區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)建設(shè)需求分析

陸楠，魏斌，朱琦，劉定，楊毅

(環(huán)境保護(hù)部信息中心，北京 100029)

區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)建設(shè)需求分析

陸楠*，魏斌，朱琦，劉定，楊毅

(環(huán)境保護(hù)部信息中心，北京 100029)

摘 要區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)是生態(tài)環(huán)境保護(hù)信息化工程（《“十二五”國家政務(wù)信息化工程建設(shè)規(guī)劃》中規(guī)劃的國家級信息系統(tǒng)之一）項目建設(shè)的重要內(nèi)容之一。本文對區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)的建設(shè)需求進(jìn)行了分析，系統(tǒng)針對大尺度的區(qū)域性大氣環(huán)境質(zhì)量問題，緊密結(jié)合國務(wù)院“大氣污染防治行動計劃”的目標(biāo)任務(wù)要求，開展數(shù)據(jù)調(diào)度與綜合分析等功能的建設(shè)，旨在通過數(shù)據(jù)分析提高重點區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量狀況與污染成因的評估能力，通過情景模擬與模型運算為區(qū)域大氣污染治理措施的制定與動態(tài)調(diào)整提供定量化數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)的建設(shè)與實施將有望成為國家大氣污染防治領(lǐng)域跨部門數(shù)據(jù)共享與交換的基礎(chǔ)工程，為區(qū)域大氣污染防治工作提供有力的信息化技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞區(qū)域大氣污染防治；電子政務(wù)工程；信息共享；業(yè)務(wù)協(xié)同

引言

生態(tài)環(huán)境保護(hù)信息化工程是《“十二五”國家政務(wù)信息化工程建設(shè)規(guī)劃》中重點建設(shè)的應(yīng)用系統(tǒng)之一。該項目由環(huán)境保護(hù)部牽頭，多部委聯(lián)合共建。項目針對危害群眾生命健康的突出環(huán)境問題，充分利用大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)開展系統(tǒng)建設(shè)，有效增強對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、評估、分析與預(yù)測能力，不斷提高對重點區(qū)域、流域的環(huán)境治理水平。

本文重點論述生態(tài)環(huán)境保護(hù)信息化工程重點建設(shè)內(nèi)容“區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)”的建設(shè)需求。該系統(tǒng)針對重點區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量問題，緊密結(jié)合“大氣污染防治行動計劃”的目標(biāo)任務(wù)要求，建設(shè)數(shù)據(jù)調(diào)度與綜合分析系統(tǒng)，旨在通過數(shù)據(jù)分析提高大氣環(huán)境質(zhì)量狀況與污染成因的評估能力，通過情景模擬與模型運算為區(qū)域大氣污染治理措施的制定與動態(tài)調(diào)整提供定量化數(shù)據(jù)支持。

1 區(qū)域大氣環(huán)境問題分析

1.1 問題表現(xiàn)

當(dāng)前，我國大氣污染形勢嚴(yán)峻，以可吸入顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物（PM2.5）為特征污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出，損害人民群眾身體健康，影響社會和諧穩(wěn)定。隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，能源資源消耗持續(xù)增加，大氣污染防治壓力繼續(xù)加大。

近年來，我國部分地區(qū)長時間、大范圍、反復(fù)出現(xiàn)霧霾天氣，許多城市空氣質(zhì)量短期內(nèi)急劇下降，嚴(yán)重威脅人們正常生產(chǎn)生活。2014年，按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）開展監(jiān)測的161個城市中，有145個城市空氣質(zhì)量超標(biāo)，占90.1%。2014年細(xì)顆粒物（PM2.5）年均濃度范圍為19～130μm/m3，平均為62μm/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二級標(biāo)準(zhǔn)（35μm/m3）。

此外，城市群的區(qū)域性污染問題越來越突出，城市間污染相互影響顯著。隨著城市規(guī)模的不斷擴張，區(qū)域內(nèi)城市連片發(fā)展，受大氣環(huán)流及大氣化學(xué)的雙重作用，城市間大氣污染相互影響明顯，相鄰城市間污染傳輸影響極為突出。在京津冀、長三角和珠三角等區(qū)域，部分城市二氧化硫濃度受外來源的貢獻(xiàn)率達(dá)30%～40%，氮氧化物為12%～20%，可吸入顆粒物為16%～26%；區(qū)域內(nèi)城市大氣污染變化過程呈現(xiàn)明顯的同步性。

空氣是人類生存生活的基本條件，空氣質(zhì)量與人民群眾的幸福指數(shù)息息相關(guān)，因此以保障人民群眾身體健康為出發(fā)點，做好大氣污染防治工作，切實改善空氣質(zhì)量，具有極高的迫切性和重要的社會意義。

1.2 問題根源

當(dāng)前區(qū)域大氣環(huán)境問題出現(xiàn)的根本原因是由于大氣污染物排放超過了大氣環(huán)境容量。根據(jù)《2014年中國環(huán)境狀況公報》所示，2014年我國二氧化硫排放總量為1974.4萬t，氮氧化物排放總量為2078.0萬t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大氣環(huán)境的承載力，具體原因主要包括以下幾方面：

（1）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理。我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重型化特征明顯，2013年，工業(yè)能源消費量占全國能源消費總量的73%，六大高耗能行業(yè)能源消費量占工業(yè)能源消費總量的79%。

（2）能源結(jié)構(gòu)不合理。以煤為主的能源結(jié)構(gòu)是影響我國大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素，我國二氧化硫排放量的90%、氮氧化物排放量的70%、煙塵排放量的70%都來自于燃煤。

（3）機動車污染嚴(yán)重。目前，機動車已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染的重要來源。以北京市為例，北京市環(huán)保局公布的2013年P(guān)M2.5源解析結(jié)果顯示，機動車的貢獻(xiàn)達(dá)到31.1%，成為北京市大氣污染的主要來源。

（4）其他方面的問題。城市揚塵污染、農(nóng)村散煤燃燒、秸稈焚燒和新型大氣污染物防治形勢嚴(yán)峻[1]。

2 信息技術(shù)對大氣污染治理支撐作用分析

2.1 促進(jìn)整合與共享助力區(qū)域協(xié)同治理

“區(qū)域”是基于環(huán)境或生態(tài)整體性而自然形成，其天然分布不受部門和行政區(qū)劃的限制。因此，針對區(qū)域霧霾等污染問題，必須基于大氣等環(huán)境要素的整體性采取相應(yīng)的措施。信息技術(shù)能夠為區(qū)域大氣污染防治工作相關(guān)數(shù)據(jù)的整合提供平臺與接口，有助于打破部門與行政區(qū)劃的壁壘，形成針對區(qū)域某一特定大氣環(huán)境問題的數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)協(xié)同平臺。區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)將針對解決大尺度的區(qū)域性大氣環(huán)境問題，以落實國務(wù)院發(fā)布的《大氣污染防治行動計劃》，切實改善空氣質(zhì)量的相關(guān)工作要求為核心，開展跨部委的系統(tǒng)建設(shè)，增強各相關(guān)部委之間以及中央對地方大氣污染防治工作進(jìn)展、工作成效的把控，推動大氣環(huán)境日?；芾?、定量化考核水平的不斷提高。同時，系統(tǒng)可借此形成跨部委的數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計和分析能力。

2.2 增強定量化分析能力與輔助決策水平

信息技術(shù)能夠提高大氣污染防治措施的定量化水平。一方面，通過各類大氣污染分析模型，結(jié)合大氣環(huán)境質(zhì)量、大氣污染物排放量及排放特征的時空分布等數(shù)據(jù)，能夠定量化的形成對質(zhì)量現(xiàn)狀、污染成因、變化趨勢、治理效果的分析評估，從而實現(xiàn)對大氣環(huán)境狀況的準(zhǔn)確評估。另一方面，通過將具體的治理措施參數(shù)化，定量評估現(xiàn)有的大氣污染防治措施對區(qū)域大氣污染進(jìn)行削減的效果，結(jié)合對污染來源和變化趨勢的量化分析，能夠為區(qū)域大氣污染防治對策的制定提供決策支持，為區(qū)域限批、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等具體管理措施的制定提供數(shù)據(jù)支持，為提升大氣環(huán)境管理科學(xué)決策水平提供輔助決策的平臺與技術(shù)。

3 系統(tǒng)需求分析

3.1 系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)需求架構(gòu)

區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)按照時間維度共分為三個業(yè)務(wù)域：大氣環(huán)境狀況評估、大氣污染源管理與污染物減排、區(qū)域大氣環(huán)境管理決策支持（圖1）。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)調(diào)度與綜合分析等功能的建設(shè)實現(xiàn)“說清大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，說清污染物總量，說清污染成因，說清變化趨勢”的建設(shè)目標(biāo)。

（1）“大氣環(huán)境狀況評估”部分的建設(shè)內(nèi)容主要是對過去大氣污染治理成果及環(huán)境質(zhì)量的評估，對大氣污染發(fā)生的規(guī)律、對造成污染的重點區(qū)域和重點行業(yè)污染源進(jìn)行識別，為環(huán)境管理部門核實污染治理效果、應(yīng)對污染天氣提供數(shù)據(jù)支持。

（2）“大氣污染源管理與污染物減排”部分的建設(shè)內(nèi)容是實現(xiàn)當(dāng)前對大氣污染源的有效管理。系統(tǒng)結(jié)合大氣污染防治行動計劃的目標(biāo)任務(wù)要求，實現(xiàn)計劃考核的定量化、日?；蛣討B(tài)化，為有效提高大氣防治管理水平提供平臺支撐。

（3）“區(qū)域大氣環(huán)境管理決策支持預(yù)測”部分的建設(shè)內(nèi)容面向未來，是通過分析大氣污染物總量與大氣環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系為動態(tài)調(diào)整大氣污染防治方案提供定量化支持，通過區(qū)域空氣質(zhì)量的中長期預(yù)測預(yù)警為“十三五”大氣污染防治工作提供定量化數(shù)據(jù)支持。

3.2 重點功能需求

3.2.1 區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量評估

采用時間序列、相關(guān)性分析等統(tǒng)計方法對區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與改善情況進(jìn)行評價和分析，評估風(fēng)向、風(fēng)速等氣象條件、冬季供暖等特殊污染狀況對空氣質(zhì)量的影響，同時結(jié)合APEC和閱兵期間等特例情況分析大氣污染防治措施對環(huán)境質(zhì)量改善的有效性，為說清大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、說清大氣污染防治成效提供定量化的數(shù)據(jù)支持。

3.2.2 區(qū)域大氣污染成因分析

區(qū)域大氣污染成因分析是識別區(qū)域顆粒物排放總量及各區(qū)域、各行業(yè)、各類顆粒物排放量，計算重點排放區(qū)域、重點排放源對當(dāng)?shù)仡w粒物排放總量的分擔(dān)率，為環(huán)境監(jiān)管部門核實污染減排效果、開展區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控提供支持。

3.2.3 區(qū)域大氣污染防治措施評估

分析區(qū)域大氣污染防治控制措施和減排效果對空氣質(zhì)量的影響，量化評估一定時間范圍內(nèi)天氣條件、大氣污染物減排量、大氣污染防治措施對區(qū)域大氣環(huán)境狀況的影響程度，用以指導(dǎo)區(qū)域大氣污染防治措施的動態(tài)調(diào)整。

3.2.4 污染源監(jiān)管與量化考核

按照《大氣污染防治行動計劃》要求，從大氣污染的空氣質(zhì)量改善和重點任務(wù)完成情況兩個方面對全國31個省大氣污染防治工作進(jìn)行綜合考核與評估，重點針對機動車污染、工業(yè)源污染、燃煤鍋爐進(jìn)行綜合監(jiān)管，采集各地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化、清潔生產(chǎn)、煤炭管理與油品供應(yīng)、燃煤小鍋爐整治、工業(yè)大氣污染治理、機動車污染防治等信息，實現(xiàn)全國大氣污染防治考核的精細(xì)化、自動化。

3.2.5 區(qū)域大氣污染物排放預(yù)測

建立區(qū)域大氣污染物二氧化硫、氮氧化物、細(xì)顆粒物、揮發(fā)性有機污染物的排放預(yù)測，通過模擬大氣污染物排放情景和情景排放清單實現(xiàn)減排潛力分析，進(jìn)而為建立排放控制方案提供技術(shù)支持。

3.2.6 區(qū)域空氣質(zhì)量中長期預(yù)報

利用區(qū)域大氣環(huán)境容量評估、大氣污染排放清單和空氣質(zhì)量模式等技術(shù)手段建立大尺度、長時間維度的區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報模式，為國家大氣污染治理措施的制定與動態(tài)調(diào)整，以及“十三五”大氣污染防治工作提供定量化數(shù)據(jù)支持。

3.3 數(shù)據(jù)共享需求

當(dāng)前，政務(wù)信息的整合與共享工作愈發(fā)得到國家的重視，政府出臺了一系列文件，部署了相關(guān)的工作，如《“十二五”國家政務(wù)信息化工程建設(shè)規(guī)劃》（發(fā)改高技〔2012〕1202號）、《國務(wù)院辦公廳關(guān)于運用大數(shù)據(jù)加強對市場主體服務(wù)和監(jiān)管的若干意見》（國辦發(fā)〔2015〕51號）、《國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》（國發(fā)〔2015〕40號）、《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》（國發(fā)〔2015〕50號）等均明確提出實現(xiàn)政府部門跨部門的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和開放共享。

目前，在環(huán)境保護(hù)部內(nèi)部，數(shù)據(jù)方面涉及到環(huán)境統(tǒng)計、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、污染源在線監(jiān)控、執(zhí)法監(jiān)察等各類數(shù)據(jù)，但是缺乏部門內(nèi)部、跨部門、跨層級、跨區(qū)域業(yè)務(wù)的信息交換和共享機制，不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性難以形成，使得環(huán)境監(jiān)管尚未形成強大合力[2-3]。

按照《“十二五”國家政務(wù)信息化工程建設(shè)規(guī)劃》的有關(guān)要求，生態(tài)環(huán)境保護(hù)信息化工程需重點實現(xiàn)跨部委的信息共享與業(yè)務(wù)協(xié)同，因此數(shù)據(jù)共享是區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)的一大重要需求。

（1）針對“大氣環(huán)境狀況評估”業(yè)務(wù)域，環(huán)保部、農(nóng)業(yè)部、氣象局提出共享霧、霾、沙塵衛(wèi)星遙感監(jiān)測、重點城市空氣質(zhì)量指數(shù)、全球交換站地面氣象監(jiān)測、天氣預(yù)報、農(nóng)區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量等數(shù)據(jù)。

（2）針對“大氣污染源管理與污染物減排”業(yè)務(wù)域，環(huán)保部、質(zhì)檢總局提出共享機動車污染物排放總量、機動車環(huán)保標(biāo)志核發(fā)率、進(jìn)口機動車污染物排放監(jiān)測信息、全國鍋爐能效監(jiān)測信息、重點行業(yè)揮發(fā)性有機物治理等數(shù)據(jù)。

（3）針對“區(qū)域大氣環(huán)境管理決策支持”業(yè)務(wù)域，環(huán)保部、農(nóng)業(yè)部、氣象局提出共享災(zāi)害性天氣預(yù)報警報、中長期天氣預(yù)報、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地大氣環(huán)境質(zhì)量趨勢分析數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）污染源排放清單

污染源清單是大氣污染模式重要的起始輸入數(shù)據(jù)，是研究空氣污染物在大氣中物理化學(xué)過程的先決條件，它對于模擬二次污染物、了解某一地區(qū)的空氣污染狀況，確立合適的減排方案都有重要作用[4-5]。區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)擬參照環(huán)境保護(hù)部2014年8月發(fā)布的《大氣細(xì)顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南（試行）》，開展區(qū)域排放源清單的建立工作，整個步驟包括：排放源分類分級體系的確定、排放清單計算空間尺度的確定、一次PM2.5排放量的計算方法、活動水平數(shù)據(jù)調(diào)查收集和質(zhì)量控制[6]。

（2）區(qū)域大氣復(fù)合污染來源解析

大氣顆粒物來源解析指通過化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等方法定性或定量識別環(huán)境受體中大氣顆粒物污染的來源，其主要技術(shù)方法包括源清單法、源模型法和受體模型法。區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)擬在動態(tài)更新污染源清單的基礎(chǔ)上，采用源模型與受體模型聯(lián)用的方法解析本地和區(qū)域的顆粒物來源，定量給出污染源貢獻(xiàn)值與分擔(dān)率，定量解析出本地和區(qū)域各類源的貢獻(xiàn)[7]。

（3）區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報

空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報方法是目前國內(nèi)外主流的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報技術(shù)方法，其核心思想是以大氣動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，在給定的氣象場、源排放以及初始和邊界條件下通過偏微分方程組描述大氣污染物在空氣中的各種物理、化學(xué)過程（輸送、擴散、轉(zhuǎn)化、沉降等），并通過數(shù)值計算方法預(yù)報污染物濃度動態(tài)分布和變化趨勢。區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)擬采用中科院大氣物理研究所研制的“嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報模式系統(tǒng)（NAQPMS）”[8]。

（4）區(qū)域大氣環(huán)境承載力評估

大氣環(huán)境承載力是某一時期、某種狀態(tài)或條件下，某地區(qū)的大氣環(huán)境所能承受的人類活動的閾值。本系統(tǒng)擬將我國三維氣象場動態(tài)數(shù)據(jù)、大氣污染源動態(tài)排放清單、土地利用變化動態(tài)數(shù)據(jù)等輸入第三代空氣質(zhì)量模式（NAQPMS），動態(tài)計算區(qū)域逐年、逐季、及逐月等時間尺度的主要污染物（PM2.5、PM10、SO2、NOx）大氣環(huán)境容量，并利用區(qū)域污染源動態(tài)排放清單，計算區(qū)域大氣環(huán)境動態(tài)承載力，評估區(qū)域逐年、逐季的大氣環(huán)境負(fù)荷水平。

（5）大氣污染物區(qū)域輸送規(guī)律

大氣污染物區(qū)域輸送通道是指空間和時間穩(wěn)定性風(fēng)帶，是區(qū)域尺度、局地尺度的范圍內(nèi)相繼出現(xiàn)的歐拉風(fēng)場，具有一定空間尺度和時間尺度的相繼性、連續(xù)性輸送、多頻率發(fā)生的特征。區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)擬利用軌跡聚類分析和通道梯度識別的方法明確區(qū)域的污染物輸送、匯聚方式，得到以某一中心點為目標(biāo)的區(qū)域主要輸送路徑[9]。

5 總結(jié)與展望

需求分析是電子政務(wù)工程的核心內(nèi)容，處在系統(tǒng)開發(fā)生命周期的最初階段，是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。本文以問題為導(dǎo)向，聚焦有限目標(biāo)，逐級推進(jìn)，系統(tǒng)地分析了區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)的建設(shè)需求，初步設(shè)計了系統(tǒng)的總體業(yè)務(wù)框架與主要功能，并對系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)點進(jìn)行了探討，為后續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)提供了依據(jù)。

區(qū)域大氣污染防治管理系統(tǒng)的建設(shè)與實施將有望成為國家大氣污染防治領(lǐng)域跨部門數(shù)據(jù)共享與交換的基礎(chǔ)工程，為區(qū)域大氣污染防治工作提供有力的信息化技術(shù)支撐。

參 考文獻(xiàn)

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Analysis on the Construction Demand of Regional Air Pollution Control Management System

Lu Nan*, Wei Bin, Zhu Qi, Liu Ding, Yang Yi
(Information Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100029)

Abstract:Regional air pollution control management system is an important part of the ecological and environmental protection information engineering’s project construction, which is one of the national information systems in 12th Five-Year National Government Information Engineering Construction Plan. In this paper, the construction needs of regional air pollution control management system were analyzed. System aims at large scale regional atmospheric environmental quality problems, combines closely with the State Council’s air pollution prevention action plan’s target and task requirements, carry out data scheduling, comprehensive analysis and other functions construction. The system will improve the assessment ability in quality of atmospheric environment analysis and pollution cause in key areas through data analysis, and provide quantitative data support for formulation and dynamic adjustment of regional air pollution control measures through the scene simulation and model calculation. Construction and implementation of the system is expected to become a basic project for cross-sectorial data sharing and exchange in the fi eld of national air pollution control.

Keywords:regional air pollution control; e-government project; information sharing; task collaboration

中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-6252(2015)06-0066-05

*責(zé)任作者： 陸楠（1984—），女，工程師，環(huán)境保護(hù)部信息中心，主要從事環(huán)境信息分析與應(yīng)用方面的研究。