西安市人居环境空间特征分析
——以气候和环保等要素为例

郭瑾萧，李旭祥

(西安交通大学 人居环境与建筑工程学院,陕西 西安 710049)

西安是陕西省省会，也是关中平原城市群的核心城市，由碑林区、雁塔区等11个市辖区以及蓝田和周至2个县构成.作为新一线城市和丝绸之路的新起点，西安市近几年来不断拓展城市规模，人口数量急速增长，生产总值GDP逐步增高，城市化建设取得了显著成效.城市规模的急剧扩大和城市人口的飞速增长，将扩大城市气象灾害的波及人口和影响范围，同时也会增加水环境、大气环境污染的治理难度，从而影响西安市环保产业的发展.针对这些问题，本文在气候及地形地貌特征的基础上，利用GIS对西安市的空气质量、水环境和环保产业现状等人居环境空间特征进行了分析和研究，为西安市城市建设和发展提出了建议.

1 西安市基本气候特征与地形地貌特征

1.1 基本气候特征

西安市位于渭河流域中部关中盆地，其平原地区为暖温带半湿润大陆性季风气候.西安市具有明显的四季特征，春季多雨，温暖湿润；夏季气候多变，常出现40℃及以上的极端温度，且时有暴雨； 秋季凉爽，往往在短时间内发生大幅度降温，常出现连阴雨天气；冬季寒冷干燥，少雨少雪，极易出现冬春连旱.

西安市具有城区温度高于周边区县的典型城市热岛效应的特点，这主要是人为因素导致的.城市人口增加、人为热排放量增多以及城市下垫面硬化等因素是导致热岛效应增强的主要原因[1].由于城市规模的急剧扩大，人为热排放量增加，同时楼房林立，建筑群密集.相比于土壤和植被，这些建筑物吸热率高且比热容低，导致在同一时间段内，城市地区升温较快，吸收的热量向周边大量辐射后，出现城区的温度普遍高于周围郊区的现象.对于城镇化规模不断扩大的西安市而言，热岛效应是城市发展进程中无法避免的问题.据统计，近年来西安地区夏季平均气温和高温天数均呈现逐年上升的趋势，且由城市热岛效应引起的雷暴天气和大风天气不断增多，对城市重要设施、城市古建筑以及网络通信设备等造成不可逆的毁坏，有可能造成火灾和大规模停电等严重后果.另外，西安市位于西太平洋副热带高压西北侧，受西太平洋副热带高压以及南亚高压带的影响[2]，春秋季雨多，夏季暴雨频繁，对流层上部受南亚高压的控制，这两个高压都会影响西安市的降水和气温.当夏季到来时，在两个高压的共同作用下，加剧了高温和暴雨的发生.

1.2 地形地貌特征

西安市地处关中盆地，北依黄土高原，南有秦岭山脉，东临骊山.西安市的地貌主要包括平原、丘陵、山地和黄土台塬这四种.秦岭横贯西安南部，东南高，西北低，呈箕状，其山脊海拔高达2000米～2800米，是我国地理上著名的南北分界线.渭河流经西安市最北端，河床轴线地势最低，与秦岭南北遥相呼应.渭河平原和秦岭山地构成了西安市最主要的地貌，其余地貌也受这二者影响，呈东西向延伸，南北向交替的条带状分布.

2 西安市空气质量现状及分析

2.1 西安市空气质量现状

西安市处于秦岭和骊山构成的窝风区域内，又因黄土高原和秦岭包围形成东西走向的喇叭形开口，气流因高山的阻挡而流动缓慢，污染物很难在除西北风外的其他风向下水平扩散[3].冬季由于逆温现象严重，污染物垂直向和水平向均很难流通，因而很容易聚集在浅层大气中.研究表明，西安市空气污染主要受火力发电和集中供热等企业工业因素的影响.由于特殊的地理条件和能源结构，西安市的空气质量较差.根据环境保护部(现生态环境部)联合国家质量监督检验检疫总局发布的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)[4]，在常规的6项环境空气污染物基本浓度限值中，西安市PM10、PM2.5和NO2这三项指标一直处于不达标的状态，表1为该标准规定的环境空气汽染的基本浓度限值.近两年来O3的浓度刚达到国家标准限制以下，可见西安市的空气质量亟待提升.

表1 环境空气污染物基本浓度限值

2.2 西安市大气污染物浓度变化趋势

图1给出的是 2015年—2021年西安市大气污染物年均浓度变化趋势图.由图1可知，从整体上来看，西安市的PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O3年均浓度值在2015年—2021年有相对大的变化.其中，PM10、PM2.5、NO2以及O3在2016年—2018年间达到浓度峰值，随后总体呈现下降的趋势.而SO2和CO的浓度呈现逐年下降的趋势，且在2018年后出现了大幅下降.

图1 2015年-2021年西安市大气污染物年均浓度变化趋势[5-11]

2.3 西安市工业二氧化硫排放量分布特征

工业SO2是一种重要的大气污染物，几乎产生于所有的工业企业中，其主要来源于化石燃料的燃烧过程，如火力发电、有色金属冶炼、硫酸制备和炼油等.SO2是目前西安市大气环境中的首要污染物，它在大气污染物中占比较大，影响较广.从西安市生态环境部公开信息中获取到了2020年西安市各区县二氧化硫的排放量数据，如图2所示.

图2 2020年西安市各区县工业二氧化硫排放量

由图2可以看出，西安市鄠邑区和长安区的SO2污染物浓度最高，其次是碑林区、灞桥区、雁塔区和蓝田县.由于鄠邑区、长安区、灞桥区和蓝田县是工业发达区，西安市大部分的能源供给都集中在这些区域，故而SO2污染物的排放量高.碑林区、雁塔区和长安区集中了教育资源和高等院校林立，与此相匹配的工业产业园区也集中在这些区域，因此SO2污染物排放量也较高.

2.4 西安市污染物浓度变化原因分析

根据图1，PM10、PM2.5、NO2以及O3的浓度变化趋势相近，一部分与这些污染物产生的机制有关，例如PM2.5和PM10仅存在粒径范围不同的差别，其产生来源和过程基本相似；也有研究表明SO2、NO2和CO都是生成PM2.5的前体物，它们与PM2.5和PM10具有同源性，因而浓度变化相关[12-14]；O3是典型的二次污染物，它的形成机制复杂，主要由挥发性有机物VOCs(Volatile Organic Compounds,VOCs)和氮氧化物NOx发生光学反应而产生.VOCs和NOx又与汽车尾气和燃料燃烧相关，也会导致NO2和SO2浓度的变化.另一部分这些污染物也受西安市空气污染的来源和地理环境的影响.由于煤和石油等化石燃料在燃烧的过程中，产生了大量NO2等污染物，在西安市特殊的地理环境下，污染物不易扩散而滞留于近地面大气中.此外，空气质量还受到地区的气象因素影响，比如风向风速、降雨量和沙尘天气.研究表明，风向风速会显著影响NO2浓度；降雨量与污染物浓度呈负相关，但对SO2和NO2的去除效果明显；扬尘会导致PM10浓度剧增，但对其他污染物影响不明显[15].最后，还有可能与人为的干预有关，就SO2和CO而言，它们的浓度逐年下降，且在2018年后下降明显，这可能与西安市自2018年来“铁腕治霾·保卫蓝天”[16]，加强空气污染治理采取的措施有关.

3 西安市水环境现状及分析

3.1 西安市水资源现状

水环境是指以水为主体以及影响水体质量的相关介质.西安市位于关中平原中部，北跨渭河，素有“八水绕长安”的美誉.全市境内有渭河、泾河、石川河、黑河、涝河、沣河、灞河和浐河等50多条河流，其中除了渭河、泾河和石川河这3条过境河流外，其余的河流均发源于秦岭北麓以及骊山丘陵区，同属黄河流域的渭河水系，这些河流是西安市地表水的主要来源.

根据西安市水务局发布的《2020西安市水资源公报》，2020年西安市全市的水资源总量为26.78亿立方米，其中地表水资源量为22.76亿立方米，地下水资源量为11.6亿立方米，重复计算量7.58亿立方米[17].2020年，西安市地表水资源量高于多年平均值，这与2017年西安市开始大力推行“河长制”专项整治河道环境相关.而本年度的地下水资源量低于多年平均值，这与近年来过度开采地下水的行为有关.表2给出了2020年西安市水资源量与多年平均水资源量的比较.

表2 2020年西安市水资源量与多年平均水资源量比较

3.2 西安市污水排放与处理情况

水资源主要包括地表水和地下水.根据西安市生态环境局统计数据，2020年西安市城市生活污水排放量为53583万吨，工业废水排放量为2998.24万吨.绝大部分污水经污水处理设施处理后就近排入河道，但仍有部分污水未经处理或者处理不达标而直接排放，这不仅造成了地表水的污染，也直接或间接地影响到了地下水(潜水和承压水)的质量，对整座城市的供水质量、对人民的身体健康造成潜在影响.

水环境的污染情况不仅关系到城市的形象，也制约城市的经济发展并影响人民的身体健康，因而污水处理的重要性不言而喻.根据《2020西安市水资源公报》统计数据，2020年西安市新建三污三期、九污四期、十四污一期以及鄠邑区二污二期等4座污水处理厂，并对23座污水处理厂进行了提标改造，新增污水处理能力每天22万立方米[17].由于西安市各行政区域的定位以及功能不同，因而污水处理厂数量分布差异较大.如西安市长安区承担着国家航天产业基地的发展重任，区域主要发展研发设计和通讯制造业，同时也是高校的聚集地.近两年来，区内一部分土地划归沣东新城，一部分纳入高新三期，一部分并入航天城，而一部分又划归曲江二期.由于该区域承担的功能较多，人口密集，因而污水处理厂数量较多.表3为2020年西安市污水处理情况，图3给出了2020年西安市各区县污水处理厂个数的分布情况.

表3 2020年西安市城市污水处理情况[13]

图3 2020年西安市各区县污水处理厂个数

3.3 西安市化学需氧量排放分布特征

化学需氧量也称为COD，COD含量是指用化学方法(例如高锰酸钾或重铬酸钾为氧化剂)来测量水样中还原性物质的量.由于工厂会大量排放有机污染物，而一般有机物能被强氧化剂氧化.因而在研究河流污染、工业废水污染及污水处理厂运行状况时，常用COD值来表达水体受有机物污染的程度.同时，它也是表示有机物相对含量的综合指标之一，对水污染控制工程而言具有重要的意义.图4是2020年西安市各区县工业化学需氧量的排放量分布情况.

图4 2020年西安市各区县工业化学需氧量(COD)排放量

由图4可知，西安市鄠邑区的工业COD排放量最高，莲湖区、灞桥区、阎良区次之，接下来是高陵区和长安区，他们的COD排放量略高于临潼区，新城区、周至县和蓝田县排放量最低.工业需氧量排放量的高低与需要排污的工厂数量直接相关，鄠邑区有大量的工业园区，这与他们工业需氧量排放量位居西安最高的情况相吻合.

4 西安市环保产业现状分析

4.1 西安市环保投资分布现状

针对西安市空气污染和水污染的现状，2018年以来，西安市施行了“铁腕治霾·保卫蓝天”[16]、出台西安市碧水保卫战[18]等多项举措，这些措施持续性改善了空气和水环境质量.

环境污染的治理离不开环保投资，同时环保投资在一定程度上能够促进工业污染的减排[19]，因而环保投资额从侧面反映了工业污染治理的情况.环保投资主要包括城市的环境基础设施建设投资、工业污染源治理投资和“三同时”项目投资三个部分[19].从图5可以看出西安市各区县2020年完成环保验收项目的环保投资额，其中空白区域表示缺失该年份的相关数据.数据显示，西安市新城区、未央区、临潼区和蓝田县的环保投资额最高，处于3001万元～5249万元的范围；莲湖区、高陵区和周至县环保投资额相对较高.通过图4和图5的对比可知，当年完成环保验收项目的环保投资额较高的区县与较低的区县相比，工业SO2排放量和工业化学需氧量的排放量相对更低一些，工业污染治理起到了一定的效果.加大环保投资的额度对西安市工业污染的治理具有积极的促进作用，对于工业污染较严重的区域，如长安区，应加大环保投资规模，同时对于已经具备较大规模环保投资的区县，如未央区，应优化环保投资结构以获得更好的工业污染治理效果.

图5 2020年西安市各区县完成环保验收项目环保投资额

4.2 西安市环保项目现状

西安市工业污染治理项目的建设情况，如表4所示.在2016年-2020年间，工业废气治理项目的本年施工总数、竣工总数和完成投资三项指标远高于同年工业废水和工业固体废物的相应指标，西安市在工业废气治理上的环保投资占工业污染治理的很大一部分.2019年西安市扩大了环保投资规模，该年份的多项指标高于其他年份，其中“三同时”竣工验收项目实际环保投资额达到了11亿元.而2020年的各项指标与往年相比有很大的下降，原因可能是受到了疫情的影响.

表4 2016年-2020年工业污染治理项目建设情况[6-11]

指标20202019201820172016老工业污染源治理项目本年完成投资(万元)19792842866382596218040.58 废水治理项目(万元)839602057395.78 废气治理项目(万元)579424912432121917511.05 固体废物治理项目(万元)12065老工业污染源治理项目本年投资来源(万元)1979284282596218040.58 排污费补助(万元)5 政府其他补助(万元)49211268831.06 企业自筹(万元)19792350766282469417209.52 银行贷款(万元)367569.00“三同时”项目竣工验收数(个)8477612“三同时”项目竣工验收项目实际环保投资(万元)11207693337168201.05“三同时”项目废水治理新增处理能力(万吨/日)0.040.080.418“三同时”项目废气治理新增处理能力(万立方米/时)85210.017482.38

在后疫情时代的环保治理中，工企业应贯彻落实相应环保政策，深度优化生产结构.政府也应加大环保投资规模，在巩固现有成果的基础上，进一步扩大环保治理的成果，携手打赢“蓝天碧水净土保卫战”.

5 结论

陕西省西安市作为中国西北地区最大的城市，随着国家中心城市地位的确立，城市化进程进一步加快，许多人居环境问题逐渐显露.本文基于地理信息系统(GIS)，以气候、空气、水环境和环保产业等要素为例，对西安市的人居环境空间特征进行了分析和研究，为今后西安市高质量发展的模式和方向提供了参考.