基于中尺度空氣質(zhì)量模型的北京市城區(qū)PM2.5人口暴露情況初步研究*

竇 妍 汪 彤 舒木水 紀(jì)曉慧 黃 薇 淡 默

1.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所 2.北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院

近些年來，北京市及其周邊地區(qū)霧霾頻發(fā)，大氣細(xì)顆粒物污染問題及其對于人體健康的危害受到了廣泛的關(guān)注。大量的流行病學(xué)研究表明，大氣細(xì)顆粒物污染與呼吸系統(tǒng)和心血管疾病，甚至惡性腫瘤的發(fā)病率、死亡率都具有密切的聯(lián)系[1]，因此，研究細(xì)顆粒物的暴露問題對提高居民生活水平，改善居民的健康狀況具有很大幫助。

空氣質(zhì)量模型是支持環(huán)境管理與決策的重要工具[2]，在暴露風(fēng)險研究方面也有成熟應(yīng)用，闞海東等[3]曾總結(jié)過應(yīng)用大氣模型的暴露評價方法。城市中的大氣污染物濃度分布和人口分布都是不均勻的，單純使用監(jiān)測站點數(shù)值替代整片區(qū)域的污染物濃度，使用整個城市人口的平均密度代替人口的實際密度來進(jìn)行人群暴露水平研究往往會產(chǎn)生誤差，利用空氣質(zhì)量模型可以得到較小尺度內(nèi)污染物濃度差異[4-5]，孫兆斌等[6]曾使用CMAQ模擬蘭州市的PM10濃度和暴露水平。CHIMERE模型屬于第3代空氣質(zhì)量模型，既能體現(xiàn)小尺度氣象過程對污染物的輸送、擴散、轉(zhuǎn)化和遷移的影響，也能兼顧區(qū)域之間大氣污染物的相互影響及污染物在大氣中的各種化學(xué)過程[7]，在歐洲被廣泛認(rèn)可。

POI（Point of interest）指城市設(shè)施興趣點，如住宅、餐廳、學(xué)校等，它主要包括：名稱、類別、經(jīng)緯度、地址名稱等四部分信息，在許多生活領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[8]。利用POI分配法優(yōu)化人口密度分布可以提高區(qū)域暴露風(fēng)險評估的準(zhǔn)確程度。

北京市六個中心城區(qū)的發(fā)展特點和地理區(qū)位情況都各具特色，這導(dǎo)致各區(qū)的大氣污染物濃度、人口密度和人口分布情況不盡相同，各個季節(jié)的空氣污染水平也有較大差異，現(xiàn)有對北京顆粒物暴露風(fēng)險的研究主要基于監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)和平均人口密度進(jìn)行，均未使用過模型評估法比較過各區(qū)區(qū)域人口暴露情況差異。本研究利用CHIMERE模型模擬北京市各區(qū)冬夏兩季的PM2.5濃度1×1km網(wǎng)格分布、用POI分配優(yōu)化人口密度分布，研究區(qū)域人口暴露特點進(jìn)一步提高暴露風(fēng)險評估準(zhǔn)確性和精度，為有針對性的降低人群暴露風(fēng)險提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 北京市空氣質(zhì)量數(shù)值模擬

（1）模型配置。本研究的空氣質(zhì)量數(shù)值模擬部分使用WRF3.6.1耦合CHIMERE2014作為軟件基礎(chǔ)。所使用的氣象資料是美國國家環(huán)境預(yù)報中心發(fā)布的GFS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間間隔為3h，分辨率為0.5°×0.5°。地形數(shù)據(jù)和地表數(shù)據(jù)所使用的是美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的全球數(shù)據(jù)。排放清單數(shù)據(jù)使用清華大學(xué)MEIC清單，清單基準(zhǔn)年份2012年。

（2）模擬范圍及時間。模擬使用三層嵌套網(wǎng)格。最外層網(wǎng)格分辨率為9×9km，覆蓋京津冀地區(qū)；中層網(wǎng)格分辨率為3×3km，覆蓋北京市，最內(nèi)層網(wǎng)格分辨率為1×1km，覆蓋北京市朝陽、海淀、豐臺、石景山、東城、西城六個城區(qū)；模擬區(qū)域垂直分層為8層；模擬時間為2017年1月和2017年8月，分別代表冬季和夏季的污染情況。經(jīng)過模擬，分別得到2017年1月和8月里北京市城六區(qū)各個網(wǎng)格內(nèi)每小時的PM2.5濃度，再分別求得各個網(wǎng)格內(nèi)PM2.5濃度1月和8月的月平均值，用于進(jìn)行后續(xù)分析。

1.2 基于POI點的北京市人口分布

本研究所使用的人口數(shù)據(jù)來自于2015年北京市各區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用商務(wù)住宅類的POI點位對人口數(shù)據(jù)進(jìn)行再分配[9]，使其與空氣質(zhì)量模擬網(wǎng)格一致，得到城六區(qū)每公里網(wǎng)格內(nèi)的人口分布情況。這樣獲得的人口分布最接近實際情況。

1.3 基于GIS技術(shù)的人口相對暴露風(fēng)險評估

利用GIS技術(shù)的空間信息分析功能，按照北京市城六區(qū)各區(qū)的行政范圍劃分，擬合每個公里網(wǎng)格內(nèi)的人口信息和PM2.5濃度信息，計算各區(qū)的區(qū)域人口PM2.5相對暴露風(fēng)險。人口相對暴露風(fēng)險的計算公式如下[10-11]：

式中：

i—網(wǎng)格編號；

Ri—網(wǎng)格i的人口相對暴露風(fēng)險；

Pi—網(wǎng)格i的人口數(shù)量；

Ci—網(wǎng)格i的PM2.5濃度，ug/m3；

n—模擬區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格總數(shù)。

1.4 基于暴露—反應(yīng)關(guān)系系數(shù)的冬夏暴露風(fēng)險對比

2017年8 月北京市城六區(qū)PM2.5平均濃度約為34ug/m3，1月北京市城六區(qū)PM2.5平均濃度約為89ug/m3，差異較為明顯。使用暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)[12-15]計算各區(qū)冬季與夏季的健康風(fēng)險變化值，用來表征兩個時段暴露風(fēng)險差異，計算公式如下：

式中：

ΔI—健康風(fēng)險變化值，即冬季PM2.5濃度下各區(qū)死亡人口增加數(shù)；

I0—研究區(qū)域內(nèi)的人口總數(shù)；

E0—研究區(qū)域內(nèi)基準(zhǔn)死亡率；

C2—冬季PM2.5濃度；

C1—夏季PM2.5濃度；

β—暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 PM2.5濃度模擬結(jié)果

圖1為城六區(qū)1km網(wǎng)格PM2.5濃度分布（ug/m3），表1為城六區(qū)各區(qū)2017年1月與8月PM2.5平均濃度。從圖表中看出，6個區(qū)中PM2.5污染情況最為嚴(yán)重的是東城區(qū)，PM2.5平均濃度最低的是石景山區(qū)。

圖1 北京市城六區(qū)PM2.5濃度模擬結(jié)果

表1 2017年北京市城六區(qū)PM2.5濃度模擬結(jié)果（ug/m3）

表2 2017年北京市城六區(qū)各區(qū)PM2.5相對人口暴露風(fēng)險

2.2 各區(qū)相對人口暴露風(fēng)險評估結(jié)果

圖2為城六區(qū)每公里網(wǎng)格的相對暴露風(fēng)險值分布，表2為城六區(qū)各區(qū)冬季與夏季相對暴露風(fēng)險的平均值。PM2.5相對暴露風(fēng)險從高到低排序為東城區(qū)＞西城區(qū)＞朝陽區(qū)＞海淀區(qū)＞豐臺區(qū)＞石景山區(qū)，冬季與夏季相對暴露風(fēng)險排序情況一致。

圖2 北京市城六區(qū)PM2.5相對暴露風(fēng)險分布

2.3 冬夏健康風(fēng)險變化值結(jié)果

表3是北京市城六區(qū)各區(qū)冬季相對于夏季的死亡人數(shù)增長率，總體增長率均在2%左右，其中東城區(qū)最高，海淀區(qū)最低。死亡人口增長量朝陽區(qū)最高，石景山區(qū)最低。

表3 北京市城六區(qū)各區(qū)冬季健康風(fēng)險變化值

3 討論

模擬結(jié)果顯示，北京市城六區(qū)PM2.5污染情況呈現(xiàn)出東部高于西部，南部高于北部，冬季遠(yuǎn)高于夏季的分布趨勢，這與趙晨曦[16]等人使用克里格插值法對于北京市歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析結(jié)果一致。

北京市城六區(qū)大氣細(xì)顆粒物污染的空間分布特征與其地形特征和氣候條件有關(guān)，北京市西部與北部為山地丘陵，中部與東部為平原，地勢自西北向東南傾斜，這使得北京地區(qū)山谷風(fēng)明顯，沿山間河谷等地區(qū)容易形成較周圍地區(qū)風(fēng)速明顯偏大的風(fēng)口，使得顆粒物能夠快速疏散，有助于降低PM2.5的平均濃度[17]。

北京市大氣細(xì)顆粒物濃度呈冬季高夏季低的時間分布規(guī)律，一方面是由于冬季采暖燃燒排放的可吸入顆粒物對城市居住區(qū)的顯著貢獻(xiàn)作用，另一方面是河北省工業(yè)生產(chǎn)的污染物遷移所致，氣流攜帶污染物從南部地區(qū)北上遇到山脈阻擋而聚集起來[18]。

在城六區(qū)當(dāng)中，位于城市中心的東城區(qū)和西城區(qū)的污染物濃度明顯高于其它幾個區(qū)，這與這兩個區(qū)高人口密度、高道路密度的區(qū)域特色密不可分，除外界污染物輸入以外，這兩個區(qū)的主要污染源為道路交通源污染、烹飪源污染和冬季居民采暖污染。另外城市熱島效應(yīng)也是造成中心城區(qū)污染物濃度較高的因素之一。

各區(qū)PM2.5濃度排名與區(qū)域相對人口暴露風(fēng)險排名不一致，這是人口數(shù)量和人口分布不同導(dǎo)致的。東城區(qū)的冬季PM2.5濃度與西城區(qū)相近，人口密度低于西城區(qū)，相對人口暴露風(fēng)險卻遠(yuǎn)高于西城區(qū)，這表明區(qū)域人口暴露風(fēng)險不僅與人口密度有關(guān)，還與人口分布特點有關(guān)，東城區(qū)人口更多集中在高污染濃度地區(qū)。從對比分析的結(jié)果可以看出，朝陽區(qū)、海淀區(qū)、東城區(qū)有較多人口分布在污染物濃度較高的區(qū)域。東城區(qū)、西城區(qū)和豐臺區(qū)的PM2.5濃度相對較高，冬季人口暴露風(fēng)險也相對更加明顯，對于這三個區(qū)應(yīng)當(dāng)加大對PM2.5排放的控制力度，尤其是對冬季PM2.5排放的控制。海淀區(qū)、東城區(qū)的人口密度并不太高，對于這三個區(qū)應(yīng)當(dāng)優(yōu)化人口分布，并注重人口密集區(qū)域的PM2.5防治工作。