西安市人居環(huán)境空間特征分析
——以氣候和環(huán)保等要素為例

郭瑾蕭，李旭祥

(西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

西安是陜西省省會(huì)，也是關(guān)中平原城市群的核心城市，由碑林區(qū)、雁塔區(qū)等11個(gè)市轄區(qū)以及藍(lán)田和周至2個(gè)縣構(gòu)成.作為新一線城市和絲綢之路的新起點(diǎn)，西安市近幾年來(lái)不斷拓展城市規(guī)模，人口數(shù)量急速增長(zhǎng)，生產(chǎn)總值GDP逐步增高，城市化建設(shè)取得了顯著成效.城市規(guī)模的急劇擴(kuò)大和城市人口的飛速增長(zhǎng)，將擴(kuò)大城市氣象災(zāi)害的波及人口和影響范圍，同時(shí)也會(huì)增加水環(huán)境、大氣環(huán)境污染的治理難度，從而影響西安市環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.針對(duì)這些問(wèn)題，本文在氣候及地形地貌特征的基礎(chǔ)上，利用GIS對(duì)西安市的空氣質(zhì)量、水環(huán)境和環(huán)保產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀等人居環(huán)境空間特征進(jìn)行了分析和研究，為西安市城市建設(shè)和發(fā)展提出了建議.

1 西安市基本氣候特征與地形地貌特征

1.1 基本氣候特征

西安市位于渭河流域中部關(guān)中盆地，其平原地區(qū)為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候.西安市具有明顯的四季特征，春季多雨，溫暖濕潤(rùn)；夏季氣候多變，常出現(xiàn)40℃及以上的極端溫度，且時(shí)有暴雨； 秋季涼爽，往往在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅度降溫，常出現(xiàn)連陰雨天氣；冬季寒冷干燥，少雨少雪，極易出現(xiàn)冬春連旱.

西安市具有城區(qū)溫度高于周邊區(qū)縣的典型城市熱島效應(yīng)的特點(diǎn)，這主要是人為因素導(dǎo)致的.城市人口增加、人為熱排放量增多以及城市下墊面硬化等因素是導(dǎo)致熱島效應(yīng)增強(qiáng)的主要原因[1].由于城市規(guī)模的急劇擴(kuò)大，人為熱排放量增加，同時(shí)樓房林立，建筑群密集.相比于土壤和植被，這些建筑物吸熱率高且比熱容低，導(dǎo)致在同一時(shí)間段內(nèi)，城市地區(qū)升溫較快，吸收的熱量向周邊大量輻射后，出現(xiàn)城區(qū)的溫度普遍高于周?chē)紖^(qū)的現(xiàn)象.對(duì)于城鎮(zhèn)化規(guī)模不斷擴(kuò)大的西安市而言，熱島效應(yīng)是城市發(fā)展進(jìn)程中無(wú)法避免的問(wèn)題.據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)西安地區(qū)夏季平均氣溫和高溫天數(shù)均呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，且由城市熱島效應(yīng)引起的雷暴天氣和大風(fēng)天氣不斷增多，對(duì)城市重要設(shè)施、城市古建筑以及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等造成不可逆的毀壞，有可能造成火災(zāi)和大規(guī)模停電等嚴(yán)重后果.另外，西安市位于西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)，受西太平洋副熱帶高壓以及南亞高壓帶的影響[2]，春秋季雨多，夏季暴雨頻繁，對(duì)流層上部受南亞高壓的控制，這兩個(gè)高壓都會(huì)影響西安市的降水和氣溫.當(dāng)夏季到來(lái)時(shí)，在兩個(gè)高壓的共同作用下，加劇了高溫和暴雨的發(fā)生.

1.2 地形地貌特征

西安市地處關(guān)中盆地，北依黃土高原，南有秦嶺山脈，東臨驪山.西安市的地貌主要包括平原、丘陵、山地和黃土臺(tái)塬這四種.秦嶺橫貫西安南部，東南高，西北低，呈箕狀，其山脊海拔高達(dá)2000米～2800米，是我國(guó)地理上著名的南北分界線.渭河流經(jīng)西安市最北端，河床軸線地勢(shì)最低，與秦嶺南北遙相呼應(yīng).渭河平原和秦嶺山地構(gòu)成了西安市最主要的地貌，其余地貌也受這二者影響，呈東西向延伸，南北向交替的條帶狀分布.

2 西安市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀及分析

2.1 西安市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

西安市處于秦嶺和驪山構(gòu)成的窩風(fēng)區(qū)域內(nèi)，又因黃土高原和秦嶺包圍形成東西走向的喇叭形開(kāi)口，氣流因高山的阻擋而流動(dòng)緩慢，污染物很難在除西北風(fēng)外的其他風(fēng)向下水平擴(kuò)散[3].冬季由于逆溫現(xiàn)象嚴(yán)重，污染物垂直向和水平向均很難流通，因而很容易聚集在淺層大氣中.研究表明，西安市空氣污染主要受火力發(fā)電和集中供熱等企業(yè)工業(yè)因素的影響.由于特殊的地理?xiàng)l件和能源結(jié)構(gòu)，西安市的空氣質(zhì)量較差.根據(jù)環(huán)境保護(hù)部(現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部)聯(lián)合國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)[4]，在常規(guī)的6項(xiàng)環(huán)境空氣污染物基本濃度限值中，西安市PM10、PM2.5和NO2這三項(xiàng)指標(biāo)一直處于不達(dá)標(biāo)的狀態(tài)，表1為該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)境空氣汽染的基本濃度限值.近兩年來(lái)O3的濃度剛達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制以下，可見(jiàn)西安市的空氣質(zhì)量亟待提升.

表1 環(huán)境空氣污染物基本濃度限值

2.2 西安市大氣污染物濃度變化趨勢(shì)

圖1給出的是 2015年—2021年西安市大氣污染物年均濃度變化趨勢(shì)圖.由圖1可知，從整體上來(lái)看，西安市的PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O3年均濃度值在2015年—2021年有相對(duì)大的變化.其中，PM10、PM2.5、NO2以及O3在2016年—2018年間達(dá)到濃度峰值，隨后總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).而SO2和CO的濃度呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，且在2018年后出現(xiàn)了大幅下降.

圖1 2015年-2021年西安市大氣污染物年均濃度變化趨勢(shì)[5-11]

2.3 西安市工業(yè)二氧化硫排放量分布特征

工業(yè)SO2是一種重要的大氣污染物，幾乎產(chǎn)生于所有的工業(yè)企業(yè)中，其主要來(lái)源于化石燃料的燃燒過(guò)程，如火力發(fā)電、有色金屬冶煉、硫酸制備和煉油等.SO2是目前西安市大氣環(huán)境中的首要污染物，它在大氣污染物中占比較大，影響較廣.從西安市生態(tài)環(huán)境部公開(kāi)信息中獲取到了2020年西安市各區(qū)縣二氧化硫的排放量數(shù)據(jù)，如圖2所示.

圖2 2020年西安市各區(qū)縣工業(yè)二氧化硫排放量

由圖2可以看出，西安市鄠邑區(qū)和長(zhǎng)安區(qū)的SO2污染物濃度最高，其次是碑林區(qū)、灞橋區(qū)、雁塔區(qū)和藍(lán)田縣.由于鄠邑區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)、灞橋區(qū)和藍(lán)田縣是工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)，西安市大部分的能源供給都集中在這些區(qū)域，故而SO2污染物的排放量高.碑林區(qū)、雁塔區(qū)和長(zhǎng)安區(qū)集中了教育資源和高等院校林立，與此相匹配的工業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)也集中在這些區(qū)域，因此SO2污染物排放量也較高.

2.4 西安市污染物濃度變化原因分析

根據(jù)圖1，PM10、PM2.5、NO2以及O3的濃度變化趨勢(shì)相近，一部分與這些污染物產(chǎn)生的機(jī)制有關(guān)，例如PM2.5和PM10僅存在粒徑范圍不同的差別，其產(chǎn)生來(lái)源和過(guò)程基本相似；也有研究表明SO2、NO2和CO都是生成PM2.5的前體物，它們與PM2.5和PM10具有同源性，因而濃度變化相關(guān)[12-14]；O3是典型的二次污染物，它的形成機(jī)制復(fù)雜，主要由揮發(fā)性有機(jī)物VOCs(Volatile Organic Compounds,VOCs)和氮氧化物NOx發(fā)生光學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生.VOCs和NOx又與汽車(chē)尾氣和燃料燃燒相關(guān)，也會(huì)導(dǎo)致NO2和SO2濃度的變化.另一部分這些污染物也受西安市空氣污染的來(lái)源和地理環(huán)境的影響.由于煤和石油等化石燃料在燃燒的過(guò)程中，產(chǎn)生了大量NO2等污染物，在西安市特殊的地理環(huán)境下，污染物不易擴(kuò)散而滯留于近地面大氣中.此外，空氣質(zhì)量還受到地區(qū)的氣象因素影響，比如風(fēng)向風(fēng)速、降雨量和沙塵天氣.研究表明，風(fēng)向風(fēng)速會(huì)顯著影響NO2濃度；降雨量與污染物濃度呈負(fù)相關(guān)，但對(duì)SO2和NO2的去除效果明顯；揚(yáng)塵會(huì)導(dǎo)致PM10濃度劇增，但對(duì)其他污染物影響不明顯[15].最后，還有可能與人為的干預(yù)有關(guān)，就SO2和CO而言，它們的濃度逐年下降，且在2018年后下降明顯，這可能與西安市自2018年來(lái)“鐵腕治霾·保衛(wèi)藍(lán)天”[16]，加強(qiáng)空氣污染治理采取的措施有關(guān).

3 西安市水環(huán)境現(xiàn)狀及分析

3.1 西安市水資源現(xiàn)狀

水環(huán)境是指以水為主體以及影響水體質(zhì)量的相關(guān)介質(zhì).西安市位于關(guān)中平原中部，北跨渭河，素有“八水繞長(zhǎng)安”的美譽(yù).全市境內(nèi)有渭河、涇河、石川河、黑河、澇河、灃河、灞河和浐河等50多條河流，其中除了渭河、涇河和石川河這3條過(guò)境河流外，其余的河流均發(fā)源于秦嶺北麓以及驪山丘陵區(qū)，同屬黃河流域的渭河水系，這些河流是西安市地表水的主要來(lái)源.

根據(jù)西安市水務(wù)局發(fā)布的《2020西安市水資源公報(bào)》，2020年西安市全市的水資源總量為26.78億立方米，其中地表水資源量為22.76億立方米，地下水資源量為11.6億立方米，重復(fù)計(jì)算量7.58億立方米[17].2020年，西安市地表水資源量高于多年平均值，這與2017年西安市開(kāi)始大力推行“河長(zhǎng)制”專(zhuān)項(xiàng)整治河道環(huán)境相關(guān).而本年度的地下水資源量低于多年平均值，這與近年來(lái)過(guò)度開(kāi)采地下水的行為有關(guān).表2給出了2020年西安市水資源量與多年平均水資源量的比較.

表2 2020年西安市水資源量與多年平均水資源量比較

3.2 西安市污水排放與處理情況

水資源主要包括地表水和地下水.根據(jù)西安市生態(tài)環(huán)境局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年西安市城市生活污水排放量為53583萬(wàn)噸，工業(yè)廢水排放量為2998.24萬(wàn)噸.絕大部分污水經(jīng)污水處理設(shè)施處理后就近排入河道，但仍有部分污水未經(jīng)處理或者處理不達(dá)標(biāo)而直接排放，這不僅造成了地表水的污染，也直接或間接地影響到了地下水(潛水和承壓水)的質(zhì)量，對(duì)整座城市的供水質(zhì)量、對(duì)人民的身體健康造成潛在影響.

水環(huán)境的污染情況不僅關(guān)系到城市的形象，也制約城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展并影響人民的身體健康，因而污水處理的重要性不言而喻.根據(jù)《2020西安市水資源公報(bào)》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年西安市新建三污三期、九污四期、十四污一期以及鄠邑區(qū)二污二期等4座污水處理廠，并對(duì)23座污水處理廠進(jìn)行了提標(biāo)改造，新增污水處理能力每天22萬(wàn)立方米[17].由于西安市各行政區(qū)域的定位以及功能不同，因而污水處理廠數(shù)量分布差異較大.如西安市長(zhǎng)安區(qū)承擔(dān)著國(guó)家航天產(chǎn)業(yè)基地的發(fā)展重任，區(qū)域主要發(fā)展研發(fā)設(shè)計(jì)和通訊制造業(yè)，同時(shí)也是高校的聚集地.近兩年來(lái)，區(qū)內(nèi)一部分土地劃歸灃東新城，一部分納入高新三期，一部分并入航天城，而一部分又劃歸曲江二期.由于該區(qū)域承擔(dān)的功能較多，人口密集，因而污水處理廠數(shù)量較多.表3為2020年西安市污水處理情況，圖3給出了2020年西安市各區(qū)縣污水處理廠個(gè)數(shù)的分布情況.

表3 2020年西安市城市污水處理情況[13]

圖3 2020年西安市各區(qū)縣污水處理廠個(gè)數(shù)

3.3 西安市化學(xué)需氧量排放分布特征

化學(xué)需氧量也稱(chēng)為COD，COD含量是指用化學(xué)方法(例如高錳酸鉀或重鉻酸鉀為氧化劑)來(lái)測(cè)量水樣中還原性物質(zhì)的量.由于工廠會(huì)大量排放有機(jī)污染物，而一般有機(jī)物能被強(qiáng)氧化劑氧化.因而在研究河流污染、工業(yè)廢水污染及污水處理廠運(yùn)行狀況時(shí)，常用COD值來(lái)表達(dá)水體受有機(jī)物污染的程度.同時(shí)，它也是表示有機(jī)物相對(duì)含量的綜合指標(biāo)之一，對(duì)水污染控制工程而言具有重要的意義.圖4是2020年西安市各區(qū)縣工業(yè)化學(xué)需氧量的排放量分布情況.

圖4 2020年西安市各區(qū)縣工業(yè)化學(xué)需氧量(COD)排放量

由圖4可知，西安市鄠邑區(qū)的工業(yè)COD排放量最高，蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)、閻良區(qū)次之，接下來(lái)是高陵區(qū)和長(zhǎng)安區(qū)，他們的COD排放量略高于臨潼區(qū)，新城區(qū)、周至縣和藍(lán)田縣排放量最低.工業(yè)需氧量排放量的高低與需要排污的工廠數(shù)量直接相關(guān)，鄠邑區(qū)有大量的工業(yè)園區(qū)，這與他們工業(yè)需氧量排放量位居西安最高的情況相吻合.

4 西安市環(huán)保產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析

4.1 西安市環(huán)保投資分布現(xiàn)狀

針對(duì)西安市空氣污染和水污染的現(xiàn)狀，2018年以來(lái)，西安市施行了“鐵腕治霾·保衛(wèi)藍(lán)天”[16]、出臺(tái)西安市碧水保衛(wèi)戰(zhàn)[18]等多項(xiàng)舉措，這些措施持續(xù)性改善了空氣和水環(huán)境質(zhì)量.

環(huán)境污染的治理離不開(kāi)環(huán)保投資，同時(shí)環(huán)保投資在一定程度上能夠促進(jìn)工業(yè)污染的減排[19]，因而環(huán)保投資額從側(cè)面反映了工業(yè)污染治理的情況.環(huán)保投資主要包括城市的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資、工業(yè)污染源治理投資和“三同時(shí)”項(xiàng)目投資三個(gè)部分[19].從圖5可以看出西安市各區(qū)縣2020年完成環(huán)保驗(yàn)收項(xiàng)目的環(huán)保投資額，其中空白區(qū)域表示缺失該年份的相關(guān)數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)顯示，西安市新城區(qū)、未央?yún)^(qū)、臨潼區(qū)和藍(lán)田縣的環(huán)保投資額最高，處于3001萬(wàn)元～5249萬(wàn)元的范圍；蓮湖區(qū)、高陵區(qū)和周至縣環(huán)保投資額相對(duì)較高.通過(guò)圖4和圖5的對(duì)比可知，當(dāng)年完成環(huán)保驗(yàn)收項(xiàng)目的環(huán)保投資額較高的區(qū)縣與較低的區(qū)縣相比，工業(yè)SO2排放量和工業(yè)化學(xué)需氧量的排放量相對(duì)更低一些，工業(yè)污染治理起到了一定的效果.加大環(huán)保投資的額度對(duì)西安市工業(yè)污染的治理具有積極的促進(jìn)作用，對(duì)于工業(yè)污染較嚴(yán)重的區(qū)域，如長(zhǎng)安區(qū)，應(yīng)加大環(huán)保投資規(guī)模，同時(shí)對(duì)于已經(jīng)具備較大規(guī)模環(huán)保投資的區(qū)縣，如未央?yún)^(qū)，應(yīng)優(yōu)化環(huán)保投資結(jié)構(gòu)以獲得更好的工業(yè)污染治理效果.

圖5 2020年西安市各區(qū)縣完成環(huán)保驗(yàn)收項(xiàng)目環(huán)保投資額

4.2 西安市環(huán)保項(xiàng)目現(xiàn)狀

西安市工業(yè)污染治理項(xiàng)目的建設(shè)情況，如表4所示.在2016年-2020年間，工業(yè)廢氣治理項(xiàng)目的本年施工總數(shù)、竣工總數(shù)和完成投資三項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)高于同年工業(yè)廢水和工業(yè)固體廢物的相應(yīng)指標(biāo)，西安市在工業(yè)廢氣治理上的環(huán)保投資占工業(yè)污染治理的很大一部分.2019年西安市擴(kuò)大了環(huán)保投資規(guī)模，該年份的多項(xiàng)指標(biāo)高于其他年份，其中“三同時(shí)”竣工驗(yàn)收項(xiàng)目實(shí)際環(huán)保投資額達(dá)到了11億元.而2020年的各項(xiàng)指標(biāo)與往年相比有很大的下降，原因可能是受到了疫情的影響.

表4 2016年-2020年工業(yè)污染治理項(xiàng)目建設(shè)情況[6-11]

指標(biāo)20202019201820172016老工業(yè)污染源治理項(xiàng)目本年完成投資(萬(wàn)元)19792842866382596218040.58 廢水治理項(xiàng)目(萬(wàn)元)839602057395.78 廢氣治理項(xiàng)目(萬(wàn)元)579424912432121917511.05 固體廢物治理項(xiàng)目(萬(wàn)元)12065老工業(yè)污染源治理項(xiàng)目本年投資來(lái)源(萬(wàn)元)1979284282596218040.58 排污費(fèi)補(bǔ)助(萬(wàn)元)5 政府其他補(bǔ)助(萬(wàn)元)49211268831.06 企業(yè)自籌(萬(wàn)元)19792350766282469417209.52 銀行貸款(萬(wàn)元)367569.00“三同時(shí)”項(xiàng)目竣工驗(yàn)收數(shù)(個(gè))8477612“三同時(shí)”項(xiàng)目竣工驗(yàn)收項(xiàng)目實(shí)際環(huán)保投資(萬(wàn)元)11207693337168201.05“三同時(shí)”項(xiàng)目廢水治理新增處理能力(萬(wàn)噸/日)0.040.080.418“三同時(shí)”項(xiàng)目廢氣治理新增處理能力(萬(wàn)立方米/時(shí))85210.017482.38

在后疫情時(shí)代的環(huán)保治理中，工企業(yè)應(yīng)貫徹落實(shí)相應(yīng)環(huán)保政策，深度優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu).政府也應(yīng)加大環(huán)保投資規(guī)模，在鞏固現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大環(huán)保治理的成果，攜手打贏“藍(lán)天碧水凈土保衛(wèi)戰(zhàn)”.

5 結(jié)論

陜西省西安市作為中國(guó)西北地區(qū)最大的城市，隨著國(guó)家中心城市地位的確立，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，許多人居環(huán)境問(wèn)題逐漸顯露.本文基于地理信息系統(tǒng)(GIS)，以氣候、空氣、水環(huán)境和環(huán)保產(chǎn)業(yè)等要素為例，對(duì)西安市的人居環(huán)境空間特征進(jìn)行了分析和研究，為今后西安市高質(zhì)量發(fā)展的模式和方向提供了參考.