基于GIS的大气污染源排放清单空间分配研究——以贵州省黔东南州为例

杨敬婷，王艳妮, 王金乐

(1.贵州省环境科学研究设计院，贵州 贵阳 550081；2.贵州省农业科学院水产研究所，贵州 贵阳 550025； 3.贵州省特种水产工程技术中心，贵州 贵阳 550025)

1 引言

近年来，随着中国城市发展的不断推进，大量的能源消耗，工业废气、城市臭氧污染等对区域性大气复合污染特征的日益凸显，严重制约了社会经济的可持续发展以及危害人类身体健康[1]。大气污染源排放清单是大气环境研究的重要基础，为摸清城市和区域自身大气污染来源、排放量以及排放特征，我国已有许多专家学者在不同污染源范畴内开展了有针对性的大气污染排放清单研究工作。对大气污染源污染物排放进行高分辨率空间分配，是评估和调控各类排放源对空气污染的重要依据，同时也是运用空气质量模型模拟功能最基本的输入要素[2～5，8]。

早期大气污染物排放清单研究主要依托于环境统计、统计年鉴等信息，采用“自上而下”的估算方法，通常以镇、县等行政单位为最小单元对区域大气污染物排放总量进行计算[7]。目前，我国区域大气污染防治工作逐步由污染物总量控制为目标导向向以改善环境质量为目标导向转变，大气污染控制策略由单一污染物控制转向区域大气环境质量改善的目标控制，为了研究区域大气污染的传输机制，满足空气质量预报预警及联防联控规划需求，区域排放清单往往还需要开展时空的分配研究，针对不同污染源排放情况，以行政区为空间单位，以年总排放量为时间单元，依托点、线、面源为表征数据进行高精度的时空分配，使原本单一污染源的空间表征更为清晰，以便更好的模拟污染物的形成与转化[10，11]。

本文以贵州省黔东南地区为研究对象，梳理了贵州省大气污染物排放清单的研究结果，借助GIS工具，结合实际点、线、面源表征数据，构建3 km×3 km分辨率的黔东南州大气污染物排放清单，为当地环境管理部门提供较为精准的大气污染源排放数据，同时也填补了该区域在此项研究上的空白。

2 材料与方法

2.1 研究范围

黔东南州位于贵州省东南部，地跨东经107°17′20″～109°35′24″、北纬25°19′20″～27°31′40″，州府所在地凯里市，全州辖凯里市和15个县(麻江、丹寨、黄平、施秉、镇远、岑巩、三穗、天柱、锦屏、黎平、从江、榕江、雷山、台江、剑河)[13]。

2.2 GIS空间分配方法

利用GIS的提取数据功能，提取黔东南州道路网、建成区面积、耕地面积、人口等栅格分布数据(即权重数据)[11，14]。利用GIS的统计分析功能将不同污染源排放的污染量按以下方法划分到精细网格中：对于固定燃烧源、工艺过程源、堆场扬尘源等点源，按地理坐标将企业的污染排放量切分到所在网格中；对于道路移动源，将国道、省道、县道向网格内切分，通过统计网格内道路长度计算分配量；对于建筑扬尘源，统计所在乡镇的建成区面积，将乡镇排放总量平均分配到各网格中；对于农业源，则统计所在乡镇的耕地面积，将乡镇排放总量平均分配到各网格中；对于生活源，利用人口分布栅格数据作为代用权重因子进行网格化分配。利用GIS的叠加分析功能，将点源栅格数据层、道路移动源栅格数据层、建筑扬尘源栅格数据层、农业源栅格数据层、生活源栅格数据层等进行叠加，得出黔东南州高空间分辨率大气排放源清单。

2.2.1 与人口有关的污染源空间分配方法

结合黔东南州大气污染排放源的分级分类，与人口分布有关的污染源有化石燃料固定燃烧源中的民用源(分城镇、农村)、溶剂使用源中的家庭去污脱脂和餐饮源中的小型源，采用人口栅格数据作为代用参数权重新分配。

首先从全国人口栅格数据中裁剪出黔东南州人口分布栅格图，通过对栅格图计算得到各县人口数，利用污染排放清单数据计算出人均污染物排放量，同时将网格化的行政区划和人口栅格图进行连接计算，得到各网格的污染排放量。

2.2.2 与土地有关的污染源空间分配方法

非道路移动源中的工程机械与城镇用地分布有关，农业机械、小型通用机械与耕地分布有关，柴油发电机组与城乡、工矿、居民用地分布有关；溶剂使用源中的农药使用源与耕地分布有关；农业源中的氮肥施用源、土壤本底源、固氮植物源、秸秆堆肥源与耕地分布有关，畜禽养殖中的散养源与农村居民点分布有关；扬尘源中的土壤扬尘与旱地分布有关；生物质燃烧源中的生物质开放燃烧主要是秸秆露天焚烧源与旱地分布有关；农业源中的人体粪便源与耕地分布有关；生物质燃烧源中的户用生物质炉具与农村居民点分布有关；堆场扬尘中煤矿与其他建设用地分布有关；非道路移动源中的船舶与河渠有关；这些与土地类型有关的污染源采用土地利用数据作为代用参数权重来分配。

由建设用地矢量数据分别计算出各市/县建设用地面积，将建设用地数据与网格边界图进行合并，将矢量数据进行网格化；根据各市/县单位建设用地面积的大气污染物排放量，建立矢量数据与排放量的数学关系，采用GIS分别计算网格权重因子，依据建立的权重因子和污染物排放量，计算排放源在每个网格中的排放量，即得到污染物排放空间分布图。

2.2.3 与道路有关的污染源空间分配方法

与道路分布有关的污染源有道路机动车、扬尘源中的道路扬尘、溶剂使用源中的沥青铺路等，其中非道路移动源中的铁路内燃机车与铁路有关，非道路移动源中的农用运输车与农村道路有关，采用道路栅格数据作为代用参数权重来分配。

采用GIS工具界定研究区域范围，利用网格边界图与道路矢量图叠加计算，基于每个网格内路网长度占所在清单计算单元道路总长度比例计算出该网格的空间分配因子，根据机动车排放量和建立的空间分配银子，实现排放源清单网格化的目的。

2.3 基础数据来源

黔东南州大气污染物排放量来源于2015年贵州省大气污染物排放清单的研究结果[15]，与排放源相关的人口分布、建设用地分布、道路分布和耕地分布见表1，图1、2。

表1 研究区人口、耕地分布情况

图1 研究区建设用地分布

3 结果与讨论

点源根据排污设施经纬度直接定位到相应网格，面源根据代用参数权重法将最小行政单元排放分配到栅格，如人口栅格数据、植被数据、道路栅格数据等，空间分配前(点源按经纬度直接定位到点、面源平均分摊到各乡镇)与分配后结果对比见图3～11。

图2 研究区道路分布

图3 研究区大气污染源CO空间分配对比

图4 研究区大气污染源NOx空间分配对比

黔东南州大气污染源CO排放主要集中在凯里市、三穗县和麻江县，NOx排放主要集中在凯里市、镇远县和麻江县，SO2排放主要集中在凯里市、镇远县和麻江县，NH3排放主要集中在凯里市、三穗县和麻江县，VOCs排放主要集中在凯里市、三穗县和岑巩县，PM2.5排放主要集中在凯里市、三穗县和岑巩县，PM10排放主要集中在凯里市、麻江县和三穗县，BC排放主要集中在凯里市、三穗县和天柱县，OC排放主要集中在凯里市、三穗县和雷山县，与人类活动区域基本呈一致分布。

图5 研究区大气污染源SO2空间分配对比

图6 研究区大气污染源NH3空间分配对比

图7 研究区大气污染源VOCs空间分配对比

图8 研究区大气污染物PM2.5空间分布特征

以VOCs为例，对单位面积污染物排放量排序：凯里市>三穗县>岑巩县>麻江县>黄平县>丹寨县>雷山县>榕江县>台江县>镇远县>锦屏县>天柱县>施秉县>剑河县>从江县>黎平县，其中凯里市、三穗县、岑巩县、麻江县、黄平县、丹寨县、雷山县和榕江县的单位面积排放量均大于黔东南州总体水平。不同污染物在不同市(县)的单位面积排放量排序不同，凯里市最大。

图9 研究区大气污染源PM10空间分配对比

图10 研究区大气污染源BC空间分配对比

图11 研究区大气污染源OC空间分配对比

以VOCs为例，对污染物排放量排序为：凯里市>榕江县>三穗县>岑巩县>黄平县>黎平县>从江县>天柱县>镇远县>麻江县>锦屏县>剑河县>雷山县>施秉县>丹寨县>台江县，其中凯里市、榕江县和三穗县污染物排放量较大，总量之和占全州的41.7%，而锦屏县、剑河县、雷山县、施秉县、丹寨县和台江县的排放量较小，总量之和占全州的20.1%。不同污染物在不同市(县)的排放量排序不同，凯里市最大。

4 结论

(1)黔东南州各市(县)排放的污染物分布不均衡，与人类活动区域基本呈一致分布。不同污染物在不同市(县)单位面积排放量、总排放量的排序不同，凯里市最大。

(2)GIS技术应用于黔东南州大气污染源排放清单高分辨率空间分配，可为全省或其他地区开展同类工作提供技术依据。但移动源空间分配工作仍存在一些不足，不同道路类型(高速、国道/快速路、省道/主干道等)具有不同流量和车速特征，因此，下一步工作需开展交通流调研，以获得不同道路类型排放空间分配修正系数。