宜昌市大氣環(huán)境紅線研究

武衛(wèi)玲 薛文博 雷 宇

(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

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宜昌市大氣環(huán)境紅線研究

武衛(wèi)玲 薛文博 雷 宇

(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

本文通過WRF-CALMET氣象模式模擬分析了宜昌市2011年1、4、7、10四個典型月份1km分辨率氣象場，利用CALPUFF空氣質量模型識別了大氣環(huán)境布局敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)、受體重要區(qū)?；谠搭^敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)及受體重要區(qū)劃定宜昌市大氣環(huán)境紅線。結果表明，宜昌市大氣環(huán)境紅線區(qū)主要包括城區(qū)及各區(qū)縣的上風向等地區(qū)，三峽庫區(qū)沿岸等不易擴散地區(qū)，中心城區(qū)、各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、森林公園、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等大氣環(huán)境一類功能區(qū)，大氣環(huán)境紅線區(qū)面積共計3537.59km2，占市域面積比例16.65%。

宜昌；環(huán)境總體規(guī)劃；大氣環(huán)境紅線；CALPUFF

引言

黨的“十八大”提出大力推進生態(tài)文明建設，要求尊重自然、順應自然、保護自然，強調優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，控制開發(fā)強度。為落實國家戰(zhàn)略部署，環(huán)境保護部提出“探索編制城市環(huán)境保護總體規(guī)劃”。環(huán)境總體規(guī)劃具有基礎性、先導性、前置性和制約性的特征，是對尊重自然、順應自然新形勢的新思考，是城市環(huán)境保護經驗和教訓的總結。自2013年環(huán)保部相繼啟動了30個城市的環(huán)境總體規(guī)劃試點工作，城市環(huán)境總體規(guī)劃的編制對于從源頭上杜絕污染，優(yōu)化國土合理開發(fā)，改善空氣質量發(fā)揮了積極作用。宜昌市作為中部地區(qū)試點城市，地處鄂西山地到江漢平原的過渡地帶，境內地貌復雜，西部為中低山，中部為丘陵，東部為平原，形成“七山二丘一平”的地貌特征，長江從西向東橫貫全境，宜昌市環(huán)境總體規(guī)劃的編制及大氣紅線劃定對于保護長江中上游生態(tài)環(huán)境具有重要意義。為此，本研究利用WRF-CALMET-CALPUFF模型模擬了氣象場，識別了大氣環(huán)境布局敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)、受體重要區(qū)，并劃定了大氣紅線區(qū)，為宜昌市優(yōu)化國土開發(fā)格局提供了科學依據。

1 數據和方法

1.1 技術路線

采用WRF-CALMET模型，結合地形高程數據、地面氣象觀測數據，模擬分析宜昌市大氣流場特征，揭示宜昌市大氣污染空間輸送規(guī)律。通過三維流場定性識別上風向、擴散通道及靜風等典型氣象特征區(qū)域，其中上風向和擴散通道布局污染源影響范圍、影響強度大，可劃為布局敏感區(qū)；靜風區(qū)或風速較小的地區(qū)不利于污染物擴散，易造成局地污染，可劃為聚集脆弱區(qū)。模擬的三維流場將作為CALPUFF模型定量模擬大氣環(huán)境敏感性的輸入數據。

大氣環(huán)境空間敏感性分析考慮源頭布局敏感性、污染聚集脆弱性和受體重要性(一類大氣環(huán)境功能區(qū)、居住區(qū)等)三個因素。采用WRF-CALMET-CALPUFF模型耦合技術，從三個方面對宜昌市大氣環(huán)境敏感性進行解析：①為指導未來污染源合理布局，開展源頭敏感性分析，識別和劃分污染源布局敏感區(qū)域；②為指導城市空間擴張模式與方向，進行污染物聚集區(qū)敏感性分析，識別和劃分污染聚集區(qū)；(3)為保護人體健康等重要目標，基于現有建成區(qū)、環(huán)境功能區(qū)劃等社會經濟要素識別和劃分敏感的環(huán)境受體。大氣環(huán)境紅線劃定的具體技術路線見圖1。

圖1 大氣環(huán)境空間格局解析技術路線

1.2 模型參數設置

CALPUFF模型是由美國EPA推薦的用于模擬污染物傳輸行為的集成模式，可模擬三維流場中隨時間和空間變化的污染物傳輸、轉化和清除過程。CALPUFF模式結構由CALMET氣象模塊、CALPUFF煙團擴散模塊和CALPOST后處理模塊三部分組成。

模擬時段：選取2011年1月、4月、7月、10月四個典型月份，模擬時間間隔1小時，用四個典型月份模擬結果平均代表全年模擬結果。

模擬范圍：CALMET模型模擬區(qū)域采用LAMBERT投影，中心點經緯度分別為111.15°E、30.75°N，兩條平行緯度分別為30°N和31.5°N。水平模擬范圍為X方向(-110km-110km)、Y方向(-100km-100km)，網格間隔1km，共將模擬區(qū)域劃分為220×200網格；垂直方向共設置7個氣壓層，層間距自下而上逐漸增大，分別為0m、20m、50m、100m、500m、2000m、3000m、5000m。CALPUFF在源頭敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)識別，選用1km的氣象流場驅動3km的污染源，宜昌市域包括3km規(guī)則矩形網格共2362個。

氣象數據：WRF模型的初始輸入數據采用美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)提供的6h一次、1°分辨率的FNL全球分析資料。探空氣象數據來源http：//rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/。

地形數據：地形數據采用GOTOP30數據，土地利用數據采用美國地質勘探局(USGS)數據，地形數據來自http：//www.webgis.com/terr_world_03.html。

化學機制：污染物以SO2為代表，且僅研究一次污染物的輸送，未考慮大氣化學反應過程。

2 氣象流場分析

氣象特征是大氣環(huán)境中最重要的自然要素，其中風向、風速、混合層高度是氣象條件的關鍵指標。風向反映了大氣污染的來源、輸送過程及歸宿的整個流程；風速反映自然環(huán)境對污染物的自凈能力，是度量環(huán)境自凈能力的關鍵指標。因此，風向、風速特征是劃定大氣環(huán)境敏感區(qū)的重要參數。本研究結合地形數據、10個氣象站點4個典型月份觀測的逐時氣象數據(風速、風向、云高、總云、氣溫、濕度、氣壓、降水)，采用WRF-CALMET模擬分析宜昌市的三維氣象場。

宜昌地形地貌復雜，風向、風速在空間上存在顯著差異。三維流場模擬結果表明，全年風速偏小，平均風速1m/s，1月、10月平均風速明顯低于4月、7月；城區(qū)全年主導風向為東南風，西南部多山地，主導風向不顯著。宜昌市風場分布特征見圖2。模型模擬的主導風向和氣象監(jiān)測主導風向一致。

圖2 宜昌市全年主導風向及風速分布

3 大氣環(huán)境敏感性空間區(qū)劃

城市環(huán)境總體規(guī)劃的核心是解析大氣環(huán)境的空間格局，劃定大氣環(huán)境紅線。本研究從以下三個方面解析大氣環(huán)境的空間敏感性：

(1)布局敏感區(qū)識別。依據污染源影響程度定量分析污染源空間布局的敏感性，布局敏感區(qū)大致包括城市主導上風向地區(qū)及大氣環(huán)流通道，在此布局污染源將對城市空氣質量造成嚴重影響。

(2)聚集脆弱區(qū)識別。利用空氣質量模型模擬宜昌市污染物均勻排放時，污染物濃度的空間聚集特征，分析污染易聚集區(qū)及不利擴散區(qū)，污染易聚集區(qū)主要集中在大氣污染物天生自凈能力較弱的地區(qū)，如：山谷、河谷、盆地等，天生自凈擴散能力差，不適于開發(fā)建設。

(3)受體重要區(qū)識別。環(huán)境受體重要區(qū)主要包括大氣環(huán)境一級功能區(qū)及人口密集地區(qū)，目的是保護人體健康及敏感環(huán)境受體。

3.1 布局敏感區(qū)

假定在宜昌市2362個網格中心各布設一個虛擬污染點源，每個網格的污染物排放量相同，均為100噸/年，模型模擬的污染物均為一次穩(wěn)態(tài)氣態(tài)污染物SO2。模型中的受體點為宜昌市13個空氣質量監(jiān)測站點(四零三、環(huán)保局、伍家崗、夷陵區(qū)、點軍區(qū)、宜都市環(huán)境監(jiān)測站、當陽市環(huán)保局、枝江市環(huán)境監(jiān)測站、文化中心、秭歸縣環(huán)境監(jiān)測站、遠安縣環(huán)保局、長陽城建局、五峰土家族自治縣環(huán)保局)。利用CALPUFF空氣質量模型模擬每個網格單位污染物排放，對受體點的影響程度，依據其影響程度定量識別每個網格的布局敏感性。2011年1月、4月、7月、10月以及全年平均的布局敏感性分析結果：全年平均的布局敏感區(qū)主要集中在宜昌市中心城區(qū)，1月份城區(qū)盛行東北風，布局敏感區(qū)主要集中在城區(qū)及其東北部地區(qū)；4月、7月風速較大，大氣自凈能力強，布局敏感區(qū)范圍較小，主要集中在城區(qū)；10月份風速較小，布局敏感區(qū)范圍較大，主要集中在夷陵區(qū)、伍家崗區(qū)、點軍區(qū)等。

3.2 聚集脆弱區(qū)

假設2362個虛擬污染點源同時排放污染物，每個網格SO2排放量為100噸，利用CALPUFF空氣質量模型模擬所有網格同時排放等量污染物時的濃度分布，污染物濃度較高地區(qū)為不易擴散或易聚集地區(qū)。

宜昌市域內大氣環(huán)境聚集特征顯著，有明顯的污染物易聚集區(qū)，主要集中在城區(qū)長江干流地區(qū)、興山和秭歸的河谷地區(qū)、清江沿岸。在排放強度相同的情況下，污染物更容易在聚集敏感地區(qū)聚集，從而導致局地性空氣污染，因此對環(huán)境質量需求較高的功能區(qū)，應盡量布局在聚集脆弱區(qū)范圍外。污染物濃度聚集程度與風速等大氣自凈能力呈現負相關，聚集脆弱區(qū)主要分在風速較小的地區(qū)與時段。

3.3 受體重要區(qū)

基于《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095-2012)不同環(huán)境空氣功能區(qū)，對大氣環(huán)境受體重要區(qū)進行識別。將一類功能區(qū)中的自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)和其他需要特殊保護的區(qū)域納入受體重要區(qū)，依據人口密度將二類區(qū)中的人口聚集區(qū)劃定為受體重要區(qū)。

宜昌市受體重要區(qū)主要集中在中心城區(qū)和各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、森林公園、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等。森林公園主要包括玉泉寺國家森林公園、柴埠溪國家森林公園、大老嶺國家森林公園等；自然保護區(qū)主要包括五峰后河國家級自然保護區(qū)、三峽濕地自然保護區(qū)、高壩洲濕地自然保護區(qū)、龍山自然保護小區(qū)、萬朝山自然保護區(qū)、崩尖子自然保護區(qū)、九畹溪自然保護小區(qū)、二墩巖自然保護小區(qū)等；風景名勝區(qū)主要包括隔河巖庫區(qū)濕地自然保護區(qū)黃牛巖風景名勝區(qū)、峽口-牛扎坪風景名勝區(qū)、玉泉山風景名勝區(qū)、長陽清江風景名勝區(qū)、鳴鳳風景名勝區(qū)等。宜昌市大氣環(huán)境受體重要紅線區(qū)見圖3。

圖3 環(huán)境受體重要區(qū)

4 大氣環(huán)境紅線劃定

結合源頭布局敏感區(qū)、聚集脆弱區(qū)及受體重要區(qū)，劃定宜昌市紅線、黃線、綠線三級大氣環(huán)境體系，實施紅線禁止、黃線限制和綠線引導的分級控制。

將全年平均布局敏感性按照各網格對受體點的濃度貢獻進行分級，劃分標準見表1。源頭布局敏感紅線區(qū)集中在城區(qū)及各區(qū)縣城區(qū)的上風向地區(qū)，面積為2762.3km2，占宜昌市域面積比例13.0%。宜昌市布局紅線區(qū)見圖4。

表1 源頭敏感性分級標準

圖4 源頭敏感性分區(qū)管控

將全年平均聚集敏感性按照濃度分級，劃定紅線、黃線和綠線，劃分標準見表2。宜昌市大氣環(huán)境聚集紅線區(qū)見圖5。聚集脆弱紅線區(qū)集中在興山縣河谷地帶、秭歸縣三峽庫區(qū)沿岸，面積為731.0km2，占宜昌市域面積比例3.5%。

表2 聚集敏感性分級標準

圖5 聚集敏感性分區(qū)

宜昌市大氣環(huán)境紅線區(qū)主要包括城區(qū)及各區(qū)縣的上風向等地區(qū)，三峽庫區(qū)沿岸等不易擴散地區(qū)，中心城區(qū)、各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、國家自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)大氣環(huán)境一類功能區(qū)等，面積共計3537.6km2，占市域面積比例16.7%；大氣環(huán)境黃線區(qū)面積為6958.3km2，占市域面積比例32.7%；大氣環(huán)境綠線區(qū)主要包括當陽市、枝江市東部平原地區(qū)等，面積約10752.8km2，占市域面積比例50.6%。

表3 宜昌市大氣環(huán)境分級劃定

圖6 宜昌市大氣環(huán)境紅線

5 結 論

(1)宜昌市布局敏感紅線區(qū)主要集中在宜昌市中心城區(qū)，面積為2762.3km2，占宜昌市域面積比例13.0%。

(2)宜昌市聚集脆弱紅線區(qū)主要集中興山縣河谷地帶、秭歸縣三峽庫區(qū)沿岸。面積為 731.0km2，占宜昌市域面積比例3.44%。

(3)宜昌市受體重要區(qū)主要集中在中心城區(qū)和各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、森林公園、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等。

(4)基于布局敏感紅線區(qū)、聚集脆弱紅線區(qū)、受體重要區(qū)，劃定宜昌市大氣環(huán)境紅線。大氣紅線主要集中在城區(qū)及各區(qū)縣的上風向等地區(qū)，三峽庫區(qū)沿岸等不易擴散地區(qū)，中心城區(qū)、各區(qū)縣建成區(qū)等人口聚集區(qū)、森林公園、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等，面積共計3537.6km2，占市域面積比例16.7%。

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Study on the Atmospheric Red Lines in Yichang

WU Weiling XUE Wenbo LEI Yu

(Chinese Academy for Environmental Planning，Beijing 100012)

By coupling meteorological model WRF and CALMET，the meteorological fields of January，April，July and October of 2011，four typical months of each season，were simulated with the resolution of 1 km in Yichang.The identification of source sensitive areas，pollutant accumulation areas and receptor sensitive areas have been conducted in Yichang by using CALPUFF，based on which the environment red lines were designated.Corresponding to three kinds of areas mentioned above，the red line areas mainly covered the upwind area of Yichang，the three gorges reservoir areas along the coast where pollutant accumulated，the receptor sensitive areas including the central urban area and county towns，forest parks，nature reserves and scenic spots.The inline area of atmospheric red line was about 3537.59 km2in total，as 16.65% of the whole city.

Yichang；Environmental Master Planning；Atmospheric red lines；CALPUFF

武衛(wèi)玲，助理研究員，主要從事環(huán)境規(guī)劃、衛(wèi)星遙感反演等方面的研究

薛文博，博士，副研究員，主要研究方向為空氣質量模型、排放清單、環(huán)境衛(wèi)星遙感及大氣污染控制對策等

X823

A

1673-288X(2016)06-0182-04

項目資助：項目得到宜昌市人民政府委托宜昌環(huán)境總體規(guī)劃研究資助

引用文獻格式：武衛(wèi)玲 等.宜昌市大氣環(huán)境紅線研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：182-185.