北京市大氣環(huán)境評(píng)價(jià)及污染物時(shí)空分布

白 莉 溫 軒 徐昭煒

吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

1 引言

改革開放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，與此同時(shí)，京津冀區(qū)域工業(yè)化進(jìn)程明顯加快，鋼鐵、煤炭、化工等行業(yè)迅猛發(fā)展[1]。伴隨而來(lái)的是日漸嚴(yán)重的空氣污染問題，具體表現(xiàn)為大范圍的霧霾天氣，以及造成河流干涸、森林減少、動(dòng)物滅絕、臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、酸雨等環(huán)境問題。大氣污染物不僅對(duì)城市居民的身體健康造成危害（對(duì)人的呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等造成損傷），致使每年有幾十萬(wàn)人患急性或慢性疾病，甚至過早死亡[2-3]；而且對(duì)日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也會(huì)造成不利影響，例如，出現(xiàn)霧霾天氣時(shí)，大氣能見度顯著降低，對(duì)出行造成阻礙；在大氣污染物濃度較高時(shí)[4]，農(nóng)作物葉子出現(xiàn)水漬斑點(diǎn)，進(jìn)一步枯死、脫落，全株枯死；在濃度較低，接觸時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，葉片退綠、枯黃、植物體內(nèi)污染物積累[5]。因此，對(duì)于大氣污染的治理已經(jīng)刻不容緩[6-7]，而治理污染的第一步就是對(duì)于污染物的研究，所以，認(rèn)知大氣污染物的時(shí)空分布及其化學(xué)組成是評(píng)估大氣污染影響的科學(xué)基礎(chǔ)[8]。

本文利用2018 年1 月1 日—2018 年12 月31 日北京市空氣質(zhì)量逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)北京市空氣質(zhì)量水平、大氣污染物時(shí)空分布特征等展開分析，歸納各種污染物在大氣污染中的比例，為大氣污染的治理提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與數(shù)據(jù)源

北京地處中國(guó)華北地區(qū)，地勢(shì)西北高、東南低。西部、北部和東北部三面環(huán)山，東南部是一片緩緩向渤海傾斜的平原。由圖1北京人口密度分布可以看出，人口密集的主要地區(qū)為東西城區(qū)、海淀、豐臺(tái)、朝陽(yáng)、石景山這六個(gè)城區(qū)。所以選取這六個(gè)城區(qū)的數(shù)據(jù)作為參考，對(duì)于人的影響更具有參考意義。

這六個(gè)城區(qū)對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量國(guó)控監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，分別為萬(wàn)壽西宮、東四、農(nóng)展館、豐臺(tái)花園、古城、萬(wàn)柳。

分別記錄以上站點(diǎn)2018年1月1日～2018年12月31日SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10等污染物質(zhì)量濃度逐時(shí)數(shù)據(jù)（北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心）作為本次研究的數(shù)據(jù)源。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

本實(shí)驗(yàn)是由由于儀器連接接觸不良、離線或故障等客觀因素導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的小部分缺失（比例小于1%），采用插值法補(bǔ)充缺失的數(shù)據(jù)，以及利用Tableau 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)工作，時(shí)空分布特征圖利用originlab科學(xué)繪圖軟件進(jìn)行制作，而數(shù)據(jù)分析的工作則通過excel軟件完成。

NO2：以氨基苯磺酸[NH2C6H4SO3H]、冰乙酸、鹽酸萘乙二胺制成吸收液，放入如圖所示的吸收瓶?jī)?nèi)。通過空氣采樣器采集空氣，經(jīng)過吸收瓶中的溶液吸收后，用分光光度計(jì)分析NO2的濃度。

CO：利用CO分析儀分析大氣中的CO濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣質(zhì)量水平

北京市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)大部分時(shí)間低于一、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，夏季大氣受污染水平明顯優(yōu)于其他季節(jié)，超標(biāo)樣本主要集中在四月。

圖1

3.2 污染物區(qū)域特征

表1為監(jiān)測(cè)期間北京市區(qū)各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)達(dá)到一級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的樣本出現(xiàn)的概率，從依據(jù)超標(biāo)污染物（超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）出現(xiàn)概率對(duì)6個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)由大至小依次排序：豐臺(tái)花園＞東四＞古城＞萬(wàn)壽西宮＞農(nóng)展館＞萬(wàn)柳。

表1 各檢測(cè)站點(diǎn)空氣質(zhì)量等級(jí)出現(xiàn)概率統(tǒng)計(jì)

圖3反應(yīng)了綜合2018年各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不同種類污染物污染水平，數(shù)值以空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQI）來(lái)表示?？梢钥闯觯涸?種污染物中PM2.5、PM10和O3數(shù)據(jù)最為突出，是主要污染物，而且均超過國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中PM10的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其他污染物，是大氣首要污染物，而豐臺(tái)花園是PM10污染最嚴(yán)重的地點(diǎn)。豐臺(tái)花園位于北京市豐臺(tái)區(qū)豐臺(tái)鎮(zhèn)叉路口，緊臨四環(huán)路主干道，靠近交通樞紐，車流量巨大，導(dǎo)致其成為污染最為嚴(yán)重的地區(qū)[10]。同時(shí)PM2.5與PM10又有較好的相關(guān)性（spearman 相關(guān)系數(shù)為0.726，p＜0.01，N=46237），可以初步理解為相同原因引起的污染物。

圖3 各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)污染物分布情況

3.3 污染物時(shí)間分布

污染物季節(jié)變化特征：為了分析不同季節(jié)北京市區(qū)大氣污染物質(zhì)量濃度變化規(guī)律，將12 個(gè)自然月按照氣象學(xué)的規(guī)定劃分[11]（3～5 月為春季、6～8 月為夏季、9～11 月為秋季、12～2 月為冬季），對(duì)不同季節(jié)各類污染物質(zhì)量濃度日變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于大氣污染物濃度限值的規(guī)定繪制標(biāo)準(zhǔn)線（圖4中虛線）。從圖4中可以看出：除PM2.5、PM10以外，各類污染物不同季節(jié)的日變化規(guī)律大致相同，而PM2.5和PM10在不同季節(jié)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，其中PM10除秋季12：00左右外，其余季節(jié)及秋季大部分時(shí)間都超過國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5則全部超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，而CO和SO2在整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)都遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)環(huán)境的危害較輕。O3濃度在每天8：00 開始升高，在16：00 達(dá)到峰值，又以夏季的情況最為嚴(yán)重，此時(shí)的質(zhì)量濃度均值已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的濃度限值，而夏季的輻射強(qiáng)度高于其他季節(jié)，并且質(zhì)量濃度日變化幅度巨大，最大濃度是最小濃度的18倍左右。NO2在每天0：00～8：00為濃度最高的時(shí)間，此時(shí)其在4個(gè)季度的濃度均超過標(biāo)準(zhǔn)限值，此后的時(shí)間濃度開始下降在16：00左右達(dá)到最低值，而后又逐漸回升。PM2.5與PM10日變化規(guī)律在春季時(shí)出現(xiàn)明顯異常，而其它季節(jié)變化趨勢(shì)大致相同。如果從氣象特征來(lái)看，春季大氣環(huán)流較為活躍，水分隨著氣流傳輸?shù)骄┙蚣降貐^(qū)，致使該區(qū)域暖空氣增加，氣溫快速回升，同時(shí)相對(duì)濕度明顯增加，對(duì)大氣污染的擴(kuò)散造成阻礙，所以PM2.5濃度水平整體偏高。

圖4 各季度污染物濃度日變化

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）在觀測(cè)期內(nèi)，北京市區(qū)空氣質(zhì)量整體滿足標(biāo)準(zhǔn)，只存在極少數(shù)超標(biāo)的情況，PM10為引起污染的最重要的因素，污染趨勢(shì)整體表現(xiàn)為夏季由于冬季，4月污染最為嚴(yán)重。

（2）4 種污染物空間分布情況各有不同，在豐臺(tái)花園站超標(biāo)最為嚴(yán)重的是PM10和PM2.5，O3濃度在古城站達(dá)到最高，萬(wàn)柳站附近的空氣質(zhì)量最優(yōu)，超標(biāo)率為26%，而達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間達(dá)到了45%以上。

（3）各污染物呈現(xiàn)出季節(jié)性變化趨勢(shì)，每種污染物的變化特點(diǎn)也不盡相同，SO2、NO2、PM2.5、PM10和CO呈現(xiàn)出夏低冬高的變化趨勢(shì)，而O3的變化趨勢(shì)則剛好相反，SO2、CO、O3的濃度在大多數(shù)情況下都滿足一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而且，O3和NO2質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出一天內(nèi)劇烈變化的趨勢(shì)，具有極大的不穩(wěn)定性。