武漢市降塵污染特征及影響因素

周 珂，郭姝荃，周新萌，范 穎，鄭燕萍

武漢市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖北 武漢 430015

武漢市降塵污染特征及影響因素

周 珂，郭姝荃，周新萌，范 穎，鄭燕萍

武漢市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖北 武漢 430015

以武漢市2006—2013年降塵數(shù)據(jù)為例，采用SPSS19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析了中部地區(qū)內(nèi)陸城市的降塵污染特征及其影響因素。結(jié)果表明，月均降塵污染呈5月峰、11月谷三次曲線型，季節(jié)降塵污染呈春季>夏季>冬(秋)季，年均降塵量呈顯著下降趨勢(shì)。各功能區(qū)降塵量差異顯著，從多到少順序依次為工業(yè)區(qū)>交通稠密區(qū)>居商工混區(qū)>清潔區(qū)。根據(jù)主成分分析結(jié)果，對(duì)于武漢這類(lèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的中部?jī)?nèi)陸城市來(lái)說(shuō)，氣象因素是影響降塵的重要外在因素。社會(huì)因素是主要內(nèi)在影響因素，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子的影響高于環(huán)境建設(shè)因子。

大氣降塵；時(shí)空分布；氣象因素；社會(huì)因素；主成分分析；內(nèi)陸城市；武漢

大氣降塵是一種物質(zhì)與能量傳輸?shù)闹匾浇?，是指粒徑大?0 μm、能自由沉降到地面上的固體顆粒物[1]。降塵粒徑較大，沉降速度快，飄散傳播距離短，跨區(qū)域污染影響較小，是反映本地大氣顆粒物污染的指標(biāo)之一[2-4]。目前的降塵研究多針對(duì)西、北部城市等干旱和半干旱地區(qū)，其降塵量主要受揚(yáng)塵、燃煤和氣候的影響[5-9]，這些影響因素與中部?jī)?nèi)陸城市有著較大差異。本文以典型中部?jī)?nèi)陸城市武漢市2006—2013年城市降塵量為樣本，利用社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS19.0)分析降塵污染變化規(guī)律和趨勢(shì)，從城市功能區(qū)角度分析降塵空間分布和來(lái)源，并利用主成分法分析氣象和社會(huì)影響因素，為中部地區(qū)內(nèi)陸城市防治大氣降塵污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域概況

武漢市位于中緯度內(nèi)陸和長(zhǎng)江中游平原地帶，受城市熱島效應(yīng)和伏旱時(shí)副高壓控制，屬于典型中部?jī)?nèi)陸城市氣候(冬冷夏熱，雨量充沛，日照充足)，集熱容易散熱難，靜風(fēng)頻率高。武漢市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)顯示，顆粒物為影響大氣環(huán)境的首要污染物。研究表明，武漢大氣降塵中存在著重金屬[10]。這些金屬污染物以及沙塵暴帶來(lái)的遠(yuǎn)源粉塵可能是人類(lèi)呼吸系統(tǒng)疾病的主要致病因子[11-13]。因此，近年來(lái)政府和公眾高度關(guān)注大氣顆粒物、降塵等污染問(wèn)題。

1.2 數(shù)據(jù)采集

武漢市共設(shè)24個(gè)降塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖1。采樣及分析按照《環(huán)境空氣 降塵的測(cè)定 重量法》(GB/T 15265—1994)要求完成。由于大氣降塵監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多[14-15]，研究中剔除了明顯低于或異常高于歷年水平的異常數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣降塵污染特征分析

2.1.1 月季變化

通過(guò)分析武漢市8年的月均降塵量，建立擬合方程y=ax3+bx2+cx+d(y為月均降塵量，x為月份序列，見(jiàn)圖2)。武漢市8年月均降塵量呈現(xiàn)5月峰、11月谷的三次曲線型(P=0.011)。其中降塵量最多的5月占全年降塵量的9.6%，降塵量最少的11月占全年降塵量的7.6%，5月的月均降塵量高出11月26.9%。4—5月與9月至次年2月之間的月均降塵量差異顯著(P<0.05)。對(duì)逐年內(nèi)的月均降塵量進(jìn)行三次曲線模型擬合，也得到了類(lèi)似規(guī)律。

根據(jù)中部地區(qū)常年氣象情況，劃分3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季，各季降塵量從多到少變化規(guī)律為春季>夏季>冬(秋)季。春季降塵量占全年比例最高，為全年降塵的28.0%，秋季降塵量占全年比例最低，為23.6%。春季與其他3個(gè)季節(jié)降塵量均值差異顯著(P<0.05)，其他季節(jié)之間差異不顯著。武漢市春季降塵量比秋季僅高出17.7%，整體看中部?jī)?nèi)陸城市降塵量的季節(jié)性差異相對(duì)較小，污染狀況也相對(duì)較輕[16-19]，與西、北部城市的降塵量呈現(xiàn)2～3倍的季節(jié)差異不同。

中部?jī)?nèi)陸城市的春季降塵污染最重[20-22]。有研究顯示，每年由我國(guó)西北部沙塵越過(guò)秦嶺抵達(dá)長(zhǎng)江中下游地區(qū)所形成的浮塵天氣在5 d以上[23]。北方沙塵被輸送到長(zhǎng)江中下游地區(qū)，隨氣流和雨水降落地表，形成降塵。某些內(nèi)陸城市春季降塵的粒度組成特征與其他月份有顯著差異，推測(cè)為北方沙塵輸送至內(nèi)陸城市過(guò)程中的各種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致[24-25]。因此，北方沙塵及高空浮塵為武漢等中部?jī)?nèi)陸城市降塵污染重要的外來(lái)源[26-27]。

中部?jī)?nèi)陸城市的秋、冬季降塵污染狀況相對(duì)較輕。西、北部城市的集中燃煤采暖會(huì)加重秋、冬季的降塵污染，有地區(qū)甚至將降塵污染研究期分為“采暖期”和“非采暖期”[28]。而目前大部分中部?jī)?nèi)陸城市尚未集中供暖，此時(shí)工業(yè)、建筑和道路施工基本穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有所減緩。研究顯示，在整體排污狀況基本穩(wěn)定的情況下，下墊面狀況是影響降塵的重要因素[29]。盡管秋、冬季中部?jī)?nèi)陸城市的空氣質(zhì)量狀況比其他季節(jié)差，但此時(shí)靜穩(wěn)天氣頻現(xiàn)，低層空氣對(duì)流較弱，近地面風(fēng)速小，起塵的動(dòng)力條件減弱，降塵污染相對(duì)最輕。

2.1.2 空間分布

根據(jù)武漢市城市功能區(qū)劃和降塵來(lái)源，將24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)劃分為清潔區(qū)、居商工混區(qū)、交通稠密區(qū)和工業(yè)區(qū)。各功能區(qū)降塵量從多到少依次為工業(yè)區(qū)>交通稠密區(qū)>居商工混區(qū)>清潔區(qū)(P<0.05)，4類(lèi)功能區(qū)降塵量均值之間差異顯著(見(jiàn)圖3)。

注：“*”表示均值差的顯著性水平為0.05；“工”型上限代表1/4高值，下限代表3/4高值。

武漢市近年來(lái)不斷深入推進(jìn)全國(guó)中心城市建設(shè)，基礎(chǔ)設(shè)施、軌道施工等造成了大量的施工揚(yáng)塵，這里將周邊建設(shè)集中的測(cè)點(diǎn)納入工業(yè)區(qū)一并統(tǒng)計(jì)。結(jié)合功能區(qū)降塵特征可初步推斷武漢降塵的本地源主要是施工塵、工業(yè)塵和交通塵。武漢市包括建設(shè)工地在內(nèi)的工業(yè)區(qū)的降塵量占全市降塵量的35.3%，降塵貢獻(xiàn)率最高。其次，交通稠密區(qū)的降塵量占全市降塵量的28.8%。武漢機(jī)動(dòng)車(chē)保有量和公路建設(shè)量逐年攀升，汽車(chē)尾氣和道路交通二次揚(yáng)塵等交通源成為另一主要塵源。

2.2 大氣降塵污染變化趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著建成區(qū)的不斷擴(kuò)大，清潔區(qū)內(nèi)人口密度和工、商業(yè)行為不斷增加，加重了清潔區(qū)的降塵污染。根據(jù)秩排序結(jié)果，清潔區(qū)秩相關(guān)系數(shù)已接近顯著變化的臨界值(P=0.048)，降塵量有潛在上升趨勢(shì)，必須控制這些外部因素以保證該區(qū)的環(huán)境功能。除居商工混區(qū)外，武漢市全市、交通稠密區(qū)和工業(yè)區(qū)年均降塵量分別以每年3.1%、4.2%、5.1%的速度顯著下降(P<0.05)，見(jiàn)表1和圖4。

表1 2006—2013年武漢市降塵量及其變化趨勢(shì)

注：“** ”表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖4 2006—2013年武漢市各功能區(qū)年均降塵量變化趨勢(shì)

武漢市近年來(lái)采取了一系列工業(yè)企業(yè)污染整治和環(huán)境綜合治理措施：推動(dòng)燃煤鍋爐實(shí)施煙氣脫硫改造，除塵設(shè)備升級(jí)；強(qiáng)化污染源綜合管理，嚴(yán)格控制工地?fù)P塵；增加城市道路沖洗保潔頻次，實(shí)施降塵作業(yè)；減少機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放，提升車(chē)用燃油品質(zhì)，加快推進(jìn)高排量機(jī)動(dòng)車(chē)更新淘汰等。這些防塵措施是切實(shí)可行的，已取得了實(shí)效。

2.3 大氣降塵污染影響因素

有研究顯示，氣候因素影響相對(duì)集中，社會(huì)因素的影響復(fù)雜而分散[30]，本文運(yùn)用主成分法分別分析氣象和社會(huì)影響因素。

2.3.1 氣象因素影響

運(yùn)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算出相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值、因子貢獻(xiàn)率及旋轉(zhuǎn)前因子載荷陣，見(jiàn)表2。計(jì)算得到的前2個(gè)主成分的特征值分別為2.921和2.011，貢獻(xiàn)率分別為41.729%和28.735%，累積貢獻(xiàn)率為70.464%，表明前2個(gè)主成分能夠概括大部分氣象信息。

表2 氣象因素與降塵量旋轉(zhuǎn)成分矩陣及Pearson相關(guān)性

注：“** ”表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

第一主成分對(duì)氣壓、氣溫、日照時(shí)間載荷較高，可稱(chēng)為熱-壓因子。這3項(xiàng)因子的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.186、0.171、0.219(P<0.1)，說(shuō)明低熱-高壓條件下降塵量少。第二主成分對(duì)相對(duì)濕度、雨日載荷較高，可稱(chēng)為濕度因子。相對(duì)濕度Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.539(P<0.01)，經(jīng)檢驗(yàn)為顯著相關(guān)，說(shuō)明高濕度條件下降塵量少。

2.3.2 社會(huì)因素影響

在24個(gè)社會(huì)因素中選擇前17個(gè)主要因子(P<0.05)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。前2個(gè)主成分的特征值分別為9.394和6.788，貢獻(xiàn)率分別為55.260%和39.931%，累積貢獻(xiàn)率為95.191%，表明前2個(gè)主成分能夠概括絕大部分社會(huì)因素信息。

表 3 社會(huì)因素旋轉(zhuǎn)成分矩陣

注：24項(xiàng)社會(huì)因子中，糧食種植面積(萬(wàn)hm2)、木材采伐量(m3)、建成區(qū)綠化覆蓋率(%)、煙塵排放總量(萬(wàn)t)、造林面積(hm2)、人均公共綠地面積(m2)、全市戶(hù)籍人口(萬(wàn)人)等7項(xiàng)因子相對(duì)降塵量的顯著性大于0.05，因此不納入主成分分析。

17個(gè)社會(huì)影響因素中僅工業(yè)煙塵排放量與降塵量呈正相關(guān)(Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.782)，其余影響因素均為負(fù)相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.931到-0.718)。第一主成分中載荷較高的因子包括GDP、三大產(chǎn)業(yè)增加值等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)投資等與經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)的社會(huì)發(fā)展指標(biāo)，因此將第一主成分統(tǒng)稱(chēng)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子。第二主成分中載荷較高的因子包括了森林覆蓋率、公園綠地面積等環(huán)境保護(hù)指標(biāo)和工業(yè)廢氣、煙塵排放量等污染排放指標(biāo)，因此將第二主成分統(tǒng)稱(chēng)為環(huán)境建設(shè)因子。

從影響降塵量的氣象因素和社會(huì)因素的載荷來(lái)看，社會(huì)因素的載荷絕對(duì)值高于氣象因素。載荷絕對(duì)值大于0.800的社會(huì)因素有14個(gè)(占82.3%)，氣象因素有4個(gè)(占57.1%)。社會(huì)因素第一主成分中11項(xiàng)因子的載荷值有10項(xiàng)高于0.800，第二主成分中6項(xiàng)因子的載荷值有4項(xiàng)高于0.800。說(shuō)明社會(huì)因素對(duì)武漢市降塵量的影響要大于氣象因素，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子的影響又要高于環(huán)境建設(shè)因子。

對(duì)于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的西北部地區(qū)，氣候條件可能決定著生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣，資源消耗型的不良經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)甚至對(duì)生態(tài)環(huán)境有一定負(fù)面影響[30]。但對(duì)于武漢市這類(lèi)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)展的中部?jī)?nèi)陸區(qū)域，經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素才是決定生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化。這幾年，武漢市經(jīng)濟(jì)水平發(fā)生了巨大變化，GDP等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷提高，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、機(jī)動(dòng)車(chē)保有量、交通客貨運(yùn)輸?shù)葘?duì)環(huán)境不利的因素逐年增加，但森林覆蓋率、公園綠地面積等環(huán)境保護(hù)建設(shè)在加強(qiáng)，而工業(yè)煙塵、廢氣排放量逐年下降，降塵污染逐年減輕。可見(jiàn)，對(duì)城市降塵污染的控制需要在高質(zhì)量發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)加強(qiáng)生態(tài)文明的建設(shè)[31-33]。

3 結(jié)論

1)武漢市的月均降塵量呈現(xiàn)5月峰、11月谷三次曲線型，各季降塵量從多到少順序依次為春季>夏季>冬(秋)季。各功能區(qū)的降塵量從多到少順序依次為工業(yè)區(qū)>交通稠密區(qū)>居商工混區(qū)>清潔區(qū)，施工塵、工業(yè)塵和交通塵源是造成降塵污染的主要本地源。

2)武漢市的降塵量總體呈逐年下降趨勢(shì)，特別是工業(yè)區(qū)和交通稠密區(qū)的降塵量下降明顯，說(shuō)明這幾年采取的工業(yè)企業(yè)污染整治、施工揚(yáng)塵污染治理和機(jī)動(dòng)車(chē)污染控制等措施是切實(shí)可行的，取得了實(shí)效。

3)通過(guò)主成分分析表明，氣象條件是影響降塵量的重要外在因素，總體呈現(xiàn)高壓-低溫、高濕情況下降塵量少的特點(diǎn)。社會(huì)因素的載荷絕對(duì)值高于氣象因素，可見(jiàn)社會(huì)因素對(duì)武漢市降塵量的影響要大于氣象因素，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子的影響高于環(huán)境建設(shè)因子。社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況是決定生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的主要內(nèi)在因素，高質(zhì)量的可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)帶動(dòng)環(huán)境綜合整治和社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，從而促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化。

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Feature and Cause Analysis of Dustfall Pollution of Wuhan

ZHOU Ke, GUO Shuquan, ZHOU Xinmeng, FAN Ying, ZHENG Yanping

Wuhan Environmental Monitoring Centre, Wuhan 430015, China

The dustfall content in Wuhan from 2006 to 2013 was statistically analyzed by using SPSS19.0 as a case study to analyze the feature and cause of dustfall pollution in middle inland cities. The result showed that monthly dustfall had the highest content in May and the lowest content in November which can be presented as a cubic curve, seasonal dustfall content appeared as spring>summer>winter(autumn), the average annual dustfall content has significantly fall. There were obvious differences among four functional districts:industrial>heavy traffic>commercial mix residential>clean background. According to the result of principle component analysis, meteorological factors are the important extrinsic factor for the developing middle inland cities such as Wuhan; however social factors are the major intrinsic factor. In addition, economic developing indicators have more impact than environmental constructing indicators.

dustfall;temporal and spatial distribution;meteorological factors;social factors;principal component analysis;inland city;Wuhan

2014-12-23;

2015-05-26

周 珂(1984-)，女，湖北武漢人，碩士，工程師。

X823

A

1002-6002(2016)01- 0058- 06