超大菱镁矿开采区中受政策影响的独特粉尘污染模式：结合卫星遥感和CALPUFF模型的时空分析

《Journal of Cleaner Production》：Policy-driven distinct dust pollution patterns in a super-large magnesite mining area: Spatiotemporal analysis integrating satellite remote sensing and CALPUFF model

海城-大石桥菱镁矿矿区尘污染时空特征及传输机制研究。基于CALPUFF模型与MODIS AOD数据，分析2014-2024年矿区AOD演变规律：采矿强度从2014年9.17增至2024年17.09（2022峰值28.98），但AOD较2001-2014年下降，显示政策调控有效性。空间上AOD热点集中于矿区边界，显著高于外围；颗粒以粗颗粒为主（夏季差异显著）。模拟显示主导风向将污染物传输40公里外，春季稀释效应强于夏季。该研究构建"本地污染源-区域传输-自然与人为调控"整合模型，为矿区大气治理提供科学依据。

　　

马宝东|康婷|高淑贤|何帅|车德福|张元生

东北大学资源与土木工程学院，沈阳，110819，中国

摘要

随着全球工业化的加速，人们对生活环境健康影响的关注日益增加，空气质量已成为研究的前沿。露天采矿区的粉尘污染尤为严重，这主要是由于露天开采和加工的方法所致。本研究通过多时相气溶胶光学厚度（AOD）分析、颗粒大小分布以及结合羽流动力学（CALPUFF）模型的综合空气质量模型，探讨了由人为因素和自然因素共同驱动的粉尘扩散现象。以中国海城-大石桥地区（世界上最大的镁矿开采区）为重点，本文研究了大气环境的时空变化。(1) 在过去的二十年里，镁矿开采强度从2014年的9.17增加到2024年的17.09（2022年达到峰值28.98）。尽管有所增加，但2014-2024年的AOD水平仍低于2001-2014年，这主要归功于有效的污染控制政策的实施。AOD热点主要集中在采矿区内，持续高于周边非采矿区的水平。(2) 镁矿开采区的粉尘污染物主要以大颗粒为主，这与非采矿区的颗粒特征有显著差异。这种颗粒大小的差异在夏季尤为明显。(3) CALPUFF模拟的PM/TSP传输场与卫星观测到的AOD空间分布高度吻合。在各种影响因素中，风向最为关键，能够将污染物传输至距离采矿区约40公里远的地方。此外，春风对AOD的稀释作用比夏季更为显著。

引言

全球工业化和城市化的加速使得大气污染成为一个全球性的环境问题，对生态安全和人类健康构成威胁（Chen等人，2024年）。与其他环境问题（如水和土壤污染）相比，空气污染通常是由自然条件和人类活动的共同作用引起的（Kamath等人，2022年），导致形成机制和扩散模式变得越来越复杂（Bandyopadhyay等人，2021年）。其影响常常跨越多个行政区域甚至国界（Zhang等人，2023b年），表现出明显的跨区域传输和空间异质性（Urraca等人，2025年）。近年来，中国积极推进建设生态文明和“双碳”战略（Yang等人，2011年），实施了《大气污染防治行动计划》和《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等政策，以实现空气质量持续改善与绿色经济转型之间的协同发展。气溶胶是指大气中由自然和人为来源产生的多组分悬浮系统（Huang等人，2024年）。作为地球-大气系统中辐射平衡的关键调节器（You等人，2020年），气溶胶的光学特性不仅直接影响大气能见度，还通过直接和间接的辐射强迫机制影响气候系统（Schumacher等人，2024年）。

在气溶胶光学参数体系中，AOD是一个表征大气光学特性的基本变量（Dong等人，2022年）。它量化了气溶胶在垂直柱内对电磁辐射的衰减程度，广泛用于评估大气污染及其对气候的影响（Yuan等人，2023年）。作为大气颗粒污染的关键指标，AOD浓度的变化对区域和全球气候系统都有深远影响，并与公共卫生风险密切相关（Yu和Zahidi，2023年）。长期暴露在高AOD环境中，尤其是含有细小颗粒物的环境中，可能导致这些颗粒物侵入人体呼吸系统和循环系统，可能引发呼吸系统疾病、心血管疾病甚至癌症（Zhang等人，2019年）。中国辽宁省拥有世界上最大的镁矿储量，探明储量为6.35亿吨，占全国总量的91.37%（Zhao等人，2022年）。作为中国乃至全球重要的镁矿生产基地，辽宁省的海城-大石桥镁矿区由于采用露天开采方法和高强度的镁矿煅烧活动，导致大量的粉尘排放（Fu等人，2011年）。粉尘是影响空气质量的主要污染物，与人类活动密切相关，并对当地的大气和生态环境产生不利影响（Vinodhkumar等人，2025年）。露天开采和冶炼活动加剧了该地区的严重粉尘污染。大面积的露天暴露表面促进了采矿活动产生的粉尘快速扩散（Ma等人，2021年）。此外，镁矿的煅烧过程会产生大量的二氧化碳和烟尘。据估计，1800万吨镁矿的煅烧会产生超过2500万吨的二氧化碳和烟尘（Gong等人，2025年），这可能促进二次气溶胶的形成（Zhu等人，2023年），进一步恶化采矿区及其周边地区的空气质量。鉴于采矿生态系统的脆弱性和不可逆的演变趋势（Rodionova，2023年），建立基于遥感技术的长期动态监测系统具有重要的实际意义（Feng和Zhang，2025年）。

对气溶胶时空变化的监测主要通过三种方法进行：地面测量、卫星遥感反演和激光雷达观测（Nyasulu等人，2020年）。然而，中国东北三个省份的地面监测站数量有限，时间记录较短，这限制了对该地区AOD时空分布特征的全面描述（Wei等人，2019年）。相比之下，卫星遥感反演在捕捉气溶胶分布方面具有明显优势，包括连续性、动态性、快速性和宏观尺度覆盖（Zhang等人，2023a）。在现有的数据集中，MODIS AOD产品因其长期记录和相对较高的空间分辨率而成为重要的全球数据来源（Schumacher等人，2024年）。许多研究（Afzalizadeh等人，2025年）使用MCD19A2 V061数据，该数据采用1公里空间分辨率的多角度大气校正（MAIAC）算法，分析采矿区的长期AOD变化特征（Huang等人，2024年）。例如，一项研究（Priya等人，2024年）将高分辨率MCD19A2 AOD数据、PM₁₀测量值和气象参数整合到多元线性回归模型中，以评估印度贾坎德采矿区的时空气溶胶分布和预测模型的准确性。然而，需要注意的是，AOD浓度的空间分布受到气象条件和复杂地形特征的共同影响（O'Dowd等人，2010年）。这种多因素耦合导致AOD模式的动态性和异质性，显著增加了污染预测和控制的难度。传统研究往往关注单一因素对AOD的影响，难以量化它们之间的复杂相互作用。

因此，本研究采用了CALPUFF模型。该模型能够有效描述气象场、地形特征和污染物扩散之间的时空关系（Guo等人，2020年），为分析粉尘浓度的空间模式和量化粉尘扩散的驱动因素提供了强大的工具（Oh等人，2021年）。数值模拟方法主要用于预测指定未来时间段内气溶胶颗粒的空间分布和传输过程（Tagliaferri等人，2025年）。这些模拟考虑了多种因素，包括污染源的位置、排放率、物理化学性质和实时气象条件，以模拟气溶胶从源区域到相邻区域的扩散、稀释和沉积的完整过程。先前的研究（Shu等人，2019年）表明，在复杂地形中，颗粒物的干沉降对AERMOD模型有显著影响，而对CALPUFF的影响可以忽略不计。鉴于海城-大石桥镁矿区主要被山地地形环绕，本研究选择了CALPUFF模型来模拟颗粒物的传输场和扩散浓度，然后将其与卫星观测到的AOD空间模式进行比较。

目前国家级空气政策在微观污染源尺度上的有效性，特别是在采矿区，仍不明确。为了阐明采矿活动与大气环境之间的动态关系，本研究通过梯度分析探讨了采矿强度与AOD之间的响应机制。此外，创新性地评估了宏观政策在本地采矿区内的时空传输效应。在此基础上，通过协调卫星观测到的AOD空间模式与CALPUFF模拟的颗粒物传输场，开发了一个“本地源贡献-区域传输-人为和自然调节”的综合概念模型。该模型为优化采矿区大气环境管理政策提供了科学依据和途径。

研究区域

研究区域

辽宁省拥有丰富的优质镁矿储量，包括世界上最大的海城-大石桥镁矿区。到2024年，该地区的年镁矿产量约为900万吨。海城-大石桥镁矿区位于辽宁省的中南部（图1），地形从东向西逐渐下降，东部是千山山脉，西部是辽河平原。

缓解政策对AOD趋势的影响

基于长期数据监测和分析，镁矿开采区的AOD在年际尺度上表现出明显的阶段性变化特征：2001至2014年间波动显著，2014至2018年间持续下降，2018至2024年间有所回升。尽管存在这些波动，2014-2024年的整体AOD水平仍低于2001-2014年的水平，如图4所示。

中国已实施多项重要政策以应对空气

采矿区AOD时空演变特征的比较分析

本研究发现，过去20年中，海城-大石桥镁矿区的AOD经历了明显的阶段性变化。演变趋势和区域背景值既有共性也有差异。从年际变化来看，2001至2014年间AOD呈现上升趋势，但从2015年至2024年间显著下降。这一趋势与Md. Arfan Ali（Ali等人，2022年）的观察结果基本一致

结论

本研究聚焦于世界上最大的镁矿开采区——海城-大石桥镁矿区，重点关注该地区的粉尘污染问题。主要研究结果总结如下：

(1)

在过去二十年里，镁矿开采区的AOD变化显著。年际间，AOD在2003年达到峰值0.53，到2018年降至最低0.23。在第一个十年中，AOD呈现波动趋势，而年采矿产量始终低于5

作者贡献声明

马宝东：方法论、调查、资金获取。康婷：软件、方法论、数据管理。高淑贤：验证、监督、软件、资源。何帅：初稿撰写、可视化、资源。车德福：撰写-审稿与编辑、监督、软件。张元生：项目管理、方法论、调查。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：马宝东报告称获得了中央高校基本研究基金的财务支持；马宝东还获得了国家自然科学基金的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响研究结果

致谢

本研究得到了中央高校基本研究基金[N2001020]和国家自然科学基金[41201359]的支持。