基于ArcGIS的四川省空氣質(zhì)量時空分布特征分析

史 科，晉云浩，李 新，單倩倩，羅 珊

(綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽 621006)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及城市化進(jìn)程加快，大氣污染對生存環(huán)境和身心健康的影響成為人們最關(guān)注的環(huán)境問題；研究區(qū)域空氣質(zhì)量或污染強(qiáng)度在時間、空間上的變化特征，對于有效地控制空氣污染和改善空氣質(zhì)量具有重要意義.國內(nèi)外學(xué)者對不同區(qū)域大氣環(huán)境污染物時空分布特征進(jìn)行研究，Puustinen等人研究歐洲四個城市顆粒物空間分布及變化特征，得出顆粒物濃度值變化較大[1]；Khamdan等對巴林王國空氣污染研究發(fā)現(xiàn)PM2.5、PM10、NO2、CO和對二甲苯的濃度冬季明顯低于春季，O3冬季明顯高于春季[2]；Rimetz-Planchon等調(diào)查北海南部貿(mào)易港口 PM10與氣象條件的關(guān)系，研究PM10、SO2、NOX、O3濃度時空變化特征[3].我國學(xué)者張向敏等對全國九大區(qū)域空氣質(zhì)量時空變化特征進(jìn)行分析，污染濃度呈現(xiàn)出北高南低的南北分異格局，首要污染物PM2.5或者PM10呈現(xiàn)出明顯的東西分異格局[4]；黃小剛等研究了長江經(jīng)濟(jì)帶空氣質(zhì)量的時空變化特征，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)總體呈東高西低、北高南低的分布特征，春、夏季AQI的差異主要表現(xiàn)為東西向，秋、冬季則為南北向[5]；李波蘭等研究四川省臭氧時空分布特點發(fā)現(xiàn)季節(jié)變化明顯，夏季濃度最高，冬季最低，春季>秋季，盆地西部O3濃度最高，川西高原最低[6]；胥蕓博等對成都平原五個城市SO2和NO2空間分布研究，發(fā)現(xiàn)德陽市、眉山市SO2、NO2空間相關(guān)性最強(qiáng)[7]；上述研究工作缺少ArcGIS方法應(yīng)用，時空分布特征分析不夠深入.應(yīng)用ArcGIS軟件對2017年四川省空氣質(zhì)量狀況及污染程度進(jìn)行時間、空間上變化特征研究，為有效地控制空氣污染、改善空氣質(zhì)量和區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

四川省位于中國西南地區(qū)內(nèi)陸，界于北緯26°03′～34°19′，東經(jīng)97°21′～108°12′之間.全省總面積48.5萬km2，下轄18個地級市、3個自治州(涼山、甘孜、阿壩).2018年常住人口8 341萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)40 678.1億元，三次產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟(jì)增長貢獻(xiàn)率為5.1%、41.4%和53.5%.四川省21市州監(jiān)測點分布圖，如圖1.

圖1 四川省21市州監(jiān)測點Fig.1 Monitoring points of 21 cities and prefectures in Sichuan Province

AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站實時發(fā)布的監(jiān)測報告，收集時間為2017年3月至2018年2月；四川省21個市州數(shù)據(jù)均為各監(jiān)測點的濃度統(tǒng)計值；四季劃分為春季3月至5月、夏季6月至8月、秋季9月至11月、冬季12月至2月.

1.2 研究方法

空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index，AQI)是 2012 年國家發(fā)布《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的評價標(biāo)準(zhǔn)，基本項目包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3.污染物P 的空氣質(zhì)量分指數(shù)按式(1)計算：

(1)

式中IAQIP為污染物 P 的空氣質(zhì)量分指數(shù)；Cp為污染物 P 的質(zhì)量濃度值；BPHi為與Cp相近的污染物濃度限值的高位值；BPLo為與Cp相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHi為與BPHi對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAQILo為與BPLo對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù).空氣質(zhì)量指數(shù)按式(2)計算：

AQI=max{LAQI1，LAQI2，…LAQIn}

(2)

式中IAQI為空氣質(zhì)量分指數(shù)；n為污染物項目；AQI則為在IAQI中的最大值[8-11].

運(yùn)用 ArcGIS10.2 軟件實現(xiàn)四川省空氣質(zhì)量指數(shù)和污染物濃度的時空分布作圖；利用ArcGIS插值分析中的克里金法進(jìn)行空間插值進(jìn)行地圖可視化表征.

圖2 AQI值空間分布Fig.2 Spatial distribution of AQI values

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量空間分布特征

2.1.1 AQI及主要污染物的空間分布 根據(jù)公式(1)、(2)測算結(jié)果繪制2017 年四川省AQI值空間分布圖，如圖2；全年優(yōu)良天數(shù)占82.2%(優(yōu)28.9%、良53.3%)；污染天數(shù)占17.8%(輕度12.9%、中度3%、重度1.8%、嚴(yán)重0.1%).

由AQI空間分布圖可以看出，污染程度由高到低依次為自貢、成都、宜賓、眉山、德陽、樂山、瀘州、內(nèi)江、達(dá)州、南充、資陽、雅安、綿陽、廣安、遂寧、廣元、攀枝花、巴中、涼山、甘孜、阿壩.從主要污染物分布圖(圖3)得到，四川省PM2.5、PM10、NO2的分布規(guī)律相似，高濃度主要分布在自貢、成都等東部地區(qū)；SO2與CO的分布規(guī)律相似，高濃度主要分布在攀枝花市；O3高濃度主要分布在成都、德陽、眉山等區(qū)域，并且低濃度主要分布在東北地區(qū).

2.1.2 2017年四川省空氣質(zhì)量評價 四川省21個市(州) PM2.5、PM10、CO 和 SO2濃度與 2016年相比下降，NO2、O3、濃度略微上升；PM2.5年均濃度為42.0 ug/m3，同比下降9.5%.阿壩、甘孜、廣元、涼山、巴中、攀枝花6個城市達(dá)標(biāo)，占28.6%，其余15個城市超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)為0.03～0.89倍.

PM10年均濃度為67.7 ug/m3，同比下降7.5%.阿壩、甘孜、涼山、巴中、廣元、遂寧、雅安、攀枝花、內(nèi)江9個城市達(dá)標(biāo)，占42.9%，其余12個城市超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)為0.02～0.27倍; SO2年均濃度為13.9 ug/m3，同比下降15.8%.21個城市均達(dá)標(biāo)；達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)的城市占90.5%，達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)的城市占9.5%; NO2年均濃度為31.5ug/m3，同比上升4.3%.成都、眉山均超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.32、0.06 倍，其余19個城市均達(dá)標(biāo);CO日均值第95百分位濃度為1.4 mg/m3，同比下降6.7%.21個城市均達(dá)標(biāo);O3日最大8小時值第90百分位濃度為140.5 ug/m3，同比上升6.3%.21個城市均達(dá)標(biāo).成都、德陽、眉山O3濃度超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.07、0.04、0.008 倍，其余18個城市達(dá)標(biāo).

圖3 主要污染物濃度的空間分布Fig.3 Spatial distribution of main pollutant concentration

2.2 空氣污染物季節(jié)變化特征

2.2.1 PM2.5濃度分布 2017年四川省PM2.5濃度季節(jié)變化特征如圖4，冬季PM2.5濃度值最高，夏季最低；東部大部分城市比西部的甘孜、阿壩與涼山三州的濃度高；秋季成都、自貢與宜賓的濃度相對較高；冬季自貢、宜賓的濃度依舊最高.

2.2.2 PM10濃度分布 2017年四川省PM10濃度季節(jié)變化特征如圖5，夏季濃度水平較低，春、秋季第二，冬季最高；成都、德陽、自貢、宜賓與瀘州等城市全年P(guān)M10濃度值比其他城市高，西部三州濃度水平在全省比較低.

圖4 PM2.5濃度的季節(jié)分布Fig.4 Seasonal distribution of PM2.5 concentration

圖5 PM10濃度的季節(jié)分布Fig.5 Seasonal distribution of PM10 Concentration

2.2.3 SO2濃度分布 2017年四川省SO2濃度季節(jié)變化特征如圖6，總體SO2濃度水平較低，說明污染較輕.SO2高濃度主要出現(xiàn)在冬季，全年攀枝花的濃度都處于較高水平.

圖6 SO2濃度的季節(jié)分布Fig.6 Seasonal distribution of SO2 concentration

2.2.4 NO2濃度分布 2017年四川省NO2濃度季節(jié)分布特征如圖7，NO2濃度水平跟季節(jié)變化關(guān)系不大，每個季節(jié)NO2分布規(guī)律大致相同，冬季略高于其他季節(jié)，西部三州低于東部各城市.

圖7 NO2濃度的季節(jié)分布Fig.7 Seasonal distribution of NO2 concentration

2.2.5 CO濃度分布2017年四川省CO濃度季節(jié)分布特征如圖8，CO的濃度季節(jié)變化及分布特點與SO2的相似，冬季濃度水平最高；各城市的濃度值受季節(jié)變化影響不大，攀枝花濃度水平高.

圖8 CO濃度的季節(jié)分布Fig.8 Seasonal distribution of CO concentration

2.2.6 O3濃度分布 2017年四川省O3濃度季節(jié)分布特征如圖9，夏季O3濃度值最高，冬季最低，春季高于秋季.東部地區(qū)受季節(jié)影響，O3變化較明顯，春、夏明顯高于秋、冬季節(jié)，夏季最高達(dá)到145 μg/m3，冬季最低46 μg/m3.

圖9 O3濃度的季節(jié)分布Fig.9 Seasonal distribution of O3 concentration

3 討論

從AQI指數(shù)空間分布可以看出2017年全省空氣污染最嚴(yán)重的城市為成都和自貢，主要原因是城市人口密度大、機(jī)動車持有量多，并且自貢主城區(qū)海拔較低，處于川南氣旋流中心.成都平原污染高于三州地區(qū)，大氣污染程度與經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模有較大聯(lián)系，張浩等指出城市的規(guī)模與功能越復(fù)雜其污染越嚴(yán)重[9]，西部高原地區(qū)污染相對較輕.

PM2.5、PM10高濃度主要分布成都、自貢等東部地區(qū)；PM2.5濃度水平與季節(jié)變化相關(guān)性強(qiáng)，冬季水平最高；在21個市(州)中，自貢、宜賓全年四季的濃度水平都比較高.PM10的季節(jié)變化與PM2.5大致相似，夏季最低，冬季最高，主要是逆溫天氣多次出現(xiàn)，污染物聚集無法擴(kuò)散;

NO2高濃度在東部大部分地區(qū)，主要與機(jī)動車尾氣和石油化工業(yè)廢氣排放相關(guān)，隨著城市化進(jìn)程加快、人民生活水平提高，機(jī)動車數(shù)量呈現(xiàn)快速增長趨勢，NO2污染不斷加重[10].NO2受季節(jié)影響不明顯，說明污染的主要原因不是冬季取暖；成都、眉山NO2濃度高，阿壩州濃度最低，成都、眉山的汽車擁有量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于阿壩州.

SO2高濃度主要分布在攀枝花，該城市能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，且冶金、有色、化工、水泥等行業(yè)集中；生產(chǎn)工藝過程產(chǎn)生大量SO2，同時山地和峽谷地形不利于SO2的擴(kuò)散[11].SO2濃度受季節(jié)影響不明顯，攀枝花市全年濃度偏高.

CO高濃度同樣分布在攀枝花，主要是工業(yè)化石燃料燃燒不完全產(chǎn)生，汽車尾氣排放較少.CO與SO2的分布規(guī)律相似，全省攀枝市花的濃度最高；攀枝花市的CO主要來自于工業(yè)排放，同時受天氣和地形影響，導(dǎo)致冬季濃度水平較高.

O3濃度值：夏季>春季>秋季>冬季，夏季的臭氧濃度高是因為光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈.東部地區(qū)受季節(jié)影響，O3變化較明顯，夏季最高，冬季最低；西部受季節(jié)影響程度較弱，是由于西部大部分地區(qū)屬高原地區(qū)，夏季溫度不高，全年O3濃度水平波動小；由于高原地區(qū)輻射較高，導(dǎo)致冬季的O3濃度水平高于東部地區(qū).低層大氣中的臭氧主要是由人類活動排放的氮氧化物(NOX)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等前體物，在合適的氣象條件下(光照、輻射、溫度、濕度、風(fēng)速等)經(jīng)過一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)生成[12].O3高濃度主要分布在成都、德陽、眉山等區(qū)域，東北地區(qū)濃度較低.東部地區(qū)人口數(shù)量大、汽車擁有量高、前體物排放量多，而西部高原輻射較大，東北地區(qū)人口數(shù)量較少、太陽輻射也較弱.

4 結(jié)論與建議

(1)2017年四川省空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)及污染程度空間分布特征，由高到低依次為自貢、成都、宜賓、眉山、德陽、樂山、瀘州、內(nèi)江、達(dá)州、南充、資陽、雅安、綿陽、廣安、遂寧、廣元、攀枝花、巴中、涼山、甘孜、阿壩.總體上西部阿壩、甘孜、涼山三州污染低于東部地區(qū).

(2)2017年四川省空氣污染物濃度空間分布特征，PM2.5、PM10、NO2的分布規(guī)律類似，高濃度主要分布在自貢、宜賓、瀘州、達(dá)州、成都等東部；SO2與CO的分布規(guī)律類似，高濃度主要分布在攀枝花市.O3高濃度主要分布在成都、德陽、眉山等區(qū)域，并且東北地區(qū)濃度較低.

(3)2017年四川省空氣污染物濃度季節(jié)分布特征，PM2.5、PM10、SO2、CO冬季濃度水平最高，主要是逆溫天氣多次出現(xiàn)，污染物聚集無法擴(kuò)散；NO2季節(jié)變化不明顯，說明造成NO2污染不是冬季取暖而是汽車尾氣排放.O3夏季濃度水平最高是光照、輻射、溫度影響下，光化學(xué)反應(yīng)比較強(qiáng)烈生成臭氧多.

(4)2017年四川省空氣質(zhì)量及污染物的時空分析，發(fā)現(xiàn)NO2污染比較嚴(yán)重，主要來源于汽車尾氣排放，建議通過控制汽車總量、限制車輛行駛等措施，降低汽車尾氣NO2排放量、改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量.