2017～2019年秦皇島市昌黎縣空氣質(zhì)量評價與分析

謝新宇，閆 妍

(1 河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，河北 秦皇島，066600；2 秦皇島市環(huán)境應(yīng)急與重污染天氣預(yù)警中心)

空氣是人類生存環(huán)境中的重要介質(zhì)，它的質(zhì)量優(yōu)劣與否，直接影響著人類身心健康和社會發(fā)展進(jìn)程。近幾年，灰霾現(xiàn)象頻發(fā)，成為我國嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[1]。隨著京津冀及周邊省份的快速發(fā)展，越來越多人口流向該地區(qū)，人口的增長更加劇了對生產(chǎn)生活資料的巨大需求。因此，一些高耗能、高污染企業(yè)盲目生產(chǎn)，并違法違規(guī)排放，導(dǎo)致了京津冀及周邊地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量惡化。同時，經(jīng)由取暖、交通工具等排放途徑進(jìn)入空氣中的污染物質(zhì)，也導(dǎo)致了嚴(yán)重的空氣環(huán)境問題。很多學(xué)者對該地區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量狀況與污染特征、空氣質(zhì)量分析、評價和預(yù)測方法等問題進(jìn)行了研究[2～6]，得出了不同區(qū)域空氣首要污染物質(zhì)、發(fā)生發(fā)展時段和污染趨勢等結(jié)論，具有重要參考價值。秦皇島市位于河北省東北部，依山傍海，具有豐富的旅游資源，是享譽國內(nèi)外的優(yōu)秀的旅游城市，被譽為“京津后花園”。然而，近年來該市的空氣質(zhì)量也有所下降。有研究表明，秦皇島市空氣污染屬于典型的復(fù)合型污染，主要來源于工業(yè)廢氣、港口煤塵和機(jī)動車尾氣等方面[7,8]。昌黎縣位于秦皇島市西南部，是全國第一批沿海對外開放縣，該地區(qū)地理位置優(yōu)越、人口眾多，旅游資源豐富，工業(yè)較發(fā)達(dá)。但是由于水泥、淀粉、化工等高污染企業(yè)的存在，對昌黎縣空氣質(zhì)量會帶來負(fù)面影響。為此，筆者主要對河北省昌黎縣2017～2019年空氣質(zhì)量、月變化情況、PM2.5與其他污染物相關(guān)性進(jìn)行分析，以期對昌黎縣空氣污染防控工作提供支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3095—2012)，研究對象為2017～2019年昌黎縣空氣SO2，NO2，PM10，PM2.5，CO和O3共6項指標(biāo)，其監(jiān)測質(zhì)量濃度值來源于秦皇島市生態(tài)環(huán)境局。

1.2 首要污染物的判定

當(dāng)日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)大于50時，最大分指數(shù)(IAQI)代表的污染物為首要污染物。

1.3 有效時間的判定

個別日期因監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，認(rèn)為無效時間，不參與統(tǒng)計計算。全年除去無效時間，其余為有效時間。最后確定2017年有效時間為359 d；2018年為360 d；2019年為362 d。

1.4 月平均質(zhì)量濃度的計算方法

參照環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(HJ 663—2013)，計算當(dāng)月質(zhì)量濃度的算術(shù)平均數(shù)作為月平均質(zhì)量濃度。其中，CO和O3的月平均質(zhì)量濃度使用excel中的percentile函數(shù)進(jìn)行計算。計算CO時K值取0.95，計算O3時K值取0.9。

1.5 污染物相關(guān)性的分析方法

以PM10，O3，SO2和NO2質(zhì)量濃度為自變量，以PM2.5質(zhì)量濃度為因變量建立回歸方程。通過絕對系數(shù)(R2)計算相關(guān)系數(shù)(r)，并進(jìn)行假設(shè)檢驗，分析變量間相關(guān)的顯著性。

1.6 數(shù)據(jù)處理與作圖

采用Microsoft Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 昌黎縣全年空氣質(zhì)量狀況分析

統(tǒng)計結(jié)果表明：2017年，各空氣質(zhì)量等級時間在全年有效時間中的占比由高到低的排列順序為：良(占54.3%)，輕度污染(占24.2%)，優(yōu)(占9.7%)，中度污染(占7.5%)，重度污染(占3.6%)，嚴(yán)重污染(占0.6%)；2017年全年各首要污染物的占比由高到低的排列順序為：PM2.5(占41.5%)，PM10(占26.1%)，O3(占25.2%)，NO2(占7.0%)，SO2(占0.6%)(圖1)。2018年，各空氣質(zhì)量等級時間在全年有效時間中的占比由高到低的排列順序為：良(占57.2%)，輕度污染(占19.4%)，優(yōu)(占17.2%)，中度污染(占4.7%)，重度污染(占1.4%)，未出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣；2018年全年各首要污染物的占比由高到低的排列順序為：PM2.5(占39.9%)，PM10(占34.6%)，O3(占26.8%)，NO2(占1.0%)，CO(占0.3%)，SO2未作為首要污染物出現(xiàn)(圖2)。2019年，各空氣質(zhì)量等級時間在全年有效時間中的占比由高到低的排列順序為：良(占51.9%)，優(yōu)(占23.2%)，輕度污染(占17.1%)，中度污染(占5.5%)，重度污染(占1.9%)，嚴(yán)重污染(占0.3%)；2019年全年各首要污染物的占比由高到低的排列順序為：O3(占39.9%)，PM10(占32.4%)，PM2.5(占29.9%)，NO2，SO2和CO未作為首要污染物出現(xiàn)(圖3)。

圖1 河北省昌黎縣2017年空氣質(zhì)量狀況

圖2 河北省昌黎縣2018年空氣質(zhì)量狀況

圖3 河北省昌黎縣2019年空氣質(zhì)量狀況

綜上：2017～2019年，昌黎縣空氣質(zhì)量以良為主，達(dá)標(biāo)天氣(優(yōu)和良)比例分別為：64.1%，74.4%和75.1%。2017～2019年，昌黎縣環(huán)境空氣中，以PM2.5，PM10和O3為主要污染物質(zhì)。

2.2 昌黎縣主要污染物隨各月份變化分析

統(tǒng)計結(jié)果表明：2017年，PM2.5，PM10，SO2和CO月均質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在1月份，分別為112，158，59 μg/m3和6.7 mg/m3；NO2出現(xiàn)在11月(66 μg/m3)；PM2.5，PM10，SO2和NO2最低質(zhì)量濃度分別出現(xiàn)在8月(27 μg/m3)，8月(52 μg/m3)，7月(10 μg/m3)和5月(35 μg/m3)；CO在7月和8月質(zhì)量濃度最低，為1.9 mg/m3；O3的最高質(zhì)量濃度和最低質(zhì)量濃度分別出現(xiàn)在6月份(244 μg/m3)和12月份(58 μg/m3)(圖4(a))。2018年，PM2.5，PM10和CO同在3月份出現(xiàn)最高月均質(zhì)量濃度，分別為：81，130 μg/m3和3.6 mg/m3；同年11月，SO2和NO2月均質(zhì)量濃度達(dá)到最高值，分別為：28，51 μg/m3；PM2.5和PM10月均最低質(zhì)量濃度出現(xiàn)在8月份，分別為：32，61 μg/m3；SO2和NO2月均最低質(zhì)量濃度出現(xiàn)在7月份，分別為：5，16 μg/m3；在7～8這2個月期間，CO也出現(xiàn)了最低平均質(zhì)量濃度1.5 mg/m3；O3最大和最小質(zhì)量濃度值出現(xiàn)在6月(218 μg/m3)和12月(60 μg/m3)(圖4(b))。2019年1月份，PM2.5，PM10，SO2，NO2和CO全部出現(xiàn)最高平均質(zhì)量濃度，分別為：68，116，31，48 μg/m3和4.0 mg/m3；PM2.5和PM10的最低平均質(zhì)量濃度出現(xiàn)在8月份，為24，39 μg/m3；NO2和CO分別在7月和6月出現(xiàn)最低質(zhì)量濃度，為21 μg/m3和1.3 mg/m3；O3質(zhì)量濃度最大值和最小值出現(xiàn)在5月(218 μg/m3)和12月(52 μg/m3)(圖4(c))。

圖4 河北省昌黎縣2017～2019年主要污染物月平均質(zhì)量濃度變化情況 圖5 河北省昌黎縣2017～2019年P(guān)M2.5與其他污染物的關(guān)系

2017～2019年，顆粒物PM10和PM2.5變化規(guī)律較同步，呈現(xiàn)先下降后升高的特點。由于PM2.5是PM10的一部分，因此PM2.5質(zhì)量濃度低于PM10。2種顆粒物質(zhì)量濃度均高于SO2和NO2。這是SO2和NO2在大氣化學(xué)機(jī)制作用下，轉(zhuǎn)化形成氣溶膠的結(jié)果。對于2種氣態(tài)污染物SO2和NO2而言，在夏季質(zhì)量濃度較低，冬季較高。SO2質(zhì)量濃度低于NO2。2019年，2者隨各月份的變化幅度較小。O3表現(xiàn)出與其他污染物質(zhì)不同的變化規(guī)律：夏季質(zhì)量濃度較高，冬季較低。CO與NO2同為機(jī)動車尾氣的主要成分，所以保持相近的變化趨勢。

2.3 顆粒物PM2.5與其他污染物相關(guān)性分析

2017～2019年，對昌黎縣空氣中PM2.5質(zhì)量濃度與其他污染物質(zhì)質(zhì)量濃度關(guān)系進(jìn)行分析(圖5)。分析表明：2017～2019年，PM2.5與其他污染物相關(guān)系數(shù)排序呈現(xiàn)相同規(guī)律：∣rPM10∣>∣rNO2∣>∣rSO2∣>∣rO3∣(表1～表3)。對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行假設(shè)檢驗，2017～2019年，∣rPM10∣>α0.01(=0.180)，∣rNO2∣>α0.01(=0.180)，∣rSO2∣>α0.01(=0.180)；∣rO3∣<α0.05(=0.153)。由此說明，PM2.5與PM10，SO2和NO2呈顯著正相關(guān)，且與PM10相關(guān)性最好。在氣態(tài)污染物中，與NO2相關(guān)性最好；PM2.5與O3不存在顯著的線性相關(guān)。

表1 河北省昌黎縣2017年P(guān)M2.5與其他污染物相關(guān)性分析

表2 河北省昌黎縣2018年P(guān)M2.5與其他污染物相關(guān)性分析

表3 河北省昌黎縣2019年P(guān)M2.5與其他污染物相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(HJ 633—2012)，當(dāng)0≤AQI≤50時，空氣質(zhì)量為優(yōu)，空氣質(zhì)量令人滿意，基本無空氣污染；當(dāng)51≤AQI≤100時，空氣質(zhì)量為良，空氣質(zhì)量可接受，但某些污染物可能對極少數(shù)異常敏感人群健康有較弱影響?？諝赓|(zhì)量為優(yōu)和良時，認(rèn)為是達(dá)標(biāo)時間。本次研究中，昌黎縣空氣達(dá)標(biāo)時間比例由2017年的64.4%上升至2019年的75.1%，說明昌黎縣空氣質(zhì)量持續(xù)改善。2019年，O3成為了首要污染物，時間比例接近40%，這一結(jié)果說明，污染防控的重點應(yīng)該由顆粒物控制轉(zhuǎn)為對O3和顆粒物的聯(lián)合防控。

2017～2019年，空氣中PM2.5，PM10，SO2和NO2的月均最高質(zhì)量濃度值都呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，這也印證了昌黎縣政府對大氣污染防治力度逐年加大，做到了精準(zhǔn)治污、精細(xì)化管控。除O3外其他5種污染物質(zhì)的月均最高質(zhì)量濃度集中出現(xiàn)在1月份、11月份和3月份，說明冬季燃煤取暖對污染物的產(chǎn)生有一定貢獻(xiàn)率。同時，冬季由于受大氣邊界層高度、靜穩(wěn)天氣指數(shù)、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素的影響，不利于污染物擴(kuò)散。O3月均質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在5月和6月，與前人研究結(jié)果相似[9]。這主要是受到溫度、太陽輻射強(qiáng)、日照時間等因素影響。在氣溫高、濕度低，并且陽光輻射強(qiáng)烈的氣象條件下，空氣中產(chǎn)生的自由基促使以O(shè)3為主的光化學(xué)煙霧的生成，因此，夏季O3污染嚴(yán)重。

有研究表明，PM2.5與O3的生成存在著復(fù)雜的聯(lián)系，二者不僅具有共同的前體物，而且在大氣中通過多種途徑相互影響[12,13]。因此，PM2.5與O3并不存在絕對的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。

通過本次研究，得到以下結(jié)論：2017～2019年，昌黎縣空氣質(zhì)量持續(xù)改善?？諝馕廴痉揽氐闹攸c應(yīng)該由對顆粒物控制轉(zhuǎn)為對O3和顆粒物的聯(lián)合控制，并且冬季的防控重點是顆粒物，夏季的防控重點是O3?？刂芇M10和NO2的排放，可以較好抑制PM2.5的產(chǎn)生。