天水市麥積區(qū)空氣質(zhì)量時空分布格局探究

姬宏 杜芳芳

摘 要：本文以天水市麥積區(qū)空氣質(zhì)量為研究對象，結(jié)合國家空氣質(zhì)量監(jiān)測站數(shù)據(jù)和基于空間插值方法所獲得的數(shù)據(jù)，使用空氣質(zhì)量綜合指數(shù)評價法、相關(guān)系數(shù)法等空間分析方法分析了其空氣質(zhì)量時空變化規(guī)律與分布格局。結(jié)果表明，甘肅省天水市麥積區(qū)空氣質(zhì)量整體狀況優(yōu)良，但區(qū)域內(nèi)部呈現(xiàn)明顯的差異性，即東部諸鄉(xiāng)鎮(zhèn)空氣質(zhì)量優(yōu)良，西部各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的空氣質(zhì)量變化相對較差，最差的集中分布中部各鄉(xiāng)鎮(zhèn);時間上，研究區(qū)空氣質(zhì)量呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，整體以冬春季節(jié)（1月）空氣質(zhì)量為差，夏秋季節(jié)（5月、10月）空氣質(zhì)量為優(yōu)。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量（AQI）;空間插值;時空分布

中圖分類號：X51;P208文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0138-04

Abstract： Taking the air quality in Maiji District of Tianshui City as the research object， combined with the data obtained from the national air quality monitoring station and based on the spatial interpolation method， the spatial analysis methods such as air quality comprehensive index evaluation method and correlation coefficient method were used to analyze the spatial-temporal variation and distribution pattern of air quality. The results show that the air quality of Maiji District in Tianshui city is good on the whole， but there are obvious differences within the region， that is， the air quality of the eastern towns is good， the change of the air quality of the western towns is relatively poor， and the worst is concentrated in the central towns; in terms of time， the air quality in the study area shows obvious seasonal variation characteristics， and the overall air quality is in winter and spring （January） The air quality was poor， and the air quality was excellent in summer and autumn （May and October）.

Keywords： Air Quality Index（AQI）;spatial interpolation spatiotemporal distribution;change characteristics

1 研究背景

近年來，我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加快，但由于其是粗放式的、不可持續(xù)性的發(fā)展，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境日益惡化。協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境間的矛盾成為一個亟待解決的社會公共問題，各級政府部門都在積極探索區(qū)域生態(tài)環(huán)境污染的形成原因，并主動尋求相關(guān)治理方案和對策。而空氣污染作為環(huán)境治理的關(guān)鍵，更需要尋求應(yīng)對之策。

1976年，美國公布了用于評價大氣質(zhì)量逐日變化的大氣質(zhì)量指數(shù)，即污染物標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)（Pollutant Standard Index，PSI）[1];80年代中期，又發(fā)布了一項對大氣顆粒指標(biāo)的新規(guī)定，其中使用PM10代替了原先的總懸浮顆粒物（Total Suspended Particulate，TSP）;1997年7月，用空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Inde，AQI）替代污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)（PSI）[2]，并規(guī)范了PM2.5的最高限值。我國環(huán)保部門在1982年發(fā)布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—1982），之后又對其進(jìn)行了三次修訂，即1996年進(jìn)行了第一次修訂，2000年進(jìn)行了第二次修訂，2012年進(jìn)行了第三次修訂，最終形成了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）。該標(biāo)準(zhǔn)中確定了15項污染物項目[3]。

天水市麥積區(qū)作為甘肅省休閑農(nóng)業(yè)示范縣區(qū)的模范縣區(qū)，其空氣質(zhì)量一直備受關(guān)注，空氣質(zhì)量不斷下降的問題也頻繁見諸報端，所處地理環(huán)境和特殊的氣象條件都是影響空氣質(zhì)量的重要因素[4]。但目前，對于天水市空氣質(zhì)量的研究多集中于對單一因子的大尺度分布變化規(guī)律上[5-7]，難以滿足實際需求。因此，對麥積區(qū)的大氣污染狀況展開分析已迫在眉睫。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

麥積區(qū)位于天水市的東南部。地處北緯34°06′～34°48′，東經(jīng)105°25′～106°43′，東接陜西省寶雞市，南鄰秦州區(qū)、兩當(dāng)縣、徽縣，西靠甘谷縣，北連清水縣、秦安縣，全區(qū)轄17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。麥積區(qū)東西長123 km，南北最寬處為50 km，最窄處不足5 km，境內(nèi)海拔為835～2 492 m，總面積為3 452 km2。氣候?qū)俅箨懓霛駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均溫度為10.2 ℃，無霜期170 d，年均降水量為506.3 mm，自北向南有增多的趨勢[8]。

2.2 研究數(shù)據(jù)

本研究所用空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)資料部分獲取自生態(tài)環(huán)境部環(huán)境監(jiān)測總站空氣質(zhì)量實時發(fā)布系統(tǒng)平臺（http：//106.37.208.233：20035），分別選取2018年1月、5月和10月3個月前7天共計21天的完整的數(shù)據(jù)記錄。

2.3 研究方法

2.3.1 空氣質(zhì)量評價方法。2012年，原環(huán)境保護(hù)部（現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部）頒布實施了《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》，用空氣質(zhì)量指數(shù)作為評價指標(biāo)[9]替代之前的空氣污染指數(shù)（API）標(biāo)準(zhǔn)?？諝赓|(zhì)量指數(shù)即用無量綱數(shù)值表征某地某時間大氣環(huán)境整體狀況的定量描述模型[10]，其以空氣中各污染物濃度對人類身體所造成的危害為基礎(chǔ)[11-12]。根據(jù)評價體系中主要污染物的濃度及所對應(yīng)空氣質(zhì)量分指數(shù)，選取分指數(shù)中值最大指數(shù)當(dāng)作AQI的值判斷出空氣質(zhì)量整體狀況，即AQI的數(shù)值越高，則大氣污染越嚴(yán)重。

2.3.1.1 空氣質(zhì)量分指數(shù)計算方法。污染物項目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)按式（1）計算：

式中：[IAQIM]表示污染物項目M的空氣質(zhì)量分指數(shù);[CM]表示污染物項目M的濃度值;[BPH]表示表1中與BP相近的污染物濃度限值的高位值;[BPL]表示表1中與BP相近的污染物濃度限值的低位值;[IAQIH]表示表1中與[BPH]對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù);[IAQIL]表示表1中與[BPL]對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。

2.3.1.2 空氣質(zhì)量分指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)。依國家空氣質(zhì)量各分指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對大氣污染物每一類項目的濃度限值做了規(guī)定[9]，如表1所示。

2.3.1.3 空氣質(zhì)量指數(shù)計算方法。空氣質(zhì)量指數(shù)計算公式如式（2）所示：

式中：[IAQI]為空氣質(zhì)量分指數(shù);[n]為空氣質(zhì)量分指數(shù)。對計算得到的空氣質(zhì)量指數(shù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分等劃級[9]。其分級標(biāo)準(zhǔn)按50的累積值從0向300遞增，對應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)級別為一級至六級，對人類健康的不利影響也隨之增大，即空氣質(zhì)量指數(shù)級別為一級時，空氣質(zhì)量最好，對人體無害;空氣質(zhì)量指數(shù)級別為六級時，為嚴(yán)重污染，會對人體身體某些機(jī)能產(chǎn)生不良影響。

2.3.2 空間插值方法。通過對已有實測數(shù)據(jù)和其空間分布與變化特征展開相關(guān)性分析，以此選擇最適合于本研究區(qū)的空間數(shù)據(jù)內(nèi)插方法，以估算生成完整連續(xù)表面的方法即為地統(tǒng)計學(xué)中的空間插值方法[13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 空間分布特征分析

研究區(qū)2018年1月、5月和10月前7天空氣質(zhì)量整體狀況較好，依國家空氣質(zhì)量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)類別顯示均為優(yōu)良級別，其變化趨勢表現(xiàn)為東西方向的過渡變化。從各不同時間段的空氣污染指數(shù)的數(shù)值變化上來看，1月前7天空氣質(zhì)量的整體狀況最差，5月前7天居中，10月前7天最優(yōu)。1月前7天區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量差異較大;5月前7天變化幅度相對較為平緩，介于1月前7天和10月前7天之間;10月前7天變化幅度最小。天水市麥積區(qū)AQI空間分布如圖1所示。

3.2 時間變化特征分析

由1月7天部分代表鄉(xiāng)鎮(zhèn)AQI變化（見圖2）可看到，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)空氣質(zhì)量指數(shù)變化都比較劇烈，整體上呈現(xiàn)出自1月1日的最高值向1月7日的最低值變化的趨勢。其中，1日至2日下降趨勢最顯著;2日至3日整體趨于穩(wěn)定和平緩，空氣質(zhì)量指數(shù)仍然處于較高水平，大氣污染較為嚴(yán)重;3日至6日整體變化比較穩(wěn)定，變化幅度不大。麥積區(qū)整體空氣質(zhì)量為良，對正常的生產(chǎn)生活活動的影響比較有限。以1月6日為節(jié)點，全區(qū)空氣質(zhì)量進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，達(dá)到同期空氣質(zhì)量最優(yōu)水平。

5月的空氣質(zhì)量（見圖3）整體處于較平穩(wěn)的變化狀態(tài)，空氣質(zhì)量指數(shù)在5月3日達(dá)到最大值;5月4日出現(xiàn)最低值。同時，該時期呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性，形成了以五龍鄉(xiāng)等為中心的變化曲線群和以花牛鎮(zhèn)等為中心的變化曲線群。在第一個變化曲線群之中，5月1日至2日空氣質(zhì)量指數(shù)的變化呈現(xiàn)出趨好的趨勢;在第二個變化曲線群中，則出現(xiàn)了小幅度的上升趨勢。3日，全區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的空氣質(zhì)量均有上升。4日，全區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)出現(xiàn)小幅回落。5日，第二變化曲線群出現(xiàn)斷崖式的下降，空氣質(zhì)量顯著改善。6—7日，出現(xiàn)了小幅度回升，達(dá)到全區(qū)的平均水平。

10月前7日AQI（見圖4）整體良好，優(yōu)良區(qū)域所占面積大于較差區(qū)域。在該監(jiān)測時段，全區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)在10月1日達(dá)到最高值，10月6日達(dá)到最小值，在東部形成了廣闊次優(yōu)區(qū)。具體而言，10月1日至2日的空氣質(zhì)量變化幅度最大;2日至3日保持下降趨勢，下降的趨勢比較平緩。4日，全區(qū)所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)的空氣質(zhì)量指數(shù)出現(xiàn)小幅度上升。5日則再次出現(xiàn)了下降的變化趨勢。

4 結(jié)論

本文使用的數(shù)據(jù)主要為國家生態(tài)環(huán)保部公布的空氣質(zhì)量監(jiān)測點數(shù)據(jù)和通過實地調(diào)查采樣獲取的部分區(qū)域不同時間段的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過一系列GIS空間分析的方法探究了甘肅省天水市麥積區(qū)2018年的空氣質(zhì)量空間分布格局和時間變化規(guī)律，最終得到以下幾點結(jié)論。

①天水市麥積區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)總體上處于較低水平，空氣質(zhì)量整體狀況向好。本研究時間跨度為3個不同季節(jié)共21天，其中1月空氣質(zhì)量指數(shù)自1日至7日最低值逐漸降低。

②麥積區(qū)空氣質(zhì)量的區(qū)域變化具有顯著的地域分異規(guī)律：東部地區(qū)和南部地區(qū)為全區(qū)域空氣質(zhì)量的最優(yōu)區(qū);西部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為全區(qū)的次優(yōu)區(qū);中部地區(qū)的馬跑泉鎮(zhèn)、花牛鎮(zhèn)等區(qū)域為全區(qū)最差地帶。

③麥積區(qū)空氣質(zhì)量在時間上的變化具有顯著的規(guī)律性：研究區(qū)空氣質(zhì)量1月時為全區(qū)最差;5月時，有所好轉(zhuǎn)，整體保持在良好水平;10月時，全區(qū)空氣質(zhì)量整體優(yōu)良，優(yōu)于1月、5月同期狀況。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞統(tǒng).空氣質(zhì)量日報中的空氣污染指數(shù)[J].城市管理與科技，2000（1）：23-26.

[2]柳笑盈.基于GIS的空氣質(zhì)量指數(shù)空間插值方法研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

[3]何書申，趙兵濤，俞致遠(yuǎn).環(huán)境空氣質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)的演變與比較[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2014（4）：50-55.

[4]妙旭華.天水市環(huán)境空氣質(zhì)量評價與分析[J].甘肅科技，2011（19）：59-62.

[5]盧秀娟，巨天珍，謝順濤，等.城市大氣臭氧柱濃度時空變化研究：以天水為例[J].地球與環(huán)境，2017（6）：612-619.

[6]李兵.基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的甘肅省對流層NO2時空分布特征研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2016.

[7]閆秀婧.天水市麥積城郊綠地負(fù)離子凈化空氣效應(yīng)研究[J].林業(yè)科技通訊，2017（10）：73-77.

[8]劉嵐，張文彧，閆秀婧.天水市麥積區(qū)經(jīng)濟(jì)林種植土壤施肥狀況調(diào)查分析[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2013（1）：13-17.

[9]環(huán)境保護(hù)部.環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）：HJ 633—2012[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[10]張鴻艷，王葳.空氣質(zhì)量指數(shù)計算的數(shù)學(xué)模型[J].高師理科學(xué)刊，2014（5）：8-10.

[11]侯雅文，王斌會.空氣質(zhì)量指數(shù)監(jiān)控與預(yù)測的控制圖方法[J].統(tǒng)計與信息論壇，2012（8）：86-90.

[12]霍雨，寶榮，周延林.AQI在呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古環(huán)境保護(hù)，2005（3）：41-45，58.

[13]許燕婷，劉興詔，王振波.基于AQI指數(shù)的中國城市空氣質(zhì)量時空分布特征[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019（1）：187-196.