杭州城市空气污染物空间分布及其影响因子的定量分析

　　摘要 ：以乡镇 、街道为基本 空间统计 单元 ，基 于地统 计方法 、GIS和遥 感技术绘 制和 计算 了 杭州城市人 口密度 、道路面积 比例 、建设用地 比重 、NDVI和地 表温度 的空 间 图层 ，并应用 GIS空 间 数 据 相 关分 析 和 空 间 叠 加 方 法 ，定 量 评 价 了 S0 、N0z、0。的 空 间 分 布 与 城 市 人 口 密度 、建设用地 比重 、道路用地 比例 、地表 温度等影 响因子 的空 间相关程度 和总体 污染水平 的分 布特征 。结果表明 ：N0 的空间分 布受道路 比例 、地表温度 、城镇 建设用地 、人 口密度 的影响程度最大 ，s0 次之 ，0。最小。s0 受工业用地分布影响较大 ，0。为二次污染物 ，其空 间分布受其他因素影响相对较小 。杭州市室外空气 的总体污染程度 ，主要集 中在上城 、下城 、 拱墅 ，江干区次之 ，西 湖区污染程度较轻 。城市 空气污染 物浓度 空间分布及 受其 他 因素影响 程度 的定量分析可以为不同城市地域有针对性地制定合理的空气污染缓减对策提供科学依据 。

　　关 键 词 ：克 里 格 插 值 ；空 间相 关 性 ；城 市 空 气 污 染 ；影 响 因子 ；杭 州

　　地统计 学作 为一 种空 间分析 方法 ，主要用 来研 究那些 在空 间分 布上 既有随机 性又有 结 构性 ，或 空 间相关 和依 赖性 的现象 。城 市 中普 遍存 在着一 种现 象 ，即空 间或时 间上距离 越 近 的实物 ，其相 互作用 越强 ，距 离越远则 相互 作用越 弱 。地统 计学方 法可 以为揭 示这种 空 间变 异规律 ，解 释各种 变异 因子在 空 间变异过 程 中的影 响作用 提供一 种十分 有效 的定量 分 析手 段 。在 自然科 学领 域 ，该 方法 已经广 泛应 用到林 业资 源调查 、农作 物保 护 、土壤环境 分析 、生态评 价 等方面 ，在模 拟 自然 环境 因素 因子如 水文 、温度 、地质 、地貌 、土壤 、光 照 等的空 间分布特 征 方 面 显示 了应 用 优 势[】 ]。在 城 市 研究 方 面 ，也开 始 应 用 到 城市 人 口、城 市房 价等方 面 的探 索 和分析[9~113。

　　1 研 究 区概 况

　　杭州 市地处 东南沿 海长江 三角洲 南翼 ，杭州 湾西端 和钱 塘江下 游 ，是 浙江 省政 治 、经 济 、科 教和文化 中心 ，是 国务 院确定 的全 国重点 风景旅 游城 市和历 史文 化名城 ，也是 中国 十大最适 合居 住城市之 一 。气 候 属 于亚 热带 季风 区 ，年 平 均气 温 为 16．2~C。年 最 高气 温 达到 42~C。研 究 区范 围包 括杭 州 市 上城 区 、下 城 区 、拱 墅 区 、西湖 区、江 干 区 、滨 江 区 (不包括余 杭 区和萧 山区)，合 计 3o个 街道 、24个 乡镇 ，总面 积 683km (图 1)。

　　2 数据来 源与分析

　　2．1 数 据来源

　　本研 究采用 的资料 主要 包括 ：杭州 市 2000年 第 五次人 口普查 资 料 ，杭 州市 各 区行 政 区划 图 (1：25000)，以及 2000年 7月 15日 Landsat／TM 数据 。考 虑到杭 州 四季 分 明和夏 季 高气 温的气 候特征 ，我们 选取 了夏季 的 Landsat／TM 数据 ，同时 通过 Landsat／TM 数据 还 能较精 确地 (120m×120m)反 映 以街 道或 乡镇 为统 计单 元 的城 市 绿 色环 境和 热 环境 的 空 间分布 特征 。采 用 网 格 划 分 方 法 布 置 监 测 点 。 中 心 城 建 成 区 南 侧 人 口密 集 地 带 为 1．1km×1．1km、城 区外 围所 有 区域 均 为 2．2km×2．2km 的 网格 划 分方 案 。共 设 128个 测 点 (1993年 已设 23个 测点 )，其 中西湖 风 景 区及 外 围 为 15个 测 点 ，滨 江 区为 11个 测 点 ，下 沙开发 区为 13个测 点 ，中心城建 成 区为 89个测 点 (图 1)。 根据杭 州 市 现 有 的 5个 空 气 质 量 自动 采 样 点 的 历 年 监 测 结 果 ，杭 州 空 气 中 NO 、 SO：、 O。等三项 污染指 标均 呈现 明显 的冬 高夏 低 、春 秋介 于其 间 的季 节性 变化 规 律[】 。另 外 ，空气监 测需 要选择 二个 或二个 以上 有代表 性 的季节 。 网格采 样 时间适 宜在夏末 秋初 和 冬末 春初两 个季 节交替 时期 ，此 时 的气 象条件 以冬 夏特征 为 主 ，同 时部分具 备春秋 多变 的 气象 特征 ，能在很 大程 度上反 映杭 州市全 年各个 季节 的总 体污染 分布状 况 。实际采 样时 间 分别 在 2000年 8月 14~29日和 2001年 2月 8～23日，其 中 SO2、NO：为 15天 ，O。为 7 天 。采 样管最 长允许 采样 时 间 ：O。为 7天 ，NO：为 15天 ，SO：为 3O天 ，样 品采 集 以后送 瑞士有 相关 认证 资格 的实验 室分析 ，保 证 了监测 数据 的准 确性[】。

　　2．2 影响 因子选 择

　　城 市空气 中的 SO。、NO：、O。浓度 受人 为 的生产 、生 活和交通 的不 同程度 的影 响 。本 研究 选 择城 市人 口密度 、城市 主干道 密度 、建设 用地 比重 、工业 用地分 布和地 表温度 的空 间分布 作为城 市空气 中的 SO：、NO：、O。浓度 的影 响 因子 。 人 口密度 反映一 个城 市人 口的聚集 程度 。人 口密度 越高 ，人 为的生产 、生 活或商业 行 为越频繁 ，人 为排放 的 SOz、NO 等 空气 污染 物 也 随着 增 加 。人均 空 间资 源 占有 率 越 低 ， 会使 城 市 中有 限 的环 境容量 超过 承载力 要求 而导致 环境 恶化 ，适 当的人 口密度对 城市 污染 物排 放 的降解 十分重 要 。工 业企 业是城 市 SO：和 NO：的主要排 放源 。在空 气污染 物排放 条 件较 差 的情 况下 ，城 市工业用 地是 城市空 气 中 SO：和 NO：浓 度集 聚 的 主要 场所 。近 几年 ， 城市 空气污 染呈 现出 以 SOz为 主 的工业 型 污染 向 以 NO 为 主 的生 活性 污 染 转 变 的总体 特 征 。随着城 市人均 机动 车数量 的增 加 ，车 流 密度 增 加 和交 通 拥堵 成 为 城 市空 气 中 NO 产 生的 主要原 因 。因此 ，城 市主 干道密 度越 大 ，NOx的排 放量 势必越 大 。在城 市的街道 峡谷 效 应 的影响 下 ，城 市空 气 中的 NO 不 易扩 散 。可 见 ，城 市交 通 干 道密 度 直接 影 响城 市空 气 中的 NOx浓度 。

　　3 污染物及其影响 因子 的空 间数据建立

　　3．1 空间数据 预处理

　　首先 在研究 区 内建 立空气质 量监测 点 和 以街 道或 乡镇 为基本统 计单 元的 图形数 据和属 性 数据 ，并与 Landsat／TM 数据 一起 进行投 影设 置 、图像 配 准等预 处理 ，为使 各污染 物及 其 影响 因子地理 数据具 有空 间属 性并 能方便 地进行 空 间分析 与运算 。

　　3．2 污染 物浓度 分布

　　空间数据 即各有效 监测点 位 的空气污染 物浓 度属 性数 据 和 空 间坐标 (采用 杭 州 坐标 系 )。首 先 利用 mapinfo软件形 成 包 含 SO：、NO：、O。监 测 数 据 的 文件 ，转 换 为 shp格 式 存 储 。在 ARCGIS软件 的 geostatistics分析 模块 中 ，导入 shp格式 文件 ，建 立分析 数 据 。然 后用 软 件 中 kriging插 值分析功 能 分别 对 各 测 点 SO。、NO：、O。三 项 污染 指标 进 行 半 方 差 分析 、 空 间变 异 函数 分析 ，获 取并 分析 SOz、NO：、O。的空 间 分 布 图 ，最 后 以栅 格 数 据 格 式存 储 。SO：、NO2、O。的原 始 数 据 进行 Kolmoeomv—Smironov (K—S) 正态 分 布 检 验 的 概 率 (Pk_s)符合 kriging插值 要求 。获取 的 kriging分析 结果见 图版 1图 2A、2B和 2C。

　　4 污染物空间分布及其影响因子分析

　　4．1 污染 物浓 度空 间分布 特征

　　通过 对照分 析三 种污染 物 监 测数 据 和 图版 1图 2A、2B和 2C，可 以说 明污 染 物浓 度 空 间分布特 征 。NOz的浓度 范 围为 33．4～67．5btg／m。，浓度 最高 的监测 点位于 下城 区官 巷 口附近 ，浓 度最低 的监测 点位 于 江干 区下沙 开发 区最 东 面监测 点 。与 SO 、O。相此 ，NO 浓度 分布特 征最 为 明显 ，层 次 更 为清 晰 ，浓 度 最 高 的 区域 形成 近 似 圆形 中心 ，大 致 范 围 为 ：东 到秋 涛北路 、江城 路 ，南 到 河坊 街 、望 江路 ，西 到南 山路 、环 城 西 路 ，北 到 文 辉 路 ；在 这个 高浓度 区域 内 ，浓 度 最 高点 位 于 艮山 门 附近 ，在 武林 门和 官 巷 口有 两 个 次 高 点 。另 外 ，在北部 大关路 一带 也存 在一个 浓度 次高点 。这 种浓度 分布 特征充 分显示 了机 动 车的废气 排放 和城 区污染 物 的扩散 条 件 较 差对 NO 浓 度 分 布 的影 响 。杭 州 市 中心 城 区建 筑 物密集 ，高楼多 ，道路 狭小 ，人 口密 度 高 ，机 动 车 流 量 大 ，造成 NO 排 放 量 比城 市外 围 区域 多 ，并 且无 法 及 时扩 散 ，致 使其 浓 度偏 高 。SO 的浓 度范 围为 28．0～83．5“g／m。， 浓度 最高 的监测 点位 于杭州 管道煤 气 厂 、农 药厂 附近 ，浓度 最低 的监 测点 位于 临近钱 塘江 的城 皇 山附 近 。SOz城 市 中心 区污 染 最 重 ，北 部 工 业 区 次 之 ，外 围农 林 山 区相 对 较 轻 。 SO2的浓度 分布 比 NOz更 加复杂 ，显 示 出与局部 污染 源排放 更为相 关 的分 布特 征 。城 市 中 心 区和城北 工业 区 SOz浓 度 明显 比其 他地 区高 ，为 SO 污染最 重 的区域 ，最 高点 分别 出现 在杭州 市管 道煤 气厂 、农 药 厂附近 ；城 市 中心 SO 重污染 区 ，其 范 围基本 与 NO 最 重 污染 区重叠 ，向外扩展 ，SOz浓度 逐渐 降 低 。SO 排放 以机 动车 和燃 料 废气 为 主 ，燃料 排 放 主 要集 中在城北 工业 区和滨 江 区 ，而 机动 车废 气 则 主 要集 中 在城 区 中心 人 口密集 区 。O3的 浓 度范 围为 30．7～84．3~g／m。，浓度 最高 的监测 点位 于江干 区沙 开发 区东北 面 ，浓度 最低 的监 测 点位于 古荡 附近 。O。呈 外 围 区域 高 、城 市 中心 低 的浓 度 分 布特 征 。从 图形 总体 分 析 ，Os浓度 分布 特 征 为 城 市 中心 区域 浓 度 最 低 、 向外 围 区域 浓 度 逐 渐 增 高 ，与 NO 和 SO2浓度分 布几乎 相反 。SOz和 NOz污染还 存 在 明显 的 局部 污染 现 象 。从地 域 分布 看 ，三 种 污染 物 污染程 度依 次为 中心城 区 、城 市工 业 区和滨 江区 ，西湖周 边及 西部 山区污染 浓度 相对 较低 ，Os浓度 与 SO 和 NO 相反 。另外 ，城 市 的地形 如 西 湖 、钱塘 江 、山 区 ，形 成 “三 面云 山一面城 ”格局 对 污染 物 分布有 一定 的影 响 。地 形 改 变 了污染 源 的平均 分 布状 况 和污染 物 的扩散 条件 ，使得 污染 物 的浓 度分 布形成 相对 低浓度 区和 高浓度 区 。从 杭州 主城 区发展 趋势 看 ，杭州 已经在 主城 区 的基 础上 ，主要 通过 向城市 边缘 发展 的形 式来 扩大城 市 用地 。市 中心 区的 中心 向北部 工业 区转移 ，同时开 发建设 了江北 的下 沙投 资 区，城 西 的高 新技术 开发 区和 之江旅 游风 景 区等 。

　　4．2 影 响因子 的定 量识 别与评 价

　　空 间相关 分析可 以更深 人揭示 污染 物浓度 与其影 响 因子 的空间相 关特 征 ，即利 用 GIS 技术分 析污染 物浓度 与影 响 因子 之 间的空 间相 关性 ，获 取杭 州 城 市空 气 中的 SO 、NO 、 O。浓度分 布与影 响因子 的空 间相关 程 度 ，从 而 识别 出在 不 同城 市 区域各 种 污 染 物 浓度 的 主要影 响 因子 。

　　5 结论与讨论

　　结 合 上述研究 ，可 以得 出 以下 结论 ：

　　(1)整合 克里格插值 、地 理 图层相关分 析 与叠 加 方法 分 析不 同城 市 区域 的空 气 污染 程 度及其 主要影 响因子 的空 间分布特 征 ，识 别 出主要影 响 因子 ，在城市 尺度上 更 为直观 地 揭示 了城市 空气污 染水平 与受 其他影 响 因子 影 响的程度 的空 间分 布差异 性与相 关性 ，从 而 为城 市空气 质量功 能分 区及 制 图 以及 总量控 制预测 提供 了定量 依据 。

　　(2) 城市作为 一种人 工一 自然综 合系统 ，城市 空气 污 染 的空 间分异 特 征是 城 市 自然 条件 和社会 经济多 因素共 同作用 和影 响下形成 的 ，不 仅与 城市 内部 的工业 、生 活及交通 活 动等人 为 因素的空 间分布密 切相关 ，而且受植 被覆 盖等 生态 因子影 响 。城 市空气 污染 现象 是在城市 化过程 中各 种生产 、生活 、交通 等 复杂行 为对城 市这一 人工 一 自然 系统 产生 的环 境 影 响。随着城 市化 和工业 化过程 的不断 推进 ，城市 人 口和规模 扩大 ，城市人 口与建筑 物 越 来越 密集 ，空气 中的污染 物种类 和数量 也越来 越多 ，病 菌的扩 散和 传播也 更容 易 ，从 而 对 城市居 民健康 和安全 造成威 胁 。

　　参考 文献 ：

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

　　[2] 王正军 ，程家安 ，史舟 ．早稻二化螟一代卵块的区域性 空间分布格局及动态 ．浙江大学学报 (农业与生命科学版)， 2000，26(5)：465～ 473．

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

　　作者王伟 武 ，陈 超

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