宜昌市大气环境红线研究

武卫玲 薛文博 雷 宇

(环境保护部环境规划院，北京 100012)



宜昌市大气环境红线研究

武卫玲 薛文博 雷 宇

(环境保护部环境规划院，北京 100012)

本文通过WRF-CALMET气象模式模拟分析了宜昌市2011年1、4、7、10四个典型月份1km分辨率气象场，利用CALPUFF空气质量模型识别了大气环境布局敏感区、聚集脆弱区、受体重要区。基于源头敏感区、聚集脆弱区及受体重要区划定宜昌市大气环境红线。结果表明，宜昌市大气环境红线区主要包括城区及各区县的上风向等地区，三峡库区沿岸等不易扩散地区，中心城区、各区县建成区等人口聚集区、森林公园、自然保护区、风景名胜区等大气环境一类功能区，大气环境红线区面积共计3537.59km2，占市域面积比例16.65%。

宜昌；环境总体规划；大气环境红线；CALPUFF

引言

党的“十八大”提出大力推进生态文明建设，要求尊重自然、顺应自然、保护自然，强调优化国土空间开发格局，控制开发强度。为落实国家战略部署，环境保护部提出“探索编制城市环境保护总体规划”。环境总体规划具有基础性、先导性、前置性和制约性的特征，是对尊重自然、顺应自然新形势的新思考，是城市环境保护经验和教训的总结。自2013年环保部相继启动了30个城市的环境总体规划试点工作，城市环境总体规划的编制对于从源头上杜绝污染，优化国土合理开发，改善空气质量发挥了积极作用。宜昌市作为中部地区试点城市，地处鄂西山地到江汉平原的过渡地带，境内地貌复杂，西部为中低山，中部为丘陵，东部为平原，形成“七山二丘一平”的地貌特征，长江从西向东横贯全境，宜昌市环境总体规划的编制及大气红线划定对于保护长江中上游生态环境具有重要意义。为此，本研究利用WRF-CALMET-CALPUFF模型模拟了气象场，识别了大气环境布局敏感区、聚集脆弱区、受体重要区，并划定了大气红线区，为宜昌市优化国土开发格局提供了科学依据。

1 数据和方法

1.1 技术路线

采用WRF-CALMET模型，结合地形高程数据、地面气象观测数据，模拟分析宜昌市大气流场特征，揭示宜昌市大气污染空间输送规律。通过三维流场定性识别上风向、扩散通道及静风等典型气象特征区域，其中上风向和扩散通道布局污染源影响范围、影响强度大，可划为布局敏感区；静风区或风速较小的地区不利于污染物扩散，易造成局地污染，可划为聚集脆弱区。模拟的三维流场将作为CALPUFF模型定量模拟大气环境敏感性的输入数据。

大气环境空间敏感性分析考虑源头布局敏感性、污染聚集脆弱性和受体重要性(一类大气环境功能区、居住区等)三个因素。采用WRF-CALMET-CALPUFF模型耦合技术，从三个方面对宜昌市大气环境敏感性进行解析：①为指导未来污染源合理布局，开展源头敏感性分析，识别和划分污染源布局敏感区域；②为指导城市空间扩张模式与方向，进行污染物聚集区敏感性分析，识别和划分污染聚集区；(3)为保护人体健康等重要目标，基于现有建成区、环境功能区划等社会经济要素识别和划分敏感的环境受体。大气环境红线划定的具体技术路线见图1。

图1 大气环境空间格局解析技术路线

1.2 模型参数设置

CALPUFF模型是由美国EPA推荐的用于模拟污染物传输行为的集成模式，可模拟三维流场中随时间和空间变化的污染物传输、转化和清除过程。CALPUFF模式结构由CALMET气象模块、CALPUFF烟团扩散模块和CALPOST后处理模块三部分组成。

模拟时段：选取2011年1月、4月、7月、10月四个典型月份，模拟时间间隔1小时，用四个典型月份模拟结果平均代表全年模拟结果。

模拟范围：CALMET模型模拟区域采用LAMBERT投影，中心点经纬度分别为111.15°E、30.75°N，两条平行纬度分别为30°N和31.5°N。水平模拟范围为X方向(-110km-110km)、Y方向(-100km-100km)，网格间隔1km，共将模拟区域划分为220×200网格；垂直方向共设置7个气压层，层间距自下而上逐渐增大，分别为0m、20m、50m、100m、500m、2000m、3000m、5000m。CALPUFF在源头敏感区、聚集脆弱区识别，选用1km的气象流场驱动3km的污染源，宜昌市域包括3km规则矩形网格共2362个。

气象数据：WRF模型的初始输入数据采用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的6h一次、1°分辨率的FNL全球分析资料。探空气象数据来源http：//rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/。

地形数据：地形数据采用GOTOP30数据，土地利用数据采用美国地质勘探局(USGS)数据，地形数据来自http：//www.webgis.com/terr_world_03.html。

化学机制：污染物以SO2为代表，且仅研究一次污染物的输送，未考虑大气化学反应过程。

2 气象流场分析

气象特征是大气环境中最重要的自然要素，其中风向、风速、混合层高度是气象条件的关键指标。风向反映了大气污染的来源、输送过程及归宿的整个流程；风速反映自然环境对污染物的自净能力，是度量环境自净能力的关键指标。因此，风向、风速特征是划定大气环境敏感区的重要参数。本研究结合地形数据、10个气象站点4个典型月份观测的逐时气象数据(风速、风向、云高、总云、气温、湿度、气压、降水)，采用WRF-CALMET模拟分析宜昌市的三维气象场。

宜昌地形地貌复杂，风向、风速在空间上存在显著差异。三维流场模拟结果表明，全年风速偏小，平均风速1m/s，1月、10月平均风速明显低于4月、7月；城区全年主导风向为东南风，西南部多山地，主导风向不显著。宜昌市风场分布特征见图2。模型模拟的主导风向和气象监测主导风向一致。

图2 宜昌市全年主导风向及风速分布

3 大气环境敏感性空间区划

城市环境总体规划的核心是解析大气环境的空间格局，划定大气环境红线。本研究从以下三个方面解析大气环境的空间敏感性：

(1)布局敏感区识别。依据污染源影响程度定量分析污染源空间布局的敏感性，布局敏感区大致包括城市主导上风向地区及大气环流通道，在此布局污染源将对城市空气质量造成严重影响。

(2)聚集脆弱区识别。利用空气质量模型模拟宜昌市污染物均匀排放时，污染物浓度的空间聚集特征，分析污染易聚集区及不利扩散区，污染易聚集区主要集中在大气污染物天生自净能力较弱的地区，如：山谷、河谷、盆地等，天生自净扩散能力差，不适于开发建设。

(3)受体重要区识别。环境受体重要区主要包括大气环境一级功能区及人口密集地区，目的是保护人体健康及敏感环境受体。

3.1 布局敏感区

假定在宜昌市2362个网格中心各布设一个虚拟污染点源，每个网格的污染物排放量相同，均为100吨/年，模型模拟的污染物均为一次稳态气态污染物SO2。模型中的受体点为宜昌市13个空气质量监测站点(四零三、环保局、伍家岗、夷陵区、点军区、宜都市环境监测站、当阳市环保局、枝江市环境监测站、文化中心、秭归县环境监测站、远安县环保局、长阳城建局、五峰土家族自治县环保局)。利用CALPUFF空气质量模型模拟每个网格单位污染物排放，对受体点的影响程度，依据其影响程度定量识别每个网格的布局敏感性。2011年1月、4月、7月、10月以及全年平均的布局敏感性分析结果：全年平均的布局敏感区主要集中在宜昌市中心城区，1月份城区盛行东北风，布局敏感区主要集中在城区及其东北部地区；4月、7月风速较大，大气自净能力强，布局敏感区范围较小，主要集中在城区；10月份风速较小，布局敏感区范围较大，主要集中在夷陵区、伍家岗区、点军区等。

3.2 聚集脆弱区

假设2362个虚拟污染点源同时排放污染物，每个网格SO2排放量为100吨，利用CALPUFF空气质量模型模拟所有网格同时排放等量污染物时的浓度分布，污染物浓度较高地区为不易扩散或易聚集地区。

宜昌市域内大气环境聚集特征显著，有明显的污染物易聚集区，主要集中在城区长江干流地区、兴山和秭归的河谷地区、清江沿岸。在排放强度相同的情况下，污染物更容易在聚集敏感地区聚集，从而导致局地性空气污染，因此对环境质量需求较高的功能区，应尽量布局在聚集脆弱区范围外。污染物浓度聚集程度与风速等大气自净能力呈现负相关，聚集脆弱区主要分在风速较小的地区与时段。

3.3 受体重要区

基于《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)不同环境空气功能区，对大气环境受体重要区进行识别。将一类功能区中的自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的区域纳入受体重要区，依据人口密度将二类区中的人口聚集区划定为受体重要区。

宜昌市受体重要区主要集中在中心城区和各区县建成区等人口聚集区、森林公园、自然保护区、风景名胜区等。森林公园主要包括玉泉寺国家森林公园、柴埠溪国家森林公园、大老岭国家森林公园等；自然保护区主要包括五峰后河国家级自然保护区、三峡湿地自然保护区、高坝洲湿地自然保护区、龙山自然保护小区、万朝山自然保护区、崩尖子自然保护区、九畹溪自然保护小区、二墩岩自然保护小区等；风景名胜区主要包括隔河岩库区湿地自然保护区黄牛岩风景名胜区、峡口-牛扎坪风景名胜区、玉泉山风景名胜区、长阳清江风景名胜区、鸣凤风景名胜区等。宜昌市大气环境受体重要红线区见图3。

图3 环境受体重要区

4 大气环境红线划定

结合源头布局敏感区、聚集脆弱区及受体重要区，划定宜昌市红线、黄线、绿线三级大气环境体系，实施红线禁止、黄线限制和绿线引导的分级控制。

将全年平均布局敏感性按照各网格对受体点的浓度贡献进行分级，划分标准见表1。源头布局敏感红线区集中在城区及各区县城区的上风向地区，面积为2762.3km2，占宜昌市域面积比例13.0%。宜昌市布局红线区见图4。

表1 源头敏感性分级标准

图4 源头敏感性分区管控

将全年平均聚集敏感性按照浓度分级，划定红线、黄线和绿线，划分标准见表2。宜昌市大气环境聚集红线区见图5。聚集脆弱红线区集中在兴山县河谷地带、秭归县三峡库区沿岸，面积为731.0km2，占宜昌市域面积比例3.5%。

表2 聚集敏感性分级标准

图5 聚集敏感性分区

宜昌市大气环境红线区主要包括城区及各区县的上风向等地区，三峡库区沿岸等不易扩散地区，中心城区、各区县建成区等人口聚集区、国家自然保护区、风景名胜区大气环境一类功能区等，面积共计3537.6km2，占市域面积比例16.7%；大气环境黄线区面积为6958.3km2，占市域面积比例32.7%；大气环境绿线区主要包括当阳市、枝江市东部平原地区等，面积约10752.8km2，占市域面积比例50.6%。

表3 宜昌市大气环境分级划定

图6 宜昌市大气环境红线

5 结 论

(1)宜昌市布局敏感红线区主要集中在宜昌市中心城区，面积为2762.3km2，占宜昌市域面积比例13.0%。

(2)宜昌市聚集脆弱红线区主要集中兴山县河谷地带、秭归县三峡库区沿岸。面积为 731.0km2，占宜昌市域面积比例3.44%。

(3)宜昌市受体重要区主要集中在中心城区和各区县建成区等人口聚集区、森林公园、自然保护区、风景名胜区等。

(4)基于布局敏感红线区、聚集脆弱红线区、受体重要区，划定宜昌市大气环境红线。大气红线主要集中在城区及各区县的上风向等地区，三峡库区沿岸等不易扩散地区，中心城区、各区县建成区等人口聚集区、森林公园、自然保护区、风景名胜区等，面积共计3537.6km2，占市域面积比例16.7%。

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Study on the Atmospheric Red Lines in Yichang

WU Weiling XUE Wenbo LEI Yu

(Chinese Academy for Environmental Planning，Beijing 100012)

By coupling meteorological model WRF and CALMET，the meteorological fields of January，April，July and October of 2011，four typical months of each season，were simulated with the resolution of 1 km in Yichang.The identification of source sensitive areas，pollutant accumulation areas and receptor sensitive areas have been conducted in Yichang by using CALPUFF，based on which the environment red lines were designated.Corresponding to three kinds of areas mentioned above，the red line areas mainly covered the upwind area of Yichang，the three gorges reservoir areas along the coast where pollutant accumulated，the receptor sensitive areas including the central urban area and county towns，forest parks，nature reserves and scenic spots.The inline area of atmospheric red line was about 3537.59 km2in total，as 16.65% of the whole city.

Yichang；Environmental Master Planning；Atmospheric red lines；CALPUFF

武卫玲，助理研究员，主要从事环境规划、卫星遥感反演等方面的研究

薛文博，博士，副研究员，主要研究方向为空气质量模型、排放清单、环境卫星遥感及大气污染控制对策等

X823

A

1673-288X(2016)06-0182-04

项目资助：项目得到宜昌市人民政府委托宜昌环境总体规划研究资助

引用文献格式：武卫玲 等.宜昌市大气环境红线研究[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：182-185.