氣象與地理因素對化工園區(qū)大氣污染指數(shù)的影響研究

楊斌 汪萬軍 張珊

摘 要： 為提升化工園區(qū)周邊空氣質量，探討氣象和地理因素對化工園區(qū)大氣污染指數(shù)的影響。以湖北省宜都市作為研究區(qū)域，先利用國家環(huán)境保護部和宜都市氣象局網(wǎng)站中的數(shù)據(jù)，分析了化工園區(qū)周邊空氣指數(shù)的影響因素，確定主要影響因子PM 2.5、PM 10和O 3隨季節(jié)變化的情況，并將其作為化工園區(qū)大氣污染指數(shù)的影響因子。然后結合氣象條件和地理因素，通過影響因子的Pearson系數(shù)，分析二者與污染指數(shù)變化的相關性，得出氣象與地理因素對化工園區(qū)大氣污染指數(shù)影響的變化規(guī)律。最后依據(jù)得出的規(guī)律，提出適宜化工企業(yè)周邊環(huán)境的保護措施，希望可借此降低化工企業(yè)帶來的空氣污染。

關鍵詞： Pearson系數(shù)；化工園區(qū)；大氣污染指數(shù)；逐時變化特征；氣象因素；地理因素

中圖分類號： X511;TQ085+.419

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0115-04

Study on the influence of meteorological and geographical factors

on the air pollution index of Chemical Industry Park

YANG Bin1，WANG Wanjun2，ZHANG Shan1

（1.Yichang Ecological Environment MonitoringCenter，Hubei Provincial Department of Ecology and Environment，

Yichang 443000 China;

2.Yidu Environmental MonitoringStation，Yichang 443000 China）

Abstract： In order to improve the air quality around the chemical industry park，the influence of meteorological and geographical factors on the air pollution index of the chemical industry park were studied.Yidu City in Hubei Province was selected as the research area.Data from the websites of the Ministry of Environmental Protection and Yidu Meteorological Bureau were first used to analyze the influencing factors of the air index around the chemical industry park，and the seasonal changes of the main influencing factors PM2.5，PM10 and O3 were determined as the influencing factors of the air pollution index of the chemical industry park.Then，combining meteorological conditions and geographical factors，the correlation between them and the change of pollution index was analyzed through Pearson coefficient of the influencing factors，and the changing law of the influence of meteorological and geographical factors on air pollution index of the chemical industry park was obtained.Finally，according to the law obtained，the protection measures suitable for the surrounding environment of chemical enterprises were put forward，hoping to reduce the air pollution caused by chemical enterprises.

Key words： pearson coefficient;chemical industry park;air pollution index;hourly variation characteristics;meteorological factors;geographical factors

現(xiàn)階段化工企業(yè)的廢氣主要來源于生產過程中通過物化、生化等反應形成的氣體及其排放污染物散發(fā)的氣體。每天從化工園區(qū)排出的廢氣量十分龐大，且種類復雜，造成較為嚴重的大氣污染。這一現(xiàn)象嚴重限制著社會經(jīng)濟發(fā)展，同時對人類的身體健康造成危害。如何有效控制和治理化工園區(qū)周邊空氣污染問題已經(jīng)成為當前研究的熱點話題[1]。隨著國內外研究的不斷深入，現(xiàn)階段有關化工園區(qū)周邊大氣污染指數(shù)變化分析的內容較少，將針對該類內容展開研究，獲取氣候和地理因素對化工園區(qū)周期大氣污染指數(shù)的影響，提出改進策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概述

本次研究區(qū)域為湖北省宜都市，該區(qū)域屬于亞熱帶季風氣候，冬冷夏熱，四季分明，且雨熱同期，其年平均氣溫達到16.7 ℃，年平均降水量達到1 235.3 mm。該地處于鄂西山地和江漢平原過渡地帶。西南地勢高竣，群山連綿，高程在250～800 m，東部為丘陵，海拔在50～250 m，地勢西南高、東北低，由西南向東北傾斜，是一個丘陵起伏的半山區(qū)。所研究的化工園區(qū)位于宜都市枝城鎮(zhèn)，該區(qū)域地勢開闊，有利于大氣污染物擴散。

1.2 數(shù)據(jù)來源

宜都市2019年每天PM 2.5、PM 10和O 3的日均濃度數(shù)據(jù)來自于國家設立的環(huán)境部網(wǎng)站，其氣象數(shù)據(jù)來自于宜都市氣象局。除此之外，本次還采用Sniffer 4D對化工園區(qū)的大氣污染物進行監(jiān)測，其裝置可裝配在無人機或汽車上。Sniffer 4D內含有GPS模塊和一套傳感器裝置，可記錄經(jīng)緯度坐標及高度，并對空氣中SO 2、CO、O 3、PM 2.5、PM 10等污染物濃度數(shù)據(jù)及溫濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù)進行采集。

1.3 指標選取

為有效確定化工園區(qū)周邊空氣污染的主要影響因素，結合空氣質量指數(shù)法對大氣污染指數(shù)進行評價指標選取?？諝赓|量指數(shù)法主要是通過6種常見污染物的濃度值，按照一定計算法則分別獲取各項污染分指數(shù)，最后將最大分指數(shù)確定為空氣質量指數(shù)（AQI）[2-4]。由環(huán)境空氣質量指數(shù)規(guī)定，獲取AQI對應的計算式：

AQI=max ?IAQI 1，IAQI 2，…，IAQI n ???（1）

式中： IAQI 代表空氣質量指數(shù)； n 代表污染項目[5]?？諝赓|量指數(shù)是評價大氣質量狀況的綜合性指標，主要利用化工園區(qū)周邊AQI值[6-8]。按照空氣質量分級標準科學評估化工園區(qū)周邊大氣質量情況，具體劃分等級如表1所示。

2 結果與分析

2.1 氣候與地理因素對污染指標影響的關聯(lián)性分析

典型污染事件發(fā)生時的空氣質量數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，在整個污染過程中存在十分嚴重的污染時段，且其持續(xù)時間較長?；@區(qū)中污染物的積累、擴散以及稀釋過程會受到不同因素的影響，尤其是在特定的污染環(huán)境下，大氣污染指數(shù)會受到氣象條件等相關因素的影響。為分析重污染過程產生的負面影響，本次研究將針對城市12月份化工園區(qū)周邊空氣重污染及非重污染期間不同氣象要素值進行計算，其具體結果如表3所示。

2.1.1 氣象因素對化工園區(qū)周邊空氣質量的影響

分析表3可知，在重污染期間的風速和風級明顯低于非重污染期間，由此可證明風速較小時不利于污染物的擴散。當風等級較大時，氣流移動速度會增加，污染物擴散的速度也會增加，化工園區(qū)周邊的空氣并不會受到較為嚴重的污染。并且，在化工園區(qū)周邊空氣處于重污染期間，其當?shù)氐臏囟群蜐穸扰c之前相比明顯偏高。由此可見，氣象條件風速風級較小，相對濕度較大，并不利于污染物的擴散，容易對大氣質量產生嚴重影響[8]，所以氣象條件也是該污染時段中十分重要的一個因素。為更好地掌握重污染研究期間氣團的來源以及輸送軌跡，通過MeteoInf軟件計算獲取距離地面500 m高度3 d內的運動軌跡。結合氣象條件分析可知，此次重度污染受到外部輸送以及區(qū)域傳輸?shù)挠绊懀虼?，進行大氣污染聯(lián)防聯(lián)控具有重要意義

Pearson相關系數(shù)是統(tǒng)計學中涉及的一項重要線性相關系數(shù)方法，可通過以下幾種方法判斷各個變量間的相互線性關系。按照Pearson相關系數(shù)的大小，對其相關性進行分類，劃分結果如表4所示：

以下主要借助Pearson相關性分析方法和Spss軟件衡量PM 2.5、PM 10和O 3這3種大氣污染物質量濃度和氣象要素之間的相關關系。為更好地描述氣象條件對宜都市化工園區(qū)周邊不同污染物濃度的影響，將2019年宜都市每天PM 2.5、PM 10和O 3的日均濃度作為基礎數(shù)據(jù)，分析其與當?shù)貧庀笠刂g的相關關系，具體結果如表5～表7所示。

由表5～表7可知，從年尺度分析，PM 2.5與溫度、相對濕度及風速3個氣象條件間呈負向相關關系，其中負相關性最大的氣象條件為溫度，相關系數(shù)為-0.982。這主要是由于當?shù)孛鏆鉁卦黾忧沂艿蛪嚎刂茣r，各個方向的氣流開始逐漸向中心移動，此時中心氣流呈直線上升趨勢，能有效促進污染物向上方擴散；而當?shù)孛鏈囟认陆登沂艿娇諌嚎刂茣r，可有效抑制污染物的擴散，容易導致地面污染物大量聚集，污染物濃度增加。從季節(jié)尺度分析，PM 2.5在各個季節(jié)中均與溫度條件呈負相關關系，這與其濕度條件的關系不同，PM2.5在春季、秋季與相對濕度呈負相關，在夏季冬季呈正相關。夏季和冬季與相對濕度之間的相關系數(shù)較小，主要是因為降水會對懸浮物在空氣中的污染物具有一定沖刷作用，促使PM 2.5的濃度降低；PM 2.5和風速在春秋季節(jié)呈現(xiàn)較為明顯的負相關關系，主要是因為風速較小，大氣環(huán)境相對穩(wěn)定，水平以及垂直擴散條件十分差，污染物十分容易在區(qū)域內形成停滯或者沉積，而由于春季和秋季的風速較大，PM 2.5的集聚與風速的相關性較小。

針對PM 10而言，在年尺度上，PM 10與溫度及濕度呈現(xiàn)較為明顯的負相關關系，與風速之間的相關性較小。其中，PM 10與溫度之間的相關性較強，而與相對濕度相關性較弱主要是由于相對濕度增加時，顆粒物發(fā)生吸收膨脹，形成濕沉降。當濕度達到一定閾值時會引發(fā)降水，對顆粒物起到?jīng)_刷作用。在季節(jié)尺度上，PM 10在春季與相對濕度呈現(xiàn)較為明顯的負相關；PM 10在春季和風速呈現(xiàn)出十分明顯的正相關，再次證明春季大風天氣對PM 10的影響；在冬季，則與春季呈相反狀態(tài)，PM 10和風速呈較為明顯的負相關。

對于O 3而言，在年尺度上，O 3與溫度及風速呈現(xiàn)出相對較強的正相關。在季節(jié)尺度上，O 3在各個季節(jié)均與溫度呈現(xiàn)出十分明顯的正相關；在春冬季O 3和相對濕度呈現(xiàn)出十分明顯的負相關，而在夏季和秋季相關性的關系并不明顯。當風速達到一定取值時，污染物濃度會以水平方向進行擴散，而此時O 3與風速呈現(xiàn)負相關。

2.1.2 地理位置對空氣質量的影響：

地理位置對化工園區(qū)周邊空氣質量影響較大，該城市屬于內陸城市，相比于沿海城市，風速較小，且整體的空氣流動性較差，受地形風影響顯著，這會促使污染物積聚現(xiàn)象發(fā)生。利用圖1給出2019年J城市的PM 2.5、PM 10濃度分布情況。

由圖1可知，為更進一步分析地理位置對化工園區(qū)周邊空氣質量的影響，需要優(yōu)先收集某城市各個化工城市的地理位置信息，獲取具體的位置分布圖。通過分析可以看出，城市所處的地理位置主要影響風速和大氣壓溫度等信息，山區(qū)的影響較為明顯。

2.2 化工園區(qū)周邊空氣質量改善策略

（1）城市在規(guī)劃化工園區(qū)地址時不能建立在整體空氣流動性較差的區(qū)域，十分容易導致污染物堆積。大氣污染物容易受到地形風以及逆溫條件的影響。為有效緩解化工園區(qū)的污染情況，需要在附近組建通風廊道系統(tǒng)，通過系統(tǒng)有效改善城區(qū)的微氣候，促使冷空氣能夠快速流通到化工園區(qū)周邊，全面加強空氣流通，最終達到祛濕散熱、降低溫度、促進污染物稀釋的目的。在通風廊道實施的過程中，需要合理布局建筑物的高度以及密度，有效避免空氣流動的瓶頸區(qū)；

（2）由于大部分化工園區(qū)的企業(yè)的分布狀態(tài)呈多且散的特點，這些產業(yè)布局的特點最終會導致城市的空氣污染程度高于相同區(qū)域內的其它城市。分析某城市的空氣污染現(xiàn)狀，需要進一步優(yōu)化化工產業(yè)的布局，在遠離市民居住且處于主導風下風向的郊區(qū)設立工業(yè)點位，有效改善由于化工園區(qū)布局不合理而導致的空氣污染；

（3）城市空氣質量的好壞還與職能部門的政策管理存在較大關聯(lián)，需要進一步加強地方政府的環(huán)保意識。即一方面出臺嚴格的大氣環(huán)境保護法律以及獎懲制度，禁止不合法行為，全面推行最低排放政策，以此來達到節(jié)約能源、減少污染物排放、提升化工園區(qū)生產效率的目的。另一方面，嚴格落實污染實時監(jiān)測，要求不符合需求的化工園區(qū)撤離工業(yè)園區(qū)，嚴防應付檢查以及數(shù)據(jù)造假等不良行為。

除此之外，化工園區(qū)還應加強周邊污染治理工作，對料場堆放進行嚴格管控，同時需進一步加強化工園區(qū)周邊綠化，有效改善空氣質量。

3 結語

針對化工園區(qū)周邊的首要污染物特征變化規(guī)律進行分析，獲取的首要污染物空間分布差異顯著。各個首要污染物的季節(jié)分布為春季和秋季，其中PM 2.5、PM 10和O 3出現(xiàn)的頻率最高，是化工園區(qū)周邊的主要污染物。針對其地理環(huán)境對其大氣污染指數(shù)的影響，內陸城市且周遭環(huán)山等風速較小的區(qū)域，容易引起污染物積聚，對其大氣污染指數(shù)變化造成較大影響，可通過相關策略提升園區(qū)周邊的空氣質量。

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