城市大氣環境分區管控方法與實踐：以保山市為例

柴素盈，劉岳雄，張星梓，楊芳園，李 森

( 1.云南省生態環境科學研究院，云南 昆明 650034；2.昆明市氣象局，云南 昆明 650500)

0 引言

“十二五”期間，為推動城市環境總體規劃編制與實施，薛文博等首次提出大氣環境紅線內涵，其劃定技術方法在規劃編制工作中得到廣泛應用[1-4]，為大氣環境分區管控研究奠定了基礎。《“十三五”生態環境保護規劃》提出要加快構建“生態保護紅線、環境質量底線、資源利用上線和生態環境準入清單”（以下簡稱“三線一單”），建立“三線一單”生態環境分區管控體系是新時期貫徹落實生態文明思想、提升生態環境治理體系和治理能力現代化水平的重要舉措[5-6]。大氣環境分區管控成為“三線一單”的重要內容，其以大氣環境的內在功能、結構過程等為出發點，強調優化空間布局，控制開發強度，從源頭控制大氣污染，為人類活動提供前置性、引導性、控制性的環境基礎框架。與傳統強調“治污”的大氣污染防治思路不同，大氣環境分區管控強調“源頭防控”，是解決城市大氣污染問題的有力手段。在大氣環境紅線劃定的基礎上，張南南等進一步擴展和細化了大氣環境管控分區劃定技術方法[7-8]，其主要內容為劃定大氣環境優先保護區、重點管控區和一般管控區，并提出各分區管控要求，其中重點管控區又包含布局敏感區、弱擴散區、受體敏感區、高排放區等。國內學者在不同城市開展了諸多實踐，主要對分區劃定方法和劃定結果進行了深入研究[10-13]，但分區管控策略和在不同領域的應用探索仍較缺乏。

本文以云南省保山市為例，采用NCEP FNL 1°×1°再分析資料、地面氣象觀測資料等數據，利用中尺度天氣數值模式WRF和空氣質量模式CALPUFF模擬計算得到3 km×3 km網格的污染源貢獻系數和污染物濃度，對大氣環境布局敏感性和擴散性能進行評價，根據評價結果開展分區劃定，提出分區管控策略，探討其在不同領域的應用思路，為城市大氣污染治理、國土空間規劃、產業布局優化、“三線一單”成果落地實施等提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區域和數據

保山市（98°25′~100°02′ E, 24°08′~25°51′ N）位于云南省西部，地處橫斷山脈滇西縱谷南端，高黎貢山和怒山南延于境內，地勢自西北向東南傾斜，高山盆地（壩子）相間，山高谷深。屬于亞熱帶季風氣候，且立體氣候顯著，雨熱同期、干濕分明。國土面積19637 km2，山區占總面積的92%，壩區占8%，下轄1區1市3縣，為隆陽區、騰沖市、施甸縣、龍陵縣、昌寧縣。

WRF模式輸入初始場和側邊界條件采用2017年NCEP FNL 1°×1°再分析資料，每6 h輸入一次。使用的2017年逐小時地面氣象觀測資料由氣象局提供，站點包括5個大監站，氣象要素為氣壓、溫度、濕度、風速、風向和降水等，詳見表1。地形高程數據采用GeoTIFF數據，土地利用數據采用美國地質勘探局（USGS）提供的數據。

表1 地面氣象觀測數據統計信息

1.2 模擬方案設置

本文模擬時段為2017年全年，模擬輸出時間間隔為1 h，水平格點數為72×81個，水平分辨率為3 km×3 km，模擬范圍覆蓋德宏州及周邊區域。WRF模式垂直分32層，大氣頂氣壓50 hPa，模式啟動時間1個月，模式參數設置見表2。CALPUFF模型垂直分10層，分別離地0、10、40、80、160、320、640、1200、2000、3000 和4000 m 。CALMET為CALPUFF模型系統中的氣象模塊，為擴散模塊提供三維氣象場，輸入CALMET的地面數據采用地面觀測數據，高空數據采用WRF模擬結果。

表2 WRF模式參數設置

1.3 分區劃定方法

將大氣環境管控分區劃分為三級：環境空氣一類功能區劃作優先保護區；受體敏感區、高排放區、布局敏感區、弱擴散區劃作重點管控區；剩余其它區域為一般管控區[8-9]。

1.3.1 優先保護區

優先保護區劃定，目的是從保障敏感環境受體安全角度出發，識別環境空氣質量需保障的區域。基于環境空氣功能區劃將環境空氣一類功能區識別為優先保護區，根據《GB 3095—2012環境空氣質量標準》，環境空氣一類功能區應包括自然保護區、風景名勝區等。

1.3.2 重點管控區

（1）受體敏感區

受體敏感區劃定，目的是從保障人體安全角度出發，識別環境空氣質量需保障的區域。由于城市建成區和重點鎮開發區人口較密集，因此將城鎮開發邊界識別為受體敏感區。

（2）高排放區

高排放區劃定，目的是識別出污染排放較大的工業集聚區域，以便更高效地進行監管。基于園區總體規劃、規劃環評等資料將工業集聚區劃定為高排放區。

（3）布局敏感區

布局敏感區劃定，目的是識別出污染源布局對人口密集的城市空氣質量造成嚴重影響的區域，為后期含有大氣污染排放的項目提供空間布局指導。布局敏感性評價常采用以下方法：虛擬將網格點設置為“虛擬點源”，假定每個網格排放等量的污染物，使用WRF_CALPUFF模型模擬“虛擬點源”對城市受體點位空氣質量的影響，利用模型溯源技術獲得網格污染源濃度貢獻系數作為評價指標和劃定依據。

（4）弱擴散區

弱擴散區劃定，目的是識別出大氣擴散能力弱、空氣資源匱乏的區域，為后期城市發展和工業布局提供指導。本文采用污染物濃度模擬法進行弱擴散評價，即將網格點設置為“虛擬點源”，利用WRF_CALPUFF模型模擬所有“虛擬點源”同時排放等量污染物對環境空氣質量的影響，獲得污染物濃度的空間分布作為評價指標和劃定依據。

2 氣象特征分析

2.1 站點觀測結果

通過對保山市地面氣象觀測數據進行統計分析，掌握主導風向、靜風頻率等影響污染物輸送擴散的典型氣象特征。保山市各縣（市、區）氣象要素統計結果見表1，2017年平均氣溫15.8~18.7℃，累積降水量886.3~2033.4 mm，施甸縣降水較少，相對濕度65.6%~82.9%，風速1.32~1.78 m/s，靜風頻率6.7%~18.2%，其中騰沖、龍陵、隆陽區靜風頻率較高。圖1為保山市各縣區風速風向玫瑰圖，可以看到，保山市多盛行西南風、南風和東南風。

圖1 保山市各縣（市、區）風速風向玫瑰圖

2.2 山谷風特征

2.2.1 模擬驗證

為檢驗模擬結果的準確性，選取隆陽站觀測數據為驗證數據，其它4個站點數據作為CALMET輸入數據進行氣象要素模擬，以2017年1月1日—10日的模擬結果為例，圖2給出了溫度和風速模擬結果與觀測結果的對比及相關分析。可以看到，溫度、風速的變化趨勢模擬與觀測保持一致，模擬平均值略低于觀測0.93℃和0.20 m/s，可決系數分別為0.97和0.74，說明模式能夠模擬出保山地區氣象要素的基本特征，模擬結果可信。

圖2 隆陽站模擬值與觀測值對比及相關分析（a和b為溫度，c和d為風速，紅線為模擬值，黑線為觀測值）

2.2.2 模擬結果

圖3給出典型時刻的山谷風環流地面風場。白天由于山坡的加熱作用形成谷風，風由谷地吹向山地，但被盛行風覆蓋；夜間，由于山坡迅速降溫，谷風減弱并發生轉向形成山風，風由山地吹向谷地。受多面環山的地形阻擋影響，保山市壩區擴散能力較弱，白天污染物易在迎風坡堆積，夜間山風又將污染物帶回城區，加上夜晚容易形成貼地輻射逆溫，利于局地污染累積。

圖3 典型時刻山風（a）和谷風（b）環流地面風場圖

3 大氣環境分區管控

3.1 分區劃定結果

大氣環境優先保護區包括環境空氣一類功能區，主要分布于高黎貢山自然保護區、瀾滄江省級自然保護區、小黑山自然保護區、騰沖北海濕地自然保護區、昌寧瀾滄江自然保護區以及騰沖地熱火山國家級風景名勝區等。

大氣環境重點管控區包括受體敏感區、高排放區、布局敏感區、弱擴散區四類。其中，受體敏感區主要為人口密集的城市建成區和重點鎮開發區，高排放區主要為工業活動集中的工業園區。對保山市進行布局敏感性評價，采用WRF_CALPUFF模型模擬獲得污染源濃度貢獻系數（見圖4），根據其空間分布識別出污染源布局對此地區人口密集的城區大氣環境造成較大影響的區域即為布局敏感區（見圖6），可以看到，布局敏感區主要分布在城市上風向、輸送通道等區域。對保山市進行弱擴散評價，通過WRF_CALPUFF模型模擬得到擴散指數（見圖5），根據其空間分布識別出擴散條件差、大氣污染物容易聚集的區域即為弱擴散區（見圖6），弱擴散區主要分布在山谷河谷地區。受山高谷深的地形影響，谷地風速及混合層高度較低，擴散能力弱，加之山谷風的影響，導致大氣污染物易在谷地發生聚集。

圖5 虛擬污染物年平均濃度空間分布

圖6 大氣環境管控分區范圍

大氣環境一般管控區為除優先保護區、重點管控區以外的區域。

綜合大氣環境三級管控區的識別結果，利用GIS空間融合技術，按照優先保護區>受體敏感區>高排放區>布局敏感區>弱擴散區>一般管控區的原則，進行聚合處理，融合結果如圖6所示。

3.2 分區管控策略

根據不同管控分區特征，提出相應的環境質量目標、空間布局、污染物排放管控、風險防控、資源開發利用等方面的環境準入要求。根據《GB 3095—2012環境空氣質量標準》相關規定，優先保護區應執行一級空氣質量標準，其它管控區執行二級空氣質量標準。優先保護區的大氣環境功能極重要，應實施嚴格的大氣污染排放限制，明確空間布局約束。受體敏感區人口密集，應從保障人體安全的角度出發，結合高污染燃料禁燃區劃定方案提出空間布局約束、污染物排放管控、資源開發利用要求。高排放區為工業活動集中的區域，對于空氣質量未達標的單元，應明確削減要求，嚴格環境準入；涉及有毒有害和易燃易爆物質的項目，應明確風險防控措施。布局敏感區和弱擴散區為城市上風向、輸送通道和大氣擴散條件差的區域，應提出空間布局約束，明確禁止的新、改、擴建項目，嚴格控制涉及大氣污染物排放的工業項目準入。一般管控區需貫徹落實國家和地方的產業結構調整措施和環境管理要求。

4 應用探討

4.1 在國土空間規劃編制中的應用

大氣環境分區管控作為“三線一單”成果內容可隨之融入到國土空間規劃的編制中，例如在城鎮開發邊界的劃定中，可對優先保護區和重要生態空間進行避讓和保護；在探索推進“標準地”改革中，通過區域空間生態環境評價落實生態環境分區管控制度，推進“三線一單”、規劃環評和項目環評深度融合，提出“標準地”生態環境準入清單，嚴守區域生態環境底線。在城鎮空間布局的設計中，可識別其位置的環境分區屬性，銜接管控約束進行符合性分析，統籌協調城鎮發展區和工業發展區空間結構，落實管控要求，引導產業和城鎮科學合理布局，促進形成國土空間保護和開發相協調的空間格局。

4.2 在污染防治和產業布局優化中的應用

分區管控的實施可促進城市大氣污染防治與產業布局優化，例如結合分區管控成果，開展行業整治、工業園區監管能力提升和提質升級；對于位于優先保護區和重點管控區不符合管控要求的企業，進行整改或逐步遷出；為項目引進篩選提供指導，為符合準入條件的項目提供選址建議、強化污染防治措施等，促進產業布局優化和轉型升級，實現大氣污染減排和源頭防控，推動環境空氣質量改善。

5 結論

（1）WRF_CALPUFF模式能夠有效模擬出保山地區氣象要素的基本特征，通過空氣質量模擬得到污染源貢獻系數和污染物濃度作為評價依據，準確識別出大氣環境布局敏感區和弱擴散區。

（2）保山市大氣環境優先保護區包括環境空氣一類功能區，受體敏感區包括城市建成區和重點鎮開發區，高排放區主要為工業活動集中的工業園區，布局敏感區主要分布在各縣城的上風向、輸送通道等區域，弱擴散區主要分布在保山市南部的山谷河谷地區。各類管控單元應根據自身屬性特征實施差異化的大氣環境管控策略，提出環境質量目標、空間布局、污染物排放管控、風險防控、資源開發利用等方面的管控要求。

（3）大氣環境分區管控作為“三線一單”成果之一可應用于國土空間規劃編制，利于形成國土空間保護和開發相協調的空間格局。同時可應用于大氣污染防治和產業布局優化中，推動產業轉型升級，促進大氣污染減排和源頭防控，實現環境空氣質量改善。