環(huán)境科學(xué)技術(shù)及資源科學(xué)技術(shù)

VOC/SVOC

郭觀林，王世杰，施烈焰，等

環(huán)境科學(xué)技術(shù)及資源科學(xué)技術(shù)

基于特征場(chǎng)地的VOC/SVOC污染土壤環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)分析

郭觀林，王世杰，施烈焰，等

目的：近年來(lái)，由工業(yè)企業(yè)搬遷、停產(chǎn)和倒閉所遺留的場(chǎng)地已成為我國(guó)污染場(chǎng)地中的重要類型，由于污染場(chǎng)地對(duì)人體和周邊環(huán)境存在潛在危害，對(duì)污染場(chǎng)地開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指已越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本研究選擇我國(guó)某典型化工污染場(chǎng)地為對(duì)象，按照國(guó)際通用的場(chǎng)地環(huán)境評(píng)估方法，在完成背景調(diào)查和污染判定基礎(chǔ)上開(kāi)展環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析。研究過(guò)程中采用背景調(diào)查、采樣分析、模型描述和專家咨詢等手段相結(jié)合，對(duì)場(chǎng)地中污染物的類型、濃度、遷移途徑和健康風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行分析，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)疊加、污染物遷移模式選擇、暴露因子確定和模型參數(shù)變化等問(wèn)題進(jìn)行討論，可為我國(guó)相同類型化工污染場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供理論和技術(shù)依據(jù)。方法：用Geoprobe鉆機(jī)采樣方法獲取對(duì)污染場(chǎng)地土壤樣品，分析土壤樣品中的基本物理化學(xué)參數(shù)、有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物濃度。構(gòu)建場(chǎng)地概念模型，根據(jù)EPA致癌物質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，確定污染物類型和毒性參數(shù)，根據(jù)樣品分析檢測(cè)結(jié)果，在確定污染場(chǎng)地污染源后，選擇直接攝入污染土壤、經(jīng)皮膚接觸污染土壤而吸收土壤中污染物和通過(guò)呼吸系統(tǒng)吸入土壤粉塵和揮發(fā)物中所含的污染物三中暴露途徑，計(jì)算場(chǎng)地作為居住用地的表層土壤室外、亞表層土壤的健康風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)對(duì)于場(chǎng)地土壤中污染物的非致癌性風(fēng)險(xiǎn)采用危害商進(jìn)行表述。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中暴露因子主要參考美國(guó)和歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，因區(qū)域的分異性和人群特征的差別，同時(shí)根據(jù)場(chǎng)地特征參數(shù)進(jìn)行修正和補(bǔ)充，污染物的毒性參數(shù)主要來(lái)源于美國(guó)環(huán)保局綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)（IRIS）。結(jié)果：場(chǎng)地中6種污染物的致癌性風(fēng)險(xiǎn)均能對(duì)目標(biāo)受體均能造成較大的致癌風(fēng)險(xiǎn)，這些污染物在各取樣點(diǎn)位的致癌風(fēng)險(xiǎn)，大部分采樣點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)范圍在10-6～10-1之間。高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)＞10-2，結(jié)合原化工企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)歷史和工藝布局，這些點(diǎn)位為工業(yè)垃圾堆放和原材料庫(kù)存點(diǎn)。同一點(diǎn)位不同污染物的污染有伴生現(xiàn)象，這些污染集中點(diǎn)位產(chǎn)生的高污染對(duì)目標(biāo)受體會(huì)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)疊加的后果。結(jié)論：通過(guò)對(duì)污染場(chǎng)地中VOC/SVOC的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果表明由于長(zhǎng)期化工生產(chǎn)活動(dòng)影響，目標(biāo)場(chǎng)地已受到四氯化碳、四氯乙烯、五氯乙烷、六氯丁二烯、六氯乙烷和六氯苯等有機(jī)物污染。污染場(chǎng)地由于土地使用功能發(fā)生改變，場(chǎng)地中6種VOC/SVOC在部分區(qū)域已經(jīng)造成嚴(yán)重的健康威脅，對(duì)場(chǎng)地上活動(dòng)的人群產(chǎn)生了較高的致癌風(fēng)險(xiǎn)。以人體和環(huán)境健康為基礎(chǔ)的場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)能保證場(chǎng)地開(kāi)發(fā)的環(huán)境安全，能確保場(chǎng)地活動(dòng)受體的健康要求。

來(lái)源出版物：環(huán)境科學(xué), 2010, 31(2)： 397-402

入選年份：2015

城市工業(yè)污染場(chǎng)地：中國(guó)環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的新課題

廖曉勇，崇忠義，閻秀蘭，等

摘要：目的：城市工業(yè)污染場(chǎng)地是中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)和城市布局調(diào)整過(guò)程中出現(xiàn)的新環(huán)境問(wèn)題，制約著城市土地資源的安全再利用，并威脅著周邊居民的身體健康。但污染場(chǎng)地修復(fù)在中國(guó)還屬新興領(lǐng)域，尚未有很好的基礎(chǔ)積累和技術(shù)儲(chǔ)備，更缺乏系統(tǒng)有效的解決方案。本文將分析中國(guó)城市工業(yè)污染場(chǎng)地的空間分布特征，評(píng)估修復(fù)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景，并在比較歐美國(guó)家先進(jìn)土壤修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)情提出污染場(chǎng)地修復(fù)的發(fā)展方向，以期為中國(guó)污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及政府決策提供借鑒。方法：首先，通過(guò)收集《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒2009》《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒2008年》《中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒2009》及《中國(guó)環(huán)境年鑒（2002—2009）》中的有關(guān)數(shù)據(jù)，分析了中國(guó)城市工業(yè)場(chǎng)地的空間分布特征，包括：中國(guó)城市工業(yè)企業(yè)及市轄區(qū)的企業(yè)空間分布特征、重污染行業(yè)企業(yè)的空間分布特征、各省（市、區(qū)）“關(guān)、停、并、轉(zhuǎn)、遷”企業(yè)數(shù)變化情況。其次，通過(guò)收集近年來(lái)我國(guó)在城市工業(yè)污染場(chǎng)地方面的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)與新聞報(bào)道，分析了中國(guó)城市工業(yè)場(chǎng)地污染特征及污染研究現(xiàn)狀。最后，基于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)文獻(xiàn)，分析了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程、以及目前城市工業(yè)污染場(chǎng)地中常見(jiàn)的修復(fù)技術(shù)。結(jié)果：中國(guó)城市工業(yè)場(chǎng)地的空間分布特征：（1）2008年，中國(guó)城市工業(yè)企業(yè)數(shù)近37.51萬(wàn)個(gè)，其中分布于市轄區(qū)的企業(yè)數(shù)占48.52%；廣東省、浙江、江蘇、上海和山東省的市轄區(qū)工業(yè)企業(yè)數(shù)均超過(guò)1萬(wàn)個(gè)。（2）重污染行業(yè)的企業(yè)占到我國(guó)規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)數(shù)近12.53%，石油化工及煉焦工業(yè)、醫(yī)藥制造規(guī)模以上企業(yè)數(shù)最多的省份分別是遼寧省和山東省，而化學(xué)原料及化學(xué)制品制造和金屬冶煉及壓延加工工業(yè)規(guī)模以上企業(yè)數(shù)最多的省份均是江蘇省。中國(guó)城市工業(yè)場(chǎng)地污染特征及污染研究現(xiàn)狀研究結(jié)果表明：（1）相關(guān)研究多集中在表層土壤污染的調(diào)查研究；（2）重金屬和PAHs污染的研究較多；（3）開(kāi)始關(guān)注城市搬遷工業(yè)場(chǎng)地的修復(fù)工作。通過(guò)對(duì)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)的研究，結(jié)果表明：（1）在歐洲，43%的污染場(chǎng)地采取了原位修復(fù)技術(shù)（生物、物理/化學(xué)、熱處理技術(shù)），而采用異位修復(fù)技術(shù)（生物、物理/化學(xué)、熱處理技術(shù)）的污染場(chǎng)地占42%；（2）美國(guó)超級(jí)基金計(jì)劃所實(shí)施的場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)是世界各國(guó)了解最新場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)變化的重要窗口，其2002—2005年財(cái)政年度中，60%的污染源處理工程項(xiàng)目采用的是原位修復(fù)技術(shù)；（3）污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)是決定污染場(chǎng)地修復(fù)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其選擇不僅受工業(yè)場(chǎng)地污染特征的影響，還受到政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多種因素影響。目前用于城市工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)的常見(jiàn)技術(shù)主要有土壤氣相抽提/生物通風(fēng)、原位化學(xué)氧化技術(shù)、熱脫附技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)、淋洗技術(shù)等。結(jié)論：我國(guó)城市工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)蘊(yùn)含著巨大的市場(chǎng)需求，然而，針對(duì)污染場(chǎng)地的修復(fù)技術(shù)及相關(guān)工程應(yīng)用則剛剛起步。應(yīng)該在借鑒國(guó)外成熟修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，從中國(guó)場(chǎng)地污染特征、國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國(guó)家科研水平以及現(xiàn)階段技術(shù)儲(chǔ)備等多方面綜合考慮修復(fù)技術(shù)的選擇和發(fā)展方向。應(yīng)該做到：（1）發(fā)展高效、廉價(jià)、綠色和低能耗的修復(fù)技術(shù)；（2）應(yīng)用多種修復(fù)技術(shù)集成的解決方案治理土壤污染；（3）研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的修復(fù)設(shè)備；（4）將污染場(chǎng)地的土壤及地下水作為有機(jī)整體設(shè)計(jì)修復(fù)方案。

來(lái)源出版物：環(huán)境科學(xué), 2011, 32(3)： 784-794

入選年份：2014

水稻秸稈生物碳的結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)有機(jī)污染物的吸附性能

陳再明，陳寶梁，周丹丹

摘要：目的：生物碳是生物質(zhì)裂解形成的富碳產(chǎn)物，具有特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在土壤固碳減排和污染土壤修復(fù)中具有巨大的應(yīng)用潛力，引起了國(guó)際土壤和環(huán)境領(lǐng)域的極大關(guān)注。水稻秸稈是農(nóng)業(yè)廢棄物的重要組成部分，在我國(guó)產(chǎn)量巨大，但利用效率不高，尋找秸稈的資源化利用新方法是值得研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本研究主要探討生物碳的結(jié)構(gòu)特征、吸附性能、作用機(jī)制及構(gòu)-效關(guān)系，試圖為高效利用廢棄農(nóng)業(yè)秸稈資源、制備性能優(yōu)異的生物碳吸附材料、用于有機(jī)污染物的控制提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。方法：以水稻秸稈為原料，采用低溫限氧裂解法在100～700℃溫度下制備了秸稈生物碳（標(biāo)記RC100～RC700）；用熱重分析（TG-DTG）、元素分析（CHNO）、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、BET-N2比表面及孔徑分析等手段，表征生物碳的組成、結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)；采用批量平衡法，研究生物碳吸附水中硝基苯、對(duì)硝基甲苯、萘、菲等有機(jī)污染物的性能及影響因素；采用等溫吸附曲線分解法，定量描述分配作用和表面吸附的相對(duì)貢獻(xiàn)，探討有機(jī)污染物-生物碳的相互作用機(jī)制及構(gòu)-效關(guān)系。結(jié)果：（1）生物碳結(jié)構(gòu)特征的演變規(guī)律：水稻秸稈生物碳含有豐富的有機(jī)碳組分和無(wú)機(jī)礦物組分。隨著裂解溫度升高，生物碳產(chǎn)率逐漸下降，即83.8%（RC100）下降為26.1%（RC700）；生物碳中灰分則不斷積累，即從4.55%（RC100）上升為60%（RC600～RC700）；生物碳中有機(jī)組分的碳含量逐漸升高，有機(jī)組分的原子比H/C、O/C和（N+O）/C則逐漸減小，表明水稻秸稈的熱裂解是一個(gè)碳富集、芳香性增強(qiáng)、而親水性和極性減弱的過(guò)程。當(dāng)裂解溫度從300℃升至400℃時(shí)，比表面積突然增大（0.16→110.0 m2/g）、微孔結(jié)構(gòu)被打開(kāi)，主要由于水稻秸稈中纖維素組分大量分解所致。（2）生物碳的吸附性能及作用機(jī)理：水稻秸稈生物碳吸附有機(jī)污染物的等溫吸附曲線符合Freundlich方程，回歸參數(shù)N、logKf與生物碳的芳香性指數(shù)（H/C原子比）呈良好的線性關(guān)系。生物碳中的有機(jī)組分是吸附有機(jī)污染物的主要介質(zhì)。水中硝基苯在水稻秸稈生物質(zhì)（RC100）上的等溫吸附曲線呈良好的線性關(guān)系（Freundlich N指數(shù)＝1），主要吸附機(jī)制為有機(jī)污染物在水-生物質(zhì)之間的分配作用；而隨著碳化溫度升高，秸稈生物碳等溫吸附曲線的非線性增強(qiáng)，N指數(shù)逐漸下降，意味著表面吸附和分配作用可能在硝基苯的吸附中都有重要貢獻(xiàn)。為此，采用等溫吸附曲線分解法定量描述分配作用和表面吸附的作用的相對(duì)貢獻(xiàn)，硝基苯在生物碳上的吸附隨著碳化溫度升高逐漸由分配作用為主導(dǎo)（RC200～RC300）過(guò)渡到以表面吸附為主導(dǎo)（RC400～RC700）。生物碳的吸附性能與其制備的生物質(zhì)來(lái)源關(guān)系密切。（3）生物碳吸附作用的構(gòu)-效關(guān)系：分配作用部分與有機(jī)污染物的logKow呈正相關(guān)，而表面吸附則與污染物的疏水性、分子尺寸及其與生物碳的極性匹配性有關(guān)。有機(jī)污染物在生物碳RC300上的吸附作用隨其疏水性（Kow）的增大而增大，即菲＞萘＞對(duì)硝基甲苯＞硝基苯。菲、萘、對(duì)硝基甲苯和硝基苯的分配系數(shù)（logKp）分別為4.94、3.49、2.50、1.80，與化合物的辛醇-水分配系數(shù)（logKow）呈良好的線性正相關(guān)，表明水稻生物碳RC300上可能存在理想的分配吸附介質(zhì)。有機(jī)碳標(biāo)化的分配系數(shù)（Koc＝Kp/foc）是相應(yīng)化合物Kow值的2.1～7.2倍，表明RC300上存在的分配介質(zhì)的吸附能力強(qiáng)于辛醇相的作用。隨著化合物分子面積或分子體積增大，其最大表面吸附量急劇下降。硝基苯在RC400、RC500、RC600和RC700上比表面積標(biāo)化的最大表面吸附量QmaxA,SA值（2.24～4.81 μmol·m-2）與單層平鋪理論計(jì)算值QmaxA,mn（2.68 μmol·m-2）基本相當(dāng)，表明表面覆蓋（surface coverage）是高溫碳化秸稈生物碳主要的表面吸附機(jī)制；而低溫秸稈生物碳的QmaxA,SA值（RC200、RC300分別為243）2742 μmol·m-2）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于QmaxA,mn值，表明除了表面覆蓋外還存在其它類型的表面吸附機(jī)制，如多層平鋪、毛細(xì)管現(xiàn)象或內(nèi)孔填充作用等。結(jié)論：水稻秸稈生物碳具有復(fù)雜的組成和結(jié)構(gòu)，可通過(guò)炭化溫度進(jìn)行調(diào)控；生物碳對(duì)水中有機(jī)污染物具有優(yōu)異的吸附性能，其作用機(jī)理及構(gòu)-效關(guān)系可調(diào)；研究結(jié)果為廢棄秸稈生物質(zhì)定向轉(zhuǎn)化為生物碳環(huán)境友好吸附材料提供理論依據(jù)。

來(lái)源出版物：環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(1)： 42997

入選年份：2014

環(huán)首都圈霾和霧的長(zhǎng)期變化特征與典型個(gè)例的近地層輸送條件

吳兌，廖碧婷，吳蒙，等

摘要：目的：氣溶膠粒子對(duì)大氣輻射傳輸和水循環(huán)均有重要的影響（羅云峰等，1998）。氣溶膠對(duì)氣候變化、云的形成、能見(jiàn)度的改變、環(huán)境質(zhì)量變化、大氣微量成分的循環(huán)及人類健康有著重要影響。工業(yè)化以來(lái)，人類活動(dòng)直接向大氣排放大量粒子和污染氣體，污染氣體通過(guò)非均相化學(xué)反應(yīng)亦可轉(zhuǎn)化形成氣溶膠粒子。1999年歐美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在亞洲南部上空經(jīng)?；\罩著一層3 km厚的棕色氣溶膠云，并稱其為亞洲棕色云（Ramanathanet al.，2002），也將其稱為灰霾天氣（吳兌等，2006a；2006b；2007，2012；Wuet al.，2005；2009。），其組成主要包括：黑碳、粉塵、硫酸鹽、銨鹽、硝酸鹽、有機(jī)碳等，后來(lái)發(fā)現(xiàn)各大洲都存在類似現(xiàn)象，因而又將其稱為大氣棕色云。氣溶膠因其重要的環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題：大氣污染，而令人廣泛關(guān)注。大氣污染也是當(dāng)前大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家在城市化、工業(yè)化過(guò)程中普遍面臨的一個(gè)難題。Schichtel和Doyle曾分別分析了美國(guó)和英國(guó)霾與能見(jiàn)度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)（Schichtelet al.，2001；Doyleet al.，2002）。環(huán)首都圈的京津冀晉作為近30年全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)之一，也是國(guó)內(nèi)氣溶膠導(dǎo)致大氣污染相當(dāng)嚴(yán)重的區(qū)域之一。這里聚集了北京、天津、唐山、石家莊、太原這樣擁有數(shù)百萬(wàn)以上人口的國(guó)際化城市和幾十個(gè)人口在幾十萬(wàn)左右的中等城市，在大量土地被工業(yè)化利用、植被減少、交通工具迅猛增加、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)工廠蓬勃發(fā)展的情況下，這一地區(qū)頻繁發(fā)生的大氣污染事件已經(jīng)引起政府和公眾的廣泛關(guān)注。尤其是2011年入秋之后，連續(xù)兩年出現(xiàn)了嚴(yán)重的霾天氣過(guò)程?？諝馕廴静粌H對(duì)居民的身體健康構(gòu)成威脅，而且導(dǎo)致的能見(jiàn)度下降也給城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和市民生活帶來(lái)顯著影響，并使一個(gè)地區(qū)或城市的景觀給人以很負(fù)面的形象，高頻多發(fā)的惡劣能見(jiàn)度事件對(duì)其有非常不利的影響，當(dāng)?shù)卣矊⒚媾R改善空氣質(zhì)量、美化城市景觀的艱巨任務(wù)。而進(jìn)行環(huán)境影響因子和合理的改善措施建議的研究關(guān)系到京津冀晉整個(gè)地區(qū)城市群的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。在京津冀地區(qū)有大量關(guān)于與氣溶膠相關(guān)聯(lián)的區(qū)域污染的研究成果（徐祥德等，2002；郝吉明等，2005；張遠(yuǎn)航等，1998；賀克斌等，2009；王自發(fā)等，2008；胡敏等，2005；王躍思等，2002；朱彤等，2010；葛茂發(fā)等，2009；牟玉靜等，2003；柴發(fā)合等，2006；張仁健等，2003；邵敏等，2005；張小曳等，2012；張小玲等，2010；劉偉東等，2010；趙普生等，2012；趙秀娟等，2013），尤其是任陣海在分析北京地區(qū)重污染形勢(shì)的形成原因時(shí)明確指出了太行山與燕山對(duì)顆粒物污染的聚集作用（任陣海等，2004）。蘇福慶等認(rèn)為太行山前西南風(fēng)是北京邊界層外來(lái)污染物的輸送通道之一（蘇福慶等，2004）。徐祥德認(rèn)為，北京地區(qū)污染的來(lái)源不僅有本地排放源，而且周邊地區(qū)（河北、山西、天津、唐山等）也有相當(dāng)?shù)挠绊懀本┦屑捌渲苓叺貐^(qū)大氣污染物遷移、轉(zhuǎn)化、擴(kuò)散影響及其總體效應(yīng)，是調(diào)控首都經(jīng)濟(jì)圈區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量水平的“瓶頸”問(wèn)題（徐祥德等，2002；2004）。朱凌云通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)也得到了山西排放的氣溶膠可以影響北京的結(jié)果（朱凌云，2007）。但未見(jiàn)該地區(qū)20年以上顆粒物污染長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的分析，對(duì)于典型個(gè)例的近地層輸送特征也需要使用新工具進(jìn)一步深入分析。為了解過(guò)去60年該區(qū)域霾和霧的長(zhǎng)期變化特征，本文使用環(huán)首都圈京津冀晉長(zhǎng)期的能見(jiàn)度等氣象資料分析其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，討論能見(jiàn)度惡化的原因。亦使用時(shí)間空間矢量和工具分析了典型個(gè)例的近地層輸送特征。方法：本文主要使用了環(huán)首都圈京津冀晉氣象臺(tái)站1954—2012年的能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、天氣現(xiàn)象資料，原始資料是每天4時(shí)次（夜間守班站）或者3時(shí)次（夜間不守班站）。和2013年1月518個(gè)稠密自動(dòng)氣象站的風(fēng)向與風(fēng)速資料。定義當(dāng)日均能見(jiàn)度小于10 km，日均相對(duì)濕度小于90%，并排除降水等其它能導(dǎo)致低能見(jiàn)度事件的情況為一個(gè)出現(xiàn)霾的日子；日均能見(jiàn)度小于10 km，日均相對(duì)濕度大于90%，并排除降水等其它能導(dǎo)致低能見(jiàn)度事件的情況為一個(gè)出現(xiàn)霧的日子（Schichtelet al.，2001；Doyle et al.，2002；吳兌，2005；2006；2008a；2008b）。本文對(duì)近地層風(fēng)求一定范圍一段時(shí)間內(nèi)的矢量和，是為了更清晰的了解一段時(shí)間內(nèi)環(huán)首都圈近地層空氣流動(dòng)的總合效果，從而更為直觀的分析近地層風(fēng)對(duì)霾天氣的影響。近地層風(fēng)的矢量和分布圖是一定范圍n個(gè)小時(shí)風(fēng)的矢量和分布，其具體方法是，首先分別對(duì)自動(dòng)氣象站逐時(shí)風(fēng)資料進(jìn)行客觀分析，即先把逐時(shí)u、v分量的原始資料經(jīng)客觀分析插值到網(wǎng)格點(diǎn)上，其中，客觀分析采用了Cressman逐步訂正法，分析范圍是109.0°E～120.0°E，33.0°N～43.0°N，網(wǎng)格大小為0.05°×0.05°經(jīng)緯度。分析過(guò)程中風(fēng)場(chǎng)資料經(jīng)過(guò)了基本的資料預(yù)處理，去除野點(diǎn)后再分別對(duì)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的逐時(shí)u、v資料按照吳兌的方案5點(diǎn)求和作為每個(gè)格點(diǎn)上周圍小區(qū)域內(nèi)的水平空間矢量和，最后把每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上n個(gè)小時(shí)的水平空間矢量和再進(jìn)行加和，成為風(fēng)的n小時(shí)累積水平空間矢量和。矢量和分布圖中的每一個(gè)風(fēng)矢代表了n個(gè)小時(shí)大約60 km2范圍內(nèi)空氣流動(dòng)的總合效果（吳兌等，2008）。風(fēng)的矢量和分布圖與風(fēng)的平均流場(chǎng)圖的物理意義不同。風(fēng)的n小時(shí)累積水平空間矢量和分布圖表示小區(qū)域某段時(shí)間內(nèi)當(dāng)?shù)乜諝饬鲃?dòng)的累積效應(yīng)，而風(fēng)的平均流場(chǎng)圖表示的是某段時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)的平均情況。結(jié)果：為環(huán)首都圈京津冀晉過(guò)去60余年霾日的區(qū)域分布圖，可以看到，在1950—1960年代，區(qū)域內(nèi)霾日非常少，1970年代開(kāi)始增多，1980年代以后明顯增多，并形成幾個(gè)霾日集中區(qū)，比較明顯的是邯鄲—邢臺(tái)—石家莊—保定—北京—天津的帶狀分布，與任陣海等指出沿太行山東側(cè)的污染帶分布相一致（任陣海，2004）。還有太原及以南的帶狀分布，最為嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在1996—2000年，2000年以后有一定減少。圖3是北京過(guò)去近60年霾日與霧（輕霧）日的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)圖，我們看到1950年代霾日比較多，最多達(dá)到1年有160 d以上霾日，與同期沙塵天氣偏多相關(guān)聯(lián)，這主要與周邊地區(qū)的揚(yáng)沙有關(guān)，隨著在首都周邊地區(qū)的大規(guī)模植樹(shù)造林，尤其是在西部永定河流域和北部山區(qū)及河北、內(nèi)蒙古的壩上地區(qū)的植樹(shù)造林，以及北京城區(qū)道路硬化改造，到1967年，霾日已經(jīng)減少到1年不足10 d，治理?yè)P(yáng)沙和浮塵的效果顯著；1970年代以后北京的能見(jiàn)度急劇惡化導(dǎo)致霾日迅速增加，到1980年代初增加到220 d以上，一直到1999年前后北京的霾日維持在每年160～200 d左右；2000年以后到北京奧運(yùn)會(huì)前后，霾日持續(xù)下降，到2010年霾日僅有56 d，2012年有所反彈，增加到91 d。同期我們看到，霧（輕霧）日在60余年中沒(méi)有明顯的趨勢(shì)性變化，反映了年季和年代季的氣候波動(dòng)（吳兌等，2010）。北京不同月份霾日和霧（輕霧）日的長(zhǎng)期變化特征，一個(gè)突出的特點(diǎn)是除去采暖季有較多的霾日外，在盛夏季節(jié)霾日也明顯多，集中出現(xiàn)在6—9月，尤其是盛夏季節(jié)的7—8月，與所謂的桑拿天同期出現(xiàn)，這與全國(guó)大部分城市的變化趨勢(shì)完全不同（吳兌等，2010），可能與盛夏季節(jié)華北平原特殊的邊界層結(jié)構(gòu)，和在高濕度背景下氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)使得消光明顯增加造成能見(jiàn)度明顯惡化有關(guān)，值得深入研究。圖5為環(huán)首都圈京津冀晉代表性城市過(guò)去60余年霾天和霧（輕霧）出現(xiàn)的天數(shù)。我們看到，華北北部的張家口和唐山霾日較少，除去個(gè)別年份霾日均不超過(guò)每年50 d；天津在1980—1990年代霾日較多，最多可達(dá)每年250 d以上，本世紀(jì)霾日緩慢增加，近年達(dá)到100 d以上，較北京明顯偏多；塘沽近10余年的情況與天津類似；太原自1970年代以來(lái)，霾日呈穩(wěn)步增加趨勢(shì)，近年已經(jīng)超過(guò)每年200 d；保定在1980年代曾經(jīng)出現(xiàn)霾日峰值，接近每年300 d，近年維持在每年100—150 d左右；石家莊霾日自1970年代開(kāi)始增加，至1990年代末期達(dá)到峰值，每年有霾日200余天，本世紀(jì)呈下降趨勢(shì)，2012年霾日不足50 d；邢臺(tái)霾日也是自1970年代開(kāi)始增加，1980—2004年長(zhǎng)期維持高位震蕩，每年霾日超過(guò)300余天，而后開(kāi)始明顯下降。以上各地的霧（輕霧）日均沒(méi)有明顯的趨勢(shì)性變化，反映了年季和年代季的氣候波動(dòng)?？傮w來(lái)看，是華北南部霾日明顯多于北部，不同城市之間在趨勢(shì)上可以看到明顯差異，重霾日段出現(xiàn)的年份也不一樣，造成這種差異的原因與其所處的地理位置與污染物排放強(qiáng)度都有關(guān)系。當(dāng)然，中長(zhǎng)期天氣氣候背景的波動(dòng)也會(huì)對(duì)能見(jiàn)度的變化產(chǎn)生影響，但這個(gè)問(wèn)題非常復(fù)雜，研究難度很大。以上分析在有所體現(xiàn)，而且還發(fā)現(xiàn)京津冀晉各個(gè)城市的一個(gè)突出的特點(diǎn)是除去采暖季有較多的霾日外，在盛夏季節(jié)霾日也明顯多，集中出現(xiàn)在6—9月，尤其是盛夏季節(jié)的7—8月，與所謂的桑拿天同期出現(xiàn)，與前面分析北京的情況類似。2013年1月北京霾日數(shù)較常年異常偏多，顯著特點(diǎn)是連續(xù)出現(xiàn)霾的持續(xù)過(guò)程次數(shù)多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。1月，北京共出現(xiàn)4次持續(xù)時(shí)間超過(guò)3 d（含3 d）的霾天氣過(guò)程，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一次過(guò)程是1月10—14日，連續(xù)5 d出現(xiàn)霾天氣，12日最小能見(jiàn)度不足500 m，僅為350 m?？梢钥吹剑本?月份能見(jiàn)度最差共有3個(gè)階段，即10—14日，18—23日，27—31日。能見(jiàn)度最低僅有200 m，出現(xiàn)于2013年1月29日的02時(shí)和05時(shí)；其間除31日短暫時(shí)間外相對(duì)濕度均低于90%，是3個(gè)典型的霾天氣過(guò)程。能見(jiàn)度最高的時(shí)段出現(xiàn)于2013年1月1—3日，可以作為清潔對(duì)照過(guò)程。同期在黃淮海平原、長(zhǎng)江三角洲亦出現(xiàn)了嚴(yán)重的霾天氣過(guò)程。最長(zhǎng)的持續(xù)近20 d。利用京津冀晉近地層自動(dòng)站網(wǎng)的風(fēng)向風(fēng)速資料，采用矢量和方法分析2013年1月華北四省區(qū)域近地層流場(chǎng)特征。通過(guò)圖8 3個(gè)霾過(guò)程和一個(gè)清潔過(guò)程的矢量和可以看出，霾過(guò)程的發(fā)生和矢量和的大小存在較為明顯的正相關(guān)關(guān)系?？煽闯觯?0—14日，18—23日，27—31日三個(gè)霾過(guò)程中，在華北平原均出現(xiàn)明顯的氣流停滯區(qū)，華北四省市大部處于氣流停滯區(qū)中，區(qū)域矢量和很小，不利于空氣中污染物的水平擴(kuò)散，導(dǎo)致了1月份華北四省市多次出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間久的嚴(yán)重霾過(guò)程。而從圖8（d）可以看到，該期華北地區(qū)冷空氣活動(dòng)比較頻繁，1—3日，華北四省市尤其是北京地區(qū)受明顯的西北氣流影響，風(fēng)矢量和為較一致的偏北方向，72 h區(qū)域矢量和較大，尤其在北京小平原風(fēng)矢量和風(fēng)速較大，水平擴(kuò)散條件較好，不利于污染物的積累，較利于污染物的擴(kuò)散，對(duì)應(yīng)同期能見(jiàn)度較高，空氣質(zhì)量較好。分別具體給出了以上四個(gè)過(guò)程的區(qū)域平均矢量和，可以看到1月1—3日清潔過(guò)程的矢量和高達(dá)596.53 m/s，為霾過(guò)程區(qū)域平均矢量和的2～2.5倍。可看出華北四省市區(qū)域矢量和與北京能見(jiàn)度的時(shí)間變化趨勢(shì)較為一致，能見(jiàn)度與區(qū)域風(fēng)場(chǎng)矢量和風(fēng)速呈明顯的正相關(guān)。圖中的紅色虛線處的能見(jiàn)度為10 km，對(duì)應(yīng)區(qū)域矢量和日均值為100 m/s左右，說(shuō)明當(dāng)華北四省市區(qū)域矢量和日均值小于100 m/s時(shí)，北京地區(qū)較容易出現(xiàn)霾天氣過(guò)程。依據(jù)2013年1月典型霾天氣過(guò)程近地層流場(chǎng)，總結(jié)了環(huán)首都圈霾天氣過(guò)程的近地層輸送概念模型，所示：津冀西側(cè)、北側(cè)靠山、東鄰渤海，尤其是北京小平原三面環(huán)山。太行山、燕山和軍都山形成的“弓狀山脈”對(duì)冷空氣活動(dòng)起到了阻擋和削弱作用，導(dǎo)致山前暖區(qū)空氣流動(dòng)性較小形成氣流停滯區(qū)、污染物和水汽容易聚集從而有利于霾和霧的形成。由于受太行山的阻擋和背風(fēng)坡氣流下沉作用的影響，使得沿北京、保定、石家莊、邢臺(tái)和邯鄲一線的污染物不易擴(kuò)散，形成一條西南—東北走向的高污染帶；山西省的高濃度污染物亦在低空偏南氣流輸送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河—拒馬河河谷向北京輸送，任陣海、徐祥德等在分析周邊地區(qū)包括山西大氣污染物向北京輸送時(shí)也指出了類似的輸送通道（任陣海等，2004；徐祥德，2002；徐祥德等，2004；王自發(fā)等，2008；牛仁亮等，2006；蘇福慶等，2004；顏鵬等，2002；張志剛等，2004；朱凌云等，2007）。河北中南部與山西諸河谷的累積污染帶疊加近地層輸送流場(chǎng)是造成北京嚴(yán)重霾天氣過(guò)程的重要原因之一。此外，在山谷風(fēng)、城市熱島環(huán)流和海陸風(fēng)環(huán)流的共同影響下，環(huán)首都圈低層大氣環(huán)流具有特殊性，因此污染物的輸送過(guò)程也較復(fù)雜，值得進(jìn)一步深入研究。結(jié)論：（1）在1950—1960年代，環(huán)首都圈京津冀晉四省市霾日極少，1970年代開(kāi)始增多，1980年代以后明顯增多，并形成幾個(gè)霾日集中區(qū)，比較明顯的是邯鄲—邢臺(tái)—石家莊—保定—北京—天津的帶狀分布，還有太原及以南的帶狀分布，最為嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在1996—2000年，2000年以后有減少趨勢(shì)。（2）北京1950年代霾日比較多，最多時(shí)年霾日有160 d以上，與同期沙塵天氣偏多相關(guān)聯(lián)，主要與周邊地區(qū)的揚(yáng)沙有關(guān)，隨著在首都周邊地區(qū)的大規(guī)模植樹(shù)造林，尤其是在西部永定河流域和北部山區(qū)及河北、內(nèi)蒙古的壩上地區(qū)的植樹(shù)造林，以及北京城區(qū)道路硬化改造，到1967年，霾日已經(jīng)減少到1年不足10 d，治理?yè)P(yáng)沙和浮塵的效果明顯；1970年代中后期北京能見(jiàn)度急劇惡化導(dǎo)致霾日迅速增加，到1980年代初增至220 d以上，到1999年北京的霾日維持在每年160～200 d左右；2000年后到北京奧運(yùn)會(huì)前后，霾日持續(xù)下降，到2010年霾日僅有56 d，2012年有所反彈，增加到91 d。（3）北京及華北地區(qū)霾日季節(jié)分布突出的特點(diǎn)是，除采暖季有較多的霾日外，在盛夏季節(jié)霾日也明顯偏多，出現(xiàn)在6—9月，尤其是盛夏季節(jié)的7—8月，與所謂的桑拿天同期出現(xiàn)。這與全國(guó)大部分城市的變化趨勢(shì)完全不同（吳兌等，2010），可能與盛夏季節(jié)華北平原特殊的邊界層結(jié)構(gòu)，造成在高濕度背景下氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)使得消光明顯增加使得能見(jiàn)度明顯惡化有關(guān)。（4）華北地區(qū)霾日有南部多于北部的顯著特點(diǎn)。北部張家口和唐山霾日較少，除個(gè)別年份霾日均不超過(guò)每年50 d；天津在1980—1990年代霾日較多，最多可達(dá)每年250 d以上，本世紀(jì)霾日緩慢增加，近年達(dá)到100 d以上，較北京明顯偏多；太原自1970年代以來(lái)，霾日呈穩(wěn)步增加趨勢(shì)，近年已超過(guò)每年200 d；保定在1980年代曾經(jīng)出現(xiàn)霾日峰值，接近每年300 d，近年維持在每年100—150 d左右；石家莊霾日自1970年代開(kāi)始增加，至1990年代末期達(dá)到峰值，每年有霾日200余天，本世紀(jì)呈下降趨勢(shì)，2012年霾日不足50 d；邢臺(tái)霾日也是自1970年代開(kāi)始增加，1980—2004年長(zhǎng)期維持高位震蕩，每年霾日超過(guò)300 d，而后開(kāi)始明顯下降。（5）霾過(guò)程的發(fā)生和矢量和的大小存在較明顯的正相關(guān)關(guān)系。霾過(guò)程中，華北平原均出現(xiàn)明顯的氣流停滯區(qū)，區(qū)域矢量和很小，不利于空氣中污染物的水平擴(kuò)散，導(dǎo)致了1月份華北4省市多次出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間久的嚴(yán)重霾過(guò)程。清潔過(guò)程時(shí)華北四省市尤其是北京地區(qū)受明顯的西北氣流影響，風(fēng)矢量和為較一致的偏北方向，區(qū)域矢量和較大，尤其在北京小平原風(fēng)矢量和明顯較大，水平擴(kuò)散條件較好，不利于污染物的積累，對(duì)應(yīng)同期能見(jiàn)度較高，空氣質(zhì)量較好。（6）華北4省市區(qū)域風(fēng)矢量和與北京能見(jiàn)度的時(shí)間變化趨勢(shì)相關(guān)明顯，能見(jiàn)度與區(qū)域風(fēng)矢量和呈明顯的正相關(guān)。（7）京津冀西、北側(cè)靠山、東鄰渤海，尤其是北京小平原三面環(huán)山，太行山、燕山和軍都山形成的“弓狀山脈”對(duì)冷空氣活動(dòng)起到阻擋和削弱作用，導(dǎo)致山前暖區(qū)空氣流動(dòng)性較小形成氣流停滯區(qū)，污染物和水汽容易聚集從而有利于霾和霧的形成。由于受太行山的阻擋和背風(fēng)坡氣流下沉作用的影響，使得沿北京、保定、石家莊、邢臺(tái)和邯鄲一線的污染物不易擴(kuò)散，形成一條西南—東北走向的高污染帶；山西省的高濃度污染物亦在低空偏南氣流輸送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河—拒馬河河谷向北京輸送。河北中南部與山西諸河谷的累積污染帶疊加近地層輸送流場(chǎng)是造成北京嚴(yán)重霾天氣過(guò)程的重要原因之一。

來(lái)源出版物：環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(1)： 1-11

入選年份：2014

中國(guó)人口分布的水資源限制性與限制度研究

封志明，楊艷昭，游珍

摘要：目的：水資源長(zhǎng)久以來(lái)就是制約中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸因素。水資源對(duì)中國(guó)人口分布的約束作用究竟有多大、時(shí)空分布與地域特征如何，由此成為亟待理清的科學(xué)問(wèn)題。本文立足于水資源對(duì)區(qū)域人口分布的限制與約束作用，采用水資源限制性與限制度來(lái)表征與量化區(qū)域人口分布與水資源之間的適應(yīng)關(guān)系。方法：本文以分縣為基本研究單元，采用水資源承載力計(jì)算模型與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將中國(guó)不同地區(qū)水資源承載水平劃分為人口超載、人水平衡和水量盈余3種類型，定量評(píng)價(jià)1949—2010年國(guó)家水平的水資源限制性，選取第五次和第六次人口普查年份為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，即2000年和2010年，定量評(píng)估中國(guó)分縣和分省尺度的水資源支持能力與保障水平，揭示中國(guó)水資源限制性的時(shí)空格局；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)水資源限制度模型，首先以分縣為基本單元，定量計(jì)算2000年和2010年中國(guó)分縣人口分布的水資源限制度，然后以分省和全國(guó)為匯總單元，采用自下而上的方法，匯總評(píng)價(jià)2000年和2010年中國(guó)分省和國(guó)家水平的水資源限制度，揭示中國(guó)人口分布的水資源限制度的數(shù)量特征、地域格局與變化規(guī)律。結(jié)果：中國(guó)人口分布的水資源限制性與限制度研究結(jié)果表明：（1）1949—2010年中國(guó)水資源承載力以水量盈余為主要特征，人水關(guān)系趨于緊張；從2000到2010年，中國(guó)人口分布的水資源限制度由30.66提升到35.25，中國(guó)人口分布的水資源限制度有所增強(qiáng)。（2）2000年和2010年，中國(guó)分省水資源承載力以水量盈余為主要特征；中國(guó)大部分省份人口分布的水資源限制度處于較低水平，但近10 a水資源限制性大多有所增強(qiáng)。（3）2000年和2010年，中國(guó)約有3/4左右的分縣單元基本不受水資源限制；中國(guó)基于分縣人口分布的水資源限制度整體較低，2010年與2000年相比，水資源限制性與限制度有所增強(qiáng)。（4）就空間分布來(lái)看，中國(guó)分省和分縣水資源限制性與限制度整體呈現(xiàn)出北部強(qiáng)于南部、泛黃河流域強(qiáng)于長(zhǎng)江流域的基本地理格局。結(jié)論：中國(guó)基于人口分布的水資源限制度整體較低，近10年來(lái)，中國(guó)水資源限制度有所增強(qiáng)。伴隨中國(guó)人口遷移流動(dòng)日趨活躍，人口聚集區(qū)對(duì)資源有著更強(qiáng)烈的需求，人類活動(dòng)引起的資源供需矛盾是實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本研究加深了人們對(duì)人口分布與水資源關(guān)系的認(rèn)識(shí)，有助于增強(qiáng)人們保護(hù)自然資源的意識(shí)，有利于制定相應(yīng)政策，以實(shí)現(xiàn)資源的有效配置以及人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)論，要從根本上降低中國(guó)人口分布的水資源限制度，在采取開(kāi)源與節(jié)流等多種措施增強(qiáng)區(qū)域水資源承載力的同時(shí)，必須引導(dǎo)人口由水資源超載地區(qū)向水資源盈余地區(qū)、由水資源承載力較弱地區(qū)向較強(qiáng)地區(qū)有序流動(dòng)，才能促進(jìn)中國(guó)不同地區(qū)的人口分布與資源環(huán)境承載力相協(xié)調(diào)。在人口高度集聚的城市地區(qū)，城市群建設(shè)與城市化發(fā)展必須優(yōu)化人口布局，關(guān)注區(qū)域水資源承載力與水資源保障問(wèn)題，充分考慮資源環(huán)境承載力跨區(qū)占用與流域水資源綜合管理問(wèn)題。

來(lái)源出版物：自然資源學(xué)報(bào), 2014, 29(10)： 1637-1648

入選年份：2014