城市大气环境分区管控方法与实践：以保山市为例

柴素盈，刘岳雄，张星梓，杨芳园，李 森

( 1.云南省生态环境科学研究院，云南 昆明 650034；2.昆明市气象局，云南 昆明 650500)

0 引言

“十二五”期间，为推动城市环境总体规划编制与实施，薛文博等首次提出大气环境红线内涵，其划定技术方法在规划编制工作中得到广泛应用[1-4]，为大气环境分区管控研究奠定了基础。《“十三五”生态环境保护规划》提出要加快构建“生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和生态环境准入清单”（以下简称“三线一单”），建立“三线一单”生态环境分区管控体系是新时期贯彻落实生态文明思想、提升生态环境治理体系和治理能力现代化水平的重要举措[5-6]。大气环境分区管控成为“三线一单”的重要内容，其以大气环境的内在功能、结构过程等为出发点，强调优化空间布局，控制开发强度，从源头控制大气污染，为人类活动提供前置性、引导性、控制性的环境基础框架。与传统强调“治污”的大气污染防治思路不同，大气环境分区管控强调“源头防控”，是解决城市大气污染问题的有力手段。在大气环境红线划定的基础上，张南南等进一步扩展和细化了大气环境管控分区划定技术方法[7-8]，其主要内容为划定大气环境优先保护区、重点管控区和一般管控区，并提出各分区管控要求，其中重点管控区又包含布局敏感区、弱扩散区、受体敏感区、高排放区等。国内学者在不同城市开展了诸多实践，主要对分区划定方法和划定结果进行了深入研究[10-13]，但分区管控策略和在不同领域的应用探索仍较缺乏。

本文以云南省保山市为例，采用NCEP FNL 1°×1°再分析资料、地面气象观测资料等数据，利用中尺度天气数值模式WRF和空气质量模式CALPUFF模拟计算得到3 km×3 km网格的污染源贡献系数和污染物浓度，对大气环境布局敏感性和扩散性能进行评价，根据评价结果开展分区划定，提出分区管控策略，探讨其在不同领域的应用思路，为城市大气污染治理、国土空间规划、产业布局优化、“三线一单”成果落地实施等提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域和数据

保山市（98°25′~100°02′ E, 24°08′~25°51′ N）位于云南省西部，地处横断山脉滇西纵谷南端，高黎贡山和怒山南延于境内，地势自西北向东南倾斜，高山盆地（坝子）相间，山高谷深。属于亚热带季风气候，且立体气候显著，雨热同期、干湿分明。国土面积19637 km2，山区占总面积的92%，坝区占8%，下辖1区1市3县，为隆阳区、腾冲市、施甸县、龙陵县、昌宁县。

WRF模式输入初始场和侧边界条件采用2017年NCEP FNL 1°×1°再分析资料，每6 h输入一次。使用的2017年逐小时地面气象观测资料由气象局提供，站点包括5个大监站，气象要素为气压、温度、湿度、风速、风向和降水等，详见表1。地形高程数据采用GeoTIFF数据，土地利用数据采用美国地质勘探局（USGS）提供的数据。

表1 地面气象观测数据统计信息

1.2 模拟方案设置

本文模拟时段为2017年全年，模拟输出时间间隔为1 h，水平格点数为72×81个，水平分辨率为3 km×3 km，模拟范围覆盖德宏州及周边区域。WRF模式垂直分32层，大气顶气压50 hPa，模式启动时间1个月，模式参数设置见表2。CALPUFF模型垂直分10层，分别离地0、10、40、80、160、320、640、1200、2000、3000 和4000 m 。CALMET为CALPUFF模型系统中的气象模块，为扩散模块提供三维气象场，输入CALMET的地面数据采用地面观测数据，高空数据采用WRF模拟结果。

表2 WRF模式参数设置

1.3 分区划定方法

将大气环境管控分区划分为三级：环境空气一类功能区划作优先保护区；受体敏感区、高排放区、布局敏感区、弱扩散区划作重点管控区；剩余其它区域为一般管控区[8-9]。

1.3.1 优先保护区

优先保护区划定，目的是从保障敏感环境受体安全角度出发，识别环境空气质量需保障的区域。基于环境空气功能区划将环境空气一类功能区识别为优先保护区，根据《GB 3095—2012环境空气质量标准》，环境空气一类功能区应包括自然保护区、风景名胜区等。

1.3.2 重点管控区

（1）受体敏感区

受体敏感区划定，目的是从保障人体安全角度出发，识别环境空气质量需保障的区域。由于城市建成区和重点镇开发区人口较密集，因此将城镇开发边界识别为受体敏感区。

（2）高排放区

高排放区划定，目的是识别出污染排放较大的工业集聚区域，以便更高效地进行监管。基于园区总体规划、规划环评等资料将工业集聚区划定为高排放区。

（3）布局敏感区

布局敏感区划定，目的是识别出污染源布局对人口密集的城市空气质量造成严重影响的区域，为后期含有大气污染排放的项目提供空间布局指导。布局敏感性评价常采用以下方法：虚拟将网格点设置为“虚拟点源”，假定每个网格排放等量的污染物，使用WRF_CALPUFF模型模拟“虚拟点源”对城市受体点位空气质量的影响，利用模型溯源技术获得网格污染源浓度贡献系数作为评价指标和划定依据。

（4）弱扩散区

弱扩散区划定，目的是识别出大气扩散能力弱、空气资源匮乏的区域，为后期城市发展和工业布局提供指导。本文采用污染物浓度模拟法进行弱扩散评价，即将网格点设置为“虚拟点源”，利用WRF_CALPUFF模型模拟所有“虚拟点源”同时排放等量污染物对环境空气质量的影响，获得污染物浓度的空间分布作为评价指标和划定依据。

2 气象特征分析

2.1 站点观测结果

通过对保山市地面气象观测数据进行统计分析，掌握主导风向、静风频率等影响污染物输送扩散的典型气象特征。保山市各县（市、区）气象要素统计结果见表1，2017年平均气温15.8~18.7℃，累积降水量886.3~2033.4 mm，施甸县降水较少，相对湿度65.6%~82.9%，风速1.32~1.78 m/s，静风频率6.7%~18.2%，其中腾冲、龙陵、隆阳区静风频率较高。图1为保山市各县区风速风向玫瑰图，可以看到，保山市多盛行西南风、南风和东南风。

图1 保山市各县（市、区）风速风向玫瑰图

2.2 山谷风特征

2.2.1 模拟验证

为检验模拟结果的准确性，选取隆阳站观测数据为验证数据，其它4个站点数据作为CALMET输入数据进行气象要素模拟，以2017年1月1日—10日的模拟结果为例，图2给出了温度和风速模拟结果与观测结果的对比及相关分析。可以看到，温度、风速的变化趋势模拟与观测保持一致，模拟平均值略低于观测0.93℃和0.20 m/s，可决系数分别为0.97和0.74，说明模式能够模拟出保山地区气象要素的基本特征，模拟结果可信。

图2 隆阳站模拟值与观测值对比及相关分析（a和b为温度，c和d为风速，红线为模拟值，黑线为观测值）

2.2.2 模拟结果

图3给出典型时刻的山谷风环流地面风场。白天由于山坡的加热作用形成谷风，风由谷地吹向山地，但被盛行风覆盖；夜间，由于山坡迅速降温，谷风减弱并发生转向形成山风，风由山地吹向谷地。受多面环山的地形阻挡影响，保山市坝区扩散能力较弱，白天污染物易在迎风坡堆积，夜间山风又将污染物带回城区，加上夜晚容易形成贴地辐射逆温，利于局地污染累积。

图3 典型时刻山风（a）和谷风（b）环流地面风场图

3 大气环境分区管控

3.1 分区划定结果

大气环境优先保护区包括环境空气一类功能区，主要分布于高黎贡山自然保护区、澜沧江省级自然保护区、小黑山自然保护区、腾冲北海湿地自然保护区、昌宁澜沧江自然保护区以及腾冲地热火山国家级风景名胜区等。

大气环境重点管控区包括受体敏感区、高排放区、布局敏感区、弱扩散区四类。其中，受体敏感区主要为人口密集的城市建成区和重点镇开发区，高排放区主要为工业活动集中的工业园区。对保山市进行布局敏感性评价，采用WRF_CALPUFF模型模拟获得污染源浓度贡献系数（见图4），根据其空间分布识别出污染源布局对此地区人口密集的城区大气环境造成较大影响的区域即为布局敏感区（见图6），可以看到，布局敏感区主要分布在城市上风向、输送通道等区域。对保山市进行弱扩散评价，通过WRF_CALPUFF模型模拟得到扩散指数（见图5），根据其空间分布识别出扩散条件差、大气污染物容易聚集的区域即为弱扩散区（见图6），弱扩散区主要分布在山谷河谷地区。受山高谷深的地形影响，谷地风速及混合层高度较低，扩散能力弱，加之山谷风的影响，导致大气污染物易在谷地发生聚集。

图5 虚拟污染物年平均浓度空间分布

图6 大气环境管控分区范围

大气环境一般管控区为除优先保护区、重点管控区以外的区域。

综合大气环境三级管控区的识别结果，利用GIS空间融合技术，按照优先保护区>受体敏感区>高排放区>布局敏感区>弱扩散区>一般管控区的原则，进行聚合处理，融合结果如图6所示。

3.2 分区管控策略

根据不同管控分区特征，提出相应的环境质量目标、空间布局、污染物排放管控、风险防控、资源开发利用等方面的环境准入要求。根据《GB 3095—2012环境空气质量标准》相关规定，优先保护区应执行一级空气质量标准，其它管控区执行二级空气质量标准。优先保护区的大气环境功能极重要，应实施严格的大气污染排放限制，明确空间布局约束。受体敏感区人口密集，应从保障人体安全的角度出发，结合高污染燃料禁燃区划定方案提出空间布局约束、污染物排放管控、资源开发利用要求。高排放区为工业活动集中的区域，对于空气质量未达标的单元，应明确削减要求，严格环境准入；涉及有毒有害和易燃易爆物质的项目，应明确风险防控措施。布局敏感区和弱扩散区为城市上风向、输送通道和大气扩散条件差的区域，应提出空间布局约束，明确禁止的新、改、扩建项目，严格控制涉及大气污染物排放的工业项目准入。一般管控区需贯彻落实国家和地方的产业结构调整措施和环境管理要求。

4 应用探讨

4.1 在国土空间规划编制中的应用

大气环境分区管控作为“三线一单”成果内容可随之融入到国土空间规划的编制中，例如在城镇开发边界的划定中，可对优先保护区和重要生态空间进行避让和保护；在探索推进“标准地”改革中，通过区域空间生态环境评价落实生态环境分区管控制度，推进“三线一单”、规划环评和项目环评深度融合，提出“标准地”生态环境准入清单，严守区域生态环境底线。在城镇空间布局的设计中，可识别其位置的环境分区属性，衔接管控约束进行符合性分析，统筹协调城镇发展区和工业发展区空间结构，落实管控要求，引导产业和城镇科学合理布局，促进形成国土空间保护和开发相协调的空间格局。

4.2 在污染防治和产业布局优化中的应用

分区管控的实施可促进城市大气污染防治与产业布局优化，例如结合分区管控成果，开展行业整治、工业园区监管能力提升和提质升级；对于位于优先保护区和重点管控区不符合管控要求的企业，进行整改或逐步迁出；为项目引进筛选提供指导，为符合准入条件的项目提供选址建议、强化污染防治措施等，促进产业布局优化和转型升级，实现大气污染减排和源头防控，推动环境空气质量改善。

5 结论

（1）WRF_CALPUFF模式能够有效模拟出保山地区气象要素的基本特征，通过空气质量模拟得到污染源贡献系数和污染物浓度作为评价依据，准确识别出大气环境布局敏感区和弱扩散区。

（2）保山市大气环境优先保护区包括环境空气一类功能区，受体敏感区包括城市建成区和重点镇开发区，高排放区主要为工业活动集中的工业园区，布局敏感区主要分布在各县城的上风向、输送通道等区域，弱扩散区主要分布在保山市南部的山谷河谷地区。各类管控单元应根据自身属性特征实施差异化的大气环境管控策略，提出环境质量目标、空间布局、污染物排放管控、风险防控、资源开发利用等方面的管控要求。

（3）大气环境分区管控作为“三线一单”成果之一可应用于国土空间规划编制，利于形成国土空间保护和开发相协调的空间格局。同时可应用于大气污染防治和产业布局优化中，推动产业转型升级，促进大气污染减排和源头防控，实现环境空气质量改善。