西安市大氣污染物生態(tài)足跡分析

蘇冠儒，譚志海，劉 璐，李冬雪

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

生態(tài)足跡(Ecological Footprint)由瓦克納格爾在1996年提出的一種衡量可持續(xù)發(fā)展的重要方法[1],1999年生態(tài)足跡理論被引入我國[2],近些年,我國利用生態(tài)足跡模型進(jìn)行了大量研究[3-6]。隨著城市化的不斷發(fā)展,自然資源成為城市快速發(fā)展的主要動力,同時也導(dǎo)致大氣污染問題日益嚴(yán)重,生態(tài)足跡可以對資源的使用或消耗情況進(jìn)行核算[7]。

目前在江西省、沈陽市等地區(qū)對大氣污染物的生態(tài)足跡做過類似的研究,但在西安市有所欠缺[8-9]。本文選取SO2、NOx和粉塵為大氣污染物核算項目,通過對西安市2012—2016年污染物生態(tài)足跡的定量核算,利用生態(tài)足跡模型評估人類活動對大氣的環(huán)境壓力。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 自然概況

西安市位于關(guān)中盆地中部秦嶺北麓,地跨渭河南北兩岸，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫15.8 ℃,年平均降水量450.7 mm,年平均風(fēng)速2.3 m/s[10]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,西安市大氣環(huán)境遭到極大的破壞,并且大氣環(huán)境污染主要以SO2、NOx和粉塵為主。西安市大氣中SO2、NOx和粉塵都已超標(biāo),廢氣治理率差。

1.2 研究方法

1.2.1 大氣污染物生態(tài)足跡計算 大氣污染物生態(tài)足跡(EF),計算式[11]為

EF=W/CF

(1)

式中:W為污染物排放量;CF為單位公頃林地吸收量。

相關(guān)研究結(jié)果[12]表明,單位公頃林地對SO2、NOx和粉塵的吸附能力分別為152.05 kg/hm2,380 kg/hm2和2 165 kg/hm2。

1.2.2 大氣環(huán)境承載力計算 應(yīng)用箱模式模型[9],對西安市大氣污染物的環(huán)境容量(QT)進(jìn)行計算。

(2)

式中:Cmax表示大氣污染物的質(zhì)量濃度限值,mg/m3;SO2取0.06 mg/m3;粉塵取0.2 mg/m3;NOx取0.05 mg/m3;S為區(qū)域面積,km2;n為區(qū)域平均風(fēng)速,m/s;L為污染物可到達(dá)高度,m。L取大氣混合層的平均高度約800 m。

大氣環(huán)境承載力(EC)核算方法[11]為

EC=QT/CF

(3)

1.2.3 大氣環(huán)境污染生態(tài)赤字/盈余及生態(tài)壓力指數(shù) 大氣污染物生態(tài)赤字用于表示地區(qū)發(fā)展的不可持續(xù)程度,大氣污染物生態(tài)盈余衡量地區(qū)發(fā)展的可持續(xù)程度。生態(tài)赤字/盈余(ED)計算公式為

ED=EF-EC

(4)

生態(tài)壓力指數(shù)反映地區(qū)生態(tài)環(huán)境承受壓力的能力[13]。生態(tài)壓力指數(shù)(EP)計算式為

EP=EF/EC

(5)

1.2.4 萬元GDP大氣污染生態(tài)足跡 萬元GDP大氣污染生態(tài)足跡指經(jīng)濟(jì)每增長一萬元而產(chǎn)生相對應(yīng)的大氣污染生態(tài)足跡,反映了大氣污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系。比值越大,經(jīng)濟(jì)發(fā)展對大氣環(huán)境的影響越大,比值越小,該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式綠色環(huán)保,對能源的使用也是節(jié)能高效的。

萬元GDP大氣污染物生態(tài)足跡=EF/GDP

(6)

2 結(jié)果與討論

2.1 西安市2012—2016年生態(tài)足跡趨勢變化分析

根據(jù)西安市2012—2016年統(tǒng)計年鑒計算各個污染指標(biāo),得到西安市SO2、NOx和粉塵污染的生態(tài)足跡,環(huán)境承載力及生態(tài)赤字/盈余如圖1所示。從圖1可以看出，2012—2016年SO2、NOx和粉塵的環(huán)境承載力呈上升趨勢,并在2012—2013年增加明顯,2016年達(dá)到最大值,其中，SO2增幅為99.90%,NOx為99.99%,粉塵為99.88%。與2013年西安市委、市政府做出“創(chuàng)建國家森林城市”的決策不可分[14],2016年西安市榮獲“國家森林城市”稱號,并實現(xiàn)了森林覆蓋率為48%的目標(biāo)。2012—2016年SO2和NOx的生態(tài)足跡整體呈逐年下降趨勢,并在2015—2016年下降明顯,2016年達(dá)到最低值,其中，SO2下降幅度為54.11%, NOx為73.55%。5年內(nèi)SO2的污染均為赤字,呈下降趨勢,下降幅度為84.36%,2016年SO2生態(tài)赤字為8.995 4×108m2。NOx污染在2012—2015年均為生態(tài)赤字,整體呈下降趨勢,但2016年為生態(tài)盈余,盈余值為3.387 4×108m2。粉塵生態(tài)足跡值在5年內(nèi)沒有顯著變化,但2012—2016年粉塵污染均為生態(tài)盈余,呈上升趨勢,2016年生態(tài)盈余為3.546 0×108m2。2015年西安市削減了煤炭消費總量[15],增加了清潔能源的使用比例,并實行機(jī)動車出行限號政策、鍋爐拆除和改造方法改善大氣環(huán)境[16]。但SO2污染依然嚴(yán)重,仍需繼續(xù)對大氣環(huán)境進(jìn)行治理。

(a) SO2

(b) NOx

(c) 粉塵圖 1 西安市2012—2016年生態(tài)足跡變化趨勢Fig.1 The ecological footprint trend in Xi′an from 2012 to 2016

根據(jù)北京市和鄭州市2016年統(tǒng)計年鑒，北京市、鄭州市大氣污染物生態(tài)足跡比較如圖2所示。

圖 2 北京市、鄭州市和西安市2016年大氣污染物生態(tài)足跡比較

北京市作為中國政治與文化交流中心,對生態(tài)環(huán)境要求高,需要適應(yīng)北京市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[17]。而鄭州市作為中國內(nèi)陸城市，發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、氣候與西安市相近[18]。從圖2可以看出，西安市SO2大氣污染生態(tài)足跡均高于北京市和鄭州市,而NOx值低于北京市和鄭州市,但粉塵值西安市與北京市、鄭州市相差不大,西安市最低。西安市NOx值最低,說明西安市在控制機(jī)動車尾氣排放方面優(yōu)于北京市、鄭州市。西安市工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生SO2嚴(yán)重影響了西安市的大氣環(huán)境質(zhì)量,也是目前西安市對生態(tài)環(huán)境影響最嚴(yán)重的大氣污染物。3個城市的粉塵值相近,說明粉塵污染問題仍然是目前大部分城市所面臨的環(huán)境問題,也是造成霧霾等大氣環(huán)境問題的主要原因。

2.2 生態(tài)壓力指數(shù)

根據(jù)生態(tài)壓力指數(shù)計算公式得到2012—2016年西安市SO2、NOx和粉塵生態(tài)壓力指數(shù)，西安市2012—2016年大氣污染物生態(tài)壓力指數(shù)如圖3所示。從圖3可以看出，3種污染物在5年中生態(tài)壓力指數(shù)的變化趨勢,并結(jié)合生態(tài)壓力指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[12],可直觀地對西安市大氣環(huán)境狀況做出評估。

3種污染物的生態(tài)壓力指數(shù)在2012—2016年中呈逐漸減少趨勢,2016年達(dá)到最低。其中SO2前4年的生態(tài)壓力指數(shù)等級均為Ⅰ級不安全,而2016年為Ⅲ級，但仍為較不安全的環(huán)境狀況;NOx的生態(tài)壓力指數(shù)等級在前4年分別為Ⅰ級和Ⅱ級,均為不安全狀態(tài),2016年生態(tài)壓力指數(shù)等級升至最高(Ⅴ級安全狀態(tài));粉塵在5年中分別為Ⅴ級和Ⅵ級,大氣環(huán)境為安全狀態(tài)。以上結(jié)果表明，NOx和粉塵對西安市大氣環(huán)境影響較小,在5年的治理下處于安全狀態(tài),但SO2污染仍然是西安市大氣污染主要因素,需要繼續(xù)加強對SO2排放的監(jiān)督和治理。

圖 3 西安市2012—2016年大氣污染物生態(tài)壓力指數(shù)

2.3 西安市萬元GDP大氣污染生態(tài)足跡

根據(jù)萬元GDP大氣污染物生態(tài)足跡計算可得2012—2016年西安市萬元GDP大氣污染物生態(tài)足跡如圖4所示。從圖4可以看出，2012—2016年西安市SO2和NOx萬元GDP大氣污染足跡逐年下降,并且相鄰年份之間差值較大,2016年最小,2015—2016年分別為52.42%和66.72%，下降幅度最大。2012—2016年粉塵萬元GDP大氣污染生態(tài)足跡變化量不大,變化起伏不明顯,差值穩(wěn)定在0.5 m2左右，說明西安市經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠對化石能源的消耗,但近幾年正在加大對大氣環(huán)境質(zhì)量的治理。

圖 4 西安市2012—2016年萬元GDP大氣污染物生態(tài)足跡Fig.4 Air pollution ecological footprint ten thousand Yuan GDP in Xi′an from 2012 to 2016

根據(jù)北京市和鄭州市2016年大氣污染物生態(tài)足跡值計算得出，萬元GDP大氣污染物生態(tài)足跡與西安市2016年數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如圖5所示。從圖5可以看出，西安市SO2萬元GDP大氣污染物生態(tài)足跡高于北京市和鄭州市,而NOx值卻低于北京市和鄭州市,但粉塵值西安市與鄭州市接近,北京市最低。西安市NOx值較低,但與北京市差距較生態(tài)足跡值有所減小,說明北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的影響較小,而西安市和鄭州市在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時仍然需要加強環(huán)境保護(hù)。西安市SO2值最高,說明西安市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍然以傳統(tǒng)工業(yè)為主,工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生大量SO2，嚴(yán)重影響西安市大氣環(huán)境質(zhì)量。

圖 5 北京市,鄭州市和西安市2016年萬元GDP大氣污染物生態(tài)足跡比較

Fig.5 Comparison of air pollution ecological footprint of ten thousand Yuan GDP in Beijing, Zhengzhou and Xi′an in 2016

3 結(jié) 論

(1) 從生態(tài)足跡、生態(tài)赤字/盈余以及生態(tài)壓力指數(shù)可以看出,西安市在近幾年大氣環(huán)境治理下,大氣環(huán)境質(zhì)量整體逐步改善,但2016年SO2生態(tài)足跡值仍然很高,超出了西安市大氣環(huán)境承受范圍,對生態(tài)環(huán)境的壓力也處于不安全狀態(tài),SO2成為西安市對大氣環(huán)境影響最嚴(yán)重的大氣污染物。

(2) 與其他城市對比,2016年西安市SO2和粉塵的萬元GDP大氣污染生態(tài)足跡高于北京市和鄭州市,NOx卻低于北京市和鄭州市，表明西安市機(jī)動車限行政策的實施對大氣環(huán)境效果好,但經(jīng)濟(jì)仍是以高消耗、低效率的方式發(fā)展,需形成綠色高效的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。