福州市大气环境红线空间区划研究

薛文博 付 飞 吴舜泽 汪艺梅 杨金田 雷 宇

(环境保护部环境规划院，北京 100012)

我国近年来大气环境管理历程，大致可分为3 个阶段:第一阶段以污染源末端治理为核心，典型特征是以污染治理设施建设为基础，强调减少污染物排放量;第二阶段则是采用清洁能源、产业结构调整及末端治理等综合手段，从污染物产生的全过程进行控制，强调减少污染物产生量，优化发展;第三阶段是以党的“十八大”提出的大力推进生态文明建设为标志，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。为了落实生态文明战略，国家环境保护“十二五”规划、大气污染防治行动计划(2013－2017年)均提出要“探索编制城市环境保护总体规划”、“研究开展城市环境总体规划试点工作”［1］。

城市环境总体规划与传统的大气污染防治规划存在本质差异，传统的大气污染防治规划以环境问题为导向，以具体的污染治理任务为载体，进而改善空气质量，强调“治污”;城市环境总体规划以气候、气象、地形及土地利用等自然禀赋为出发点，基于“反规划”思想的“零方案”，通过划定大气环境红线，引导城市有序扩张，强调“顺应自然”，因此划定大气环境红线是城市环境总体规划的核心内容［2－4］。但大气环境红线的划定与水环境红线、自然生态红线存在较大差异，水环境红线与自然生态红线有清晰的空间边缘，同时有关法规政策也对其有明确的界定，如:饮用水源地、湿地、自然生态保护区等均为法定性红线，水环境红线与自然生态红线可以基于现状及已有法规政策划定。与此对应的是大气环境红线并没有明确的空间边缘，缺乏相应政策法规界定，大气环境红线划定理论与技术方法尚属空白［5－9］。

本研究以福州市城市环境总体规划为例，首次提出了大气环境红线的内涵，将大气环境红线分为源头布局敏感区、污染聚集敏感区及环境受体敏感区三类，并基于WRF/CALMET/CALPUFF 模型［10－12］创新性建立了大气环境红线划定技术方法，初步构建了适用于城市环境总体规划的空间规划技术体系，对指导我国城市环境总体规划编制技术具有重要意义。

1 研究方法与数据

1.1 技术框架

大气环境红线可以分为源头布局敏感区、污染聚集敏感区及环境受体敏感区三类。源头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;污染易聚集区指对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;环境受体敏感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。大气环境红线划定主要包括大气流场特征模拟、源头布局敏感区识别、污染物易聚集敏感区识别、环境受体敏感区识别4 个技术环节，具体见表1。

表1 大气环境红线划定技术框架

1.2 方法设计

基于大气环境红线划定技术框架，本研究的方法设计如下:(1)高分辨率三维气象场模拟。采用WRF/CALMET 耦合模式模拟福州市2010年1、4、7、10 四个典型月份气象场，其中WRF 主要是为CALMET 提供3km 分辨率初始输入气象数据，CALMET 对WRF 提供的数据进一步诊断和模拟得到1km 高分辨率气象场模拟结果;(2)设置虚拟点源和环境受体点位。设置1608 个“虚拟点源”和14 个“受体点位”，利用CALPUFF 模型建立“虚拟点源”污染排放与“受体点位”空气质量之间的响应关系;(3)源头布局敏感区识别。逐个模拟每个“虚拟点源”单位污染物排放对14 个“受体点位”空气质量的平均影响，按照影响强度进行源头布局敏感性分级;(4)聚集敏感区识别。模拟所有“虚拟点源”同时排放单位污染物对模拟范围内各网格空气质量的影响，按照各网格大气污染物浓度聚集程度，进行聚集敏感性分级;(5)受体敏感区识别。根据福州市大气环境功能区划、人口聚集度进行受体敏感性分级。

1.3 WRF 气象模型

模拟时段:分别选取2010年1、4、7、10 四个月进行模拟，模拟时间间隔设为1h。

模拟区域:模拟区域采用LAMBERT 投影，中心点经纬度分别为118.10°E 和25.90°N，两条平行纬线分别为25°N 和27°N，网格分辨率为3km，共将模拟区域划分为160 ×180 个网格，模拟区域包括整个福建省及周边省份部分区域。

数据来源:地形高程数据采用GTOPO30 数据［13］，土地利用数据采用美国地质勘探局(USGS)提供的数据［14］，初始气象场采用NCEP 1° ×1°再分析数据［15］。

参数化方案:WRF 采用方案化过程参数见表2。

表2 WRF 参数化方案

1.4 CALPUFF 模型

CALPUFF 模型包括CALMET 气象模块、CALPUFF大气扩散模块及CALPOST 后处理模块三部分，其中CALMET 和CALPUFF 模型模拟参数为:

模拟时段:分别选取2010年1、4、7、10 四个月进行模拟，模拟时间间隔设为1h。

模拟区域:CALMET 和CALPUFF 模拟区域投影均与WRF 投影相同，网格分辨率为3km，共将模拟区域划分为60 ×54 个网格，模拟区域涵盖整个福州市域。

输入数据:地形高程数据采用GTOP030 数据，土地利用数据采用美国地质勘探局(USGS)提供的数据，CALMET 气象模块的输入数据由中尺度WRF 气象模型提供。

1.5 虚拟点源

将福州市域划分为3km 分辨率等间距网格，共包括1608 个网格，将每一个网格假设为一个“虚拟点源”。利用CALPUFF 模型逐个模拟每个“虚拟点源”每年排放1 万吨污染物对“受体点位”的空气质量影响，依据每个网格对“受体点位”的影响强度，识别源头布局敏感区;利用CALPUFF 模型模拟所有“虚拟点源”同时排放等量污染物(1608 个虚拟点源合计排放1 万吨)的环境影响，依据污染物浓度在空间上的聚集特征，识别出聚集敏感区。

1.6 受体点位

5 个中心城区各选取1 个空气质量监测站点、8 个郊区县及琅岐开发区分别选择行政中心(8 县无空气质量监测点位)作为受体点位，合计14 个受体点，用于评价每个“虚拟点源”单位污染排放对其影响大小。受体点位名称和坐标见表3。

表3 受体点位名称和坐标

2 结果与分析

2.1 源头布局敏感区识别

2.1.1 源头布局敏感性评价

福州市全年大气环境源头敏感性模拟结果表明，全年盛行东北风，源头布局对“受体点位”影响较大的区域主要集中在福州市中心东北部、中心城区、永泰县中心、闽江沿岸地区，源头布局敏感区分布总体上与主导风向一致，同时也呈现出沿闽江分布特征，这是由于闽江口是福州市主要通风口，来自海洋的风通过闽江口进入市区，一定程度上改变了主导风向;从月季变化情况来看，1、4、10月份主导风向均为东北风，且风速差异较小，1、4、10月份源头布局敏感性具有空间一致性，源头布局对“受体点位”影响较大区域主要集中在福州市东北部和中心城区，包括福州市中心城区、罗源县中心、永泰县中心、闽江沿岸地区;与此相反的是7月份福州市主导风向为西南风，源头布局对“受体点位”影响较大区域主要集中在市区西南部及中心城区，包括闽清县、永泰县、仓山区、台山区、鼓楼区。总体来看，风向、风速是影响源头布局敏感性的主导因素，河流、山地通过改变主导风向和风速大小对源头布局敏感性产生一定影响。全年和1、4、7、10月份源头布局敏感性识别结果见图1、图2 所示。

图1 全年源头布局敏感区分布

图2 4 个月份源头布局敏感区分布

2.1.2 源头布局红线划定

依据源头布局敏感性评价结果，将福州市划分为红线区、黄线区、蓝线区、绿线区，划分标准及结果见表4。红线区主要集中在源头布局高度敏感区域，面积约312km2，占全市域面积的2.61%左右;黄线区主要集中在源头布局中度敏感区域，面积约342km2，占市域面积的2.86%左右;蓝线区域主要集中在源头布局轻度敏感区，面积约670km2，占市域面积5.85%左右;绿线区主要集中在福州市西北部和东南部，面积10613km2，占市域面积的88.68%左右。福州市大气环境源头布局红线划分结果见表4、图3 所示。

2.2 聚集敏感区识别

2.2.1 聚集敏感性评价

福州市全年大气环境聚集敏感性模拟结果表明，福州市域内大气污染物聚集能力表现出明显差异，污染物易聚集区主要集中在闽清县、中心城区至闽江上游沿江带，而处于福州东南部的长乐市和福清市污染则不易聚集，这与地形条件具有很大关系。闽清县地形多样，山岭丘陵广布，整个地势具有从四周山地向中央逐渐降低的趋势，导致污染物易于在中央地势较低处聚集，中心城区至岷江上游形成河谷地带，易于形成面积较大的污染物高浓度区;而东南部的长乐市和福清市处于沿海地带，地势较为平坦，受到来自海面的东北风影响，大气污染物扩散条件较好，污染物不易聚集。从季节变化情况来看，1月份污染物易聚集区域范围最大，其次为4月份和10月份，7月份最小，这是由于受到混合层高度、风速大小等气象因素影响，7月份相比其他月份大气湍流运动更加强烈，空气资源较优，有利于污染物的扩散与稀释。总体来看，大气环境敏感性主要受到地形条件的影响，山谷、盆地、河流等地势低洼地区容易形成污染物聚集。全年和1、4、7、10月份聚集敏感性评价结果如图4、图5 所示。

表4 源头布局红线划分标准及结果

图3 源头布局敏感红线区分布

图4 全年聚集敏感区分布

2.2.2 聚集红线划定

图5 4 个月聚集敏感区分布

依据源头布局敏感性评价结果，将福州市划分为红线区、黄线区、蓝线去、绿线区，划分标准及结果见表5。红线区对污染物聚集高度敏感，面积约为190km2，占全市域面积1.59%左右;黄线区对污染物聚集中度敏感，面积约为767km2，占全市域面积6.41%左右;蓝线区对污染物聚集轻度敏感，面积约为838km2，占全市域面积7.00%左右;绿线区对污染物聚集不敏感，面积约为10174km2，占全市域面积85.01%左右。福州市大气环境聚集红线划分结果见表5、图6 所示。

表5 聚集红线划分标准及结果

图6 聚集敏感红线区分布

2.3 受体敏感区识别

受体敏感区包括《环境空气质量标准(GB3095－2012)》中的环境空气一类功能区(自然保护区、风景名胜区)及人口密集区，依据表6 将福州市划分为红线区、黄线区、蓝线区、绿线区。福州市大气环境受体红线区集中在各区县中心区域，涵盖所有自然保护区、风景名胜区，受体红线区面积约185km2，占市域面积1.55%左右;黄线区主要分布于长乐市和福清市，面积约900km2，占市域面积的7.52%左右;蓝线区面积约1355km2，占市域面积的11.32%;其余地区为受体敏感绿线区，面积约9528km2，占市域面积79.61%左右。福州市大气环境受体红线划分结果见表6、图7 所示。

图7 环境受体红线区划结果

表6 环境受体红线划定标准及结果

3 结 论

(1)受主导风向和风速大小影响，福州市大气环境源头布局敏感区域主要集中在罗源县、中心城区和闽江沿岸地区，源头布局红线区面积约312km2，占全市域面积的2.61%左右。

(2)受地形条件的影响，福州市大气环境聚集敏感区域主要集中在闽清县、中心城区至闽江上游沿江带，聚集红线区面积约190km2，占全市域面积的1.59%左右。

(3)环境受体敏感区为各区县中心，以及市域内所有自然保护区、风景名胜区，环境受体红线区面积约185km2，占市域面积1.55%左右。

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