重慶銅梁縣空氣質(zhì)量歷時演變與評價

周 彥，譚 偉，王書敏，杜 芬

1.銅梁縣環(huán)境保護局，重慶 402560

2.重慶文理學(xué)院水環(huán)境修復(fù)重點實驗室，重慶 402160

3.山東魯潤水務(wù)科技有限公司，山東 濟南 250101

近年來，由于國內(nèi)經(jīng)濟不斷發(fā)展、能源消耗規(guī)模不斷增加，機動車持有率迅速增長、城鎮(zhèn)化水平快速提高等問題不斷凸顯，城市空氣質(zhì)量已成為直接威脅人類健康的主要環(huán)境問題之一［1］。由于各地氣候條件、地形特征、能源結(jié)構(gòu)不同，城市空氣質(zhì)量也多有區(qū)別。北京［2］、武漢［3］、廈門［4］、上海、成都、廣州［5］等大城市先后進行了城市空氣質(zhì)量的監(jiān)測與分析。重慶主城區(qū)也進行了城市空氣質(zhì)量的調(diào)查研究，如空氣污染物空間分布［6］、時間分布［7］等，然而，對于偏遠地區(qū)小城鎮(zhèn)的空氣質(zhì)量問題則鮮有報道。

盡管近年來國內(nèi)城市空氣質(zhì)量問題已有顯著改善，但迫于能源消耗總量、城市交通車輛、極端氣候條件發(fā)生幾率等持續(xù)增加的巨大壓力，城市空氣質(zhì)量仍不容樂觀［8］，空氣污染已呈現(xiàn)出由中心大城市向衛(wèi)星城鎮(zhèn)輻射擴散的態(tài)勢。小城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量往往代表大城市空氣質(zhì)量的背景水平，其水平分布與演變規(guī)律對于中心城市空氣質(zhì)量有重要影響。以重慶銅梁縣為研究對象，分析該地近3年的空氣質(zhì)量水平，旨在探討快速城市化背景下小城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量的歷時演變規(guī)律，分析影響空氣質(zhì)量的主要原因，并為城市空氣質(zhì)量管理決策提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域

銅梁位于重慶市西北部，四川盆地東南，川中丘陵與川東平行嶺谷交接地帶，地跨105°46'～106°16'E，29°31'～ 30°06'N，距離重慶主城區(qū)60 km;重慶地區(qū)全年主導(dǎo)風向是東北風和北風，銅梁處于重慶主城區(qū)上風向;銅梁屬亞熱帶氣候，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，年平均氣溫17.8℃，歷年平均降雨量1 075 mm，年平均空氣相對溫度82%，年平均無霜期225 d。

監(jiān)測點位于銅梁縣龍門街(106°2'59.7″E，29°50'3.5″N)，海拔高度 292 m，相對地面高度20 m。自2010年起，在該監(jiān)測點進行了空氣質(zhì)量的逐日觀測。

1.2 空氣質(zhì)量評價方法

用空氣污染指數(shù)法對每日空氣質(zhì)量進行評價，計算方法分2步進行。首先按照公式(1)計算污染物分指數(shù);然后選取最大的分指數(shù)作為最后評價結(jié)果，并根據(jù)表1給出空氣質(zhì)量狀況。

式中，C大、C小分別為表1中距離污染物濃度C值最近的2個值;I大、I小分別為表1中距離污染指數(shù)最近的 2 個值［9］。

表1 污染物濃度-污染指數(shù)-空氣質(zhì)量表

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣污染物濃度歷時演變規(guī)律

統(tǒng)計分析了銅梁縣2010年7月—2012年12月空氣污染物濃度的時間分布特性，如圖1所示。

圖1 銅梁縣空氣污染物濃度時間分布

從圖1(a)可以看出，銅梁縣近3年污染物濃度呈波動性鋸齒狀分布。相對于《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)來說，SO2、NO2、O3的日均濃度基本上在標準值以內(nèi)，而PM10的日均濃度近3年來約有10%的天數(shù)超出標準值。相對于世界衛(wèi)生組織的推薦值來說(PM10和SO2的日均濃度分別為 50、20 μg/m3)［10］，PM10和 SO2的日均濃度超標天數(shù)則可分別達到43%和85%。

從圖1(b)可以看出，盡管污染物濃度在不同季節(jié)有所波動，但整體上 PM10、SO2濃度呈下降趨勢。冬季，PM10、SO2和NO2濃度較夏季高，可能是冬季靜風率高，污染物不易擴散所致;而O3的濃度分布則呈現(xiàn)出夏季高、冬季低的特點，這可能是由夏季紫外線照射引發(fā)的光化學(xué)煙霧現(xiàn)象所致。曲曉黎等［11］對石家莊空氣質(zhì)量的分析也發(fā)現(xiàn)冬季空氣質(zhì)量劣于夏季，與該研究結(jié)果相似。

從圖1(c)可以看出，NO2和 O3濃度有所增加，2012年年均濃度比2010年分別升高了14%和33%，這可能是交通車輛的快速增加引起汽車尾氣排放量迅速增加所致;PM10和SO2的年均濃度則逐年下降，2012年比2010年分別下降了34%和19%。同時，除了2010年 PM10的年均濃度超出《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)標準值24%以外，其余監(jiān)測指標近3年的年均濃度均滿足該標準的要求。然而，相對于世界衛(wèi)生組織提出的PM10年均濃度標準(20 μg/m3)來說，銅梁縣空氣質(zhì)量水平仍然面臨極大壓力。

為比較小城鎮(zhèn)與主城地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況，收集了重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量的研究結(jié)果，見圖2。

圖2 重慶主城區(qū)歷年空氣污染物濃度［12］

由圖2可知，這10余年來，重慶主城區(qū)污染物濃度整體上呈逐年下降趨勢。2010年 PM10、SO2、NO2的年均濃度分別為 102、50、40 μg/m3，相對于1998年，分別下降了56%、73%和29%。盡管污染物濃度下降幅度很大，相對于小城鎮(zhèn)來說，主城區(qū)的污染物濃度仍然處于相對較高的水平(2010年銅梁縣PM10、NO2的年均濃度分別為87、29 μg/m3)。但是，2011、2012 年主城區(qū) SO2、NO2的年均濃度已與小城鎮(zhèn)無顯著差異(主城區(qū)與銅梁縣的 SO2、NO2平均濃度分別為 38、37、32、35 μg/m3)，然而，主城區(qū) PM10的濃度水平(93、90 μg/m3)仍然顯著高于小城鎮(zhèn)。

2.2 空氣污染物相關(guān)性分析

用SPSS18.0統(tǒng)計分析了銅梁縣空氣污染物濃度與氣象參數(shù)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，見表2。

表2 空氣污染物濃度與氣象參數(shù)相關(guān)性分析(n=19 000)

由表2 可知，PM10、SO2、NO2濃度與溫度、風速呈顯著負相關(guān)性，而與大氣壓、相對濕度呈顯著正相關(guān)性，可能是由于溫度、風速的增加有利于提升低層空氣的不穩(wěn)定度，從而加劇了污染物的擴散和稀釋。同時，高大氣壓可能引起空氣體積壓縮，從而使污染物濃度增加，較高的相對濕度也有利于空氣微小顆粒的凝聚成核，進而引起顆粒污染物濃度的增加。與此相反，O3濃度則與溫度、風速呈正相關(guān)關(guān)系，與氣壓、相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系，可能是由于高O3濃度大多在晴朗高溫天氣出現(xiàn)的緣故。

2.3 空氣質(zhì)量評價

采用空氣污染指數(shù)法評價了銅梁縣近3年空氣質(zhì)量狀況，如圖3所示。

圖3 銅梁縣2010—2012年空氣質(zhì)量評價

由圖3可知，近3年來銅梁縣空氣質(zhì)量逐年提升，主要表現(xiàn)為輕度污染天數(shù)出現(xiàn)頻率的降低和優(yōu)、良空氣質(zhì)量天數(shù)出現(xiàn)頻率的穩(wěn)定提高。相對于2010年的空氣質(zhì)量狀況，2012年空氣質(zhì)量等級為優(yōu)和良的天數(shù)分別從36%、43%提高到41%、52%，而空氣質(zhì)量等級為輕度污染的天數(shù)則降低了9%。

空氣質(zhì)量狀況與當?shù)啬茉聪目偭亢湍茉唇Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。據(jù)研究，90%的SO2來自工業(yè)生產(chǎn)和火力發(fā)電消耗的煤炭［13］，同時，城市交通消耗的液體燃料又是空氣中氮氧化物的主要來源［14］。研究了銅梁縣統(tǒng)計局提供的2010—2012年銅梁能源消耗結(jié)構(gòu)(表3)。

表3 銅梁縣2010—2012年能源消耗結(jié)構(gòu)統(tǒng)計

由表3可知，2010—2012年以來，銅梁縣固液態(tài)能源消耗總量逐年降低，由2010年能源消耗總量138萬噸標準煤降低到了2012年的114萬噸標準煤(降低了17%);同時，天然氣、電力等清潔能源近3年的消耗量則呈上升趨勢，分別上升了49%和4%，這可能是銅梁縣近3年空氣質(zhì)量逐年提升的重要原因之一;值得注意的是，固液態(tài)能源中生物質(zhì)燃料、液化石油氣等較清潔能源的消耗逐漸增加，而煤矸石、原煤等污染強度較大的能源消耗量則逐年減少，這可能是銅梁縣空氣質(zhì)量逐年提升的另一個重要原因。

為進一步說明能源消耗與小城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量的關(guān)系，分析了污染物濃度與能源消耗量的相關(guān)性，見表4。

表4 空氣污染物濃度與能源消耗相關(guān)性分析(n=3)

由表4可知，SO2年均濃度與天然氣消耗量、其他燃料消耗量(除煤炭類、石油類外)呈顯著負相關(guān)，而NO2年均濃度則與其他焦化產(chǎn)品(焦炭除外)消耗量顯著正相關(guān)，PM10年均濃度與煤制品消耗量呈顯著正相關(guān)，這進一步說明了銅梁地區(qū)能源消耗結(jié)構(gòu)對當?shù)乜諝赓|(zhì)量有一定程度的影響。

3 結(jié)論

1)空氣污染物濃度與氣象參數(shù)相關(guān)性分析表明，PM10、SO2、NO2濃度與溫度、風速呈顯著負相關(guān)性，而與大氣壓、相對濕度呈顯著正相關(guān)性;O3濃度則與溫度、風速呈正相關(guān)關(guān)系，與氣壓、相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系。

2)空氣污染物濃度時間分布分析和評價結(jié)果表明，NO2和O3濃度呈上升趨勢，2012年年均濃度比2010年分別升高了14%和33%，PM10和SO2的年均濃度則呈下降趨勢，2012年年均濃度比2010年分別下降了34%和19%?？傮w上看，小城鎮(zhèn)空氣污染物年均濃度基本能滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)的要求，空氣質(zhì)量狀況逐年改善。

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