环境科学  2019, Vol. 40 Issue (1): 135-142   PDF    
引用本文
张立坤, 李令军, 姜磊, 赵文慧, 鹿海峰, 王新辉, 邱昀. 北京建筑施工裸地时空变化及扬尘污染排放[J]. 环境科学, 2019, 40(1): 135-142.
ZHANG Li-kun, LI Ling-jun, JIANG Lei, ZHAO Wen-hui, LU Hai-feng, WANG Xin-hui, QIU Yun. Spatial and Temporal Distribution Characteristics and Fugitive Dust Emission of Building Sites in Beijing[J]. Environmental Science, 2019, 40(1): 135-142.
北京建筑施工裸地时空变化及扬尘污染排放
张立坤1,2, 李令军1,2, 姜磊1,2, 赵文慧1,2, 鹿海峰1,2, 王新辉1,2, 邱昀1,2     
1. 北京市环境保护监测中心, 北京 100048;
2. 大气颗粒物监测技术北京市重点实验室, 北京 100048
收稿日期: 2018-04-28; 修订日期: 2018-07-16
基金项目: 北京市公益科技项目（Z161100001116013）；国家重点研发计划项目（2018YFC0706000，2018YFC0706004）
作者简介: 张立坤(1988~), 女, 硕士, 主要研究方向为环境监测工作, E-mail:zhanglikun07@163.com
摘要: 近年来北京城市格局逐步调整，伴随城市扩张与功能疏解，大规模建设工程使建筑施工裸地广泛分布于城市内部，施工扬尘带来的颗粒物污染已经成为影响空气质量的重要因素.选取北京平原区为研究区域，遥感反演了2013~2017年的建筑施工裸地，并分析了其时空分布特征.结合地面颗粒物浓度进行相关性分析，探讨城市建筑施工裸地对空气质量的影响.在此基础上，估算北京平原区2013~2017年建筑施工裸地的扬尘排放量.结果表明，北京建筑施工裸地沿中心城区向四周辐射，呈现出环形的带状分布，以城乡结合部最为集中.2013~2017年建筑施工裸地面积呈现先减后增的变化趋势，2015年后重心向东南偏移，逐步呈现出不均衡的分布特征.建筑施工裸地面积与PM10呈正相关，23个地面自动监测站点的相关系数均在0.80以上.2017年北京平原区建筑施工裸地颗粒物排放量核算结果如下：TSP排放量为39.5×104 t、PM10排放量为19.4×104 t、PM2.5排放量为4.0×104 t.单元网格的建筑施工裸地颗粒物排放强度向两级化发展，建筑施工裸地的局部集中导致高污染单元网格排放强度进一步增大.以标准化的PM10网格排放量为依据，将北京平原区分为低污染排放区、较低污染排放区、中污染排放区、较高污染排放区及高污染排放区5个级别，分级管控可以更有效地减轻扬尘污染影响.
关键词: 北京      建筑施工裸地      扬尘      遥感监测      网格化管理     
Spatial and Temporal Distribution Characteristics and Fugitive Dust Emission of Building Sites in Beijing
ZHANG Li-kun1,2 , LI Ling-jun1,2 , JIANG Lei1,2 , ZHAO Wen-hui1,2 , LU Hai-feng1,2 , WANG Xin-hui1,2 , QIU Yun1,2     
1. Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048, China;
2. Beijing Key Laboratory of Airborne Particulate Matter Monitoring Technology, Beijing 100048, China
Abstract: Because of the continuous expansion of the city and the evacuation of non-core functions, the city pattern of Beijing has gradually changed in recent years. Based on many construction projects, building sites are widely distributed within the city. Therefore, fugitive dust emission is an important factor affecting the air quality in Beijing. This article focuses on the plain area in Beijing. Remote sensing was used to extract building sites from 2013 to 2017, analyze the spatial and temporal distribution characteristics of the building sites, estimate the fugitive dust emission, and propose a grid-based emission classification management program. Research shows that the building sites form a belt surrounding the central urban area, mainly distributed in the urban-rural integration area. From 2013 to 2017, the area of the building sites first decreased and then increased. After 2015, the center of the building sites in Beijing shifted to the southeast and started to show an uneven distribution. The area of the building sites is positively correlated with the PM10 concentration. The correlation coefficients of 23 automatic ground monitoring stations are all above 0.80. Combined with the building site activity levels and emission factors, the estimated air pollutant emissions of TSP, PM10, and PM2.5 from building sites in 2017 were 39.5×104, 19.4×104, and 4.0×104 t, respectively. The emission intensity of the pollution in the grid has developed towards polarization, which further increased the emission intensity of high-strength pollution grids. Based on standardized PM10 grid emissions of building suites, the plain area of Beijing can be divided into five categories:lower pollution, low pollution, medium pollution, high pollution, and higher pollution.
Key words: Beijing      building site      dust      remote sensing      grid management     

2017年, 北京市PM2.5年均浓度达到58 μg·m-3, 同比下降20.5%;而PM10浓度仅同比下降8.7%, 下降幅度远低于PM2.5, 通州等城市建筑规模集中的区域甚至不降反升[1], 扬尘类排放源的治理已经成为北京空气质量进一步改善的重要环节[2~4].研究表明, PM10中扬尘排放占比达到80%左右[5], 扬尘源对于粗颗粒物的贡献尤为显著.建筑施工扬尘是城市扬尘源的重要类别, 是指在建筑施工、道路施工等过程中产生的粉尘颗粒物[6~8], 属于无组织排放源, 具有复杂性、随机性和不确定性[9~11].明确建筑施工裸地的时空分布特征, 核算污染排放量, 对于城市扬尘污染防治和改善城市空气质量具有重要意义[12~14].多年以来, 国内外在建筑施工扬尘污染方面开展了多样的研究, 包括建筑施工扬尘污染排放因子的探究[15~16]、建筑施工扬尘污染扩散规律的研究与排放模型的建立[17~20]、以及建筑施工扬尘污染的排放量测算[21~23]等, 取得了丰富的研究成果.但是在建筑施工裸地的时空分布特征及其对环境的影响评估方面研究较少, 相关研究的时间滞后性长, 对环境管理的支撑作用不足.本研究采用遥感技术手段分析了2013~2017北京平原区建筑施工裸地的时空分布特征, 采用排放清单推荐的方法[24]核算了全市的扬尘污染物(TSP、PM10、PM2.5)排放量, 评估了其对空气质量的影响, 并提出了基于网格的扬尘污染排放分级思路与方法, 以期为扬尘污染管控提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区范围

受到地形、交通、资源等多种因素的影响, 平原地区成为人类生存与活动的主要区域, 是城市建设的高度集中区.根据北京市统计年鉴显示[25], 仅9.0%的人口生活在以山区为主的生态涵养区(图 1).因此, 选取北京平原区作为研究区, 探究建筑施工过程中扬尘对城市环境的影响.

图 1 研究区范围示意 Fig. 1 Map of the study area

1.2 建筑施工裸地活动水平获取

使用多源卫星的高分辨率影像, 采取人机互译的模式对2013~2017年北京平原区建筑施工裸地进行提取.其中2013年的影像来源为GF-1, 2014年与2015年的影像来源为SPOT-6, 2016年与2017年的影像来源为BJ-2, 云覆盖低于10%, 影像分辨率保持在2~2.5 m, 保证多年数据具有可比性.自2016年起, 北京对裸露地面实施绿网苫盖措施, 冬春季节由于季节性植被裸露苫盖带来的影响可能导致误判情况, 因此影像时相均选取夏秋季(8~10月).规定统一的信息提取原则, 最小上图面积为800 m2, 解译比例尺为1:6 000~1:7 000, 并在1:10 000比例尺下进行边界检查, 保障图斑属性及边界精度达到90%以上.

根据建筑施工裸地的施工阶段进行分类别精细化提取, 包括拆迁平整阶段、土石方阶段、主体施工阶段、主体完工未绿化阶段和城区其他裸地5种类型.具体类型及定义见表 1.

表 1 建筑施工裸地分类 Table 1 Classification of the building sites

1.3 污染物排放量估算

以文献[24]为科学依据, 估算北京建筑施工裸地颗粒物排放量, 计算公式如下：

(1)
(2)

式中, WCi为施工扬尘源中PMi总排放量, t·a-1; ECi为整个施工工地PMi的平均排放系数, t·(m2·mon)-1; AC为施工区域面积, m2.通过遥感解译获取; T为工地的施工月份数; η为污染控制技术对扬尘的去除效率, %.多种措施同时开展的, 取控制效率最大值. TSP、PM10和PM2.5排放量根据施工积尘的粒径分布情况估算获得, 参考粒径系数：TSP为1、PM10为0.49、PM2.5为0.1.

1.4 建筑施工裸地的网格化与标准化 1.4.1 网格化方法

使用2013、2015及2017年的解译结果, 计算不同斑块建筑施工裸地的面积, 计算结果转换为5 m×5 m的栅格数据, 形成北京建筑施工裸地面积的栅格化结果.同时将北京整体划分为1 km×1 km的网格, 以网格为单元统计建筑施工裸地的面积, 并根据公式(1)、(2)计算网格的建筑施工裸地PM10排放量, 实现不同年度建筑施工裸地PM10排放量的网格化.

1.4.2 标准化方法

标准化处理能够把不同来源的数据统一到一个参考系中, 增加数据的可比性.选取离差标准化方法, 对建筑施工裸地PM10排放量的网格化结果进行线性变化, 使数据落在[0, 1]之间, 转化函数为：

(3)

式中, x1为标准化后的建筑施工裸地PM10排放量; x为核算的建筑施工裸地PM10排放量; xmax为建筑施工裸地PM10排放量的最大值; xmin为建筑施工裸地PM10排放量的最小值.

2 结果与讨论 2.1 北京平原区建筑施工裸地分布特征

2017年北京平原区建筑施工裸地面积174.9 km2, 占平原区总面积的2.4%.建筑施工裸地的分布与城市发展方向一致, 主要分布在南部的大兴区、通州区, 北部的昌平区以及城六区的朝阳区和丰台区(图 2), 面积分别达到43.1、24.7、13.8、19.1和14.6 km2.

图 2 2017年北京平原区建筑施工裸地分布 Fig. 2 Building sites area distribution of the plain area in 2017

从施工阶段来看, 建筑施工裸地主要处于土石方阶段及主体施工阶段, 面积分别达到53.7 km2和45.1 km2, 占全市建筑施工裸地面积比例分别达到38.7%和32.8%.土石方阶段砂土裸露面多, 施工强度大, 更易产生扬尘污染, 对大气颗粒物的贡献更为显著.统计结果显示大兴区、通州区、房山区及朝阳区处于土石方阶段的建筑施工裸地面积较大, 东城区、朝阳区、平谷区和昌平区处于土石方阶段的建筑施工裸地比例较高(见图 3).

图 3 各区不同施工阶段建筑施工裸地面积统计 Fig. 3 Building sites area for different construction stages in each district

建筑施工裸地密度总体呈现城市功能拓展区最高, 发展新区次之, 核心区与生态涵养区较低的趋势, 与其沿中心城区向四周发散辐射, 在城乡结合地区集中的分布特征保持一致(图 4).建筑施工裸地的密度反应了单位面积建筑施工裸地的分布情况, 密度越大、扬尘污染面越广、污染程度越高, 措施控制的意义越重要.

建筑施工裸地面积密度指平原区单位土地面积中的建筑施工裸地面积 图 4 平原区各区建筑施工裸地密度统计 Fig. 4 Building sites density of the plain area in each district

2.2 2013~2017年北京平原区建筑施工裸地变化特征

2013~2017年, 北京平原区建筑施工裸地面积整体呈增长趋势, 累计增长率达到27.6%.前期略有回落, 由2013年的137.0 km2减至2015年的129.2 km2; 2015年后快速增长, 至2017年达到174.9 km2(图 5).各区变化趋势呈现多样化, 总体来看全市大部分区的建筑施工裸地面积有所增长.其中大兴区是唯一呈现持续性增长的地区, 5年间建筑施工裸地面积增长167.4%;东城、石景山、顺义及密云区呈现波动式增长, 朝阳、丰台、房山和通州变化趋势呈现先减少后增长的特征, 在2016~2017年增长较为显著.呈现减少趋势的区主要分布在核心区和西北部区域, 其中西城、海淀及怀柔区虽然在2015或2016年开始增长, 但总体面积有所减少, 门头沟、昌平及平谷三区呈现波动式减少.

图 5 2013~2017年各区建筑施工裸地变化特征 Fig. 5 Characteristics of the building sites in each district from 2013 to 2017

从空间分布来看, 5年间建筑施工裸地主要分布5环之外, 面积占比始终超过75%. 2013~2017年呈现出建筑施工裸地由内向外的发展趋势, 且集中区域由5~6环逐渐转向6环外.伴随城市的扩张, 5~6环的城乡结合区域已经不能满足城市建设的需求, 城市建设逐步向6环外转移.

表 2 环线间建筑施工裸地占全市建筑施工裸地的面积比例/% Table 2 Proportion of building sites in different ring roads occupying the proportion of building sites in the whole city/%

选取东西城中心点作为原点, 探讨建筑施工裸地近年来的变化方向(图 6). 2013年, 建筑施工裸地在全市各方向的分布整体相对均匀, 北部、东北部区域略为突出.至2017年建筑施工裸地面积西部及北部变化不大, 东部、南部增长显著, 城市建设主要向南发展.其变化可以分为两个阶段：2013~2015年建筑施工裸地面积总体呈现减少趋势, 除南部区域外, 各个方向建筑施工裸地面积均有所萎缩. 2015~2017年由城市发展带来的大规模集中建设导致建筑施工裸地逐步呈现出显著的区域不均衡态势. 2016年, 南部区域受到国际机场进入全面建设期的影响, 建筑施工裸地面积同比增长84.3%, 其他方向无较为明显的变化. 2017年, 北京拆违腾退工作全面铺开, 导致建筑施工裸地迅速增长, 同比增长45.5%;其中, 通州受城市副中心集中建设的带动, 增长幅度最为显著, 建筑施工裸地面积同比增长70.0%.

图 6 2013~2017年北京建筑施工裸地发展方向 Fig. 6 Development direction of building sites from 2013 to 2017

2.3 建筑施工裸地面积与大气PM10浓度相关关系

为探究建筑施工裸地的扬尘排放对城市PM10浓度的影响, 选取23个地面自动站, 以其为圆心统计周边半径1、5、10、15、20、30、40 km范围内的建筑施工裸地面积, 并与站点PM10浓度进行相关性分析(表 3).结果显示建筑施工裸地的面积与监测站点PM10浓度具有较为显著的相关性, 全部子站的相关系数均在0.80以上.不同站点在不同范围内的相关程度具有差异性, 30.4%的子站在20 km范围内相关性最高, 26.1%与21.7%的监测站点分别在30 km及40 km范围内呈现出最高的相关性.超过20 km范围后部分监测站点的相关性仍有提升, 但提升幅度均较为微小.从分布上看, 城市中心区域的站点受到建筑施工裸地的影响范围小于远郊区, 4环内77.8%的子站相关性最高的范围在20 km之内; 5环外子站相关性最高的范围集中在30 km及40 km, 但怀柔镇、密云镇、延庆镇等位于山区的中心镇受建筑施工裸地影响范围小于其他远郊地区, 相关性最高的范围在20 km以内.

表 3 PM10浓度与不同范围建筑施工裸地的相关性分析 Table 3 Correlation analysis between the concentration of PM10 and building sites in different ranges

2.4 建筑施工裸地排放量估算与分级管理 2.4.1 建筑施工裸地排放量估算

使用遥感手段获取建筑施工裸地面积, 根据技术指南[24]排放清单测算方法估算了北京平原区建筑施工裸地的多年排放量(表 4), 结果表明：2013~2017年建筑施工裸地的排放量变化趋势与面积保持一致, 呈现先减后增趋势. 2017年, 建筑施工裸地PM10排放量较大的区为大兴、通州及朝阳区, PM10排放量分别达到4.8、2.7及2.1×104 t.核心城区(东、西城)及远郊区(怀柔、平谷、密云、延庆区)建筑施工裸地PM10排放量始终保持在较低的水平, 建筑施工裸地扬尘污染呈绕中心城区中空的环形带状分布.

表 4 2013~2017年建筑施工裸地颗粒物排放量×104/t Table 4 Particle emissions of building sites from 2013 to 2017×104/t

污染排放量的测算一方面服务于大气污染排放清单的编制, 另一方面应用于污染源的监督管理.网格化的建筑施工裸地遥感数据是实现污染排放水平精准评估的有效手段, 能够与社会、经济发展网格进行并行综合分析, 促进污染治理效率的提升(图 7).

图 7 2013、2015、2017年北京建筑施工裸地PM10排放量网格化结果 Fig. 7 PM10 emissions based on the grid of building sites in 2013, 2015, and 2017

将建筑施工裸地的PM10排放量划分为1 km2的网格, 并对网格化的PM10排放量进行统计分析(排除无排放网格), 结果显示：2013~2015年建筑施工裸地网格污染排放向高分散、低强度方向发展, 至2017年呈局部聚集、强度差增大的变化趋势(表 5). 2013~2017年, 存在建筑施工裸地PM10排放的网格逐年增加, 建筑施工裸地的影响范围在扩大.单元网格污染排放的最大值变化显著, 累计增长51.6%, 而平均水平变化不大, 网格间PM10排放量差异增大, 低污染排放网格始终占据主体地位, 高污染排放网格局部集中, 排放强度增大.

表 5 2013~2017年单元网格PM10排放量统计结果/t·a-1 Table 5 Statistics of PM10 emissions based on the grid from 2013 to 2017/t·a-1

2.4.2 建筑施工裸地污染排放分级管理

对网格化后的建筑施工裸地PM10排放量进行标准化处理[公式(3)], 使PM10排放量落在[0, 1]之间, 并采用等分法将结果分为5级(图 8), 提出相应的管理措施, 有顺序、有针对性地开展环境治理工作.

图 8 2017年建筑施工裸地PM10污染排放分级 Fig. 8 Hierarchical management of PM10 emissions from building sites in 2017

低污染排放区：建筑施工裸地网格污染排放在0.0~0.2之间, 建筑施工裸地分布较少, 污染排放强度低, 排在污染治理顺序的后端.治理措施以动态监测为主, 通过监测手段时刻关注污染强度的变化, 评估排放等级.

较低污染排放区：建筑施工裸地网格污染排放在0.2~0.4之间, 污染排放强度较低, 排在污染治理顺序的较后端.治理措施在动态监测的基础上, 加强扬尘排放措施管控, 要求其实行工地围挡、道路硬化、防尘网覆盖、车辆冲洗等措施.

中等污染排放区：建筑施工裸地网格污染排放在0.4~0.6之间, 建筑工程在网格中较为集中, 有一定污染排放强度, 属于潜在风险源.治理措施加入抽样巡查, 针对高污染强度阶段(土石方阶段)开展环保监察, 通过执法队伍的不定期巡查保障工程实施中的防尘措施切实落地.

较高污染排放区：建筑施工裸地网格污染排放在0.6~0.8之间, 建筑施工裸地集中度高, 污染排放强度较大, 排在污染治理顺序的次位, 是重点关注对象.制定专项扬尘污染防治方案, 采取专人管理、定期巡查的方式, 全过程监督工程实施中扬尘措施的落实情况.

高污染排放区：建筑施工裸地网格污染排放在0.8~1.0之间, 建筑施工裸地高度集中在网格中, 是全市建筑施工裸地排放强度最大的区域, 为首要治理对象.执行最大力度的扬尘管控措施, 采用布设摄像头的方式, 实现全方位、全时次的实时动态监控.

采用污染排放分级管理的方法对2017年建筑施工裸地数据进行分析, 分级结果呈现不同级别网格数量梯队递增的趋势, 达到了提取重点污染区域的目的, 对于有序有针对开展污染治理具有重要意义. 2017年北京平原区建筑施工裸地污染排放高污染排放网格总计10个(表 6), 分别分布在通州中部、大兴南部以及延庆西部.较高风险区紧邻高风险区分布, 呈现区域分散局部集中的分布特征.

表 6 2017年建筑施工裸地网格污染排放分级结果 Table 6 Classification results of PM10 emissions based on the grid from building sites in 2017

3 结论

(1) 2013~2017年, 北京建筑施工裸地面积整体呈现先减后增的变化趋势, 5年累计增长27.6%. 2015年后北京建筑施工裸地面积快速增长, 其发展方向逐步向东南方向偏移, 呈现出显著的不均衡分布特征.

(2) 北京建筑施工裸地面积与大气PM10浓度呈正相关, 23个地面自动监测站点的相关系数均在0.80以上.不同站点在不同范围的相关程度有差异性, 相关性最高的范围处于20 km的监测子站占比最大.

(3) 2017年北京平原区建筑施工裸地的TSP排放量为39.5×104 t, PM10排放量为19.4×104 t, PM2.5排放量为4.0×104 t.近年来单元网格的建筑施工裸地污染排放强度向两级化发展, 建筑施工裸地的局部集中导致高污染网格的排放强度进一步增大.

(4) 通过建筑施工裸地的分级管理方法, 提取2017年高污染排放网格10个, 主要分布在通州、大兴及延庆的重点工程建设区域.

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