區(qū)域復(fù)合型大氣污染時(shí)空擴(kuò)散及其聯(lián)防聯(lián)控策略研究

楊賀 劉金平

摘 要：近年來(lái)，以臭氧、大氣顆粒物（PM2.5和PM10）等為特征的區(qū)域復(fù)合型污染日益突出，體現(xiàn)出大氣污染的空間維度特征。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于區(qū)域復(fù)合型大氣污染研究基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)研究區(qū)域復(fù)合型大氣污染的時(shí)空擴(kuò)散特征、來(lái)源解析的研究框架：利用空間非嵌套方法優(yōu)化大氣污染的空間自相關(guān)模型，提出我國(guó)多個(gè)大氣重度污染集聚區(qū)域在不同季節(jié)不同時(shí)間的首要擴(kuò)散污染源，并應(yīng)制定合理的區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控政策。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物；污染源；空間自相關(guān)；區(qū)域分異；聯(lián)防聯(lián)控

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.06.086

1 引言

當(dāng)前我國(guó)大氣環(huán)境形勢(shì)十分嚴(yán)峻，區(qū)域內(nèi)空氣重污染現(xiàn)象、大范圍同時(shí)出現(xiàn)的頻次日益增多，嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，威脅人民群眾身體健康，給現(xiàn)行環(huán)境管理模式帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。由于大氣污染物傳輸并不遵守行政邊界，而是在空間上擴(kuò)散遷移并呈現(xiàn)出區(qū)域性，城市間大氣污染相互影響越來(lái)越顯著，尤其是在工業(yè)化和城市化水平較高的城市群較明顯。大氣污染的控制不能僅局限于單獨(dú)的地區(qū)，而應(yīng)該打破行政區(qū)劃的界限。在我國(guó)大氣污染日益加劇的今天，如何界定大氣環(huán)境功能區(qū)域的動(dòng)態(tài)時(shí)空范圍和確定區(qū)域大氣污染物的首要來(lái)源就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的分析方法建立在城市之間的大氣污染物相互獨(dú)立不相關(guān)的前提假設(shè)，并缺乏考慮空間維度特征，空氣污染傳播受到風(fēng)速、溫度、濕度等多重因素影響，致使大氣污染的空間維度特征常常被環(huán)境學(xué)家和生態(tài)學(xué)家所忽略，所以得出的各種結(jié)果和推論也缺乏應(yīng)有的解釋力。因此，綜合環(huán)境統(tǒng)計(jì)學(xué)、地理科學(xué)和大氣科學(xué)等多學(xué)科理論，利用空間非嵌套方法優(yōu)化大氣污染的空間自相關(guān)模型，添加時(shí)間滯后系數(shù)，更準(zhǔn)確地測(cè)算大氣污染的溢出邊界和遷移路徑，揭示空間擴(kuò)散規(guī)律和動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，為防治區(qū)域復(fù)合型大氣污染問(wèn)題和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

近些年來(lái)，在國(guó)際上對(duì)大氣污染物來(lái)源及排放的時(shí)空變異研究比較活躍。主要有：采用多種空氣污染物的綜合評(píng)判的方法，給出了一種新的空氣污染指數(shù)（API）體系，并將此空氣污染指數(shù)（API）與美國(guó)環(huán)保局的污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)（PSI）進(jìn)行了對(duì)比（Neha Khanna，2000）；通過(guò)聚類分析的方法對(duì)雅典周圍8個(gè)地區(qū)的可吸入顆粒物濃度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)離城區(qū)較遠(yuǎn)的4個(gè)地區(qū)的空氣污染物主要來(lái)自其周圍的重污染地區(qū)，并且以二次氣溶膠為主，然而離城區(qū)較近的4個(gè)地區(qū)的空氣污染物主要來(lái)自城市燃料燃燒、汽車尾氣以及一次氣溶膠（G.Grivasa，2007）；運(yùn)用多元線性回歸模型計(jì)算一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫和細(xì)顆粒物等濃度的時(shí)空變化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)土耳其安卡拉地區(qū)空氣質(zhì)量取決于當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r，而非大氣污染所致（Genc，2010）；對(duì)于發(fā)展中國(guó)家城市（加納首都阿克拉）進(jìn)行的大氣污染顆粒物來(lái)源分析得出，PM2.5數(shù)值與燒柴灶、熏魚、垃圾焚燒等具有顯著相關(guān)性（Rooney，2012）；以意大利北部地區(qū)為例，證實(shí)大氣污染模擬更適合使用空間非線性模型，而并非具有全局平均意義的線性模型（Carnevale，2012）。

我國(guó)學(xué)者針對(duì)我國(guó)大氣污染的空間特征和防治方面的研究，主要有以下幾方面：利用空間自相關(guān)分析方法對(duì)江蘇省13個(gè)省轄市化學(xué)耗氧量（COD）、二氧化硫（SO2）和總懸浮顆粒物（TSP）排放量（趙小風(fēng)，2009），重慶市TSP、SO2和二氧化氮（NO2）質(zhì)量濃度（韓貴鋒，2006），北京市空氣污染指數(shù)（胡芳芳，2010）進(jìn)行研究；利用時(shí)間序列分析的方法，對(duì)成都市城區(qū)2001-2005年的大氣污染指數(shù)（API）建立基于時(shí)間序列的自回歸滑動(dòng)平均模型（ARMA），來(lái)模擬實(shí)測(cè)的空氣污染指數(shù)，從而得出成都市空氣污染狀況具有季節(jié)變化規(guī)律（柴微濤，2007）；利用空間計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型分析我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與污染物排放的空間關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口密度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與SO2、COD排放之間具有高度相關(guān)關(guān)系（Li， Q 2014）。

總體上看，新興的空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法為大氣污染的空間相關(guān)分析提供了新的思路，具有較大的應(yīng)用潛力。前人研究確定了大氣污染排放的全局空間相關(guān)性，得出了不同空氣污染源對(duì)地區(qū)空氣質(zhì)量具有空間差異性等結(jié)論。但是，（1）由于缺乏對(duì)大氣污染擴(kuò)散邊界和遷移路徑的規(guī)律性和動(dòng)態(tài)演變過(guò)程分析，導(dǎo)致大氣污染的空間關(guān)聯(lián)效應(yīng)失真；（2）對(duì)于大氣污染物來(lái)源分析模型使用普通的空間權(quán)重方法，并沒(méi)有體現(xiàn)大氣污染的時(shí)空擴(kuò)散異質(zhì)性特征，這些都會(huì)降低大氣污染空間溢出特征分析和區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控政策制定的準(zhǔn)確性。因此，在我國(guó)大氣污染現(xiàn)狀和生態(tài)文明建設(shè)背景下，面對(duì)區(qū)域協(xié)同防治實(shí)踐中遇到的問(wèn)題，以大氣環(huán)境功能區(qū)域?yàn)閱卧?，深入研究大氣污染的時(shí)空范圍、擴(kuò)散特征和首要污染源，使區(qū)域內(nèi)的省市共同規(guī)劃與實(shí)施大氣污染防治方案，通過(guò)協(xié)調(diào)努力最終達(dá)到改善區(qū)域空氣質(zhì)量、有效遏制復(fù)合型大氣污染的目的。

3 研究方向解析

針對(duì)我國(guó)當(dāng)前現(xiàn)狀，以解決大氣污染區(qū)域協(xié)同防治為目標(biāo)，從大氣污染的時(shí)空溢出關(guān)聯(lián)性、溢出邊界和遷移路徑以及污染源解析這三個(gè)研究?jī)?nèi)容循序漸進(jìn)地深入分析。

3.1 區(qū)域復(fù)合型大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的理論與方法研究

界定區(qū)域復(fù)合型大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的內(nèi)涵等理論基礎(chǔ)，剖析造成區(qū)域復(fù)合型大氣污染的因素，以及實(shí)施大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控的技術(shù)與方法。（1）區(qū)域復(fù)合型大氣污染聯(lián)防聯(lián)控及相關(guān)概念的界定，重點(diǎn)闡釋大氣污染治理突破行政區(qū)域界限的必要性和區(qū)域大氣污染聯(lián)合防治的正外部性。（2）從氣象、地理、工業(yè)布局、移動(dòng)污染排放等方面，解釋造成區(qū)域復(fù)合型大氣污染的原因，以及這些影響因素之間的關(guān)聯(lián)性分析。（3）區(qū)域復(fù)合型大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的理論基礎(chǔ)，包括空氣流動(dòng)理論、區(qū)域公共品理論、大氣污染控制理論、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和空間自相關(guān)理論等。（4）實(shí)施大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控的技術(shù)與方法，有針對(duì)區(qū)域邊界劃分的擴(kuò)展斷裂點(diǎn)模型和空間滯后模型，還有揭示區(qū)域大氣污染源的空間非嵌套地理加權(quán)回歸方法，和區(qū)域大氣污染物總量控制方法等。

3.2 區(qū)域復(fù)合型大氣污染的時(shí)空擴(kuò)散特征

研究區(qū)域大氣污染的時(shí)空擴(kuò)散特征，首先要有完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作保證，建立一個(gè)基于Time-GIS的時(shí)空關(guān)系矢量數(shù)據(jù)庫(kù)，包括我國(guó)113個(gè)（重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)和國(guó)家環(huán)保模范）城市的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和主要大氣污染物（PM10，PM2.5，SO2，NO2等）數(shù)據(jù)，以日、周、季度為時(shí)間序列；其次，需要驗(yàn)證我國(guó)城市大氣污染是否存在時(shí)空擴(kuò)散關(guān)聯(lián)性，得出我國(guó)大氣污染集聚區(qū)的分布范圍以及隨時(shí)間季節(jié)的變化特征；再者，一個(gè)城市的大氣污染程度取決于本地固定污染源、區(qū)域移動(dòng)污染源以及區(qū)域固定污染源的時(shí)空擴(kuò)散等多方面的影響。在大氣污染的時(shí)空溢出關(guān)聯(lián)性研究基礎(chǔ)之上，利用空間非嵌套方法優(yōu)化大氣污染的空間相關(guān)權(quán)重矩陣，并在空間回歸模型中添加時(shí)間滯后系數(shù)，從而更準(zhǔn)確地測(cè)算大氣污染的溢出邊界和遷移路徑，揭示空間擴(kuò)散特征和動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，由此確立大氣污染聯(lián)防聯(lián)控集聚區(qū)的范圍邊界。

3.3 區(qū)域復(fù)合型大氣污染物來(lái)源解析

通過(guò)上述研究可以確定城市大氣污染擴(kuò)散范圍，以及受周邊城市的空氣污染程度，由此驗(yàn)證了我國(guó)城市大氣污染的時(shí)空擴(kuò)散特征。如何建立有效的回歸計(jì)量模型，模擬各種大氣污染源的區(qū)域空氣污染過(guò)程，并從回歸結(jié)果中得出我國(guó)多個(gè)地區(qū)的大氣污染源解析結(jié)果。內(nèi)容包括兩方面：

（1）大氣污染源解析的空間統(tǒng)計(jì)方法研究。傳統(tǒng)大氣污染物來(lái)源解析的回歸計(jì)量模型，是建立在城市之間的空氣污染物相互獨(dú)立不相關(guān)的前提假設(shè)，忽略了大氣污染的空間擴(kuò)撒特性，得出的各種結(jié)果和推論缺乏應(yīng)有的解釋力。因此，通過(guò)建立大氣污染的時(shí)間序列地理加權(quán)回歸模型，以表達(dá)空間上的關(guān)聯(lián)性、復(fù)雜性和變異性。

（2）分析各污染源類型對(duì)大氣污染程度在時(shí)間和空間上的差異性，揭示和驗(yàn)證我國(guó)不同地區(qū)大氣污染物來(lái)源存在空間異質(zhì)性。找出我國(guó)多個(gè)大氣重度污染集聚區(qū)域在不同季節(jié)不同時(shí)間的首要擴(kuò)散污染源，為制定科學(xué)合理的區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控策略提供支撐。

3.4 區(qū)域復(fù)合型大氣污染的聯(lián)防聯(lián)控策略

總結(jié)區(qū)域復(fù)合型大氣污染的時(shí)空擴(kuò)散特征和來(lái)源解析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外大氣污染防治的典型案例，設(shè)計(jì)我國(guó)大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控對(duì)策。

（1）國(guó)外大氣污染防治典型案例分析。國(guó)外大氣污染區(qū)域協(xié)同防治措施的成熟和廣泛應(yīng)用為我國(guó)的大氣污染治理提供了堅(jiān)實(shí)的理論平臺(tái)和可供參考的實(shí)踐基礎(chǔ)。首先對(duì)國(guó)外大氣污染源類型和防治措施進(jìn)行梳理和辨析，其次對(duì)以英國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)和德國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家大氣污染區(qū)域協(xié)同防治的情況進(jìn)行歸納，從中提煉出國(guó)外發(fā)展戰(zhàn)略、解決問(wèn)題的思路及實(shí)施步驟。

（2）國(guó)內(nèi)大氣污染防治典型案例分析?？偨Y(jié)和歸納近年來(lái)針對(duì)奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)和亞運(yùn)會(huì)等重大國(guó)際型活動(dòng)，各城市及地區(qū)采取的大氣污染防治措施。

總結(jié)上述研究，結(jié)合我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期實(shí)情，針對(duì)區(qū)域性復(fù)合型大氣污染問(wèn)題的環(huán)境管理模式，給出我國(guó)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控管理措施。包括我國(guó)重點(diǎn)城市大氣污染物來(lái)源解析；大氣污染擴(kuò)散程度高的城市名單及空氣環(huán)境治理方案；易于受周邊城市大氣污染的城市名單及其空氣環(huán)境治理方案。

參考文獻(xiàn)

[1]丁煥峰，李佩儀. 中國(guó)區(qū)域污染形態(tài)及特征分析[J]. 經(jīng)濟(jì)地理，2010，（03）：501-507.

[2]羅畏，鄒崢嶸. 空間統(tǒng)計(jì)分析的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用[J]. 測(cè)繪科學(xué). 2012，（4）：32-34.

[3]王金南，寧淼，孫亞梅. 區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的理論與方法分析[J]. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012，（05）： 5-10.

[4]柴發(fā)合，云雅如，王淑蘭. 關(guān)于我國(guó)落實(shí)區(qū)域大氣聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制的深度思考[J]. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2013，（04）： 5-9.

[5]Dominick， D.， et al.， Spatial assessment of air quality patterns in Malaysia using multivariate analysis[J]. Atmospheric Environment， 2012，（60）：172-181.