第２９卷第４期 ２００６年８月
干旱区地理
ＡＲＩＤ ＬＡＮＤ ＧＥＯＧＲＡＰＨＹ Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．４
Ａｕｇ． ２００６
基于ＧＩＳ的兰州市大气污染空间分析 安兴琴 ， 马安青 ， 王惠林 （１ 北京大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点实验室，北京 １００８７１； ２ 中国海洋大学环境科学与工程学院 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛２６６００３；３兰州大学资源环境学院，甘肃兰州７３００００）
摘 要： 基于ＧＩＳ空间分析与插值技术，对兰州市大气污染具有代表季节的冬季大气污染的空 间分布特征进行了研究。应用１９９９—２０００年冬季地面观察站实测资料，使用Ｓｕｒｆｅｒ软件插值方法 绘制等值线图，与行政图进行叠置分析。研究了兰州市ｓｏｅ，ＴＳＰ等几种大气污染物的空间分布特 征与污染源的内在关系，并且结合国家环境空气质量标准中各项污染物的浓度限值，分别对上述污 染物的污染强度进行了区域划分。地面实测表明，兰州市大气污染程度最重的冬季ＴＳＰ对大气污 染的贡献程度超过了ｓｏ２；应用空间插值与叠加分析表明，兰州市城区ｓｏ２与ＴｓＰ污染强度的分 布格局与污染源分布基本一致。研究证明使用ＧＩＳ空间分析技术可以很好的揭示出西北高原典 型盆地地貌型城市大气污染物空间扩散与分布的特征。 关键词：兰Ｉ州市大气污染ＧＩＳ空间分析 中图分类号： ｍ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—６０６０（２００６）０４—０５７６—０６
随着我国快速城市化阶段的到来，城市扩展引起 的环境问题成为城市系统健康、有序、协调发展的重 要制约因素。其中，大气环境质量的恶化首当其冲。 科学准确、定量的描述城市大气环境质量情况，进而 为实施有效科学的城市环境管理以及城市未来发展 规划提供正确的科学依据，成为当前大气环境质量评 价与相关研究的关键问题。而对于城市大气污染物 浓度的空间分布的科学准确描述，是大气环境质量评 价的核心之一，也是目前城市大气环境质量研究的一 个难点ｌ１］。传统进行大气污染物空间分布研究基本 采用地面实测资料与等值线绘图技术相结合和建立 中小尺度城市大气运动模型进而由点代面研究城市 大气污染物空间运动特征二种方法Ｌ２Ｊ。这两种传统 方法从其自身技术特征出发，不可避免的具有一定的 缺陷。前者在研究前期的测点布设观测以及后期成 果输出方面面临着成本巨大、研究周期过长的缺点。 而后者采用以点带面，常常使成果失去代表意义。如 何准确、快速、及时的反映裁大气环境质量状态已成 为城市环境研究的必然求。 ＧＩＳ技术是融地理学、几何学、计算机科学为一 体的新兴边缘学科，是对空间信息及其属性信息进 行采集、存储管理、分析处理与显示输出的计算机系 统。能将自然过程和人类社会活动的各种信息与空 间位置、空间分布及其空间关系通过数字化而有机 地结合在一起 Ｊ。非常适合于环境科学领域的有 关问题的研究 Ｊ。近年来随着地理信息系统应用 领域的不断扩展，它在大气环境科学领域的应用正 处于方兴未艾的阶段。将ＧＩＳ卓越的空间分析功 能应用在城市大气环境的研究中，目前已进行了许 多有益的尝试与探索，如将ＧＩＳ与大气环境模型的 结合ｌ５ ］、ＧＩＳ与机动车尾气污染迁移扩散模型结 合ｌ９］、ＧＩＳ在大气环境规划评价中的应用【ｌＯＪ以及 ＧＩＳ在区域大气环境污染状况的动态变化规律的应 用等方面ｕ ，１２ ３。这些研究为今后ＧＩＳ技术在大气 环境科学研究中的推广提供了很好的借鉴。但是， 应当指出的是，上述科学研究仍然以基于区域大气 环境模型进行大气环境质量研究。研究方法与研究 模型均存在使用不便、研究对象针对性过强，推广不 易的限制。寻求简便、准确、快速反映大气环境质量 特征方法仍然是ＧＩＳ在城市大气环境质量研究中 的重要方向。 由于兰州特殊的工业结构、自然地理条件，其成
收稿日期：２００５—１２—１４；修订日期：２００６—０４—０９ 基金项目：国家自然科学基金项目（４０３０５０２０）资助 作者简介：安兴琴（１９７（】一），女，宁夏海原人，博士，主要从事城市大气环境的数值模拟研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ａｎｘｑ＠ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎ，ａｎｘｑ＠ｌｚｂ．ａｃ．ｃｎ
维普资讯 http://www.cqvip.com ４期 安兴琴等：基于ＧＩＳ的兰州市大气污染空间分析 ５７７ 为目前全国大气环境质量堪忧的城市。大气环境质 量对未来兰州市实现社会与环境协调可持续发展构 成了严重的挑战。科学准确描述大气污染物在兰州 市的空间分布特征，进而为城市环境规划与管理部 门提供强有力的支持，是兰州市城市环境治理的迫 切要求。 本研究利用“兰州市大气污染资料数据库”中的 污染源和污染监测资料，尝试性地将ＧＩＳ的空间分 析技术应用于兰州市大气污染源分布与大气污染状 况的研究中，建立了兰州市生活、工业等各种污染源 的空间数据库，利用该数据库，绘制出污染物ｓｏ２、 ＴＳＰ浓度分布图，综合分析了大气污染状况与污染 源的内在关系与规律，结合国家环保总局的污染物 浓度标准对上述污染物进行了污染类型区域划分， 对大气污染状况进行了客观评价。为今后进一步进 行城市大气环境治理与管理提供了便捷可靠的研究 方法与研究成果。具有较强的实用与推广价值。 １兰州市大气污染特征与大气污染源 分布 １．１兰州市大气污染概况 兰州市是一座以石油、化工为主的工业城市，是 个黄河穿过市区，四周高山环绕的典型盆地城市。 其复杂的地形特征，形成了特殊的气象条件：年静风 频率高达７５％，尤其冬季高达８７％以上；城区逆温 层常年存在，尤其是冬季的贴地逆温，高度在２００～ ６００ ｍ之间，像一个锅盖一样盖在城市上空，城区内 稳定度８Ｏ％为稳定类；静风、逆温及大气层结稳定 极不利于盆地内污染物的水平扩散和湍流扩散（ ）。 从兰州市２０００年的能源消耗情况来看，能源结构中 煤的比重较大（７９．２％），使得污染物中烟尘（ＴＳＰ、 ＰＭ】０）、ｓｏ２的排放量较大；而且兰州市区周围生态 环境较差，植被覆盖率低，造成自然扬尘在污染物中 占较大的比例，因此兰州市区大气具有典型的“煤 烟型”污染与颗粒物污染的综合特点，是我国大气污 染最严重的城市之一。 冬季由于特殊的气象条件；大量增加的采暖需 求；以及进一步下降的生态环境质量，使该季节成为 全年大气空气质量最差的时期。 １．２兰州城区大气污染源分布情况 兰州市２０００年大气污染源调查资料表明：全市 区共有工业污染源５０９个，占污染源总数的２０．９％， 其中１００ ｍ以上的高架源三个，分别是城关区的兰 州二热厂与西固区的西固热电厂和兰州化肥厂，３Ｏ １００ ｍ的工业源３０３个，３０ ｍ以下的１１７个，其 中４０ ｍ以上的工业源耗煤量占７７％。全市区各类 生活源１ ９２１个，占污染源总数的７９．１％。其中３Ｏ ｍ以上的生活源５２０个，３０ ｍ以下污染源１ ４０１ 个。图２是根据甘肃省环境信息中心提供的“兰州 市大气污染资料数据库”中的污染源分布和年排放 量１ ｋｍ×１ ｋｍ网格资料，利用ＧＩＳ技术绘制的兰 州市城区大气污染源分布图。图中可以看出：兰州 市污染源数量多、分布广，工业污染源主要分布在西 固区，生活污染源主要分布在城关区。
冬季 春季 夏季 秋季 图１兰州市主要大气污染物浓度季节分布图（１９９９—２０００） Ｒｇ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓｅｏｓｏｎｓ ｏｆ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｏｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｌａｎｚｋ￣ｕ ｃｉｔｙ（１９９９—２０００）
１．３兰州城区ＳＯ２污染与污染源典型日分布研究 为了更加直观地显示兰州市污染状况与各类污 染源的内在关系，本文选取具有代表性的典型日的 浓度监测数据，使用绘图软件Ｓｕｒｆｅｒ，绘制ｓｏ２浓度 等值线图，在ＡｒｃＧＩＳ平台下与ｓｏ２污染源分布图 进行叠加，得到ｓｏ２的浓度与污染源分布图。 代表日的选取依据以下原则：利用２０００年１２ 月在兰州城区监测得到的ｓｏ２浓度日均值，求取各 个监测点的平均值，然后根据下述方差计算公式，找 出方差最小的日期，认为是最能代表２０００年１２月 份污染平均状况的典型日。
ｓ２＝ ＞：（ｚ —Ａ ）２ 。 （１） 咒 。 。
式中：Ｓ 为方差；ｎ为监测点位个数，ｎ＝７；ｘｉ为各监 测点每日Ｓ（）ｚ日均值；Ａｉ为各监测点Ｓ 月均值。 计算得出２０００年１２月最小方差值为 ０．００１ ３６４，对应日期为１２日，图３是利用２０００年 １２月１２日ＳＯ２的常规监测资料绘制的ＳＯ２的浓度 与污染源分布图。图中可以看出在城关区ＳＯ２的 高值中心与城关区密集的生活污染源分布紧密相
维普资讯 http://www.cqvip.com ５７８ 干 旱 区 地理 ２９卷 １Ｏ Ｏ １Ｏ ·工业污染源 －生活污染源 ★监测点
城关区 隧圜圈七里河区 圈安宁区 口西固区
图２兰州市城区大气污染源分布图 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ０ｆ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ Ｌａｎｚｈｏｕ ｕｒｂａｎ ｄｉｓｔｒｉｃｔｓ
图３兰州城区ｓｃｈ浓度与污染源分布 Ｔｈｅ．３ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｕｒｃｅｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｃｈ ｉｎ Ｌａｎｚｈｏｕ
●３８９．８１０ ▲２８·８１ ●８１０－１３８２ ＾６１－１１２ ●１３８２·６９３５ ▲１１２－２４Ｏ
图４兰州市区ＴＳＰ浓度与污染源分布 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ８ｏｕｒｃｅ８ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＴＳＰ ｉｎ Ｌａｎｚｈｏｕｕｒｂａｎ ｄｉｓｔｒｉｃｔｓ
关，城关区南部火车站附近集中了年排放量在２００ ｔ 以上的近１０个污染源，而且这些污染源的排放高度 比较低（小于３０ ｍ），因此造成了ｓ（ｈ的污染在城关 区铁路局一带十分突出。 ２．４兰州城区典型日ＴＳＰ污染与污染源分布情况 依据与上述ｓｃｈ相同的方法，选取ＴＳＰ的代表 日，计算得到的最小方差为０．Ｏ１ ８２６，对应日期是 １２月１５日。图４是与图３相同的方法绘制的１２ 月１５日ＴＳＰ与烟尘污染源的叠加图。图中所示： 城关区南部的高值中心与烟尘排放量上百吨的密集 生活源有关。可以看出兰州市区ＴＳＰ污染相当严 重，绝大部分区域超过国家三级质量标准。
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