石家莊市大氣污染現(xiàn)狀及污染特征分析

翟紅兵，魏鵬冉，張小林

(石家莊市危險(xiǎn)廢物和輻射環(huán)境監(jiān)督管理中心，河北石家莊 050011)

石家莊市大氣污染現(xiàn)狀及污染特征分析

翟紅兵，魏鵬冉，張小林

(石家莊市危險(xiǎn)廢物和輻射環(huán)境監(jiān)督管理中心，河北石家莊 050011)

為摸清石家莊市大氣污染現(xiàn)狀及特征，對(duì)石家莊市2002—2011年的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，石家莊的空氣質(zhì)量總體呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，優(yōu)良天數(shù)逐年增長(zhǎng)，大氣中3項(xiàng)主要污染物濃度連續(xù)2年均達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PM10，SO2年均濃度呈顯著下降，NO2年均濃度則呈上升趨勢(shì)。污染物日變化各季節(jié)大致相同，其時(shí)空分布不均勻，SO2與PM10夏季濃度較低，春冬季較高，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征；NO2季節(jié)性特征不顯著。

空氣質(zhì)量；污染現(xiàn)狀；污染特征；石家莊市

城市的大氣污染和當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市布局、地理環(huán)境、氣象條件和機(jī)動(dòng)車數(shù)量等有很大關(guān)系，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)、工業(yè)化和城市化的發(fā)展使中國(guó)的GDP每年都保持在8%～9%[1-6]。石家莊市作為一個(gè)北方典型的工業(yè)城市，城市化發(fā)展異常迅猛，經(jīng)濟(jì)一直保持較快的增長(zhǎng)[7-10]?！笆晃濉逼陂g全市GDP 由226億元增長(zhǎng)至300億元以上，年均增長(zhǎng)率約為13%，尤其是實(shí)施三年大變樣以來，城市的市政建設(shè)發(fā)生了很大改觀。近年來，隨著交通設(shè)施的完善和人民生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車保有量超過162萬輛[11]。工業(yè)規(guī)模和機(jī)動(dòng)車出行需求的不斷擴(kuò)大，使石家莊市亦面臨空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境惡化的巨大壓力。隨著石家莊市提出的建設(shè)生態(tài)石家莊的要求，今年又相繼開展創(chuàng)建“環(huán)保模范城市”和“藍(lán)天碧水”工程，要求大力改善城市的環(huán)境空氣質(zhì)量及水環(huán)境質(zhì)量。本研究以石家莊市近10年的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析石家莊市區(qū)環(huán)境空氣中可吸入顆粒物、二氧化硫和二氧化氮(PM10，SO2和NO2)的年際變化趨勢(shì)、季節(jié)性變化規(guī)律、日變化規(guī)律和空間分布特征，探討城市發(fā)展過程中空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)及影響因素，為石家莊市改善空氣質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 石家莊市空氣質(zhì)量狀況分析

1.1污染物年度變化趨勢(shì)

到2011年底，石家莊市區(qū)環(huán)境空氣中PM10，SO2和NO2的年日均值分別為0.099，0.051，0.041 mg/m3，3項(xiàng)污染物年日均值均達(dá)到了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。全年二級(jí)及優(yōu)于二級(jí)的天數(shù)達(dá)到320天，占總天數(shù)的87.7%。其中：一級(jí)天數(shù)為36天，占總天數(shù)的9.8%；二級(jí)天數(shù)為284天，占總天數(shù)的77.8%；三級(jí)天數(shù)為45天，占總天數(shù)的12.3%。3項(xiàng)污染物中PM10質(zhì)量濃度呈逐年下降趨勢(shì)：2002年為0.179 mg/m3，2011年達(dá)到0.099 mg/m3，下降44.7%。SO2改善幅度明顯：2002年為0.155 mg/m3，2011年達(dá)到0.051 mg/m3。NO2指標(biāo)在10年中呈起伏變化趨勢(shì)，在2008年達(dá)到最小值0.031 mg/m3后逐年呈上升趨勢(shì)，2011年猛增到0.069 mg/m3，比上年度升高64.3%，比2002年升高12.5%。

圖1 污染物年度變化趨勢(shì)Fig.1 Annual variation trend of pollutants

1.2空氣質(zhì)量季節(jié)性變化規(guī)律

3項(xiàng)污染物(PM10，SO2和NO2)季節(jié)性變化非常明顯，將石家莊市區(qū)2002～2011年所有監(jiān)測(cè)子站3項(xiàng)污染物的日平均濃度按冬(1月)、春(4月)、夏(7月)和秋(10月)分別計(jì)算均值列于表1。

表1 污染物指標(biāo)

從表1可知，各污染物質(zhì)量濃度存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律,即冬季最高,春季次之；SO2的變化最明顯，冬季明顯高于其他季節(jié)；PM10規(guī)律類似，春季數(shù)據(jù)高于夏秋兩季，春季沙塵天氣出現(xiàn)較多；NO2全年變化不明顯，冬季略高于其他季節(jié)。2002—2011年石家莊市API指數(shù)大于三級(jí)天數(shù)各季度分布情況如圖2如示。

圖2 污染天數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of pollution days

由圖2可以看出，冬季污染明顯多于其他季節(jié)，特別是采暖期期間的1 ，11，12月份；夏季空氣質(zhì)量較好。統(tǒng)計(jì)過去5年出現(xiàn)的污染天數(shù)可以看出，API指數(shù)大于三級(jí)的天數(shù)大都分布在一、四季度，占所有污染天數(shù)的73.1%。

1.3空氣質(zhì)量日變化規(guī)律

匯總2002～2011年3項(xiàng)污染物小時(shí)濃度數(shù)據(jù)，分別對(duì)采暖期和非采暖期的污染物日變化特征進(jìn)行分析，得到趨勢(shì)圖，如圖3所示。3項(xiàng)污染物中PM10，SO2的24 h 趨勢(shì)大至相同，大氣中主要污染物24 h濃度峰值多出現(xiàn)于上午9：00～10：00時(shí)段，午后污染物濃度值逐漸下降至一天中的最低，20：00后又逐漸上揚(yáng)，呈周期性變化。采暖期期間SO2變化更為明顯些，非采暖期SO2濃度較低，一天內(nèi)的變化特征主要與石家莊市的地理位置、氣象條件、污染物排放及人類生活有關(guān)。首先，石家莊市大氣輻射逆溫變化通常從夜間開始，清晨達(dá)到最大，上午開始逐步減退，至中午左右消失，這種污染氣象特征是造成空氣中污染物在一日內(nèi)出現(xiàn)規(guī)律變化的主要因素。另外，每天清晨，人與車集中出行、交通流量大等導(dǎo)致的尾氣排放和揚(yáng)塵污染較重等因素作用，午后隨大氣對(duì)流混合的增加，近地污染物快速擴(kuò)散稀釋，NO2與空氣中O3的光化學(xué)反應(yīng)消耗使其濃度降低，決定了市區(qū)環(huán)境空氣中污染物濃度呈現(xiàn)“早峰午谷”的日變化特征[9]。

圖3 大氣污染物日變化規(guī)律Fig.3 Diurnal variation of atmospheric pollutants

1.4石家莊市空氣質(zhì)量空間特征

1.4.1 石家莊市區(qū)地面站監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

以石家莊市大氣常規(guī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位化工學(xué)校子站、職工醫(yī)院子站、平安電站子站、高新區(qū)子站、西北水源子站、西南高教子站和監(jiān)測(cè)中心子站分別代表市區(qū)內(nèi)東北工業(yè)區(qū)、居民文教區(qū)、商業(yè)交通區(qū)的污染情況。各子站是幾年來隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展陸續(xù)建成的，利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)位各項(xiàng)污染物2002—2011年平均濃度的分布情況，分析城市空氣污染物的空間變化。結(jié)果表明，主要大氣污染物在城市區(qū)域有不同的分布特征。石家莊市各自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)距地面3～15 m高度、方圓10 km2范圍內(nèi)環(huán)境空氣狀況，結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 石家莊市十年P(guān)M10分布Fig.4 PM10 distribution of Shijiazhuang in ten years

圖5 石家莊市十年SO2分布Fig.5 SO2 distribution of Shijiazhuang in ten years

由圖4可知，石家莊市區(qū)PM10污染普遍較重，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2002—2011年平均濃度均不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，在主城區(qū)內(nèi)的不同區(qū)域濃度值差別比較明顯，平安電站、西北水源、西南高教監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域PM10污染明顯偏高。這說明塵污染是一個(gè)大區(qū)域的環(huán)境問題，貢獻(xiàn)源種類多，分布散，影響范圍相應(yīng)較大。從區(qū)域方位角度講，PM10污染受塵污染源分布及氣象條件特別是風(fēng)向影響較大，位于主導(dǎo)風(fēng)向上的西北水源、平安電站濃度明顯高于其他點(diǎn)位。

由圖5可知，從各點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，2002—2011年市區(qū)SO2的污染水平存在一定差異，分布規(guī)律與PM10不同。具體表現(xiàn)如下：中心市區(qū)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)明顯高于主城區(qū)外的測(cè)點(diǎn)，西北水源和高新區(qū)的污染質(zhì)量濃度均值為0.046 mg/m3和0.052 mg/m3，主城區(qū)內(nèi)其余5個(gè)點(diǎn)位質(zhì)量濃度范圍為0.068～0.090 mg/m3，市區(qū)外側(cè)SO2污染水平較輕。這主要是因?yàn)镾O2污染源主要是工業(yè)和燃煤排放，污染分布受工業(yè)污染源和生活污染源的局部燃煤污染影響較大，而主城區(qū)內(nèi)人口相對(duì)密集，熱電廠、供熱站以及居民生活的燃煤污染源分布比較集中，污染物排放量大，直接造成了市區(qū)二環(huán)路范圍內(nèi)SO2污染比較嚴(yán)重。

由圖6可知，近10年石家莊市各點(diǎn)位NO2污染濃度范圍為0.030～0.043 mg/m3，區(qū)域差異不太明顯。比較各點(diǎn)位濃度的高低來看，NO2污染的區(qū)域分布與工業(yè)源及機(jī)動(dòng)車行駛密度分布關(guān)系密切。NO2污染濃度最高的3個(gè)測(cè)點(diǎn)均位于市區(qū)東北工業(yè)區(qū)及主要交通干線兩側(cè)，西南高教點(diǎn)位濃度最高，位于二環(huán)路和紅旗大街交匯處；其次為位于中山路且靠近大型公交停車場(chǎng)的化工學(xué)校點(diǎn)位和位于體育大街及槐安路附近的監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)位，這些測(cè)點(diǎn)毗鄰交通干線，機(jī)動(dòng)車行駛密度較大，受機(jī)動(dòng)車排放的NO2污染影響相對(duì)較重。

1.4.2 石家莊市區(qū)大氣梯度站監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

石家莊市的大氣梯度監(jiān)測(cè)分為距地20，86，116，200 m共4個(gè)層級(jí)，分別取1月、4月、7月、10月月均數(shù)據(jù)代表4個(gè)季節(jié)，如圖7—圖10所示。

圖7 1月污染物梯度分布Fig.7 Gradient distribution of pollutant in January

圖8 4月污染物梯度分布Fig.8 Gradient distribution of pullutants in April

圖9 7月污染物梯度分布Fig.9 Gradient distribution of pollutants in January

圖10 10月污染物梯度分布Fig.10 Gradient distribution of pollutants in October

由圖7—圖10可知，PM10在7月份平均濃度較低，各層面均好于國(guó)家年均標(biāo)準(zhǔn)值，其他季節(jié)都超過標(biāo)準(zhǔn)值，這個(gè)同地面站監(jiān)測(cè)規(guī)律一致，其垂直分布除春季20 m平均濃度最高外，其他季節(jié)86 m和116 m均高于20 m和200 m。這與秋冬季逆溫層及低空風(fēng)有關(guān)，城市300 m以下風(fēng)速隨高度升高逐漸增大，20 m平均風(fēng)速為1.8 m/s，按高度向上依次為2.0，2.1，3.1 m/s，200 m高度風(fēng)速最大。春季干燥多風(fēng)，近地塵污染較重，20 m平均質(zhì)量濃度最高達(dá)到0.112 mg/m3。

SO2濃度除冬季平均濃度超標(biāo)外，其他季節(jié)均達(dá)到國(guó)家年均標(biāo)準(zhǔn)，說明燃煤仍然是SO2濃度不達(dá)標(biāo)的主要原因，其垂直分布規(guī)律和PM10正相反，平均濃度兩頭高，中間略低，呈U形分布。

NO2趨勢(shì)按垂直分布夏季略高于20 m和200 m，其他季節(jié)越接近地面濃度越高，冬季近地20 m和86 m平均濃度超過國(guó)家年均標(biāo)準(zhǔn)值6%和28%，明顯與汽車尾氣及燃煤污染有關(guān)。

1.5石家莊灰霾天氣年變化規(guī)律及影響因素

霾的形成與污染物的排放密切相關(guān)，城市中機(jī)動(dòng)車尾氣以及其他煙塵排放源排出粒徑在微米級(jí)的細(xì)小顆粒物，停留在大氣中，當(dāng)逆溫、靜風(fēng)等不利于擴(kuò)散的天氣出現(xiàn)時(shí)，就形成霾。

氣象局統(tǒng)計(jì)石家莊市2001—2010年的灰霾天數(shù)如圖11所示。

由圖11可以看出：2005年以前石家莊市霾天數(shù)呈下降趨勢(shì)；2005年后開始逐年增多，特別是2007年，達(dá)到91天；2008年由于氣象條件改善和政府加大減排力度，灰霾天數(shù)大幅減少了68天；2009年后又略有上升。霾污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻且越來越引起社會(huì)廣泛關(guān)注。霾主要是細(xì)粒子污染，跟本地排放及區(qū)域長(zhǎng)距離輸送有關(guān)。所以控制本地減排的同時(shí)，加強(qiáng)區(qū)域的聯(lián)防聯(lián)控是防治霾污染的有效手段。

圖11 石家莊市2001—2010年的灰霾天數(shù)Fig.11 Haze days of Shijiazhuang City from 2001 to 2010

2 結(jié) 語

隨著石家莊市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的日益加快，給城市大氣污染控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是機(jī)動(dòng)車數(shù)量的劇增。從2001—2010年來看，石家莊市空氣質(zhì)量呈現(xiàn)逐步改善的變化過程，整體空氣質(zhì)量有一定好轉(zhuǎn)，PM10，SO2濃度下降明顯，但NO2下降趨勢(shì)不顯著，如果控制不好則可能上升，甚至成為首要污染物，機(jī)動(dòng)車快速增長(zhǎng)使NO2濃度上升明顯。同時(shí)石家莊市大氣污染具有明顯的時(shí)空變化規(guī)律，受氣候和地理環(huán)境的影響，石家莊市夏季污染物濃度水平明顯偏低，而秋冬季大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散，尤其是逆溫層較厚時(shí)，不利的天氣條件是污染防治的難點(diǎn)和重點(diǎn)?；姻蔡斐掷m(xù)周期長(zhǎng)于往年，使大氣中污染物累積時(shí)間更長(zhǎng)。目前，石家莊市加入了京津冀區(qū)域空氣質(zhì)量聯(lián)防聯(lián)控，在認(rèn)真抓好本地減排的同時(shí)，還要做好外來污染物的影響分析。

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Air pollution status and characteristics of Shijiazhuang City

ZHAI Hongbing， WEI Pengran, ZHANG Xiaolin

(Shijiazhuang Hazardous Waste and Rradiation Environmental Monitoring and Management Center, Shijiazhuang Hebei 050011, China)

Air quality data of Shijiazhuang City from 2002 to 2011 is analyzed to find out the air pollution situation and characteristics. The results show that, Shijiazhuang's air quality is integrally improved. Days of fairly good air quality grows year by year, the concentrations of three main pollutants meets in atmosphere the national secondary standard for consecutively two years, and the annual average concentrations of PM10and SO2decrease, while that of NO2increase. The diurnal variation of each pollutant in each season is roughly the same, but its spatial and temporal distribution is uneven, for SO2and PM10concentrations are lower in summer while higher in spring and winter, showing obvious seasonal characteristics. But NO2has no apparently seasonal characteristics.

air quality; pollution status; pollution characteristics; Shijiazhuang City

1008-1534(2013)04-0301-05

X323

A

10.7535/hbgykj.2013yx0419

2013-04-30;

2013-05-26

責(zé)任編輯：馮 民

翟紅兵(1967-)，男，河北石家莊人，工程師，主要從事環(huán)境質(zhì)量分析方面的研究。

E-mail：zhai01@yeah.net