不同類型建筑用地上空污染物濃度變化特征研究

摘要：為研究不同類型建筑用地上空污染物濃度變化特征，選擇某典型高原大陸性氣候的城市開展研究，利用決策樹分類法獲取該市的土地利用信息。應(yīng)用靜態(tài)與動態(tài)采樣方法，調(diào)查1年間各類建筑用地上空二氧化碳濃度。結(jié)果顯示，距市中心越遠(yuǎn)，CO2濃度越低；綠地用地CO2排放量最低，商業(yè)、住宅、工業(yè)用地最高。溫度與污染物濃度呈正相關(guān)。結(jié)論指出：土地利用類型造成溫度差異，進(jìn)而影響污染物濃度變化。高溫環(huán)境對污染物濃度變化有著顯著影響。研究為城市規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)提供了重要的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：二氧化碳濃度；動態(tài)移動采樣方法；濃度變化特征；生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：X831 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

自然生態(tài)環(huán)境中的土壤具有吸附和分解用地上空的污染物的能力。土壤中的微生物和土壤顆?？梢晕胶娃D(zhuǎn)化許多空氣污染物，同時，土壤中的植物根系可以促進(jìn)污染物在土壤中的降解和遷移。而城市化會導(dǎo)致土地大規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫睾统鞘谢A(chǔ)設(shè)施。在此過程中，土壤受到人類活動和建筑物覆蓋的影響。城市化通常會改變土壤的水分循環(huán)、質(zhì)地、含水量和氣候特征，進(jìn)而影響土壤的生物多樣性和生態(tài)功能。

溫室氣體主要包括甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、水汽（H2O）等，其中水汽受到的主要影響來自于自然環(huán)境而非人類活動，而在不同類型建筑用地上空，人類排放的溫室氣體大幅增加，早已超過生態(tài)系統(tǒng)的吸收量，基于該背景對污染物濃度變化特征進(jìn)行分析。

對于該問題的研究，學(xué)者們主要對二氧化碳濃度的時空變化情況與精確量化問題進(jìn)行了分析，并對氣候變化帶來的環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測，對碳匯、碳源的貢獻(xiàn)情況進(jìn)行定量分析，對CO2的源和匯進(jìn)行定量分析等。早期探測方式主要局限于基于地基的傳統(tǒng)探測方法，現(xiàn)如今探測方法已經(jīng)十分多樣化。現(xiàn)基于以往取得的研究成果，對不同類型建筑用地上空污染物濃度變化特征進(jìn)行深入地分析，從而探究對氣候變化帶來的環(huán)境影響。

1研究數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)域概況與土地利用信息獲取

在某城市開展本次研究，其為典型高原大陸性氣候，該市夏季平均氣溫17℃-19℃，最高海拔4 394米，市區(qū)中心海拔2 275米，總面積約為7.5千平方公里，常住人口為約320萬人，綠化率為40％。

污染物濃度受多種因素影響，利用決策樹分類法獲取該市的土地利用信息。所獲取的土地利用信息有著重視生態(tài)系統(tǒng)基本相互關(guān)系的優(yōu)勢，能夠避免傳統(tǒng)土地分類方法過于重視土地分類本身的缺陷。由于該市裸土面積較小，將研究重點(diǎn)聚焦于水體、植被以及不透水層。

具體來說，以L andsat80LI遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，并基于高分辨率Googe Ezuth影像對其實(shí)施精校正，最終以多種歸一化指數(shù)為決策樹依據(jù)提取土地利用信息。

其中不透水層主要利用歸一化插值不透水層指數(shù)來提取，水體主要利用改進(jìn)的歸一化插值水體指數(shù)來提取，植被主要利用歸一化插值植被指數(shù)來提取。完成提取后，計算分類精度，發(fā)現(xiàn)總體分類精度較高。

1.2污染物濃度監(jiān)測

污染物濃度具有時空特性，有明顯的時段性和區(qū)域性。結(jié)合動態(tài)移動采樣方法與靜態(tài)定點(diǎn)采樣方法研究該市不同類型建筑用地上空污染物濃度變化特征。因此，通過兩種方法監(jiān)測污染物濃度數(shù)據(jù)，首先應(yīng)用靜態(tài)采樣方法實(shí)施1年的不同建筑用地上空的定點(diǎn)采樣調(diào)查，同時使用動態(tài)移動采樣方法調(diào)查該市不同建筑用地上空的二氧化碳濃度的空間異質(zhì)性。

在靜態(tài)定點(diǎn)采樣中，應(yīng)用密度分層抽樣方法來確定采樣點(diǎn)，并結(jié)合該市不同土地利用以及城市化程度，在全境范圍內(nèi)布設(shè)樣點(diǎn)對不同建筑用地上空的二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測。具體步驟如下：

（1）使用規(guī)則的5 km x5 km的網(wǎng)格對該市實(shí)施劃分；

（2）依據(jù)該市的城市化水平劃分情況，應(yīng)用多密度分層抽樣方法對該市實(shí)施選樣，具體選樣密度如下：

郊外：近郊外=1：2；

中心城區(qū)：近中心城區(qū)：外部城區(qū)=3：2：1；

近郊外：市區(qū)=1：4。

這種布點(diǎn)方式，充分考慮了城鄉(xiāng)差異，共采集了173個樣點(diǎn)，樣點(diǎn)分布情況見表1。

在研究污染物濃度變化特性時，需要特別注意保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，包括數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性和覆蓋范圍，因此在動態(tài)移動采樣方法的應(yīng)用中，共構(gòu)建四條樣帶，總長度達(dá)到285 km，樣帶由該市中心向該市邊緣輻射性展開，覆蓋不同類型建筑用地與城市化水平區(qū)域。

通過導(dǎo)人約十五分鐘的高純干燥氮?dú)?，?shí)現(xiàn)二氧化碳的零點(diǎn)，其中氮?dú)獾募兌刃枰_(dá)到99.9％以上。

通過導(dǎo)入二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體并使用露點(diǎn)發(fā)生儀，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的跨度點(diǎn)，其中二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體的導(dǎo)人量為490 ppm。在動態(tài)移動采樣方法的應(yīng)用中，采樣時段為10：00 -12：00 am。試驗中的檢測時間跨度為2022年7月25日-8月15日。

1.3數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與研究方法

為控制采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，按照下列步驟對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

（1）存儲原始數(shù)據(jù)并備份。

（2）檢查參數(shù)數(shù)據(jù)的時間序列完整性。對原始數(shù)據(jù)實(shí)施時序上的去重、查缺與補(bǔ)漏。

（3）修訂原始數(shù)據(jù)。對時間序列檢查后的參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)施檢查和異常判斷，包括濃度、流量、溫度、輸出壓力等。

（4）定量計算空氣樣品濃度。首先對臺站工作氣的有效性進(jìn)行判斷，包括目標(biāo)氣、低濃度工作標(biāo)氣以及高濃度工作標(biāo)氣。將標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度與目標(biāo)氣標(biāo)稱濃度比較，判斷儀器是否正常工作。應(yīng)用外標(biāo)法定量，通過對低濃度工作標(biāo)氣與高濃度工作標(biāo)氣實(shí)施線性擬合對用地上空的樣品濃度進(jìn)行計算。

（5）由觀測員實(shí)施級質(zhì)量控制標(biāo)記。由于外界因素的干擾，觀測數(shù)據(jù)可能受到影響。為判斷數(shù)據(jù)有效性，需要對觀測時間段發(fā)生的事件進(jìn)行調(diào)研與追溯。將影響因素歸納為四類：自然因素、人為活動因素、儀器故障與其他。通過觀測員對以上四類要素為依據(jù)標(biāo)記觀測數(shù)據(jù)。

（6）通過專家依據(jù)標(biāo)記結(jié)果判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量。

通過上述流程，獲得觀測期間該市的二氧化碳小時濃度數(shù)據(jù)。將空間插值以及時空變化特征作為主要分析方法，對不同類型建筑用地下的C02在時間和空間上的濃度變化特征進(jìn)行分析。其中通過空間插值能夠?qū)崿F(xiàn)空氣二氧化碳濃度的可視化，通過時空變化特征能夠?qū)崿F(xiàn)濃度變化特征分析。

2二氧化碳濃度變化特征分析結(jié)果

2.1二氧化碳濃度變化空間特征分析

不同地區(qū)的電器使用情況不同，會對CO2濃度變化造成很大影響。因此對城鄉(xiāng)CO2濃度變化空間特征進(jìn)行分析。針對靜態(tài)定點(diǎn)采樣方法與動態(tài)移動采樣方法構(gòu)建線性方程對距離市中心距離和用地上空CO2濃度之間的關(guān)系進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖1。

根據(jù)圖1模擬可知，不論是靜態(tài)定點(diǎn)采樣方法，還是動態(tài)移動采樣方法，二者均呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于市區(qū)空調(diào)、冰箱等電器的持續(xù)使用比較集中、數(shù)量較多，而郊外空調(diào)、冰箱等電器的持續(xù)使用則比較分散同時數(shù)量較少，造成此類差異。

分析不同類型建筑用地上空CO2濃度數(shù)據(jù)，具體見表2。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，在各種土地利用類型中，綠地用地的采樣最大與采樣最小值均最低，說明綠地用地處的二氧化碳排放量明顯更低，而交通用地的二氧化碳排放量較高，商業(yè)用地、住宅用地、工業(yè)用地在不同類型建筑用地下的二氧化碳排放量最高。

2.2二氧化碳濃度變化時間特征分析

不同類型建筑用地對環(huán)境產(chǎn)生的影響可能是正面的、負(fù)面的或復(fù)雜的。土地利用變化可能導(dǎo)致生態(tài)污染、土壤貧瘠化等問題。因此，應(yīng)重視環(huán)境保護(hù)、科學(xué)規(guī)劃和合理利用，即分析不同類型建筑用地整體試驗期間CO2濃度的變化特征，以小見大，提高環(huán)境可持續(xù)利用的能力。在不同類型建筑用地下的，CO2濃度在整體試驗期間的變化較大，因此對其變化特征進(jìn)行探究。在靜態(tài)定點(diǎn)采樣方法下獲得整體試驗期間CO2濃度變化數(shù)據(jù)，具體見表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，7月末的氣溫普遍低于8月份。這種溫度差異導(dǎo)致7月末的二氧化碳濃度略低于8月份。這一趨勢表明，溫度與二氧化碳濃度之間存在正相關(guān)關(guān)系。隨著溫度的升高，整體二氧化碳濃度也呈現(xiàn)出上升的趨勢。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了溫度對二氧化碳濃度變化的影響。

3結(jié)束語

實(shí)施污染物濃度的時空變化監(jiān)測不僅是掌握和了解碳循環(huán)規(guī)律的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而且是應(yīng)對全球氣候變化的必要手段。研究通過深入分析不同類型建筑用地上空二氧化碳濃度的變化特征，揭示了區(qū)域CO2濃度的變化規(guī)律，距市中心越遠(yuǎn)，CO2濃度越低；綠地用地Co2排放量最低，商業(yè)、住宅、工業(yè)用地最高。溫度與污染物濃度呈正相關(guān)。同時，還深如探究了引發(fā)其變化的驅(qū)動因子，為理解碳循環(huán)的復(fù)雜性提供了新視角。這些發(fā)現(xiàn)不僅為城市規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)提供了重要的參考，也為全球碳循環(huán)和氣候變化研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。因此，加強(qiáng)建筑用地上空污染物濃度的監(jiān)測與分析，對于深刻理解碳循環(huán)和氣候變化，以及制定科學(xué)有效的應(yīng)對策略，都具有非常重要的意義。