杭州城市空氣污染物空間分布及其影響因子的定量分析

　　摘要 ：以鄉(xiāng)鎮(zhèn) 、街道為基本 空間統(tǒng)計 單元 ，基 于地統(tǒng) 計方法 、GIS和遙 感技術(shù)繪 制和 計算 了 杭州城市人 口密度 、道路面積 比例 、建設用地 比重 、NDVI和地 表溫度 的空 間 圖層 ，并應用 GIS空 間 數(shù) 據(jù) 相 關(guān)分 析 和 空 間 疊 加 方 法 ，定 量 評 價 了 S0 、N0z、0。的 空 間 分 布 與 城 市 人 口 密度 、建設用地 比重 、道路用地 比例 、地表 溫度等影 響因子 的空 間相關(guān)程度 和總體 污染水平 的分 布特征 。結(jié)果表明 ：N0 的空間分 布受道路 比例 、地表溫度 、城鎮(zhèn) 建設用地 、人 口密度 的影響程度最大 ，s0 次之 ，0。最小。s0 受工業(yè)用地分布影響較大 ，0。為二次污染物 ，其空 間分布受其他因素影響相對較小 。杭州市室外空氣 的總體污染程度 ，主要集 中在上城 、下城 、 拱墅 ，江干區(qū)次之 ，西 湖區(qū)污染程度較輕 。城市 空氣污染 物濃度 空間分布及 受其 他 因素影響 程度 的定量分析可以為不同城市地域有針對性地制定合理的空氣污染緩減對策提供科學依據(jù) 。

　　關(guān) 鍵 詞 ：克 里 格 插 值 ；空 間相 關(guān) 性 ；城 市 空 氣 污 染 ；影 響 因子 ；杭 州

　　地統(tǒng)計 學作 為一 種空 間分析 方法 ，主要用 來研 究那些 在空 間分 布上 既有隨機 性又有 結(jié) 構(gòu)性 ，或 空 間相關(guān) 和依 賴性 的現(xiàn)象 。城 市 中普 遍存 在著一 種現(xiàn) 象 ，即空 間或時 間上距離 越 近 的實物 ，其相 互作用 越強 ，距 離越遠則 相互 作用越 弱 。地統(tǒng) 計學方 法可 以為揭 示這種 空 間變 異規(guī)律 ，解 釋各種 變異 因子在 空 間變異過 程 中的影 響作用 提供一 種十分 有效 的定量 分 析手 段 。在 自然科 學領(lǐng) 域 ，該 方法 已經(jīng)廣 泛應 用到林 業(yè)資 源調(diào)查 、農(nóng)作 物保 護 、土壤環(huán)境 分析 、生態(tài)評 價 等方面 ，在模 擬 自然 環(huán)境 因素 因子如 水文 、溫度 、地質(zhì) 、地貌 、土壤 、光 照 等的空 間分布特 征 方 面 顯示 了應 用 優(yōu) 勢[】 ]。在 城 市 研究 方 面 ，也開 始 應 用 到 城市 人 口、城 市房 價等方 面 的探 索 和分析[9~113。

　　1 研 究 區(qū)概 況

　　杭州 市地處 東南沿 海長江 三角洲 南翼 ，杭州 灣西端 和錢 塘江下 游 ，是 浙江 省政 治 、經(jīng) 濟 、科 教和文化 中心 ，是 國務 院確定 的全 國重點 風景旅 游城 市和歷 史文 化名城 ，也是 中國 十大最適 合居 住城市之 一 。氣 候 屬 于亞 熱帶 季風 區(qū) ，年 平 均氣 溫 為 16．2~C。年 最 高氣 溫 達到 42~C。研 究 區(qū)范 圍包 括杭 州 市 上城 區(qū) 、下 城 區(qū) 、拱 墅 區(qū) 、西湖 區(qū)、江 干 區(qū) 、濱 江 區(qū) (不包括余 杭 區(qū)和蕭 山區(qū))，合 計 3o個 街道 、24個 鄉(xiāng)鎮(zhèn) ，總面 積 683km (圖 1)。

　　2 數(shù)據(jù)來 源與分析

　　2．1 數(shù) 據(jù)來源

　　本研 究采用 的資料 主要 包括 ：杭州 市 2000年 第 五次人 口普查 資 料 ，杭 州市 各 區(qū)行 政 區(qū)劃 圖 (1：25000)，以及 2000年 7月 15日 Landsat／TM 數(shù)據(jù) ?？?慮到杭 州 四季 分 明和夏 季 高氣 溫的氣 候特征 ，我們 選取 了夏季 的 Landsat／TM 數(shù)據(jù) ，同時 通過 Landsat／TM 數(shù)據(jù) 還 能較精 確地 (120m×120m)反 映 以街 道或 鄉(xiāng)鎮(zhèn) 為統(tǒng) 計單 元 的城 市 綠 色環(huán) 境和 熱 環(huán)境 的 空 間分布 特征 。采 用 網(wǎng) 格 劃 分 方 法 布 置 監(jiān) 測 點 。 中 心 城 建 成 區(qū) 南 側(cè) 人 口密 集 地 帶 為 1．1km×1．1km、城 區(qū)外 圍所 有 區(qū)域 均 為 2．2km×2．2km 的 網(wǎng)格 劃 分方 案 。共 設 128個 測 點 (1993年 已設 23個 測點 )，其 中西湖 風 景 區(qū)及 外 圍 為 15個 測 點 ，濱 江 區(qū)為 11個 測 點 ，下 沙開發(fā) 區(qū)為 13個測 點 ，中心城建 成 區(qū)為 89個測 點 (圖 1)。 根據(jù)杭 州 市 現(xiàn) 有 的 5個 空 氣 質(zhì) 量 自動 采 樣 點 的 歷 年 監(jiān) 測 結(jié) 果 ，杭 州 空 氣 中 NO 、 SO：、 O。等三項 污染指 標均 呈現(xiàn) 明顯 的冬 高夏 低 、春 秋介 于其 間 的季 節(jié)性 變化 規(guī) 律[】 。另 外 ，空氣監(jiān) 測需 要選擇 二個 或二個 以上 有代表 性 的季節(jié) 。 網(wǎng)格采 樣 時間適 宜在夏末 秋初 和 冬末 春初兩 個季 節(jié)交替 時期 ，此 時 的氣 象條件 以冬 夏特征 為 主 ，同 時部分具 備春秋 多變 的 氣象 特征 ，能在很 大程 度上反 映杭 州市全 年各個 季節(jié) 的總 體污染 分布狀 況 。實際采 樣時 間 分別 在 2000年 8月 14~29日和 2001年 2月 8～23日，其 中 SO2、NO：為 15天 ，O。為 7 天 。采 樣管最 長允許 采樣 時 間 ：O。為 7天 ，NO：為 15天 ，SO：為 3O天 ，樣 品采 集 以后送 瑞士有 相關(guān) 認證 資格 的實驗 室分析 ，保 證 了監(jiān)測 數(shù)據(jù) 的準 確性[】。

　　2．2 影響 因子選 擇

　　城 市空氣 中的 SO。、NO：、O。濃度 受人 為 的生產(chǎn) 、生 活和交通 的不 同程度 的影 響 。本 研究 選 擇城 市人 口密度 、城市 主干道 密度 、建設 用地 比重 、工業(yè) 用地分 布和地 表溫度 的空 間分布 作為城 市空氣 中的 SO：、NO：、O。濃度 的影 響 因子 。 人 口密度 反映一 個城 市人 口的聚集 程度 。人 口密度 越高 ，人 為的生產(chǎn) 、生 活或商業(yè) 行 為越頻繁 ，人 為排放 的 SOz、NO 等 空氣 污染 物 也 隨著 增 加 。人均 空 間資 源 占有 率 越 低 ， 會使 城 市 中有 限 的環(huán) 境容量 超過 承載力 要求 而導致 環(huán)境 惡化 ，適 當?shù)娜?口密度對 城市 污染 物排 放 的降解 十分重 要 。工 業(yè)企 業(yè)是城 市 SO：和 NO：的主要排 放源 。在空 氣污染 物排放 條 件較 差 的情 況下 ，城 市工業(yè)用 地是 城市空 氣 中 SO：和 NO：濃 度集 聚 的 主要 場所 。近 幾年 ， 城市 空氣污 染呈 現(xiàn)出 以 SOz為 主 的工業(yè) 型 污染 向 以 NO 為 主 的生 活性 污 染 轉(zhuǎn) 變 的總體 特 征 。隨著城 市人均 機動 車數(shù)量 的增 加 ，車 流 密度 增 加 和交 通 擁堵 成 為 城 市空 氣 中 NO 產(chǎn) 生的 主要原 因 。因此 ，城 市主 干道密 度越 大 ，NOx的排 放量 勢必越 大 。在城 市的街道 峽谷 效 應 的影響 下 ，城 市空 氣 中的 NO 不 易擴 散 。可 見 ，城 市交 通 干 道密 度 直接 影 響城 市空 氣 中的 NOx濃度 。

　　3 污染物及其影響 因子 的空 間數(shù)據(jù)建立

　　3．1 空間數(shù)據(jù) 預處理

　　首先 在研究 區(qū) 內(nèi)建 立空氣質(zhì) 量監(jiān)測 點 和 以街 道或 鄉(xiāng)鎮(zhèn) 為基本統(tǒng) 計單 元的 圖形數(shù) 據(jù)和屬 性 數(shù)據(jù) ，并與 Landsat／TM 數(shù)據(jù) 一起 進行投 影設 置 、圖像 配 準等預 處理 ，為使 各污染 物及 其 影響 因子地理 數(shù)據(jù)具 有空 間屬 性并 能方便 地進行 空 間分析 與運算 。

　　3．2 污染 物濃度 分布

　　空間數(shù)據(jù) 即各有效 監(jiān)測點 位 的空氣污染 物濃 度屬 性數(shù) 據(jù) 和 空 間坐標 (采用 杭 州 坐標 系 )。首 先 利用 mapinfo軟件形 成 包 含 SO：、NO：、O。監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 的 文件 ，轉(zhuǎn) 換 為 shp格 式 存 儲 。在 ARCGIS軟件 的 geostatistics分析 模塊 中 ，導入 shp格式 文件 ，建 立分析 數(shù) 據(jù) 。然 后用 軟 件 中 kriging插 值分析功 能 分別 對 各 測 點 SO。、NO：、O。三 項 污染 指標 進 行 半 方 差 分析 、 空 間變 異 函數(shù) 分析 ，獲 取并 分析 SOz、NO：、O。的空 間 分 布 圖 ，最 后 以柵 格 數(shù) 據(jù) 格 式存 儲 。SO：、NO2、O。的原 始 數(shù) 據(jù) 進行 Kolmoeomv—Smironov (K—S) 正態(tài) 分 布 檢 驗 的 概 率 (Pk_s)符合 kriging插值 要求 。獲取 的 kriging分析 結(jié)果見 圖版 1圖 2A、2B和 2C。

　　4 污染物空間分布及其影響因子分析

　　4．1 污染 物濃 度空 間分布 特征

　　通過 對照分 析三 種污染 物 監(jiān) 測數(shù) 據(jù) 和 圖版 1圖 2A、2B和 2C，可 以說 明污 染 物濃 度 空 間分布特 征 。NOz的濃度 范 圍為 33．4～67．5btg／m。，濃度 最高 的監(jiān)測 點位于 下城 區(qū)官 巷 口附近 ，濃 度最低 的監(jiān)測 點位 于 江干 區(qū)下沙 開發(fā) 區(qū)最 東 面監(jiān)測 點 。與 SO 、O。相此 ，NO 濃度 分布特 征最 為 明顯 ，層 次 更 為清 晰 ，濃 度 最 高 的 區(qū)域 形成 近 似 圓形 中心 ，大 致 范 圍 為 ：東 到秋 濤北路 、江城 路 ，南 到 河坊 街 、望 江路 ，西 到南 山路 、環(huán) 城 西 路 ，北 到 文 輝 路 ；在 這個 高濃度 區(qū)域 內(nèi) ，濃 度 最 高點 位 于 艮山 門 附近 ，在 武林 門和 官 巷 口有 兩 個 次 高 點 。另 外 ，在北部 大關(guān)路 一帶 也存 在一個 濃度 次高點 。這 種濃度 分布 特征充 分顯示 了機 動 車的廢氣 排放 和城 區(qū)污染 物 的擴散 條 件 較 差對 NO 濃 度 分 布 的影 響 。杭 州 市 中心 城 區(qū)建 筑 物密集 ，高樓多 ，道路 狹小 ，人 口密 度 高 ，機 動 車 流 量 大 ，造成 NO 排 放 量 比城 市外 圍 區(qū)域 多 ，并 且無 法 及 時擴 散 ，致 使其 濃 度偏 高 。SO 的濃 度范 圍為 28．0～83．5“g／m。， 濃度 最高 的監(jiān)測 點位 于杭州 管道煤 氣 廠 、農(nóng) 藥廠 附近 ，濃度 最低 的監(jiān) 測點 位于 臨近錢 塘江 的城 皇 山附 近 。SOz城 市 中心 區(qū)污 染 最 重 ，北 部 工 業(yè) 區(qū) 次 之 ，外 圍農(nóng) 林 山 區(qū)相 對 較 輕 。 SO2的濃度 分布 比 NOz更 加復雜 ，顯 示 出與局部 污染 源排放 更為相 關(guān) 的分 布特 征 。城 市 中 心 區(qū)和城北 工業(yè) 區(qū) SOz濃 度 明顯 比其 他地 區(qū)高 ，為 SO 污染最 重 的區(qū)域 ，最 高點 分別 出現(xiàn) 在杭州 市管 道煤 氣廠 、農(nóng) 藥 廠附近 ；城 市 中心 SO 重污染 區(qū) ，其 范 圍基本 與 NO 最 重 污染 區(qū)重疊 ，向外擴展 ，SOz濃度 逐漸 降 低 。SO 排放 以機 動車 和燃 料 廢氣 為 主 ，燃料 排 放 主 要集 中在城北 工業(yè) 區(qū)和濱 江 區(qū) ，而 機動 車廢 氣 則 主 要集 中 在城 區(qū) 中心 人 口密集 區(qū) 。O3的 濃 度范 圍為 30．7～84．3~g／m。，濃度 最高 的監(jiān)測 點位 于江干 區(qū)沙 開發(fā) 區(qū)東北 面 ，濃度 最低 的監(jiān) 測 點位于 古蕩 附近 。O。呈 外 圍 區(qū)域 高 、城 市 中心 低 的濃 度 分 布特 征 。從 圖形 總體 分 析 ，Os濃度 分布 特 征 為 城 市 中心 區(qū)域 濃 度 最 低 、 向外 圍 區(qū)域 濃 度 逐 漸 增 高 ，與 NO 和 SO2濃度分 布幾乎 相反 。SOz和 NOz污染還 存 在 明顯 的 局部 污染 現(xiàn) 象 。從地 域 分布 看 ，三 種 污染 物 污染程 度依 次為 中心城 區(qū) 、城 市工 業(yè) 區(qū)和濱 江區(qū) ，西湖周 邊及 西部 山區(qū)污染 濃度 相對 較低 ，Os濃度 與 SO 和 NO 相反 。另外 ，城 市 的地形 如 西 湖 、錢塘 江 、山 區(qū) ，形 成 “三 面云 山一面城 ”格局 對 污染 物 分布有 一定 的影 響 。地 形 改 變 了污染 源 的平均 分 布狀 況 和污染 物 的擴散 條件 ，使得 污染 物 的濃 度分 布形成 相對 低濃度 區(qū)和 高濃度 區(qū) 。從 杭州 主城 區(qū)發(fā)展 趨勢 看 ，杭州 已經(jīng)在 主城 區(qū) 的基 礎(chǔ)上 ，主要 通過 向城市 邊緣 發(fā)展 的形 式來 擴大城 市 用地 。市 中心 區(qū)的 中心 向北部 工業(yè) 區(qū)轉(zhuǎn)移 ，同時開 發(fā)建設 了江北 的下 沙投 資 區(qū)，城 西 的高 新技術(shù) 開發(fā) 區(qū)和 之江旅 游風 景 區(qū)等 。

　　4．2 影 響因子 的定 量識 別與評 價

　　空 間相關(guān) 分析可 以更深 人揭示 污染 物濃度 與其影 響 因子 的空間相 關(guān)特 征 ，即利 用 GIS 技術(shù)分 析污染 物濃度 與影 響 因子 之 間的空 間相 關(guān)性 ，獲 取杭 州 城 市空 氣 中的 SO 、NO 、 O。濃度分 布與影 響因子 的空 間相關(guān) 程 度 ，從 而 識別 出在 不 同城 市 區(qū)域各 種 污 染 物 濃度 的 主要影 響 因子 。

　　5 結(jié)論與討論

　　結(jié) 合 上述研究 ，可 以得 出 以下 結(jié)論 ：

　　(1)整合 克里格插值 、地 理 圖層相關(guān)分 析 與疊 加 方法 分 析不 同城 市 區(qū)域 的空 氣 污染 程 度及其 主要影 響因子 的空 間分布特 征 ，識 別 出主要影 響 因子 ，在城市 尺度上 更 為直觀 地 揭示 了城市 空氣污 染水平 與受 其他影 響 因子 影 響的程度 的空 間分 布差異 性與相 關(guān)性 ，從 而 為城 市空氣 質(zhì)量功 能分 區(qū)及 制 圖 以及 總量控 制預測 提供 了定量 依據(jù) 。

　　(2) 城市作為 一種人 工一 自然綜 合系統(tǒng) ，城市 空氣 污 染 的空 間分異 特 征是 城 市 自然 條件 和社會 經(jīng)濟多 因素共 同作用 和影 響下形成 的 ，不 僅與 城市 內(nèi)部 的工業(yè) 、生 活及交通 活 動等人 為 因素的空 間分布密 切相關(guān) ，而且受植 被覆 蓋等 生態(tài) 因子影 響 。城 市空氣 污染 現(xiàn)象 是在城市 化過程 中各 種生產(chǎn) 、生活 、交通 等 復雜行 為對城 市這一 人工 一 自然 系統(tǒng) 產(chǎn)生 的環(huán) 境 影 響。隨著城 市化 和工業(yè) 化過程 的不斷 推進 ，城市 人 口和規(guī)模 擴大 ，城市人 口與建筑 物 越 來越 密集 ，空氣 中的污染 物種類 和數(shù)量 也越來 越多 ，病 菌的擴 散和 傳播也 更容 易 ，從 而 對 城市居 民健康 和安全 造成威 脅 。

　　參考 文獻 ：

　　[1] PaynTW ，HillRB，HockBK．PotentialfortheuseofGISandspatialanalysistechniquesastoolsformonitoring changesinforestproductivityandnutrition：A New Zealandexam ple．ForestEcologyandM anagement，1999，122 (1)：187～ 196．

　　[2] 王正軍 ，程家安 ，史舟 ．早稻二化螟一代卵塊的區(qū)域性 空間分布格局及動態(tài) ．浙江大學學報 (農(nóng)業(yè)與生命科學版)， 2000，26(5)：465～ 473．

　　[3] FacchinelliA，SacchiE，MallenL．MultivariatestatisticalandGIS-basedapproachtoidentifyheavymetalsources in soils． EnvironmentalPollution，2001，¨ 4(3)：313～ 324．

　　作者王偉 武 ，陳 超

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