干旱區(qū)綠洲城市大氣環(huán)境承載力分析及預(yù)測——以烏魯木齊市為例

鄭　健,關(guān)　寧,楊成梅

(烏魯木齊職業(yè)大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，新疆烏魯木齊　830001)

干旱區(qū)綠洲城市大氣環(huán)境承載力分析及預(yù)測
——以烏魯木齊市為例

鄭健,關(guān)寧,楊成梅

(烏魯木齊職業(yè)大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830001)

摘要：以烏魯木齊市2001—2012年大氣環(huán)境中SO2，NO2，PM10作為對象進行環(huán)境承載力研究，采用美國橡樹嶺大氣質(zhì)量指數(shù)(ORAQI)模型、環(huán)境承載力指數(shù)模型和灰色預(yù)測GM(1,1)模型等研究方法，探討了烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)及其影響因素;建立預(yù)測模型，得到2013—2020年大氣環(huán)境承載力指數(shù)預(yù)測值.結(jié)果表明，2001—2012年烏魯木齊市空氣中主要污染物是SO2和PM10，呈現(xiàn)典型的煤煙型污染特征.大氣環(huán)境質(zhì)量IO指數(shù)平均為 91，屬于“壞”的等級;大氣環(huán)境承載力指數(shù)平均為 16.21，處于中等承載等級.預(yù)測結(jié)果顯示，環(huán)境承載力指數(shù)呈逐年上升趨勢，到2020年該指數(shù)將達到19.86，處于較高承載等級，表明未來大氣環(huán)境承載能力水平將有所提高，大氣環(huán)境質(zhì)量會得到進一步改善.

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)綠洲城市；環(huán)境承載力指數(shù)模型；ORAQI 指數(shù)模型；灰色預(yù)測GM(1,1)模型

收稿日期：2014-03-02;修改稿收到日期:2015-04-15

E-mail:45187948@qq.com

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(71263049)；烏魯木齊職業(yè)大學(xué)2014年校級規(guī)劃課題(2014XY008)

作者簡介：鄭健(1979—)，男，新疆烏魯木齊人,講師，碩士.主要研究方向為大氣環(huán)境監(jiān)測.

中圖分類號：X 823;X 831

文獻標志碼：標志碼：A

文章編號：章編號：1001-988Ⅹ(2015)06-0110-05

Abstract:In this paper,takes SO2,NO2,PM10 in atmospheric environment of Urumqi City as study object to research the environmental carrying capacity. The environmental carrying capacity index and its influencing factors of Urumqi are discussed by using oak ridge air quality index(ORAQI) model,environmental carrying capacity index and gray forecasting models GM(1,1),respectively.The predictive model is proposed,and the predictive values of the atmospheric environment carrying capacity index from 2013 to 2020 are obtained based on this model.The results show that the major air pollutants are SO2and PM10 in Urumqi City during 2001 to 2012,which is the typical characteristic of coal-burning pollution.The average atmospheric environment quality ORAQI index is 91,which means that the atmospheric environment is bad rating.The average atmospheric environment quality index is 16.21,which means that the atmospheric environment is in the middle load level.The forecast results show that the environmental carrying capacity index is rising year by year,which will reaches 19.86 in 2020 at high load rating.This indicate that the carrying capacity of the atmospheric environment will been increased,and the quality of atmospheric environment will be further improved.

Urban oasis environmental carrying capacity analysis

and prediction of atmospheric arid zone

—A case of Urumqi City

ZHENG Jian,GUAN Ning,YANG Cheng-mei

(College of Applied Engineering,Urumqi Vocational University,Urumqi 830001,Xinjiang,China)

Key words:urban oasis in arid areas;environmental carrying capacity index model;ORAQI exponential model;gray prediction GM(1,1) model

烏魯木齊市三面環(huán)山，由于地理位置特殊，地形及冬季氣象條件不利，致使大氣中污染物的垂直和水平擴散能力相對較弱，城市的自凈能力和環(huán)境容量都十分有限.尤其是冬季采暖期，烏魯木齊市大氣污染十分嚴重[1].

目前對于烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力的研究還比較少，幾乎沒有對大氣環(huán)境承載力預(yù)測分析的研究.近年來，隨著大氣環(huán)境承載力研究方法的逐步完善，對烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力進行分析評價與預(yù)測研究顯得很有必要.文中以烏魯木齊市2001—2012年大氣環(huán)境當中的3種污染物(SO2,NO2，PM10)的監(jiān)測值作為研究對象，運用各種模型研究方法，重點探討了烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)及其影響因素，并根據(jù)灰色預(yù)測GM(1,1)模型，建立烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)預(yù)測模型，得到2013—2020年烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)預(yù)測值.

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

以烏魯木齊市空氣環(huán)境2001—2012年監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》，對環(huán)境中SO2,NO2,PM10進行綜合分析和評價.

1.2研究方法

采用美國橡樹嶺大氣質(zhì)量指數(shù)(ORAQI)[2]、大氣環(huán)境承載指數(shù)[3]、層次分析法[4]和灰色預(yù)測[5]等方法研究與預(yù)測烏魯木齊市的大氣環(huán)境質(zhì)量和大氣環(huán)境承載力.

1.2.1橡樹嶺大氣質(zhì)量指數(shù)(ORAQI)橡樹嶺大氣質(zhì)量指數(shù)由美國橡樹嶺國家實驗室于1971年提出，屬于冪函數(shù)型，根據(jù)各地區(qū)不同的氣候條件和大氣環(huán)境狀況確定相應(yīng)的評價模型.它包括SO2,NOx,CO，飄塵和氧化劑5項污染物參數(shù)，后來經(jīng)過推廣，廣泛用于任意多項污染物的綜合評價.橡樹嶺大氣質(zhì)量指數(shù)(ORAQI)IO可按下式計算[2]689:

其中,ci為某種大氣污染物實測的日平均濃度值；si為某種大氣污染物的相應(yīng)標準值；a,b為常數(shù).在實際大氣環(huán)境評價過程中,空氣環(huán)境質(zhì)量分為6級(表1).計算結(jié)果表明，IO越大,大氣環(huán)境質(zhì)量越差.采用IO評價大氣環(huán)境污染狀況，首先要明確當?shù)氐拇髿猸h(huán)境評價標準和大氣環(huán)境背景值.當各種污染物實際濃度與該地區(qū)背景濃度相等時,IO取10;當各種污染物濃度和相應(yīng)的大氣環(huán)境質(zhì)量標準相等時,IO取100[2].系數(shù)a,b的確定方程為[2]689

表1　大氣環(huán)境質(zhì)量分級標準與IO

1.2.2大氣環(huán)境承載指數(shù)模型大氣環(huán)境承載指數(shù)用ICS表示[2]：

其中，wi為權(quán)重值；n為要素數(shù)量，文中取n=3.大氣環(huán)境承載力的高低(評分)可以根據(jù)大氣環(huán)境承載指數(shù)的大小來判定(表2).

表2　大氣污染物質(zhì)量濃度指數(shù)評分

1.2.3GM(1,1)模型理論方法灰色預(yù)測以灰色模型為基礎(chǔ),其中GM(1,1)模型最為常用.設(shè)有原始數(shù)據(jù)列X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)),n為數(shù)據(jù)個數(shù),根據(jù)X(0)數(shù)據(jù)列建立GM(1,1)模型實現(xiàn)預(yù)測[5].

2結(jié)果與分析

2.1環(huán)境空氣質(zhì)量污染綜合評價分析

由表3和圖1可以看出，烏魯木齊市大氣環(huán)境中SO2，PM10污染較嚴重，明顯超出國家標準值(表3).2001—2012年，SO2最大值為0.117 0 mg·m-3，出現(xiàn)在2005年;最小值為0.059 0 mg·m-3,出現(xiàn)在2012年，均超過國家二級標準，平均超標將近60%.PM10最大值為0.252 0 mg·m-3，出現(xiàn)在2001年；最小值為0.115 0 mg·m-3,出現(xiàn)在2005年，都超過國家二級標準，平均超標將近50%.NO2最大值為0.068 0 mg·m-3，最小值為0.055 0 mg·m-3，符合國家二級標準.

表3　大氣環(huán)境質(zhì)量國家標準 (mg·m-3)

圖1　 烏魯木齊市2001—2012年大氣污染物

從趨勢上看，SO2污染呈逐年遞減的趨勢，尤其是近5年下降趨勢明顯；PM10污染近幾年呈逐年遞減的趨勢，但2012年有所上升；NO2污染呈現(xiàn)上升趨勢，但總體呈穩(wěn)定狀態(tài).總的來說，烏魯木齊市大氣環(huán)境污染整體呈現(xiàn)下降趨勢，大氣污染程度有逐年減輕趨勢，環(huán)境空氣質(zhì)量得到進一步改善.大氣環(huán)境主要污染物仍然是SO2和PM10，NO2影響逐漸上升，呈現(xiàn)由典型的煤煙型污染特征向混合型轉(zhuǎn)變的趨勢[1].

可以看出,烏魯木齊市各年大氣環(huán)境質(zhì)量IO值指數(shù)平均為91，屬于“較危險”等級，說明烏魯木齊市的環(huán)境空氣質(zhì)量整體上有待進一步改善.

2.2大氣環(huán)境承載力評價

2.2.1分值及等級確定根據(jù)烏魯木齊市大氣污染實際情況和《中國人民共和國大氣環(huán)境質(zhì)量標準》，確定的污染物的允許質(zhì)量濃度限值，對烏魯木齊市各大氣污染物質(zhì)量濃度進行評分.通過計算可以得到2001—2012年烏魯木齊市各年大氣環(huán)境質(zhì)量IO值(表4)，可以看出，烏魯木齊市各年大氣環(huán)境質(zhì)量IO值平均為91，屬于“較危險”等級，說明烏魯木齊市的環(huán)境質(zhì)量整體上有待進一步完善.

2.2.2權(quán)重確定根據(jù)各個污染因子對當?shù)卮髿猸h(huán)境質(zhì)量污染的實際貢獻率確定權(quán)重值[6-8].文中運用層次分析法并根據(jù)烏魯木齊市大氣污染現(xiàn)狀，得出了各污染因子的權(quán)重值(表5).

表4　2001—2012年烏魯木齊市IO值

2.2.3大氣環(huán)境承載力綜合分析對表2和圖1中各環(huán)境要素變量進行評分，得出要素分值，再對各環(huán)境要素進行加權(quán)求和，可以得到烏魯木齊市各年份大氣環(huán)境承載力指數(shù)大小，根據(jù)表6判斷烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力狀況，判斷結(jié)果見表7.2001—2012年烏魯木齊市區(qū)域大氣環(huán)境承載力指數(shù)平均為 16.21，處于中等承載等級，表明烏魯木齊市目前大氣環(huán)境承載能力水平處于中等水平，要加強大氣環(huán)境污染物治理，逐步提高大氣環(huán)境承載能力[9-10].

表5　2001—2012年大氣污染因子層次總排序權(quán)值

圖2　2001—2012年大氣污染因子層次總排序權(quán)值

弱承載低承載中等承載較高承載高承載5≤ICS≤99

表7　 2001—2012年烏魯木齊市環(huán)境

表8　2013—2020年大氣環(huán)境承載力指數(shù)預(yù)測結(jié)果

2.3大氣環(huán)境承載力預(yù)測分析

將2001—2012年烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)數(shù)值作為原始數(shù)據(jù)列，根據(jù)灰色預(yù)測GM(1,1)模型，建立烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)預(yù)測模型，經(jīng)計算得到2013—2020年烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)預(yù)測值(表8).從表8可以看出，相對誤差數(shù)據(jù)精度較高，說明預(yù)測結(jié)果的可信度滿意，預(yù)測結(jié)果基本能準確反映烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)變化趨勢未來發(fā)展方向.經(jīng)檢驗，該模型精度較高，符合預(yù)測結(jié)果的要求.

圖3　大氣環(huán)境承載力預(yù)測結(jié)果的擬合曲線

根據(jù)模型計算結(jié)果，繪制出烏魯木齊市2001—2020年大氣環(huán)境承載力指數(shù)趨勢預(yù)測擬合曲線(圖3).

通過曲線走勢可以看出,在8年中,烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)逐年呈上升趨勢，到2020年該承載力指數(shù)有可能達到19.86，處于較高承載等級，表明烏魯木齊市2013—2020年大氣環(huán)境承載能力水平有所提高，大氣環(huán)境質(zhì)量會得到進一步改善.

3討論

近年來，通過采取綜合治理措施，烏魯木齊市空氣質(zhì)量得到明顯改善[11].2014年，烏魯木齊市投資122億元實施了16個大氣污染治理項目，環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)好轉(zhuǎn)，除PM10年均濃度持平外，其余5項污染物濃度都有所下降.2014年烏魯木齊環(huán)境空氣質(zhì)量達標總天數(shù)達到了310 d，比上一年總達標天數(shù)多了6 d，達標率超過85%.其中，SO2平均濃度下降13.8%，NO2平均濃度下降8.2%，可吸入顆粒物平均濃度與上年持平，細顆粒物平均濃度下降30.7%，NO平均濃度下降30.7%，臭氧平均濃度下降6.3%.

2015年，烏魯木齊市將投入70億元，實施14個大氣污染治理項目，繼續(xù)加大“供熱、工業(yè)、揚塵、尾氣”四大污染物治理力度，推進米東區(qū)等重點區(qū)域污染綜合治理，實現(xiàn)與全市環(huán)境質(zhì)量同步改善.2015年1—5月，烏魯木齊市達標天數(shù)125 d，與上年度相比達標天數(shù)增加了3 d.烏魯木齊市3項主要污染物濃度均明顯下降，可吸入顆粒物平均濃度、SO2平均濃度、NO2平均濃度與上年相比分別下降6.3%,31.2%,4.2%.

要提升烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力，應(yīng)采取以下措施：

1)做好中心城區(qū)及周邊區(qū)域燃煤污染源點的關(guān)停清理，繼續(xù)推進全市工業(yè)燃煤鍋爐清潔能源改造.

2)配套提升重點企業(yè)“三脫一除”污染防治設(shè)施建設(shè)，推進石化等重點行業(yè)揮發(fā)性有機物治理.

3)加大揚塵污染治理力度，強化精細化管理，嚴格“五個100%”控制建筑施工揚塵，推進散裝物料密閉運輸、道路濕法作業(yè)和精細化保潔，控制道路揚塵.

4)加快“黃標車”及老舊車輛淘汰進程.

5)加大對米東區(qū)工業(yè)企業(yè)關(guān)停治理力度，統(tǒng)一建設(shè)部門、城市管理部門、環(huán)保部門的力量，實行全方位的控制，保證各項措施落實到位.

4結(jié)論

根據(jù)研究結(jié)果分析，獲得如下結(jié)論:

1)2001—2012年烏魯木齊市大氣環(huán)境綜合污染指數(shù)整體呈下降趨勢，大氣污染程度逐年減輕，環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)得到改善.大氣環(huán)境主要污染物仍然是SO2和PM10，NO2影響逐漸上升，呈現(xiàn)由典型的煤煙型污染特征向混合型轉(zhuǎn)變的趨勢.

2)烏魯木齊市大氣環(huán)境質(zhì)量IO指數(shù)平均為 91，屬于“較危險”的等級;大氣環(huán)境承載力指數(shù)平均為 16.21，處于中等承載等級，表明大氣環(huán)境質(zhì)量整體上有待進一步改善.

3)烏魯木齊市大氣環(huán)境承載力指數(shù)逐年呈上升趨勢，到2020年該承載力指數(shù)將達到19.86，處于較高承載等級，表明大氣環(huán)境承載能力水平將有所提高，如果措施得當，大氣環(huán)境質(zhì)量會得到進一步改善.

參考文獻:

[1]鄭健.近10年來烏魯木齊市環(huán)境空氣質(zhì)量變化趨勢分析[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,49(4):115.

[2]劉立勇，王彬，李忠武.典型城區(qū)山岳型風(fēng)景區(qū)大氣環(huán)境承載力分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2009,18(2):688.

[3]徐大海，王郁.確定大氣環(huán)境承載力的煙云足跡法[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013，32(6):1734.

[4]卓倩,楊文卿,錢慶榮,等.層次分析法在福州市大氣環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，28(1):60．

[5]鄧聚龍.灰色預(yù)測與決策[J].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1986.

[6]曾維華,楊月梅.環(huán)境承載力理論在區(qū)域規(guī)劃環(huán)境影響評價中的應(yīng)用[J].中國人口、資源與環(huán)境,2007,17(6):27.

[7]劉殿生.資源與環(huán)境綜合承載力分析[J].環(huán)境科學(xué)研究,1995,8(5):7.

[8]唐劍武,葉文虎.環(huán)境承載力的本質(zhì)及其定量化初步研究[J].中國環(huán)境科學(xué),1998,18(3):227.

[9]李建,張華東,魯磊,等.湛江市大氣環(huán)境承載度與安全研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2013,38(4):47.

[10]潘東旭,馮本超.徐州市區(qū)域承載力實證研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,32(5):596.

[11]鄭健.基于 AHP 模型的烏魯木齊市大氣環(huán)境質(zhì)量評價研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013,27(11):148.

(責(zé)任編輯惠松騏)