2003—2011年太原市大氣環(huán)境質(zhì)量評價及污染特征分析

魏民秀，趙先貴

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

太原市作為我國的能源重化工基地，大氣污染比較嚴(yán)重.據(jù)2009年環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：2009年P(guān)M10、SO2、NO2空氣污染負(fù)荷所占比例分別為41.09%、8.45%、10.85%[1]，與現(xiàn)行國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—1996環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))相比，除NO2達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)之外，PM10和SO2均超過現(xiàn)行國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，這種大氣質(zhì)量已直接危害到市民的身心健康[2].段永蕙等[3]采用上海大氣質(zhì)量指數(shù)法，對太原市1996—2000年的大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價.2001年，趙寶新等[4]對太原市空氣污染物對人群健康危害進(jìn)行了研究，雖已有不少學(xué)者通過實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對太原市空氣質(zhì)量進(jìn)行了研究.但大多限于太原市某一個或幾個區(qū)，且監(jiān)測年份較短，沒有真正反映整個市區(qū)在持續(xù)穩(wěn)定時間段內(nèi)的空氣質(zhì)量[5].本文以整個市區(qū)，2003—2011近10年的監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用API指數(shù)法來評價空氣質(zhì)量狀況，并采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對市區(qū)未來的空氣質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測.了解太原市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀，不僅可以為大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管工作提供理論依據(jù)，而且能喚起人們的環(huán)保意識，防止太原市大氣環(huán)境質(zhì)量繼續(xù)惡化.

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 大氣污染物負(fù)荷法

運(yùn)用大氣污染物負(fù)荷法，首先計(jì)算出各污染物的分指數(shù)，然后根據(jù)各污染物的分指數(shù)計(jì)算出污染物的負(fù)荷系數(shù).

計(jì)算公式為：

(1)

.

(2)

式中Fi為某污染物負(fù)荷系數(shù)；n為大氣污染物的項(xiàng)目數(shù)；Pi為某污染物的分指數(shù)；Ci為某污染物的年均值濃度；Si為某污染物的標(biāo)準(zhǔn)濃度.

1.1.2 API指數(shù)法

方法原理：該方法是先根據(jù)各污染物的監(jiān)測濃度值計(jì)算各污染物的分指數(shù)，分指數(shù)最大的污染物為

首要污染物，最大的分指數(shù)即為空氣污染指數(shù)(API).污染物的分指數(shù)Ix由實(shí)測濃度值按照分段線性方程計(jì)算.

計(jì)算公式為：

(3)

式中Ix為污染物x的污染分指數(shù)；Cx為污染物x的監(jiān)測濃度值；Ixj為第j轉(zhuǎn)折點(diǎn)的污染分項(xiàng)指數(shù)；Ix,j+1為第j+1轉(zhuǎn)折點(diǎn)的污染分項(xiàng)指數(shù)值；Cx,j為第j轉(zhuǎn)折點(diǎn)的污染物的(對應(yīng)于Ix,j)濃度限值；Cx,j+1為第j+1轉(zhuǎn)折點(diǎn)的污染物的(對應(yīng)于Ix,j+1)濃度限值.

3種污染物的污染分指數(shù)都計(jì)算出來以后，取最大者為該區(qū)域或城市的空氣污染指數(shù)API，則該項(xiàng)污染物即為該區(qū)域或城市空氣中的首要污染物 API =max(I1,I2,Ix,…,In).該法簡潔、綜合、直觀，目前是我國城市環(huán)境空氣質(zhì)量評價中采用的最主要方法.

1.1.3 Spearman秩相關(guān)系數(shù)法

對3項(xiàng)主要污染物的濃度值進(jìn)行Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析，并對太原市大氣主要污染物污染指數(shù)變化趨勢進(jìn)行定量分析，來預(yù)測未來市區(qū)大氣質(zhì)量變化趨勢，采用Spss16.0輸出結(jié)果.取置信度為95%、W0.05=0.90為參照標(biāo)準(zhǔn)，3項(xiàng)主要污染物的分析結(jié)果見表3.將相關(guān)系數(shù)Rs的絕對值同Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表中的Wp進(jìn)行比較，如果Rs>Wp則表明變化趨勢有顯著意義；如果Rs是正值表明變化為上升趨勢，反之Rs為負(fù)值是下降趨勢.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2003—2011年太原市環(huán)境監(jiān)測中心站.現(xiàn)行國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—1996環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))中常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目有SO2、PM10、NO2、CO、降塵和硫酸鹽化速率，根據(jù)我國空氣污染特點(diǎn)和污染防治工作重點(diǎn)，目前計(jì)入空氣污染指數(shù)的污染物項(xiàng)目暫定為：二氧化硫、氮氧化物和總懸浮顆粒物.所以本文實(shí)際分析中選取了SO2、PM10、NO2作為大氣環(huán)境質(zhì)量評價因子.

2 結(jié)果與分析

2.1 市區(qū)污染物負(fù)荷分析

2003—2011年，太原市主要污染物指數(shù)呈波動下降趨勢(圖1).SO2污染指數(shù)從2003年的1.65下降到2011年的1.07，下降幅度為35.2%;NO2污染指數(shù)呈小幅下降趨勢，由0.62下降到0.46；PM10由0.86下降到0.42，降幅為51.2%，太原市大氣中的顆粒物明顯減少.由圖1可知：在所評價的33項(xiàng)污染物中，PM10的污染負(fù)荷總體呈明顯下降趨勢，由2004年的32%下降到2011年的22%，是三項(xiàng)污染物中污染負(fù)荷唯一下降的指標(biāo)；SO2污染負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它2項(xiàng)，質(zhì)量濃度始終大于0.5mg/m3，且呈穩(wěn)步上升趨勢，由53%上升到61%，預(yù)計(jì)即將成為太原市的首要污染物；NO2污染負(fù)荷在三項(xiàng)污染物中所占比例最小，且污染負(fù)荷值呈波動下降趨勢.表1中PM10的污染指數(shù)以51.2%的幅度減少，與此同時圖1中PM10的污染負(fù)荷也呈下降趨勢，而SO2呈明顯上升趨勢，由此可見在未來幾年太原市的首要污染物將從PM10向SO2過渡.

表1 2003—2011太原市污染負(fù)荷系數(shù)

2.2 市區(qū)大氣質(zhì)量評價

空氣污染指數(shù)(API)是一種反映和評價大氣質(zhì)量的方法，利用此方法本文將常規(guī)監(jiān)測的3種空氣污染物的濃度簡化成單一的概念性數(shù)值形式、并分級表征太原市空氣質(zhì)量狀況與空氣污染的程度(表2).由表可知：從2003—2012年，PM10一直作為太原市的首要污染物，這符合太原市作為能源重化工基地的污染特征，與前人研究結(jié)果一致[6].其次2003、2004年API指數(shù)較大，空氣質(zhì)量為Ⅲ(輕度污染)，接觸一段時間后，易感人群癥狀有輕度加劇，健康人群出現(xiàn)刺激癥狀，應(yīng)減少體力消耗和戶外活動，2005年以后空氣質(zhì)量持續(xù)為Ⅱ(良好)，符合居住區(qū)、文化區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)的天氣質(zhì)量要求，市民可以正?；顒覽2].

由秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表(表3)可知：2003—2011年，PM10呈顯著下降趨勢，SO2不顯著下降，而NO2呈不顯著上升趨勢，總體表明在此期間太原市大氣環(huán)境質(zhì)量保持基本穩(wěn)定并有所好轉(zhuǎn).

表2 2003—2011年太原市大氣污染物的年平均質(zhì)量濃度 mg/m3

表3 2003—2011年太原市大氣環(huán)境質(zhì)量變化趨勢 mg/m3

3 討論

3.1 太原市大氣環(huán)境質(zhì)量成因分析

1) 能源結(jié)構(gòu)不合理，煤炭比例過高.太原市作為全國的重化工業(yè)基地，煤炭消耗量居全國省會城市之首.主要能源有煤炭、電力、煤氣、液化氣、汽柴油等，其中煤炭消費(fèi)比例占75%～80%，成為太原市最主要的能源；其次是電力，消費(fèi)比例為12%～16%，且是以火電為主.這就表明，以煤炭為主的一次能源消費(fèi)量占太原市整個能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的一半以上，這樣的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是不合理的，這也是使太原市成為典型污染城市的重要原因.據(jù)統(tǒng)計(jì)，全市PM10和SO2大部分來自于煤炭的直接燃燒，尤其是冬季采暖期，采暖設(shè)備比較分散，多為大型鍋爐，污染十分嚴(yán)重.

2) 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，工業(yè)治理水平不高.太原市作為全國的能源重化工基地，高投入、高消耗、高污染和低效益曾是太原市傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的突出特征.高新技術(shù)比重低，企業(yè)自主創(chuàng)新能力和科研水平差，產(chǎn)品附加值低，單位GDP所耗資源高.2011年太原市3大產(chǎn)業(yè)比例分別為1.6∶45.6∶52.8，三大產(chǎn)值對經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)率分別為0.5%，52.5%、47%.這種現(xiàn)狀與“三、二、一”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不相符，不利于太原市經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展.

此外，太原市工業(yè)廢物的治理水平也不高，不能長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo).據(jù)2011年太原市污染源普查，全市工業(yè)廢氣治理設(shè)施 1 200 套，其中脫硫設(shè)施僅150套；有的企業(yè)有脫硫設(shè)施，但SO2處理效率較低，全市工業(yè)SO2平均處理率為49%，不能長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，超標(biāo)的污染物長期排放，導(dǎo)致市區(qū)大氣環(huán)境不能達(dá)到國家二級標(biāo)準(zhǔn).氮氧化物根本不做任何處理，就直接排放.雖然目前符合國家空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，但如果不使用脫氮設(shè)施，進(jìn)行污染物處理，氮氧化物的持續(xù)增加將加重空氣污染.

3) 城市機(jī)動車增長迅速，尾氣污染日益嚴(yán)重.隨著我省經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人均收入不斷提高，太原市機(jī)動車保有量迅速增加.自2001年以來，太原市機(jī)動車以平均20%以上的速度遞增，由2001年的28.52萬輛增至2012年9月底的82萬輛，與此同時，太原市平均每天新增約350輛汽車.相比之下，太原市公交系統(tǒng)發(fā)展不完善，交通結(jié)構(gòu)不合理，道路面積增長緩慢，最主要的是，高架橋與地下通道稀少，行人大量的涌現(xiàn)在路上，導(dǎo)致城市交通擁堵，這樣不僅浪費(fèi)了資源，而且加重了大氣污染.根據(jù)污染源普查數(shù)據(jù)，2009年全市機(jī)動車排放到大氣中的污染物為25萬t，其中，氮氧化物2.8萬t，總顆粒物0.23萬t.機(jī)動車尾氣排放已經(jīng)成為太原市空氣的又一重要污染源，將給城市帶來新的污染.

4) 城市基礎(chǔ)設(shè)施落后，生態(tài)環(huán)境脆弱.交通擁堵，車速下降以及車況差，車輛技術(shù)性能低等使太原市處在世界十大空氣污染最嚴(yán)重的城市之中.

5) 特殊地理?xiàng)l件使污染加重.太原市東、北、西三面環(huán)山，中南部為汾河沖積平原，整個地勢北高南低，為封閉的盆地地形，使市區(qū)污染物難以擴(kuò)散，空氣自凈能力較低.太原市地處黃土高原，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，而且遠(yuǎn)離東南沿海，受暖濕氣流影響小，降水比較少，所以水對污染物的凈化作用小.市區(qū)平均風(fēng)速為3.5 m/s，冬夏季逆溫日數(shù)每月20天，逆溫層厚度冬季為490 m,夏季為247 m,逆溫強(qiáng)度為0.9 ℃/100 m，加上城市“熱島效應(yīng)”的影響，出現(xiàn)空氣強(qiáng)污染過程，會使污染物濃度大幅度升高.因此.地理環(huán)境是影響空氣質(zhì)量的重要因素.

3.2 防治對策

1) 改變能源結(jié)構(gòu),提高能源利用率.以煤炭為主的一次能源消費(fèi)占太原市能源消費(fèi)結(jié)果的一半以上，為改變這種能源結(jié)構(gòu)，就要大力推廣使用清潔能源，使用清潔生產(chǎn)工藝, 減少污染物排放; 強(qiáng)化節(jié)能減排, 提高城市氣化率, 實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn), 發(fā)展集中供熱, 提高能源利用率.

2) 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 發(fā)展集約經(jīng)濟(jì),嚴(yán)格科學(xué)管理.針對太原市三大產(chǎn)業(yè)比例嚴(yán)重不合理，給出以下對策：調(diào)整和鞏固第一產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)地位，以市場需求為導(dǎo)向，以農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效、農(nóng)民增收為目標(biāo)，大力發(fā)展特色農(nóng)業(yè)，生態(tài)農(nóng)業(yè)，建設(shè)一批規(guī)模型優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品基地；第二產(chǎn)業(yè)要以支柱產(chǎn)業(yè)群為龍頭，以技術(shù)進(jìn)步和提高技術(shù)能級、集聚度為動力，實(shí)現(xiàn)規(guī)模、質(zhì)量、效益同步推進(jìn)；第三產(chǎn)業(yè)要著力提高比重，提升層次，增強(qiáng)輻射能力，同時要積極引導(dǎo), 統(tǒng)籌安排, 合理布局, 避免重復(fù)建設(shè).

3) 完善城市公交系統(tǒng)，提倡使用公交車，嚴(yán)格控制機(jī)動車尾氣排放.加大機(jī)動車尾氣治理力度, 加強(qiáng)對在用車輛的檢測, 對檢測不合格的要按照規(guī)定安裝尾氣凈化器.同時，合理規(guī)劃城市道路，并做好城市綠化工作, 強(qiáng)化裸地的綠化管理.植物有過濾各種有毒有害大氣污染物和凈化空氣的功能,可以降低粉塵量.

4 結(jié)語

1) 市區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量明顯改善：2003—2011年來，太原市空氣質(zhì)量以Ⅱ良好為主，一年中空氣質(zhì)量為Ⅱ良好天數(shù)占78%.由Spearman秩相關(guān)系數(shù)法計(jì)算可知:NO2污染呈波動下降趨勢，NO2的污染負(fù)荷在三項(xiàng)污染物中所占比例最小，但9年來年均值為0.023 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家規(guī)定環(huán)境空氣質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)(0.04 mg/m3)，且總體上呈波動下降趨勢，未對太原市大氣質(zhì)量產(chǎn)生污染.所以過去9年、以及未來幾年太原市區(qū)空氣質(zhì)量正在逐漸變好.

2) 市區(qū)首要污染物正由PM10向SO2過渡：根據(jù)API指數(shù)法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，9年來PM10一直是太原市的首要污染物；但圖1顯示，SO2的負(fù)荷值在0.5以上，污染分擔(dān)率居首位達(dá)49%，明顯高于其他2項(xiàng).與此同時PM10的秩相關(guān)系數(shù)呈大幅度顯著下降趨勢，而SO2下降趨勢不顯著.所以可以預(yù)測未來SO2將取代PM10作為太原市的首要污染物.通過以上2種綜合評價結(jié)果可知：太原市首要污染物正從PM10向SO2過渡.

3) 太原市大氣污染呈現(xiàn)煤煙與機(jī)動車尾氣復(fù)合污染：對市區(qū)成因分析表明, 由燃煤引起的SO2與煙塵、粉塵及地面揚(yáng)塵污染形成了長期以來影響太原市空氣質(zhì)量的主導(dǎo)因素, 并且隨著機(jī)動車輛的迅速增加, 機(jī)動車燃料燃燒造成的尾氣污染亦不可忽視.傳統(tǒng)的煤煙型污染仍未得到有效控制的同時, 在機(jī)動車保有量繼續(xù)增長和電力、鋼鐵、石化等行業(yè)污染物的共同排放作用下, 傳統(tǒng)煤煙型大氣污染已逐步向煤煙型與機(jī)動車尾氣污染共存的大氣復(fù)合污染轉(zhuǎn)變, 呈現(xiàn)區(qū)域性大氣復(fù)合污染特征.

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