黑龙江省主要城市道路面积变化对空气质量的影响

Impact of Road Area Changes on Air Quality in Major Cities of Heilongjiang Province

摘要: 本文利用2015~2020年的黑龙江省AQI数据，采用arcgis10.2制成空间演化图，再利用spss21分析2015~2018年13个城市的AQI值与道路面积的皮尔逊双变量相关性。结果表明：① 2009~2018年黑龙江省城市环境和道路交通的整体变化趋势相同，黑龙江省环境质量保持稳定，但机动车排放对城市大气环境的影响不断增大。② 汽车保有量逐年增多，汽车增速高于公路增速，道路交通量增加，车速缓慢、停滞，车辆燃烧不足燃料以外，排气量是行驶时的数倍。所以，机动车排放、交通拥堵是黑龙江省空气污染的主要贡献者，并且在发展较快的城市影响更为显著。③ 近几年黑龙江省空气质量的变化情况与道路面积变化的相关性，在可信度99%条件下空气质量与道路面积呈中等程度相关。

Abstract: In this paper, ArcGIS10.2 was used to make the spatial evolution map of the AQI data of Heilongjiang Province, and SPSS21 was used to analyze the Pearson bivariate correlation between the AQI values of cities and the road area Sex. The results show that: 1) The overall change trend of urban environment and road traffic in Heilongjiang Province is the same, and the environmental quality in Heilongjiang Province remains stable, but the impact of vehicle emissions on urban atmospheric environment is increasing. 2) The number of vehicles is increasing year by year, the growth rate of vehicles is higher than that of roads, the traffic volume is increasing, the speed is slow and stagnant, and the vehicles are not burning enough fuel. In addition, the exhaust volume is several times that of driving. Therefore, vehicle emissions and traffic congestion are the main contributors of air pollution in Heilongjiang Province, and the impact is more significant in the fast-growing cities. 3) The correlation between the change of air quality and the change of road area in Heilongjiang Province in recent years is moderate under 99% reliability.

1. 引言

改革开放以来，粗放式的经济发展模式在迅速发展黑龙江省经济的同时，也造成了严重的空气污染。空气污染不仅危害居民健康，而且造成重大社会经济损失，污染治理已成为生态文明建设的一项重要举措。随着城市化快速发展，城市人口急剧增长，物流运输、通勤出行等交通方面需求不断增加。在车辆数量不断增加的同时，城市交通基础设施也随之增加，由此带来的大量汽车尾气排放污染空气，影响到大气质量。城市道路建设增加对空气质量的影响日益突出。在此背景下，弄清城市空气质量受影响的主要因素，就显得尤为重要。最新数据显示，黑龙江省汽车保有量超550万辆，绝大多数集中在城市，汽车尾气超标排放严重 [1]。道路面积增速缓慢交通拥堵严重，使得尾气排放污染物含量成倍增加。因此，本文拟对道路面积变化对空气质量的影响展开研究。以期本文的研究成果可以为相关政府部门在解决和预防区域大气污染问题、环境规划及城市化等方面提供参考价值，这对于推进区域高质量、可持续发展具有重要意义。

2. 研究区域概况

2.1. 自然概况

黑龙江省行政区划图如图1所示，人口3700万，占全国总人口的3.22%。占地面积40多万平方公里，占国家总面积的4.8%，在各省份中排名第六位。从1949年成立了新中国至今，黑龙江经过了许多曲折历史发展进程。黑龙江省幅员辽阔，山川纵横，农业经济为主，土地资源丰富，盛产粮食。如今，黑龙江省已经变为有利占有北部的粮食基地、木材产业基地、煤炭生产基地、石油化学工业基地。

黑龙江省地理位置在中国整个区域的东北部，是我国最北侧和纬度最高的省份。最北端地处漠河，纬度远超过了53˚，它属于中国所有地方中最接近北极(66˚31')的地方，夏至和冬至到来时，在那里就可以欣赏到北极圈中独有的极昼极夜的美丽画面，也由此而得名“中国的北极”。东部的一端位于抚远县的乌苏里江和黑龙江两条河流的汇流处，乌苏镇也被叫做“东方第一镇”，它是我国清晨太阳升起来最早的，被称为中国“东极”，东边隔着黑龙江、乌苏里江遥望俄罗斯国，西边毗邻内蒙古国，南边接壤于吉林省 [2]。全境水陆俄边境线全长3045公里，具有独特的边境贸易和边境旅游优势。

Figure 1. Administrative division map of Heilongjiang Province

图1. 黑龙江省行政区划图

2.2. 社会经济概况

最新数据显示，黑龙江省的年生产总值突破了13698亿元，按可比价格的方式对其进行计算，结果是相对于2019年增长达1.0%；第三产业已经比去年增加了6776.7亿元，但是比例却下降了1.0%；第二产业也比去年增长3483.5亿元，比例增长了2.6%；第一产业相较于去年增加了3438.3亿元，比例增长了2.9%。三个产业结构比为49.5:25.4:25.1。黑龙江省的各种综合产业总产值达到6438.1亿元，按可比价格的方式对其进行计算，相比2019年增长了2.8%。这里面，林业其产值总量为192.4亿元，占据的比例增长达4.7%；畜牧业其产值总量为1913.0亿元，占比增长了5.2%；种植业的产值为4044.1亿元，占比增长了1.4%；渔业的产值为115.6亿元，占比增长了3.9%；各产业及辅助性的各类活动总产值为173.1亿元，增长1.3%，全省规模以上工业企业数量达到3583个，比上年增长9.6% [3]。

3. 数据来源与研究方法

3.1. 研究方法

3.1.1. 参照标准

空气质量指数是一种无量纲的指数用来定量的描述空气质量。对于成分单一的污染物。一些有关于AQI方面的规定在2012年的上半年被出台，从前的空气污染指数(API)将会被重新定义的空气质量指数(AQI)进行替换，AQI也将被分为六类，从一级开始被定义为优秀，良好为二级，轻度污染属于三级，四级被定义为中度污染，重度污染被判定为第五级，而六级则判定为严重污染。当PM_2.5每日浓度平均值达到了150微克/立方米的时候，AQI的数值则达到了200，当PM_2.5每日浓度平均值达到了250微克/立方米时，AQI的数值则达到了300，PM_2.5每日浓度平均值达到了500微克/立方米时，AQI的数值则达到了500，空气质量根据空气质量指数大小分为六级，指数越高，等级越高，污染越严重，对人体的健康危害也就越大 [4]。

AQI分成各个级别进行计算的对照标准是与新颁布的环境空气质量标准(GB3095-2012)进行比较的，进行比较的各种污染物有二氧化硫、PM₁₀、二氧化氮、PM_2.5、一氧化碳、臭氧等，而API分成各个级别进行计算的参考标准是与旧的环境空气质量标准(GB3095-1996)进行比较，参与的污染物只有二氧化硫、二氧化氮和PM₁₀，AQI使用了更加严格的级别限制标准，因此AQI较API监测的污染物指标更多，其评价结果更客观 [5]。

3.1.2. 皮尔逊相关系数算法

皮尔逊的相关系数，度量X和Y变量间的线性关系，用于显示2个定距变量相互之间联系的紧密程度的方法，其数值大于−1且小于1，长用英文字母r进行表示，计算公式为：

$r_{xy}=n{\displaystyle \sum XY}-{\displaystyle \sum X}{\displaystyle \sum Y}/\sqrt{\left[N{{\displaystyle \sum X}}^2-{\left({\displaystyle \sum X}\right)}^2\right]\left[N{{\displaystyle \sum Y}}^2-{\left({\displaystyle \sum Y}\right)}^2\right]}$

其中n表示样本量，X、Y为AQI和道路面积的数值。

若r大于0，为正相关，其中一个变量数值越大，另一个数值也会增大，若r小于0，为负相关，其中一个变量数值越大，另一个数值反而会变小，r的绝对值越大表明相关性越强 [6]。

r的范围对应含义为：0.84~1{极强相关}、0.6~0.8{强相关}、0.4~0.6{中等程度相关}、0.2~0.4{弱相关}、0~0.2{极弱相关或无相关}。

此方法运算效率高，依据原理可快速建立数学计算模型，进行客观的定量分析并对各项参数定量计算，避免定性分析的不确定性 [7]。

3.1.3. 统计分析法

统计分析的方法是描述不同的研究对象之间各种定量关系，并对这些关系进行分析和研究，能够准确的描述和预测事物发展，目的在于熟知和揭示各种研究对象之间复杂的相互关系、未来的发展趋势并揭示其规律。大多数发展趋势都有一定的规律可循，我们了解事物的本质，必须掌握数量的规律。

指标的对比分析方法也属于统计分析的一种，并且经常被人们应用。它是把有关的一些指标进行比较，从而起到显示事物数量的差异和起伏变化作用的一个方法。

分组分析的方法是一种综合比较方法，是阐述其内在的相互联系和规律性的方法。是通过其统计分析的目的和要求，然后将整个研究区域按一个或多个标记分成许多个部分，然后对其进行分析得出结论。

时间数列也被称为动态分析法，通过得知时间的先后顺序然后进行排列，从而形成了时间的数列，也可以叫做动态数列。时间数列也可以说是表示一个指标的数值是随着时间的变化和发展。

3.2. 数据来源

本文通过黑龙江统计年鉴(2019年)、国家统计局数据、真气网(https://www.zq12369.com/)等渠道收集了交通投资、经济、能源和气候等方面的数据。

4. 城市道路面积变化特征分析

截至2009年底，全省公路里程9866公里，每万人公路里程7.6公里，公路面积12,720万平方米，人均9.4平方米，增长率为2.1%。截至2018年底，全省公路里程12,726公里，每万人公路里程5.5公里，公路面积21,062万平方米，人均14.9平方米，增长率为6.1%。道路面积2009年到2011年快速增长，2012年到2018年增速缓慢。道路面积增长率变化趋势与汽车保有量增长率变化趋势相同。

从黑龙江统计年鉴中得知，2018年黑龙江省的居民人均可支配收入达到了22,726元，收入增加、经济繁荣以及对旅游需求的增加，居民对便利的交通需求变得更高，使得私家车的数量飞速增长。研究还发现，随着互联网时代来临，互联网提高了居民的便利性，网上购物变为人们平时生活中的一部分。因此，互联网产业的发展越来越受到重视，快递成为了新的力量，快递交通行业的物流运输车不断增加。根据省公安部交管局的数据可知，2018年末，黑龙江省的汽车保有量达到了478.6万辆，黑龙江省汽车保有量爆发式增长的状态仍然处于“进行时”。而且截至2018年末，黑龙江省的城镇化率上升为60.1%，比上年增加了0.7%，伴随城市化进程的加快，未来城市居民将不断增加，而汽车消费主力军也正是城市居民，汽车需求将更大。

从黑龙江统计年鉴中得到2009年到2018年的黑龙江省道路面积增长率和汽车保有量增长率对比如图2所示，对于黑龙江省在2009~2018十年间车辆保有量的平均增长速率为13.46%相区别的是，黑龙江省同一时期道路面积年平均的增长速率达5.41%，车辆保有量每年的增长速度总是高于道路面积增长速度的2倍以上，车辆增速长期高于道路增速将造成路面车流量增大，容易出现车速缓慢甚至拥堵，一方面使得车内燃料燃烧不充分，尾气排放中的污染物含量比经济车速行驶时高出2至3倍，另一方面，交通拥堵容易引起摩擦事故，加剧拥堵程度甚至导致交通瘫痪 [8]。通过各种研究得出空气污染的重要来源之一是汽车行驶时排放的尾气，使城市的空气污染问题更加严峻在很大程度上是车辆发生交通拥堵造成的，城市交通拥堵并不对空气污染起绝对的主导作用，但是在某种程度上可以说是对空气污染有重要贡献，通过交通拥堵引起的能源消耗增加和碳元素排放增多不低于30%，在汽车保有量高速增长的环境下，采用有效措施改善道路通畅程度可能是改善城市空气质量的一个有效途径 [9]。

Figure 2. Comparison of road area growth rate and car ownership growth rate in Heilongjiang Province

图2. 黑龙江省道路面积增长率和汽车保有量增长率对比图

5. 城市空气质量变化特征分析

5.1. 空气质量的时间序列变化特征

黑龙江省城市年均AQI变化如图3所示，由图可以看出2015~2020年研究区域的AQI值呈下降趋势，2015年AQI年均值为62，2020年AQI年均值为46，下降幅度约为25.8%，研究区域空气质量总体上呈好转趋势。原因如下：

一方面，为全面贯彻全国生态环境保护工作会议和中国共产党的第十九次全国代表大会的精神，为落实好《中共中央、国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》，黑龙江省表明了坚决治理好污染决心，也有信心能够不断提高生态环境的质量，同时建设好美丽新龙江 [10]。

另一方面，近年来黑龙江省坚持依法治国，树立了严格的法制观念，建立健全保护地方生态环境的相关制度以及政策体系，对于污染来源必须严查，法律执行过程一定要严格，对于涉及到环境违法的犯罪行为也要严惩。污染防治力度要加大，坚持“四个硬”的约束，严格执行刚性的定量责任，施加多电平压力，完善制度保障措施。

由图3可以看出，研究区域AQI值并不是逐年下降趋势，2015年到2016年空气质量整体好转，在2017年有少许波动上升，2018年到2020年继续下降，在2020年下降到最低为46.69；可以看出黑龙江省积极响应十九大“加强生态环境保护，建设美丽中国”的号召，全面贯彻习近平总书记的生态文明思想，深入学习习总书记关于我省讲话的重要精神，坚持新发展观和生态文明建设的六项原则。我们的目标是将生态环境的整体质量进行，对生态环境的保护水平进行调整，控制主要污染物在环境中的排放总量，使环境风险能够受到有效的管控，从而实现全面建成小康社会的伟大蓝图。

Figure 3. Annual average AQI change of Heilongjiang Province

图3. 黑龙江省城市年均AQI变化图

5.2. 空气质量的空间演化

本文选取各城市点的年均AQI值对黑龙江省城市空气质量分布状况及空间演化趋势进行分析，使用arcgis10.2得到黑龙江省城市年均AQI的空间分布如图所示。由图4可以看出黑龙江省中北部3个城市AQI值逐年降低，空气质量逐步改善并达标。东部城市AQI值也在逐年下降并趋于稳定。

5年前至今，参照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)对黑龙江省13个城市进行比较。黑龙江省环境监测中心站点报告的数据，2015年的整体平均达标天数占86%，而超标的天数则为14%，伊春市达标天数排于首位。全省市(地)AQI排名哈尔滨AQI最高。可见哈尔滨市是13个城市中空气质量问题最严峻的城市。按照空气质量指数AQI评价，2016年哈尔滨市区环境空气质量达标天数为279天，同比增加52天，增幅为22.9%；重度及以上污染天数为9天，同比减少33天，减幅为78.6%。但黑龙江省整体空气质量下降，由图4可知2016年到2018年黑龙江省大部分城市AQI值都显著升高，空气污染问题严重。

全省各城市的燃煤小锅炉总数为9407台，2015~2018年间实际淘汰的数量为9317台，完成率达99.04%；全省共计淘汰的黄标车数量为7.01万辆，我省完成了总淘汰量5.64万的年度任务，完成总年度任务量的124.23%；共督查发现各类环境问题1018件。我省空气质量不断改善，大气污染防御控制力度加大，蓝天保卫战取得初步胜利。对煤炭污染的治理还要继续推进，工业污染的监测也要继续强化，秋冬两季度的大气污染防治开展工作要持续，小型燃煤锅炉要进行淘汰，淘汰老废旧车，调查处理成品油市场，加快燃煤发电机组超低排放的改造，清理排污企业，加强车辆环保标准审核汽车，实施“全方位、全天候”秸秆露天焚烧禁令，有效监督检查秸秆露天焚烧禁令，对1~4级1万多栅格进行了检测，取得了秸秆禁燃的决定性胜利；全省秸秆的综合利用在80%以上。建立了重污染天气的应急减排和联合防控机制，积极、正确地应对重污染天气。

经过4年的不断努力，黑龙江省将对主要大气污染物排放总量进行大幅度缩减，同时控制温室气体的排放也要减少，从而达到降低PM2.5浓度的目的，改善我们生活中的环境空气质量。迄今为止，黑龙江省的二氧化硫以及氮氧化物的排放总量相应比5年前下降了至少11%，PM2.5未达标地级及以上城市浓度比2015年下降15%以上，地级及以上城市空气质量优良天数比率达到88%，重度及以上污染天数比2015年下降15%以上 [11]。

哈尔滨市的2020年PM2.5年平均值比5年前的年平均值下降了25%左右，空气质量的优秀和良好的天数占据全年的80%左右，重度污染以上的天数相对于5年降低了50%左右；七台河市的PM2.5年平均值与5年前相比下降率达20%；达到了国家空气质量的二级标准的城市有齐齐哈尔市和牡丹江市；伊春市、大兴安岭地区和黑河市的空气状况逐渐有所变化；其他城市基本达到国家空气质量二级标准。

(a) 2015年

(b) 2016年

(c) 2017年(d) 2018年

Figure 4. Spatial distribution of annual average AQI in Heilongjiang Province

图4. 黑龙江省城市年均AQI空间分布图

6. 道路面积变化对空气质量的影响分析

本文分析运用SPSS21软件对研究区域2015~2018年13个城市的AQI值与道路面积进行皮尔逊双变量相关性分析，4年间黑龙江省12个环境空气监测点位的道路面积与AQI年均值变化的相关性情况如图5所示。这两项数据之间的回归方程为 $y=52.6+3.23E-3x$，R² = 0.248，在可信度为99%的条件下，|r| = 0.498，道路面积和AQI之间呈中等程度相关。结果表明，道路面积只是影响空气质量的一部分因素。近年来，虽然道路面积增长率和汽车保有量增长率的差距较大，但是黑龙江省空气质量有所好转。这与政府的积极治理密不可分。

Figure 5. Correlation analysis of road area and annual average AQI change in Heilongjiang Province from 2015 to 2018

图5. 黑龙江省2015~2018年道路面积与AQI年均值变化的相关性分析图

通过改变能源结构、更多地使用清洁和低污染的能源、燃料预处理和改进技术，从而达到减少排放的目的。工业场地的选择、烟囱的设计、城市和工业规划必须合理，以避免大气排放浓度高、重复和重叠污染，在不同地区、不同时间进行有效的排放控制。对成品油市场进行检查处理，加快燃煤发电机组超低排放的改造，清理排污企业，加强车辆环保标准审核汽车，实施“全方位、全天候”秸秆露天焚烧禁令，有效监督检查秸秆露天焚烧禁令，对1~4级1万多栅格进行了检测，取得了秸秆禁燃的决定性胜利；全省秸秆的综合利用在80%以上。由此可见，道路面积只是影响空气质量的一方面因素。我们要考虑多方面因素。多角度采取措施改善空气质量。

7. 总结与建议

7.1. 总结

从道路交通方面对黑龙江省空气污染的主要原因进行分析，得到以下原因：其一是城市机动车通行交通量的绝对增加，导致汽车的排污总量急剧增多，二是城市中存在交通路段的通过能力不足和交通流量增长相矛盾，使机动车的行驶时间变长，从而使机动车的排污量大大增加，三是城市道路两旁的大型建筑物连接不断，大大减慢了城市中空气的对流和交换速度，从而影响了汽车尾气及时扩散，再加上城市中主要路段两旁的绿化程度比较低，空气净化力很差，汽车废气的积累就形成了大气污染 [12]。

7.2. 建议

根据上述结论，本文给出如下政策建议：一是，地方政府应关注空气污染的持久存在，不能只关注经济发展而忽视环境保护。市政府在招商引资和项目市批时，应重视项目的环境保护和效益研究，避免引入高污染低附加值的项目。二是，黑龙江省车辆保有量一直稳步增长且在10%以上，政府除采取多种措施来优化空气质量外，还要格外注重对轨道交通的投资建设，为了引导轨道交通的建设从简单到复杂，向更多元、更系统的方向去发展。三是，加大公路投资力度与车辆保有量增长率保持同步。强调通过增加道路面积来优化空气质量。