城市化发展对兰州城区大气环境的影响

摘要：随着城市化进程的加快，城市建成区面积不断扩大、城市道路增多、城镇人口集聚、工商业快速发展等对城市大气环境都会产生一定影响，通过兰州城市建设以来城乡人口构成、地区产业结构的历年变化、城市建城区面积扩大对大气环境的影响等数据相关性进行对比研究，以人口变化和三次产业变化等代表兰州市城市化发展情况，以建城区气温、日照数等代表兰州环境变化，分析城市化发展中诸多变量因素对兰州城区环境的影响。针对诸多不利影响需要在今后制定城市发展规划时，充分考虑环境承载力、城市生态建设和环境保护等综合因素，科学制定城市经济发展、城市建设规划，着力保证城市发展的可持续性。

作者简介：魏莹（1973年8月），女，大学专科，助理工程师，主要从事自然科学技术普及宣传工作，兰州市科协信息中心

关键词：城市化  环境保护  大气污染、建设规划  兰州

中图分类号：X820.3

城市化水平是经济发展、社会进步的标志。人口学把城市化定义为农村人口转化为城镇人口的过程，地理学角度看城市化是农村地区或者自然区域转变为城市地区的过程，经济学上从经济模式和生产方式的角度来定义城市化，生态学认为城市化过程就是生态系统的演变过程，社会学从社会关系与组织变迁的角度定义城市化。因此，城市化是多维的概念，城市化内涵包括人口城市化、经济城市化（主要是产业结构的城市化）、地理空间城市化和社会文明城市化（包括生活方式、思想文化和社会组织关系等的城市化）①。兰州市从小城镇到区域化节点性城市，从农耕地为主到各类经济要素集聚的产业地，从传统手工业、轻工业为支柱产业到先进制造业、服务业的现代化城市，从建国到现在兰州市始终在持续推进城市化进程。但随着城市的快速发展壮大，城市化进程中各种构成因素的快速变化，对兰州市主城区的大气环境相应引起了显著变化。

一、城乡人口构成、建城区和耕地面积对比变化直观体现城市化步伐的快慢

城市化就是一个国家或地区的人口由农村向城市转移、农村地区逐步演变成城市地区，这一过程的显著标志就是城市人口不断增长、建城区面积不断扩大、农业用地逐步缩小的过程②。1979年到2019年，兰州地区人口由农村向城市转移情况也符合这一规律。改革开放后，农民工大量进城经营、大学扩招后许多大学生进城就业以及“城中村”农民转为城市居民，兰州市城市化进程飞速发展，使城区人口迅速增加，截止到2019年，城区人口已达235.72万人。从图1可看出，兰州市户籍总人口从1979年210.35万人，上升到2019年的331.92万人，增加近121.57万人，增幅为3.03万人/年。从户籍总人口构成看，非农业人口（城市人口）数量持续上升，非农业人口比重从1979年不足一半的46.47%增加到2019年的71.01%;相应农业人口的比重在不断减少，从1979年超过一半的53.53%减少到2019年的28.98%。与此同时，兰州市域以外其他地方的人口尤其是省内其他市州的人口向省会集中，使兰州市2019年全市总人口（户籍人口+流动人口）达到了410万人，这说明兰州市正处于城市化的快速发展阶段，而且还有一个明显的特征就是，人口向市内中心区快速聚集。从市内主城四区人口密度来看，密度最高的是城关区，由于城关区是省会城市的政治、经济和文化活动中心，生活环境好、居民收入高，工商业、餐饮娱乐业发达，交通设施和车辆便利齐全，居住和流动人口较多，因此城关区相应成为城市化进程最快的区域;安宁区人口密度增长较快的主因是区内高校扩招大学生大量增加和近年的房地产开发。西固区作为兰州市的老工业区和城郊农业区，由于国有企业改革开放以来发展缓慢，使该区人口在四区中增长最慢。

主城四区人口的大量增加，使兰州主城区面积从刚解放时的16平方公里拓展成为现在的357.1平方公里，面积扩张达21倍。城区扩张的面积一部分是将原有城关区的雁滩、东岗以及七里河、安宁、西固和榆中、皋兰县等城郊蔬菜瓜果生产区快速城市化，不仅农业用地变为了城市用地，而且也使这些大片有“城市之肺”之称的农业绿地林地消失，无法对城市空气进行自然环境的净化。图2中看出，2001年以来，农业人口和农业耕地面积（绿地的代表）一直在下降中，城市人口和建城区面积一直在上升，特别是建城区面积2013年后快速上升。

二、地区产业结构变化对城市空气环境变化的联系及影响

在城市化过程中，人口大幅增长必然导致城市人群生产方式、生活方式的转变，引导农业人口向非农人口转变，小城镇人口向中心城市流动，最终促进地区经济中三次产业结构相应发生较大变化⑤。

新中国成立后的社会主义建设时期，兰州是我国“一五”期间重点建设的重工业城市，上世纪七八十年代又陆续建设了众多轻工业和家电电子产业。改革开放后，兰州市经济、社会等各项事业与全国同步快速发展，成为了西北地区经济中心和全国重点物流中心之一，也是西陇海兰新线经济带的重要节点城市和兰西城市群的核心城市，特别是2012年8月，经国务院批准，兰州新区成为了第五个国家级新区，2018年2月11日，国务院批准兰州白银为第19个国家自主创新示范区，极大地推进了城市化进程。

从图3三次产业构成趋势中可以看出，第一产业自1978年到2000年，在地區生产总值中所占比重小幅增加，自2000年到2019年不断下降，这与国家施行农村土地家庭联产承包经济政策和农业结构调整相对应，之后呈下降趋势。第二产业所占比重，从整体来看，自建国以来“一五”“二五”国家在兰州布局重点建设项目和“大三线”区域经济政策向西北倾斜，第二产业所占比重一直快速增加，至改革开放初期第二产业所占比重达到顶峰，之后一直下降，特别是高污染、高耗能工业产值所占比重较大，加之冬季城市人口在生活中大量燃烧煤炭取暖做饭，使兰州城市成为全世界有名的空气污染城市，被称为“卫星上找不到的城市”。第二产业中的建筑业是城市化进程的另一重要标志。在图3中，兰州市从1978年—2019年建筑业的比重一直在逐年增加，建筑业的快速增长势头也凸显出城市化进程的持续加快。高峰时期的2016年兰州市建筑业完成总产值1003.2亿元，比上年增长44%。因此，2000年以后，建筑工地扬尘也成为了城市空气污染的主要原因之一。

从第三产业比重来看，改革开放后兰州市第三产业一直处于快速发展阶段，所占比重不断扩大。这一时期，主要是随着国内经济政策的放开搞活，沿海、沿边经济快速发展和市场经济体制的逐步建立完善，兰州市虽地处内陆，但三次产业结构在市场经济的大潮中有了大幅调整，以个体经济为主的第三产业呈现强势增长态势，尤其是农民工和城市人口的大幅增加，物流业、餐饮业以及交通运输业等传统第三产业有了迅猛的发展。在图3中，2001年兰州市第三产业在地区生产总值比重中首次占到了50.16%，到2019年第三产业所占地区生产总值的64.86%。随着城市化进程的推进，三次产业结构持续调整变化，特别是工业和第三产业所占比例“一降一增”趋势，说明兰州市城市化进程中产业结构发生了明显的变化。相应对城市环境的影响不断加大，如第二产业中石油炼化工业、第三产业餐饮业、居民生活煤炭的使用，向空气中排放了大量烟尘、二氧化碳、硫化物等工业废气和粉尘;建筑业的快速发展使施工工地形成了大量扬尘;工业、生产生活垃圾对城市周边环境造成污染。

三、城市建城区面积的扩大对大气环境的影响

随着城市化进程的持续加快，兰州城市建成区面积不断扩大，城市基础设施和公共服务设施不断高速配套建设，最为直接的变化就是城市地面环境大幅度改变，相应引起城市大气环境发生变化，如城市建筑面积大幅增加、城市道路增多、城市绿地面积减少、机动车辆大量增加、道路里程快速增长等，致使城市出现增温效应、热岛效应，空气污染物的产生出现雾霾、酸雨和空气质量变差等城市问题⑥。

1.城市居民生产生活对区域大气环境的影响

兰州地区地处黄土高原半干旱地区，“四面环山、大河绕阻”的独特地理环境，使兰州城市上空特别是冬季容易形成静稳的大气逆温层，每年持续静稳天气时段逆温层达到400米以上，大气层结稳定，静稳天气持续，不利于大气污染物的稀释、扩散和清除，内生性污染物累积容易造成严重雾霾天气。冬春季，兰州地区多西北风、降水稀少、气候干燥、地面植被覆盖率偏低，易受新疆地区和河西走廊沙尘暴、浮尘天气的影响，加之本地区大量建筑工地引起的扬尘，造成总悬浮颗粒物超标严重。由于建城区植被少，环境自净能力弱，大气中有害物质不易被植物吸附过滤;高楼林立也不易使其扩散，使大气中有害物质严重超标⑦。近十几年来，兰州市几届政府均十分重视大气污染治理工作，持续加强对大气污染的监测分析和科学治理力度，先后采取南北两山绿化过滤空气、搬走大青山引进东风来、全市网格化管理治理人为污染等综合措施，全市空气质量不断恶化的趋势得到了有效扭转，但大气中以汽车为主的尾气排放成为了新的重要污染物质。近年，兰州市针对城市道路车辆拥堵问题，实施“一横三环九纵”城市骨干路网建设，下大力气打通“断头路”、疏通“微循环”，有效解决了城市交通拥堵问题。城市汽车保有量快速增加，对大气造成的污染程度越来越严重，2020年末全市机动车保有量114.49万辆，相比2010年底34.65万辆，增加了3.3倍。

2.城市建设对下垫面性质和结构有较大影响

城市化发展，特别是下垫面性质和结构的改变，导致不同程度气象场发生变化，而气象条件又决定着大气污染物的迁移转化，对城市小气候环境必将产生巨大影响。随着建城区面积的不断扩大，以水泥、沥青等建筑材料为主的地物表面取代了原有的自然生态地表结构，这些建筑材料的涵水性、透水性与草地、林地、裸地等不同，使大气降水通过城市排水系统快速归入河道，因此城市小区域内生态环境缺乏对气候的调节能力⑧。近几年，随着碧桂园、恒大、保利、大连万达、名城、银河国际等大型房地产项目推山造地快速建设，兰州城关区向北向东快速扩张、七里河区向西向南快速扩张、安宁区快速向东向北扩张，市区建城区面积进一步快速扩大，下垫面的性质和结构发生了更为明显的改变，对城市小气候产生了直接影响。

3.城市发展对区域内日照和辐射量的影响

空气中固体杂质的增加影响大气透明度，加大了大气的反射和散射，极大地减少了太阳直接辐射，日照天数减少、质量明显下降。兰州市城市工业化建设后城区日照时数呈递减趋势，市内和城郊日照差值在持续扩大（图4）;1953年—1970年兰州市区与榆中县郊区日照时数接近，兰州市区多于榆中县郊区;1970年以后，兰州市区日照时数迅速减少，到1986年达到谷底，这与兰州重工业快速发展造成大气严重污染的现实情况相符;2000年之后，日照时数又明显减少，这与2000年后建筑业高速发展和燃油车的快速增加致使工地扬尘、汽车尾气和轮胎粉尘增加情况相符。

4.城市建筑对区域内热环境的影响

城市发展不仅改变了市区内的日照天数和辐射量，还由于城市建筑改变了城市下垫面的热力性质和粗糙度，特别是水泥、沥青等建筑材料的快速吸热放热性使地物表面空气快速升温降温，增加了地面接受热量的能力，对市区内气温产生明显影响。同时，城市工业、人口的过度集中，人们生产和生活产生大量的人为热，加之城市高大建筑减小了地表风力，降低了地面热量扩散的速度，诸多因素的综合，对建城区的热环境和地面气温产生了较大影响。兰州市建成区面积到2019年扩大到357.1平方公里，建筑密度连年增加，房地产开发面积从1990年的69万平方米，到2018年达到4537.93万平方米，增加了65倍多;水泥路面在延展，城区道路从1950年的90公里增加到2018年的2213公里，增加了近25倍。加之蘭州封闭的河谷地形，使城市“热岛效应”影响尤为严重。图5为兰州市区与郊区榆中县年平均气温及差值变化，可以看出，1953年—2019年兰州市区与榆中县郊区气温差平均约为3℃。1953年—1973年气温差较小，约为2℃，1973年之后逐年增大，到2001年最高峰值达到3.8℃，说明“热岛效应”相当显著。

5.城市建筑对建城区内风速的影响

由于城市高楼林立，特别是超高摩天大楼的建设，改变了地表面粗糙度，地面重塑形成人造“山川”，相应城市的地物表面强烈的热力作用增强了近地层的空气湍流，对低层大气气流有了阻障，使建城区内整体风速大为降低。而风速的减小不仅对城市空气中人为排出的废热、废气和有害物质的扩散不利，而且增强了城市空气浑浊度和“热岛”效应，使城市空气质量明显变差。同时，流过城市街道的气流在两侧高大建筑夹峙下，容易形成小区域人为“峡谷风”，使交通工具的尾气和轮胎地面摩擦粉尘上扬污染空气⑧。

总之，城市化发展，对兰州城区产生了如下影响：（1）城市建城区面积快速扩大，空气质量恶化;（2）城市下垫面性质、结构发生了变化，植被面积大幅减小，地表建筑物增多、硬化面积增大，大气环境自我净化能力显著下降;（3）雾霾严重，空气洁净度和能见度下降，城区日照和辐射量减少，蓝天和星空难以见到;（4）城区地表气温上升，形成了明显的城市“热岛效应”;（5）市区的整体风速降低，空气浑浊度上升，加强了城市“浑浊岛”效应。

四、解决城市发展为大气环境带来不利影响的几点建议

为缓解、改善城市发展给大气环境带来的不利影响，兰州市应在制定城市发展规划时，充分考虑环境承载力、城市生态建设和环境保护等综合因素，科学规划，合理建设，在经济发展和生态建设中找到理想的平衡点，保证城市发展的可持续性。

1.城市发展规划必须要考虑大气环境影响

在规划城市发展时，要包含生态环境规划，充分考虑环境承载力、城市生态建设和环境保护等综合因素，建立健全规划环境影响评价体系，严格限定主要污染物总量控制指标，配套建设城市生态公园和小游园、小绿地，最大程度的緩解、改善城市发展对城区内大气环境带来的不利影响，为城市可持续发展做长远规划。

2.将城市空间布局和产业结构调整与大气环境治理紧密结合

在城市空间布局上，要充分考虑人居、产业、生态绿化等综合因素，严格进行规划环境影响评价，明确功能区配置，设定影响城市环境的指标体系，着力实现小环境生态系统的优化建设与大环境保护的有机统一。在经济政策制定上，要积极转变以高耗能、高污染为特征的传统重工业为主的发展模式，大力推进发展第三产业和现代服务业，使产业结构、经济发展同城市规划、环境保护、城市治理紧密结合起来。特别要结合第五个国家级新区——兰州新区的建设，积极落实工业企业“出城入园”政策，对高能耗、高污染的工业企业由城区向经济园区抽疏搬离;结合第19个国家级自主创新示范区建设，着力引进培育现代高技术产业，在空间布局上再优化，减少对主城区的大气环境影响。

3.通过政策引导优化能源消耗结构

加大政策引导和支持力度，强力实施“煤改气”（煤炭汽柴油改天然气）项目，增加新能源乘用车保有量，加快建设轨道交通，加大工程项目建设扬尘、小煤炉、垃圾焚烧和城市郊区农作物秸杆焚烧等污染物排放行为的管控，大力推广清洁生产和低碳生活，切实减缓单位产品能源消耗和污染物排放量。

4.加强城市微环境绿地的配套规划建设

城市绿地（山水林田草河湖）是城市中唯一有生命的基础设施，不仅能优化城市下垫面性质结构、弱化城市“热岛”效应、过滤净化空气等方面起到显著作用，并起到维持城市生态平衡的效果，而且还能美化城市环境。兰州在加强城市南北两山绿化、道路两侧绿化、黄河两岸绿化的同时要加强市区绿地建设，在保护好现有大型绿地公园的前提下，要在工业企业“出城入园”政策实施中，对搬离企业的土地上进行二次开发建设中，要严格配置一部分城市绿地，特别是利用城市小块空闲地建设“小绿地”、“小游园”、“小湖泊”和城市河道，使城市中心区域微环境绿地生态得到优化。

5.大力提升城市生态系统环境净化能力

在城市绿地和街道绿化规划中，不能只加强园林绿地建设，而要着眼于绿地系统、街道和楼层立体绿化的建设，要明确草地、园林和湿地公园的限定保留、扩大建设和规划新增的计划目标，在空间布局和功能作用发挥上进行合理规划。在城市绿化上，不仅要考虑花卉的漂亮美艳，还要考虑大树生态环保上的功能作用，强化绿色植物的多样性和组合上的合理性，使其在绿地规划建设中既能发挥环保作用，又要有美化城市的观赏性和生态组合搭配的合理性。

6.用“海绵城市”、“节能城市”的理念缓解城市“热岛效应”

积极推行国家提出的“海绵城市”建设试点工作，通过屋顶绿化、雨水收集利用设施等措施，让城市像“海绵”一样，吸收和释放雨水，弹性适应环境变化，缓解城市“热岛效应”。 同时，加快“旧城区”改造项目中旧房外墙保暖层附加、“三供一业”（供水、供气、供电、物业）项目的实施步伐，让城市更加环保、绿色、节能。

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