区域大气污染防治管理系统建设需求分析

陆楠，魏斌，朱琦，刘定，杨毅

(环境保护部信息中心，北京 100029)

区域大气污染防治管理系统建设需求分析

陆楠*，魏斌，朱琦，刘定，杨毅

(环境保护部信息中心，北京 100029)

摘 要区域大气污染防治管理系统是生态环境保护信息化工程（《“十二五”国家政务信息化工程建设规划》中规划的国家级信息系统之一）项目建设的重要内容之一。本文对区域大气污染防治管理系统的建设需求进行了分析，系统针对大尺度的区域性大气环境质量问题，紧密结合国务院“大气污染防治行动计划”的目标任务要求，开展数据调度与综合分析等功能的建设，旨在通过数据分析提高重点区域大气环境质量状况与污染成因的评估能力，通过情景模拟与模型运算为区域大气污染治理措施的制定与动态调整提供定量化数据支持。系统的建设与实施将有望成为国家大气污染防治领域跨部门数据共享与交换的基础工程，为区域大气污染防治工作提供有力的信息化技术支撑。

关键词区域大气污染防治；电子政务工程；信息共享；业务协同

引言

生态环境保护信息化工程是《“十二五”国家政务信息化工程建设规划》中重点建设的应用系统之一。该项目由环境保护部牵头，多部委联合共建。项目针对危害群众生命健康的突出环境问题，充分利用大数据分析等先进技术开展系统建设，有效增强对生态环境的监测、评估、分析与预测能力，不断提高对重点区域、流域的环境治理水平。

本文重点论述生态环境保护信息化工程重点建设内容“区域大气污染防治管理系统”的建设需求。该系统针对重点区域大气环境质量问题，紧密结合“大气污染防治行动计划”的目标任务要求，建设数据调度与综合分析系统，旨在通过数据分析提高大气环境质量状况与污染成因的评估能力，通过情景模拟与模型运算为区域大气污染治理措施的制定与动态调整提供定量化数据支持。

1 区域大气环境问题分析

1.1 问题表现

当前，我国大气污染形势严峻，以可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出，损害人民群众身体健康，影响社会和谐稳定。随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，大气污染防治压力继续加大。

近年来，我国部分地区长时间、大范围、反复出现雾霾天气，许多城市空气质量短期内急剧下降，严重威胁人们正常生产生活。2014年，按照《环境空气质量标准》（GB3095—2012）开展监测的161个城市中，有145个城市空气质量超标，占90.1%。2014年细颗粒物（PM2.5）年均浓度范围为19～130μm/m3，平均为62μm/m3，远远超过二级标准（35μm/m3）。

此外，城市群的区域性污染问题越来越突出，城市间污染相互影响显著。随着城市规模的不断扩张，区域内城市连片发展，受大气环流及大气化学的双重作用，城市间大气污染相互影响明显，相邻城市间污染传输影响极为突出。在京津冀、长三角和珠三角等区域，部分城市二氧化硫浓度受外来源的贡献率达30%～40%，氮氧化物为12%～20%，可吸入颗粒物为16%～26%；区域内城市大气污染变化过程呈现明显的同步性。

空气是人类生存生活的基本条件，空气质量与人民群众的幸福指数息息相关，因此以保障人民群众身体健康为出发点，做好大气污染防治工作，切实改善空气质量，具有极高的迫切性和重要的社会意义。

1.2 问题根源

当前区域大气环境问题出现的根本原因是由于大气污染物排放超过了大气环境容量。根据《2014年中国环境状况公报》所示，2014年我国二氧化硫排放总量为1974.4万t，氮氧化物排放总量为2078.0万t，远远超出了大气环境的承载力，具体原因主要包括以下几方面：

（1）产业结构不合理。我国产业结构重型化特征明显，2013年，工业能源消费量占全国能源消费总量的73%，六大高耗能行业能源消费量占工业能源消费总量的79%。

（2）能源结构不合理。以煤为主的能源结构是影响我国大气环境质量的主要因素，我国二氧化硫排放量的90%、氮氧化物排放量的70%、烟尘排放量的70%都来自于燃煤。

（3）机动车污染严重。目前，机动车已经成为大气环境污染的重要来源。以北京市为例，北京市环保局公布的2013年PM2.5源解析结果显示，机动车的贡献达到31.1%，成为北京市大气污染的主要来源。

（4）其他方面的问题。城市扬尘污染、农村散煤燃烧、秸秆焚烧和新型大气污染物防治形势严峻[1]。

2 信息技术对大气污染治理支撑作用分析

2.1 促进整合与共享助力区域协同治理

“区域”是基于环境或生态整体性而自然形成，其天然分布不受部门和行政区划的限制。因此，针对区域雾霾等污染问题，必须基于大气等环境要素的整体性采取相应的措施。信息技术能够为区域大气污染防治工作相关数据的整合提供平台与接口，有助于打破部门与行政区划的壁垒，形成针对区域某一特定大气环境问题的数据共享与业务协同平台。区域大气污染防治管理系统将针对解决大尺度的区域性大气环境问题，以落实国务院发布的《大气污染防治行动计划》，切实改善空气质量的相关工作要求为核心，开展跨部委的系统建设，增强各相关部委之间以及中央对地方大气污染防治工作进展、工作成效的把控，推动大气环境日常化管理、定量化考核水平的不断提高。同时，系统可借此形成跨部委的数据汇总、统计和分析能力。

2.2 增强定量化分析能力与辅助决策水平

信息技术能够提高大气污染防治措施的定量化水平。一方面，通过各类大气污染分析模型，结合大气环境质量、大气污染物排放量及排放特征的时空分布等数据，能够定量化的形成对质量现状、污染成因、变化趋势、治理效果的分析评估，从而实现对大气环境状况的准确评估。另一方面，通过将具体的治理措施参数化，定量评估现有的大气污染防治措施对区域大气污染进行削减的效果，结合对污染来源和变化趋势的量化分析，能够为区域大气污染防治对策的制定提供决策支持，为区域限批、能源结构调整等具体管理措施的制定提供数据支持，为提升大气环境管理科学决策水平提供辅助决策的平台与技术。

3 系统需求分析

3.1 系统总体业务需求架构

区域大气污染防治管理系统按照时间维度共分为三个业务域：大气环境状况评估、大气污染源管理与污染物减排、区域大气环境管理决策支持（图1）。系统通过数据调度与综合分析等功能的建设实现“说清大气环境质量现状，说清污染物总量，说清污染成因，说清变化趋势”的建设目标。

（1）“大气环境状况评估”部分的建设内容主要是对过去大气污染治理成果及环境质量的评估，对大气污染发生的规律、对造成污染的重点区域和重点行业污染源进行识别，为环境管理部门核实污染治理效果、应对污染天气提供数据支持。

（2）“大气污染源管理与污染物减排”部分的建设内容是实现当前对大气污染源的有效管理。系统结合大气污染防治行动计划的目标任务要求，实现计划考核的定量化、日常化和动态化，为有效提高大气防治管理水平提供平台支撑。

（3）“区域大气环境管理决策支持预测”部分的建设内容面向未来，是通过分析大气污染物总量与大气环境质量之间的关系为动态调整大气污染防治方案提供定量化支持，通过区域空气质量的中长期预测预警为“十三五”大气污染防治工作提供定量化数据支持。

3.2 重点功能需求

3.2.1 区域大气环境质量评估

采用时间序列、相关性分析等统计方法对区域大气环境质量现状与改善情况进行评价和分析，评估风向、风速等气象条件、冬季供暖等特殊污染状况对空气质量的影响，同时结合APEC和阅兵期间等特例情况分析大气污染防治措施对环境质量改善的有效性，为说清大气环境质量现状、说清大气污染防治成效提供定量化的数据支持。

3.2.2 区域大气污染成因分析

区域大气污染成因分析是识别区域颗粒物排放总量及各区域、各行业、各类颗粒物排放量，计算重点排放区域、重点排放源对当地颗粒物排放总量的分担率，为环境监管部门核实污染减排效果、开展区域联防联控提供支持。

3.2.3 区域大气污染防治措施评估

分析区域大气污染防治控制措施和减排效果对空气质量的影响，量化评估一定时间范围内天气条件、大气污染物减排量、大气污染防治措施对区域大气环境状况的影响程度，用以指导区域大气污染防治措施的动态调整。

3.2.4 污染源监管与量化考核

按照《大气污染防治行动计划》要求，从大气污染的空气质量改善和重点任务完成情况两个方面对全国31个省大气污染防治工作进行综合考核与评估，重点针对机动车污染、工业源污染、燃煤锅炉进行综合监管，采集各地区产业结构调整优化、清洁生产、煤炭管理与油品供应、燃煤小锅炉整治、工业大气污染治理、机动车污染防治等信息，实现全国大气污染防治考核的精细化、自动化。

3.2.5 区域大气污染物排放预测

建立区域大气污染物二氧化硫、氮氧化物、细颗粒物、挥发性有机污染物的排放预测，通过模拟大气污染物排放情景和情景排放清单实现减排潜力分析，进而为建立排放控制方案提供技术支持。

3.2.6 区域空气质量中长期预报

利用区域大气环境容量评估、大气污染排放清单和空气质量模式等技术手段建立大尺度、长时间维度的区域空气质量预报模式，为国家大气污染治理措施的制定与动态调整，以及“十三五”大气污染防治工作提供定量化数据支持。

3.3 数据共享需求

当前，政务信息的整合与共享工作愈发得到国家的重视，政府出台了一系列文件，部署了相关的工作，如《“十二五”国家政务信息化工程建设规划》（发改高技〔2012〕1202号）、《国务院办公厅关于运用大数据加强对市场主体服务和监管的若干意见》（国办发〔2015〕51号）、《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》（国发〔2015〕40号）、《促进大数据发展行动纲要》（国发〔2015〕50号）等均明确提出实现政府部门跨部门的生态环境数据互联互通和开放共享。

目前，在环境保护部内部，数据方面涉及到环境统计、环境质量监测、污染源在线监控、执法监察等各类数据，但是缺乏部门内部、跨部门、跨层级、跨区域业务的信息交换和共享机制，不同系统之间的数据关联性难以形成，使得环境监管尚未形成强大合力[2-3]。

按照《“十二五”国家政务信息化工程建设规划》的有关要求，生态环境保护信息化工程需重点实现跨部委的信息共享与业务协同，因此数据共享是区域大气污染防治管理系统的一大重要需求。

（1）针对“大气环境状况评估”业务域，环保部、农业部、气象局提出共享雾、霾、沙尘卫星遥感监测、重点城市空气质量指数、全球交换站地面气象监测、天气预报、农区大气环境质量等数据。

（2）针对“大气污染源管理与污染物减排”业务域，环保部、质检总局提出共享机动车污染物排放总量、机动车环保标志核发率、进口机动车污染物排放监测信息、全国锅炉能效监测信息、重点行业挥发性有机物治理等数据。

（3）针对“区域大气环境管理决策支持”业务域，环保部、农业部、气象局提出共享灾害性天气预报警报、中长期天气预报、农产品产地大气环境质量趋势分析数据等数据。

4 系统关键技术分析

（1）污染源排放清单

污染源清单是大气污染模式重要的起始输入数据，是研究空气污染物在大气中物理化学过程的先决条件，它对于模拟二次污染物、了解某一地区的空气污染状况，确立合适的减排方案都有重要作用[4-5]。区域大气污染防治管理系统拟参照环境保护部2014年8月发布的《大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南（试行）》，开展区域排放源清单的建立工作，整个步骤包括：排放源分类分级体系的确定、排放清单计算空间尺度的确定、一次PM2.5排放量的计算方法、活动水平数据调查收集和质量控制[6]。

（2）区域大气复合污染来源解析

大气颗粒物来源解析指通过化学、物理学、数学等方法定性或定量识别环境受体中大气颗粒物污染的来源，其主要技术方法包括源清单法、源模型法和受体模型法。区域大气污染防治管理系统拟在动态更新污染源清单的基础上，采用源模型与受体模型联用的方法解析本地和区域的颗粒物来源，定量给出污染源贡献值与分担率，定量解析出本地和区域各类源的贡献[7]。

（3）区域空气质量预报

空气质量数值预报方法是目前国内外主流的环境空气质量预报技术方法，其核心思想是以大气动力学理论为基础，在给定的气象场、源排放以及初始和边界条件下通过偏微分方程组描述大气污染物在空气中的各种物理、化学过程（输送、扩散、转化、沉降等），并通过数值计算方法预报污染物浓度动态分布和变化趋势。区域大气污染防治管理系统拟采用中科院大气物理研究所研制的“嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）”[8]。

（4）区域大气环境承载力评估

大气环境承载力是某一时期、某种状态或条件下，某地区的大气环境所能承受的人类活动的阈值。本系统拟将我国三维气象场动态数据、大气污染源动态排放清单、土地利用变化动态数据等输入第三代空气质量模式（NAQPMS），动态计算区域逐年、逐季、及逐月等时间尺度的主要污染物（PM2.5、PM10、SO2、NOx）大气环境容量，并利用区域污染源动态排放清单，计算区域大气环境动态承载力，评估区域逐年、逐季的大气环境负荷水平。

（5）大气污染物区域输送规律

大气污染物区域输送通道是指空间和时间稳定性风带，是区域尺度、局地尺度的范围内相继出现的欧拉风场，具有一定空间尺度和时间尺度的相继性、连续性输送、多频率发生的特征。区域大气污染防治管理系统拟利用轨迹聚类分析和通道梯度识别的方法明确区域的污染物输送、汇聚方式，得到以某一中心点为目标的区域主要输送路径[9]。

5 总结与展望

需求分析是电子政务工程的核心内容，处在系统开发生命周期的最初阶段，是决定系统成败的关键。本文以问题为导向，聚焦有限目标，逐级推进，系统地分析了区域大气污染防治管理系统的建设需求，初步设计了系统的总体业务框架与主要功能，并对系统涉及的关键技术点进行了探讨，为后续系统的设计与建设提供了依据。

区域大气污染防治管理系统的建设与实施将有望成为国家大气污染防治领域跨部门数据共享与交换的基础工程，为区域大气污染防治工作提供有力的信息化技术支撑。

参 考文献

[1] 杨朝飞、杜跃进等. “治霾在行动”研究报告[M]. 北京：中国环境出版社，2015.

[2] 魏斌. 深化电子政务应用，推动环境监管创新[J]. 环境保护. 2013, 41 (11): 39-41.

[3] 魏斌、黄明祥. 新形势下环境信息化发展展望[J]. 中国环境管理. 2015, 7 (1):14-17.

[4] Placet M, Mann C O, Gilbert R O, et al. Emissions of ozone precursors from stationary source: a critical review[J]. Atmospheric Environment, 2000, 34(12-14):2183-2204.

[5] 江小珂，唐孝炎. 北京市大气污染控制对策研究[R]. 北京：北京市环保局，北京大学，清华大学等. 2002:1-268.

[6] 环境保护部. 大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南（试行）[EB/OL](2014-8-19)[2015-11-20]. http://www. zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201408/W02014082835129 3619540.pdf.

[7] 环境保护部. 大气颗粒物来源解析技术指南（试行）[EB/ OL]. (2014-8-14)[2015-11-20].http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bwj/201308/W020130820340683623095.pdf

[8] 中国环境监测总站. 环境空气质量预报预警方法技术指南[M]. 北京：中国环境出版社. 2014.

[9] 程水源、陈东升. 大气重污染过程预测技术研究[M]. 北京：中国环境出版社. 2014.

Analysis on the Construction Demand of Regional Air Pollution Control Management System

Lu Nan*, Wei Bin, Zhu Qi, Liu Ding, Yang Yi
(Information Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100029)

Abstract:Regional air pollution control management system is an important part of the ecological and environmental protection information engineering’s project construction, which is one of the national information systems in 12th Five-Year National Government Information Engineering Construction Plan. In this paper, the construction needs of regional air pollution control management system were analyzed. System aims at large scale regional atmospheric environmental quality problems, combines closely with the State Council’s air pollution prevention action plan’s target and task requirements, carry out data scheduling, comprehensive analysis and other functions construction. The system will improve the assessment ability in quality of atmospheric environment analysis and pollution cause in key areas through data analysis, and provide quantitative data support for formulation and dynamic adjustment of regional air pollution control measures through the scene simulation and model calculation. Construction and implementation of the system is expected to become a basic project for cross-sectorial data sharing and exchange in the fi eld of national air pollution control.

Keywords:regional air pollution control; e-government project; information sharing; task collaboration

中图分类号：P208

文献标识码：A

文章编号：1674-6252(2015)06-0066-05

*责任作者： 陆楠（1984—），女，工程师，环境保护部信息中心，主要从事环境信息分析与应用方面的研究。