)用于對武漢市空氣質(zhì)量時空分布進行定量研究。本文首先運用GIS9．3軟件IDW空間插值工具，獲得武漢市AQI時空分布圖，然后在此基礎(chǔ)上探討武漢市上半年AQI時空分布規(guī)律并分析其原因，最后將AQI與其他6個空氣污染物監(jiān)測指標(biāo)進行相關(guān)性分析并對武漢市空氣污染防治提出相關(guān)建議。文章利用GIS空間插值及可視化手段，直觀反映武漢市AQI時空分布現(xiàn)象，通過對武漢市AQI時空分布規(guī)律及其影響因素的研究，為武漢市空氣污染防治與保護提供更詳細的科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

武漢市位于長江與漢江交匯處，是全國重要的重工業(yè)基地、科教基地和綜合交通樞紐，也是湖北省省會。武漢市地處北緯29°58′～31°22′，東經(jīng)113°41′～115°，現(xiàn)有13個轄區(qū)，其中江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū)7個為中心城區(qū)，東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)、漢南區(qū)6個為新城區(qū)。在中國經(jīng)濟地理圈內(nèi)，武漢市處于優(yōu)越的中心位置，是中國地理上的“心臟”，故被稱為“九省通衢”之地。

AQI數(shù)據(jù)來源于2013-01-01～2013-06-30武漢市環(huán)境保護局網(wǎng)站（網(wǎng)址：http://www．whepb．gov．cn）公布的空氣質(zhì)量指數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，總共181個樣本數(shù)據(jù)。對于有數(shù)據(jù)缺失的日期，用其相鄰日期數(shù)據(jù)的平均值進行替代。月AQI數(shù)據(jù)由對應(yīng)月份各監(jiān)測站點日監(jiān)測AQI數(shù)據(jù)平均值計算得來，見表1。運用GIS軟件對武漢市行政區(qū)劃圖進行矢量化，以武漢市行政區(qū)化矢量圖作為研究底圖，將各月AQI監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值作為各監(jiān)測站點的屬性字段值，建立GIS圖形數(shù)據(jù)一體化數(shù)據(jù)庫。

表1 2013年1～6月武漢市AQI均值

1.2 反距離加權(quán)插值法

武漢市目前擁有10個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點，其中漢口花橋、武昌紫陽、沌口新區(qū)等9個為國控監(jiān)測點，沉湖七壕站點為“清潔對照點”。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）關(guān)于環(huán)境空氣監(jiān)測污染物基本項目的規(guī)定，各監(jiān)測站點共監(jiān)測有SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2．5等6項基本指標(biāo)。由于監(jiān)測站點的設(shè)定要考慮點位的代表性和監(jiān)測方法的科學(xué)性，不可能在任何地點都設(shè)定監(jiān)測站點。所以，可以采用空間插值的方法，來對武漢市整個區(qū)域的AQI時空分布進行研究。

反距離加權(quán)插值法（IDW）是以插值點與樣本點之間的距離為權(quán)重的插值方法，插值點越接近樣本點賦予的權(quán)重越大，其權(quán)重貢獻與距離成反比，其公式如下[6]：

式中，Z為插值點估計值；Zi（i=1,2,…,n）是實測樣本值；n為參與計算的實測樣本數(shù)；di為插值點與第i個站點間的距離；p是距離的冪。與空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點越近區(qū)域，其權(quán)重值越大，AQI值與監(jiān)測站點實際監(jiān)測值越接近，符合IDW空間插值法基本原理。在本次研究中，n的值為10，p的值為2。

2 武漢市AQI時空分布特征研究

根據(jù)1～6月武漢市各監(jiān)測站點的AQI監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用EXCEL軟件繪出各月AQI平均值分布圖，見圖1。以各監(jiān)測站點月平均AQI值為樣本點值，運用GIS空間分析功能，采用IDW空間插值工具對武漢市10個監(jiān)測站點AQI月均值進行空間插值，得到武漢市1～6月份AQI時空分布圖，見圖2。

圖1 2013年1～6月武漢市AQI空間分布圖

圖2 1～6月武漢市AQI空間分布圖

2.1 AQI時間分布特征及原因分析

分析圖1中1～6月的武漢市AQI時間分布圖可知，1月份武漢市AQI在200～250之間，為武漢市上半年空氣質(zhì)量環(huán)境最差月份，空氣質(zhì)量等級為五級，屬于重度污染月；6月份AQI在50～100之間，屬于二級標(biāo)準(zhǔn)，空氣環(huán)境質(zhì)量較好；從1月份至6月份，武漢市AQI呈不斷下降趨勢。在武漢市上半年AQI統(tǒng)計中，AQI主要集中在100～150區(qū)間段，空氣質(zhì)量屬于三級標(biāo)準(zhǔn)，整體空氣環(huán)境質(zhì)量為輕度污染。其原因主要是1月份為冬季，降水少、氣候干燥且容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，空氣對流不顯著，抑制污染物的擴散，易出現(xiàn)霧霾天氣。從1月至6月，處于冬季向夏季過渡階段，氣溫逐漸升高，降雨量增多，空氣濕度增大且對流越來越顯著，空氣擴散條件逐漸好轉(zhuǎn)，空氣環(huán)境質(zhì)量也逐漸提高。

表2 AQI分級標(biāo)準(zhǔn)[2]

2.2 AQI空間分布特征及原因分析

分析圖2中1～6月武漢市AQI空間分布圖可知，武漢市中心城區(qū)AQI最高，空氣質(zhì)量最差，AQI由中心城區(qū)向外圍呈同心圓式遞減；從1～6月，武漢市主城區(qū)空氣重污染范圍逐漸縮??；在各個月中，武漢市北部地區(qū)AQI普遍高于南部地區(qū)；武漢市西南部沉湖七壕監(jiān)測站點附近AQI明顯低于其他地區(qū)，總體空氣質(zhì)量條件較好。主要原因是中心城區(qū)為人口集中區(qū)域，交通尾氣排放量大，且中心城區(qū)建筑物密集，阻礙市區(qū)內(nèi)空氣流通。武漢市南部湖泊分布眾多，生態(tài)環(huán)境較好。北部水域面積較少且青山區(qū)、武漢化學(xué)工業(yè)園區(qū)等工業(yè)匯聚，污染物排放量大，空氣環(huán)境質(zhì)量低于南部地區(qū)。

3 AQI與污染物指標(biāo)相關(guān)性分析

根據(jù)1～6月武漢市監(jiān)測站點測得的各項空氣污染物基本指標(biāo)數(shù)據(jù)，以6個監(jiān)測站點各月各監(jiān)測指標(biāo)值平均值為基礎(chǔ)，得到1～6月武漢市環(huán)境空氣污染物基本指標(biāo)值表，見表3。將1～6月武漢市各監(jiān)測站點AQI平均值與各項空氣污染物基本指標(biāo)作相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表4。

表3 1～6月武漢市環(huán)境空氣污染物基本指標(biāo)值表

表4 AQI與環(huán)境空氣污染物基本指標(biāo)相關(guān)分析

結(jié)果顯示，除臭氧指標(biāo)以外，其他5項污染指標(biāo)均與AQI成正相關(guān)。6項污染指標(biāo)均與AQI呈高度相關(guān)關(guān)系。各項污染指標(biāo)對于AQI的相關(guān)程度依次是PM2．5（0．996 5）、CO（0．980 1）、SO2（0．953 6）、NO2（0．874 5）、PM10（0．873 8）、臭氧（-0．831 0）。

4 結(jié) 語

本文基于武漢市10個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點各項空氣質(zhì)量污染指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用GIS的IDW空間插值工具對2013年上半年武漢市AQI時空分布特征進行研究，并進一步分析AQI與監(jiān)測站點其他污染物監(jiān)測項目之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，武漢市AQI分布具有一定的時空分布規(guī)律，AQI與6項空氣污染物監(jiān)測指標(biāo)呈高度相關(guān)關(guān)系，空氣質(zhì)量整體水平較低。

武漢市應(yīng)加強空氣質(zhì)量保護與防治力度，減少大氣污染物排放，堅持貫徹國務(wù)院《大氣污染防治行動計劃》的基本要求，依照“政府統(tǒng)領(lǐng)、企業(yè)施治、市場驅(qū)動、公眾參與”的基本理念，可采取以下具體措施：①減少機動車污染物排放，加強移動源污染防治。②強化城鄉(xiāng)精細化管理，優(yōu)化城市空間布局，構(gòu)建綠色生態(tài)屏障，減少面源污染排放。③嚴格節(jié)能環(huán)保準(zhǔn)入，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)，提高清潔能源使用率，壯大環(huán)保產(chǎn)業(yè)。④完善監(jiān)測預(yù)警應(yīng)急體系，強化科技支撐。⑤完善環(huán)保法規(guī)政策體系，創(chuàng)新環(huán)境管理機制。⑥加強信息公開和輿論引導(dǎo)，擴大公眾參與。

[1] 武漢市環(huán)保局．2013年上半年武漢市環(huán)境質(zhì)量狀況[EB/OL]．http://www．whepb．gov．cn/hbHjzkgb/103495．jhtml，2013-11-08/2013-12-03

[2] GB 3095-2012．中華人民共和國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S] ．

[3] 吳秀芹，張洪巖．ArcGIS9地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與實踐[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007

[4] 汪旸，陳曉東，王彩聲．運用反距離加權(quán)插值法研究江蘇省地方性氟中毒空間分布態(tài)勢[J]．中國地方病學(xué)雜志，2009，28(1):97-100

[5] 陽文銳，王如松．反距離加權(quán)插值法在污染場地評價中的應(yīng)用[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007,18(9)：2 013-2 018

[6] 朱求安，張萬昌，余鈞輝．基于GIS的空間插值方法研究[J]．江西師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004,28(2)：183-188

P208

B

1672-4623（2014）05-0062-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.022

詹長根，博士，副教授，主要研究方向為土地信息技術(shù)、現(xiàn)代地籍理論與方法。

2014-04-08。