竇 妍 汪 彤 舒木水 紀(jì)曉慧 黃 薇 淡 默

1.北京市勞動保護科學(xué)研究所 2.北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院

近些年來，北京市及其周邊地區(qū)霧霾頻發(fā)，大氣細(xì)顆粒物污染問題及其對于人體健康的危害受到了廣泛的關(guān)注。大量的流行病學(xué)研究表明，大氣細(xì)顆粒物污染與呼吸系統(tǒng)和心血管疾病，甚至惡性腫瘤的發(fā)病率、死亡率都具有密切的聯(lián)系[1]，因此，研究細(xì)顆粒物的暴露問題對提高居民生活水平，改善居民的健康狀況具有很大幫助。

空氣質(zhì)量模型是支持環(huán)境管理與決策的重要工具[2]，在暴露風(fēng)險研究方面也有成熟應(yīng)用，闞海東等[3]曾總結(jié)過應(yīng)用大氣模型的暴露評價方法。城市中的大氣污染物濃度分布和人口分布都是不均勻的，單純使用監(jiān)測站點數(shù)值替代整片區(qū)域的污染物濃度，使用整個城市人口的平均密度代替人口的實際密度來進行人群暴露水平研究往往會產(chǎn)生誤差，利用空氣質(zhì)量模型可以得到較小尺度內(nèi)污染物濃度差異[4-5]，孫兆斌等[6]曾使用CMAQ模擬蘭州市的PM10濃度和暴露水平。CHIMERE模型屬于第3代空氣質(zhì)量模型，既能體現(xiàn)小尺度氣象過程對污染物的輸送、擴散、轉(zhuǎn)化和遷移的影響，也能兼顧區(qū)域之間大氣污染物的相互影響及污染物在大氣中的各種化學(xué)過程[7]，在歐洲被廣泛認(rèn)可。

POI（Point of interest）指城市設(shè)施興趣點，如住宅、餐廳、學(xué)校等，它主要包括：名稱、類別、經(jīng)緯度、地址名稱等四部分信息，在許多生活領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[8]。利用POI分配法優(yōu)化人口密度分布可以提高區(qū)域暴露風(fēng)險評估的準(zhǔn)確程度。

北京市六個中心城區(qū)的發(fā)展特點和地理區(qū)位情況都各具特色，這導(dǎo)致各區(qū)的大氣污染物濃度、人口密度和人口分布情況不盡相同，各個季節(jié)的空氣污染水平也有較大差異，現(xiàn)有對北京顆粒物暴露風(fēng)險的研究主要基于監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)和平均人口密度進行，均未使用過模型評估法比較過各區(qū)區(qū)域人口暴露情況差異。本研究利用CHIMERE模型模擬北京市各區(qū)冬夏兩季的PM2.5濃度1×1km網(wǎng)格分布、用POI分配優(yōu)化人口密度分布，研究區(qū)域人口暴露特點進一步提高暴露風(fēng)險評估準(zhǔn)確性和精度，為有針對性的降低人群暴露風(fēng)險提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 北京市空氣質(zhì)量數(shù)值模擬

（1）模型配置。本研究的空氣質(zhì)量數(shù)值模擬部分使用WRF3.6.1耦合CHIMERE2014作為軟件基礎(chǔ)。所使用的氣象資料是美國國家環(huán)境預(yù)報中心發(fā)布的GFS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間間隔為3h，分辨率為0.5°×0.5°。地形數(shù)據(jù)和地表數(shù)據(jù)所使用的是美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的全球數(shù)據(jù)。排放清單數(shù)據(jù)使用清華大學(xué)MEIC清單，清單基準(zhǔn)年份2012年。

（2）模擬范圍及時間。模擬使用三層嵌套網(wǎng)格。最外層網(wǎng)格分辨率為9×9km，覆蓋京津冀地區(qū)；中層網(wǎng)格分辨率為3×3km，覆蓋北京市，最內(nèi)層網(wǎng)格分辨率為1×1km，覆蓋北京市朝陽、海淀、豐臺、石景山、東城、西城六個城區(qū)；模擬區(qū)域垂直分層為8層；模擬時間為2017年1月和2017年8月，分別代表冬季和夏季的污染情況。經(jīng)過模擬，分別得到2017年1月和8月里北京市城六區(qū)各個網(wǎng)格內(nèi)每小時的PM2.5濃度，再分別求得各個網(wǎng)格內(nèi)PM2.5濃度1月和8月的月平均值，用于進行后續(xù)分析。

1.2 基于POI點的北京市人口分布

本研究所使用的人口數(shù)據(jù)來自于2015年北京市各區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用商務(wù)住宅類的POI點位對人口數(shù)據(jù)進行再分配[9]，使其與空氣質(zhì)量模擬網(wǎng)格一致，得到城六區(qū)每公里網(wǎng)格內(nèi)的人口分布情況。這樣獲得的人口分布最接近實際情況。

1.3 基于GIS技術(shù)的人口相對暴露風(fēng)險評估

利用GIS技術(shù)的空間信息分析功能，按照北京市城六區(qū)各區(qū)的行政范圍劃分，擬合每個公里網(wǎng)格內(nèi)的人口信息和PM2.5濃度信息，計算各區(qū)的區(qū)域人口PM2.5相對暴露風(fēng)險。人口相對暴露風(fēng)險的計算公式如下[10-11]：

式中：

i—網(wǎng)格編號；

Ri—網(wǎng)格i的人口相對暴露風(fēng)險；

Pi—網(wǎng)格i的人口數(shù)量；

Ci—網(wǎng)格i的PM2.5濃度，ug/m3；

n—模擬區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格總數(shù)。

1.4 基于暴露—反應(yīng)關(guān)系系數(shù)的冬夏暴露風(fēng)險對比

2017年8 月北京市城六區(qū)PM2.5平均濃度約為34ug/m3，1月北京市城六區(qū)PM2.5平均濃度約為89ug/m3，差異較為明顯。使用暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)[12-15]計算各區(qū)冬季與夏季的健康風(fēng)險變化值，用來表征兩個時段暴露風(fēng)險差異，計算公式如下：

式中：

ΔI—健康風(fēng)險變化值，即冬季PM2.5濃度下各區(qū)死亡人口增加數(shù)；

I0—研究區(qū)域內(nèi)的人口總數(shù)；

E0—研究區(qū)域內(nèi)基準(zhǔn)死亡率；

C2—冬季PM2.5濃度；

C1—夏季PM2.5濃度；

β—暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 PM2.5濃度模擬結(jié)果

圖1為城六區(qū)1km網(wǎng)格PM2.5濃度分布（ug/m3），表1為城六區(qū)各區(qū)2017年1月與8月PM2.5平均濃度。從圖表中看出，6個區(qū)中PM2.5污染情況最為嚴(yán)重的是東城區(qū)，PM2.5平均濃度最低的是石景山區(qū)。

圖1 北京市城六區(qū)PM2.5濃度模擬結(jié)果

表1 2017年北京市城六區(qū)PM2.5濃度模擬結(jié)果（ug/m3）

表2 2017年北京市城六區(qū)各區(qū)PM2.5相對人口暴露風(fēng)險

2.2 各區(qū)相對人口暴露風(fēng)險評估結(jié)果

圖2為城六區(qū)每公里網(wǎng)格的相對暴露風(fēng)險值分布，表2為城六區(qū)各區(qū)冬季與夏季相對暴露風(fēng)險的平均值。PM2.5相對暴露風(fēng)險從高到低排序為東城區(qū)＞西城區(qū)＞朝陽區(qū)＞海淀區(qū)＞豐臺區(qū)＞石景山區(qū)，冬季與夏季相對暴露風(fēng)險排序情況一致。

圖2 北京市城六區(qū)PM2.5相對暴露風(fēng)險分布

2.3 冬夏健康風(fēng)險變化值結(jié)果

表3是北京市城六區(qū)各區(qū)冬季相對于夏季的死亡人數(shù)增長率，總體增長率均在2%左右，其中東城區(qū)最高，海淀區(qū)最低。死亡人口增長量朝陽區(qū)最高，石景山區(qū)最低。

表3 北京市城六區(qū)各區(qū)冬季健康風(fēng)險變化值

3 討論

模擬結(jié)果顯示，北京市城六區(qū)PM2.5污染情況呈現(xiàn)出東部高于西部，南部高于北部，冬季遠高于夏季的分布趨勢，這與趙晨曦[16]等人使用克里格插值法對于北京市歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行的分析結(jié)果一致。

北京市城六區(qū)大氣細(xì)顆粒物污染的空間分布特征與其地形特征和氣候條件有關(guān)，北京市西部與北部為山地丘陵，中部與東部為平原，地勢自西北向東南傾斜，這使得北京地區(qū)山谷風(fēng)明顯，沿山間河谷等地區(qū)容易形成較周圍地區(qū)風(fēng)速明顯偏大的風(fēng)口，使得顆粒物能夠快速疏散，有助于降低PM2.5的平均濃度[17]。

北京市大氣細(xì)顆粒物濃度呈冬季高夏季低的時間分布規(guī)律，一方面是由于冬季采暖燃燒排放的可吸入顆粒物對城市居住區(qū)的顯著貢獻作用，另一方面是河北省工業(yè)生產(chǎn)的污染物遷移所致，氣流攜帶污染物從南部地區(qū)北上遇到山脈阻擋而聚集起來[18]。

在城六區(qū)當(dāng)中，位于城市中心的東城區(qū)和西城區(qū)的污染物濃度明顯高于其它幾個區(qū)，這與這兩個區(qū)高人口密度、高道路密度的區(qū)域特色密不可分，除外界污染物輸入以外，這兩個區(qū)的主要污染源為道路交通源污染、烹飪源污染和冬季居民采暖污染。另外城市熱島效應(yīng)也是造成中心城區(qū)污染物濃度較高的因素之一。

各區(qū)PM2.5濃度排名與區(qū)域相對人口暴露風(fēng)險排名不一致，這是人口數(shù)量和人口分布不同導(dǎo)致的。東城區(qū)的冬季PM2.5濃度與西城區(qū)相近，人口密度低于西城區(qū)，相對人口暴露風(fēng)險卻遠高于西城區(qū)，這表明區(qū)域人口暴露風(fēng)險不僅與人口密度有關(guān)，還與人口分布特點有關(guān)，東城區(qū)人口更多集中在高污染濃度地區(qū)。從對比分析的結(jié)果可以看出，朝陽區(qū)、海淀區(qū)、東城區(qū)有較多人口分布在污染物濃度較高的區(qū)域。東城區(qū)、西城區(qū)和豐臺區(qū)的PM2.5濃度相對較高，冬季人口暴露風(fēng)險也相對更加明顯，對于這三個區(qū)應(yīng)當(dāng)加大對PM2.5排放的控制力度，尤其是對冬季PM2.5排放的控制。海淀區(qū)、東城區(qū)的人口密度并不太高，對于這三個區(qū)應(yīng)當(dāng)優(yōu)化人口分布，并注重人口密集區(qū)域的PM2.5防治工作。