雾霾与城市发展

雾霾与城市发展王玉轩（西安高新技术产业开发区管理委员会西安710065 ）摘要：雾霾是现象，促发于城市发展，实质是能量转换。

随着城市的发展，城市的能量转化率及其总的能量转换能力，均有了较大的变化。

而能量转换的另一产物就是雾霾。

当雾霾未被迅速扩散，其浓度是可以累加的。

这也是雾霾连片出现并难以治理的直接原因。

城市发展建设的科学规划和节能减排，是治污减霾根本原因和必然途径。

关键词：雾霾现象；城市发展；能量转换；规划建设0 霾是什么霾，从来都有，也不会消亡。

我们在意的只是它的浓度，如空气质量的优、良，或轻微污染，而不是它的有无。

这也是控制霾的目的。

霾与雾是不同的。

雾是空气中水汽凝结的产物，雾升高离开地面就成为云，云的消散或形成雨，雾也自然消失。

而霾，无法凝结、变大，形成“霾雨”消失；只能靠扩散，从产生或高浓度区域向周边低浓度区域转移，别无他法。

因此，霾的治理远比雾的治理复杂。

霾是典型的浓度扩散型、聚集态物质现象。

霾，产生于城市，扩散于城乡，消失于森林或大海。

霾是区域内能量过度转换的结果。

1 城市的霾现象及变化规则PM2.5于2012年被列入大气监测范围，在此之前，霾现象早早地闯入了人们的视线和记忆。

从那时起，每到秋冬季节，我国北方多地城市在持续多日的大范围雾霾天气中度过，岁末（2016年）年初（2017年）的西安也不例外。

西安于2016年12月18日至21日，2017年1月1日至6日，启动重污染天气Ⅰ级应急响应。

届时，中小学、幼儿园停课；机动车按单、双号，半数限行。

西安市30日污染浓度数据曲线图及数据表，分别见图1-1，表1-1。

图1-1 西安市30日污染浓度曲线图（2017年1月18日）[1]表1-1西安市30日污染浓度数据（2017年1月18日）该曲线图，既体现着空气质量的污染浓度值（AQI）的变化，也反映着城市的天气（气候）环境的变化。

同时，也可以看到天气变化是空气质量的污染浓度值（AQI）变化的根本原因。

为此，将城市的空气污染浓度值的变化，按当地的天气变化规律分类比较。

如四季分明的按四季分类，北方城市的按冬夏两季分类，西安按冬夏两季分类为宜。

同时，将曲线图理解成一个由：AQI值的低位徘徊、上升、高位徘徊和快速下降等四个顺序相连的阶段组成的反复循环的过程。

从天气的稳定性看：上升阶段的天气最稳定，下降阶段的天气变化最大，而低值徘徊则是下降阶段时天气变化的延续。

在此，就城市空气污染的基值、常值和扩散值，作如下定义：定义1：城市空气污染基值，即城市平均每天产生的污染物所形成的空气质量污染浓度值，用某市J(AQI)（X）表示；定义2：城市空气污染常值，在无异常气候的自然扩散情况下，城市平均每天产生的空气质量污染浓度值，用某市C(AQI)（X）表示；定义3：城市空气污染扩散值，在无异常的气候条件下，经自然扩散而减少的城市空气质量污染浓度值，用某市K(AQI)（X）表示；城市空气污染浓度的基值、常值和扩散值之间有如下关系：J(AQI)（X）= C(AQI)（X）+ K(AQI)（X）(1-1)X代表AQI的数值。

X的经验取值，用城市污染浓度曲线在上升阶段、可重复出现的单日增幅值代替。

其中：最大值代替J(AQI)（X）；次大值代替C(AQI)（X）。

说明：1、在极值附近的数值的可信度相对小一些；2、增加曲线取值范围，将增加该经验值的可信度。

从2017年1月18日西安市30日污染浓度数据表及曲线图，可以看到：有三天（30、14、16）的AQI的数值增量为90、90、91，另有三天（29、3、4）的AQI的数值增量为70、72、68；因此得出，西安市冬季空气污染浓度基值、常值和扩散值分别为：西安（冬季）J(AQI)（90）、C(AQI)（70）和K(AQI)（20）。

可以说：在日常天气情况下，城市空气质量污染浓度值（AQI），随时间增加而增加；其增加幅度由城市空气污染浓度基值决定；直到日常天气情况破坏。

例如：受降雨和冷空气影响。

(1-2)式是城市短期内的空气质量污染浓度值表达式：Y m（X）= Y 0（X）+ ∑(1 - f m) J(AQI)（X）(1-2)其中：Y0（X）为当日AQI值；f m为第m天的污染空气扩散系数；J(AQI) (X)为城市季节空气污染浓度基值；m为自然数且不宜过大。

说明：f m是与天气相适应的、经验值扩散系数。

例如，已知：西安（冬季）J(AQI)（90）、C(AQI)（70）和K(AQI)（20），那么西安市冬季日常扩散系数f m为K (AQI)（20）与J(AQI)（90）的比值，即f m=20/90。

如果有3天的稳定天气，那么3天后的AQI值将增加210左右。

需要说明的是：城市空气污染基值，即某市J(AQI)（X）中X值的大小，不但决定着城市空气质量的污染强度，也决定着污染浓度值的变化范围。

2 霾与城市的能量转换和建设规模相关城市的密集、扩大、扩张、连片、甚至于群落化发展，使城市区域能量的密集、过度转化成为必然。

2016年，西安市政集中供热能力为12239MW[2]；其市建成区面积为579 km²。

由于“冬季供暖使得PM2.5浓度增加50%以上”[3]。

假设PM2.5均由能量转换导致，可以推出，城市冬季的能量转换总量或能力分别是冬季供暖能量或能力的3倍。

即西安，2016年冬季的能量转换能力是36717MW；其建成区能量转换率为：63.4145MW /km²。

城市的建设规模决定能量转换的总量；而能量转换的总量又进一步决定空气质量污染浓度值（AQI）。

因此，必然有一个量化的比例关系，将三者之间联系起来。

那么，什么是霾现象的实质？3 霾现象的实质2017年01月，中国环境监测总站对74 个城市（京津冀、长三角、珠三角等重点地区及直辖市、省会城市和计划单列市共74 个城市），的空气质量状况评价表明：PM 2.5是空气污染的首要污染物（西安本月PM 2.5月均浓度为185微克/立方米，排名为71位市）[4]。

因此，城市的霾现象，可以用PM 2.5的浓度值代替，也就等同于城市的空气污染浓度值。

我们知道，PM2.5 的浓度值是24小时的平均值，因此，可以认为城市空气质量污染浓度值（AQI），也是一个经历了24小时充分扩散的平均值。

物质现象（霾现象）是组成物质现象的物质的量，聚集到一定程度的宏观表现。

物质边界的实质，是不断积累的物质聚集量，逼近或超过其安全（警戒或危险）的范围界线。

[5]a=∑A N =(1/3) * N* (4N²-1) + 0.5*N (3-1) [6](3-1)是物质的聚集量的求和公式，N为物质的扩散周期数。

将N理解为球体的半径，物质的聚集量a就是球的体积，也对应于城市各种“景象”的量化指标。

也就是说，(3-1)式将城市建成区的面积和城市在发展过程中的各种异常表象的量化指标联系起来。

假设城市的建成区面积不具特异性。

将城市的建成区面积换算成等面积的圆，并将该圆的半径平均分成N份；为方便期间，令城市面积所对应的半径平均分成20份，用N0=20表示。

由表1-1数据，求得西安市冬季30日平均AQI值为224.9。

表示为：西安F冬季30（AQI）(224.9) =224.9。

以《环境空气质量标准》（GB3095-2012）二级浓度限值，相对应的环境空气质量指数（AQI）等于100，即空气质量达到良的程度为标准。

即：城市F标准(AQI)（100）。

西安的城市建设由钟楼依次向外密集排列的。

将西安2016年市建成区面579km²积换算成等面积圆，半径为13.58km，按N0=20，其基圆半径R=0.679km；由(3-1)式，求得其物质量的总数为a=∑A20=10670；城市标准(AQI)（100）对应的物质量为b。

可以认为，正是由于10670份城市建成区的物质量的共同作用，才产生了城市的空气污染浓度值：西安F城市(AQI)(X) =224.9。

那么，需要多少的物质量b，可以产生城市标准(AQI)（100）的污染浓度值？F城市(AQI)(X) /a = X/a= F标准(AQI) (X标) /b = (X标) /b可以求出：b = a (X标) /X (3-2)将a=10670，X标= 100，X= 224.9代入(3-2)式，得b =4745。

将b =4745代入(3-1) 式，求得N =16，N16对应的面积为370.79 km²。

从西安城市建成区面积的发展变化图，见图3-1，可以查到370.79 km²是2009年的城市建成区面积。

其所对应的边界，是西安市2016年冬季30日平均AQI值224.9，或冬季西安建成区的能量转换率63.4145MW / km²，所确定的满足环境空气质量达到良的程度（即：城市AQI值为100）的城市合理边界。

如果2016年冬季的西安建成区面积不变，还要满足城市F标准(AQI) (100)的要求，就必须将本年度建成区能量转换率由63.4145MW/ km²减小到28.1967MW/ km²。

图3-1：西安城市建成区面积的发展变化图[7]透过西安城市建成区面积的发展变化图，见图3-1所示，可以感到西安市多年的城区变化。

从1978年7区6县的西安，到2017年，11区2县的西安；从进城就是到城门里，金花路动物园是在人烟稀少的城郊外的西安，到三环以内高楼林立，不见炊烟，更少见田园荒草的西安。

2016年，西安市建成区面积为579 km²，是1978年95 km²的6倍。

扩大的城市建成区域、增加的土地开发强度，增加了区域的能量转换。

而霾是能量转换的产物。

西安2016年与2009年的能量转换率的差值，是留给城市发展的空间。

需要说明的是，西安市机动车保有量已突破250万辆，它们对城市能量转换率的贡献不容忽视。

4 城市的发展边界城市发展的边界是确实存在的，也是可以感知的，其意义如下：1）在城市的发展史上，当城市发展规模远未达到城市的边界限制时，该边界不存在；2）在城市快速发展到一定规模时，有轻度的不和谐现象偶尔出现，如城市内涝、干旱、雾霾、热岛效应等现象，昭示着城市发展边界的客观存在及其给出的柔和警示；3）随着城市的进一步发展，客观存在的城市发展边界表现出它不为人所动的意志时，那些不和谐的、偶尔出现的现象，（如：城市内涝、干旱、雾霾、热岛等，）不断地重复、加重出现，且难以调和；4）边界具有临界性，即边界点前后的物质属性无明显变化，但却改变了物质属性性质的走向；5）城市的边界将被人们逐步认知，并遵循其规律而发展。

客观的城市发展界限，并不随城市的建筑实体边界一同向外发展。

而是站在自己的界限上，看实体边界从自己身旁坚实地走过，并越走越远。