近十幾年蘭州空氣污染變化及治理建議

孫文杰，劉　明，尹　勤，仝紀龍，黃忠偉

（蘭州大學大氣科學學院，甘肅蘭州730000）

近十幾年蘭州空氣污染變化及治理建議

孫文杰，劉明，尹勤，仝紀龍，黃忠偉

（蘭州大學大氣科學學院，甘肅蘭州730000）

蘭州是甘肅省的省會，是西北的工業(yè)重鎮(zhèn)，長期以來都面臨大氣污染方面的問題，嚴重制約著蘭州經濟社會的發(fā)展。近年來，蘭州市采取了各種有效治理污染的措施，并取得了顯著成果。本論述從氣象條件、地理環(huán)境、人類活動等多個方面分析了蘭州空氣污染的原因，并應用Daniel趨勢檢驗法對蘭州市2001至2014年的空氣質量數(shù)據(jù)資料進行處理分析，研究了蘭州市空氣污染狀況及變化趨勢。研究結果表明：蘭州市空氣質量總體上明顯好轉，空氣污染指數(shù)API、主要污染物SO2，NO2和PM10濃度的spearman相關系數(shù)均是負數(shù)，各個數(shù)據(jù)參數(shù)隨著時間推移都呈現(xiàn)下降趨勢；蘭州市的空氣優(yōu)良天數(shù)比例明顯增加。蘭州市的空氣質量具有季節(jié)變化特點，冬春兩季污染嚴重，夏秋較輕。近十幾年，蘭州冬春兩季的API濃度明顯下降，夏秋API變化不大，應該加大對冬春兩季的治污投入。同時通過對數(shù)據(jù)進行線性擬合來對蘭州市未來空氣質量進行預估，結果顯示蘭州市API和SO2濃度已經達標，其余污染物也基本將在未來10年內達到標準。最后，對蘭州市未來污染治理措施提出了一些建議。

蘭州；空氣污染；治理措施；變化趨勢

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.10.002

0　引言

空氣污染是全球面臨的一個主要環(huán)境問題，也是影響人類生存與發(fā)展的最重要的環(huán)境風險因素之一。近年來，我國霧霾天氣頻發(fā)，引起了人們對城市空氣污染問題的廣泛關注。

蘭州市的空氣污染狀況十分嚴重，曾在1998年被評為全球10大污染城市之一［1］。蘭州有工業(yè)、生活、交通三大污染源，工業(yè)污染最嚴重，然后是生活和交通污染。蘭州市大氣污染帶有明顯的季節(jié)性特點，春季以沙塵浮塵等輸入性污染為主，夏秋季以泥塵污染為主，冬季則以煤煙等低空面源污染為主［2］。由于煤煙、揚塵和機動車尾氣的污染，加之蘭州的氣象條件，形成了嚴重的煤煙和機動車尾氣復合型大氣污染。本論述對2001至2014年蘭州主要空氣質量數(shù)據(jù)進行了處理分析，研究近十幾年來蘭州市空氣質量的變化情況，并提出了自己的治污建議。

1　蘭州市空氣污染原因分析

1.1地理與氣候因素

1.1.1靜風和逆溫頻率高

蘭州是典型的山地城市，氣流在河谷盆地內流通不暢，其主導風向為東北風，全年靜風和小風日數(shù)占60%以上，特別是在冬季，靜風頻率高達81%左右［3］，各種污染源排放的大量污染物因大氣流動不順暢而不易擴散出去。蘭州市逆溫現(xiàn)象較為嚴重，蘭州全年約有80%的天數(shù)出現(xiàn)逆溫［3］，出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象持續(xù)時間長，抑制了蘭州大氣污染物的擴散與稀釋。由于靜風和逆溫頻率高，造成蘭州市大氣的穩(wěn)定度較高，從而造成嚴重的大氣污染。

1.1.2干旱少雨

蘭州市地處內陸，大陸性季風氣候明顯，氣候干燥，是典型的半干旱內陸區(qū)。蘭州市年均降水量少，且季節(jié)分布不均勻，不利于污染物的稀釋和沉降；同時，氣候干旱不利于植物生長，地表植被覆蓋率不高也不利于污染物的凈化［4］。因此干旱少雨的氣象條件也是造成空氣質量下降的原因之一。

1.1.3自然降塵量大，春季沙塵暴和浮塵天氣頻發(fā)

蘭州市城區(qū)道路擴建、舊城改造、建筑施工中二次揚塵的污染以及周邊生態(tài)環(huán)境惡化引起的沙塵暴和浮塵天氣，這是造成大氣污染程度較重的另一個主要因素。位于蘭州北邊的九洲臺是全國乃至世界風成黃土層最厚的地區(qū)，再加上河西地區(qū)沙塵暴頻發(fā)，從而造成嚴重的自然降塵。沙塵暴和浮塵會使可吸入顆粒物濃度上升，從而使空氣質量下降。

1.2其他因素

1.2.1能源結構單一，清潔燃料推廣滯后

蘭州是“一五”“二五”時期重點建設的老工業(yè)城市，工業(yè)生產結構以石油化工、電力、建筑材料生產、有色冶金、機械加工和紡織為主導，“三高一低”型企業(yè)占工業(yè)增加值的一半以上，能源結構以煤炭為主。工業(yè)構成中，輕重工業(yè)分別占18%和82%，重工業(yè)中原材料和采掘業(yè)占77%，加工業(yè)僅占23%，重工業(yè)的能源年消耗量占總量的79.6%，其中86.8%一次性能源為煤炭［5］，全市工業(yè)生產、采暖供熱能源均以燃煤為主。因此，燃煤導致的大氣污染嚴重。

1.2.2機動車數(shù)量迅猛增長，機動車造成的污染增加

與其他城市一樣，蘭州市的空氣質量也深受機動車數(shù)量增長的影響。汽車尾氣對城市的污染日益嚴重，占到全市污染物總量的20%，機動車尾氣排放的主要污染物為CO、HC、NOx［7］。隨著機動車數(shù)量的不斷攀升，加上蘭州城市公共交通和路網建設不夠發(fā)達，造成道路擁擠，堵車現(xiàn)象嚴重，汽車在市區(qū)怠速條件下行駛，尾氣排放量增大，主要交通干道形成污染帶，導致空氣質量惡化。

1.2.3產業(yè)結構和工業(yè)布局不盡合理

蘭州是在“一五”至“三五”期間發(fā)展起來的以石油化工、機械制造、冶金等為主的重工業(yè)城市，是全國重要的石油化工基地，這種特殊的產業(yè)結構是造成蘭州市大氣污染的重要因素［8］。從區(qū)域來看，工業(yè)重點源的分布主要在西固區(qū)，西固區(qū)的大氣污染也因此極為嚴重。

1.2.4供熱集中度低

近幾年，隨著集中供熱在城市的大力推行，蘭州市正在擴展集中供熱的規(guī)模，但集中供熱和聯(lián)片供熱的管網覆蓋率仍比較低，仍存在集中供熱度不高，鍋爐容量小等問題。蘭州市供熱鍋爐以循環(huán)流化床鍋爐為主，近年來，大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐進行了爐內噴鈣脫硫治理，但由于設備的損壞程度比較高、脫硫成本高等原因，沒有達到應有的效率。按照甘肅省環(huán)保廳要求，采用爐內噴鈣脫硫措施的循環(huán)流化床鍋爐未能穩(wěn)定達標的，應該建設爐后煙氣脫硫設施，但大多數(shù)企業(yè)因無法承受高成本，造成推行困難［9］。

1.2.5城市建設規(guī)模大，揚塵污染重

蘭州市是一個典型的煤煙型城市，煙塵污染嚴重，地面揚塵也非常嚴重，同時由于城市建設的發(fā)展，各個施工點此起彼伏，建筑、道路施工堆料以及無植被覆蓋的大量裸露地面，造成了嚴重的地面揚塵。近年來，隨著城市建設力度的加大，城市施工項目明顯增多，由于施工項目沒有嚴格落實相應的防塵措施，形成了新的塵源，造成了嚴重的二次揚塵污染。

2　數(shù)據(jù)介紹與處理方法

2.1數(shù)據(jù)介紹

蘭州市空氣質量數(shù)據(jù)來源于環(huán)保部數(shù)據(jù)中心的重點城市空氣質量日報，中國空氣質量在線監(jiān)測分析平臺歷史數(shù)據(jù)和文獻資料［10］。數(shù)據(jù)內容包括蘭州市空氣污染指數(shù)（API）以及主要污染物SO2、NO2和PM10的濃度，數(shù)據(jù)起止時間是2001至2014年，見表1所示。

（API：空氣污染指數(shù)就是將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度簡化成為單一的概念性指數(shù)值形式，并分級表征空氣污染程度和空氣質量狀況，適合于表示城市的空氣質量狀況和變化趨勢。）

表1　空氣質量數(shù)據(jù)介紹表

2.2數(shù)據(jù)處理方法

（1）用wps表格對數(shù)據(jù)處理，對蘭州市空氣質量數(shù)據(jù)進行作圖分析以研究其變化過程，同時利用Daniel檢驗法對空氣質量變化趨勢進行相關性分析。Daniel檢驗法［11］是對環(huán)境污染變化趨勢進行相關性分析最常用的方法，也是環(huán)保部推薦使用的方法，它使用spearman秩相關系數(shù)，用于單因素小樣本的檢驗，精確性高。

Daniel檢驗法介紹：時序為Y1，…，Yn，對應的污染數(shù)據(jù)為C1，…，Cn，將污染數(shù)據(jù)從小到大排序為X1，…，Xn，然后按（1）式計算這組數(shù)據(jù)的spearman秩相關系數(shù)rs，rs的范圍為［-1，1］。之后將｜rs｜和臨界值Wp比較，當｜rs｜＞Wp時，表明變化趨勢有顯著意義。若rs為負值，表明污染數(shù)據(jù)呈顯著性下降趨勢；若rs為正值，表明污染數(shù)據(jù)呈顯著性上升趨勢。當｜rs｜＜Wp時，表明變化趨勢無顯著意義，即污染變化平穩(wěn)。

其中，di為Xi和Yi的差值，di＝Xi－Yi；N為時間周期。

用SPSS19.0進行數(shù)據(jù)處理，從而得出spearman秩相關系數(shù)rs，并判斷相關性是否顯著。

（2）用wps表格對數(shù)據(jù)點進行線性擬合，同時用SPSS19.0對擬合結果進行顯著性檢驗，根據(jù)線性擬合的結果對蘭州未來的空氣質量變化進行估算。

3　結果分析與討論

3.1蘭州空氣質量年際變化

圖1　2001至2014年蘭州API月平均和年平均濃度變化趨勢

（1）由SPSS相關分析圖表2可以看出，API月平均濃度的spearman秩相關系數(shù)rs=-0.285，API的年平均濃度的spearman秩相關系數(shù)rs=-0.785，且雙尾t檢驗的顯著性概率分別為0.000和0.001，均小于0.01，通過了顯著性檢驗，說明2001至2014年蘭州API濃度總體呈下降趨勢，且變化趨勢有顯著性意義。

圖2　2001至2014年蘭州SO2，NO2和PM10年平均濃度變化趨勢

表2　2001至2014蘭州空氣質量數(shù)據(jù)相關性分析結果

由SPSS相關分析圖表2可以看出，SO2、NO2和PM10的年平均濃度的spearman秩相關系數(shù)rs分別為-0.879、-0.519和-0.730，雙尾t檢驗的顯著性概率分別為0.000、0.057和0.003，其中NO2沒有通過顯著性檢驗，說明2001至2014年蘭州市SO2、NO2和PM10年平均濃度總體呈下降趨勢，其中SO2、NO2的變化趨勢有顯著性意義，NO2的變化趨勢無顯著性意義。

（2）結合歷史資料具體分析，蘭州市近十幾年空氣污染指數(shù)是非穩(wěn)定的，具有非線性和多周期變化特征，呈現(xiàn)出混沌性。由圖2可以看出，蘭州市2001至2014年空氣污染指數(shù)呈不規(guī)則震蕩變化趨勢，但從API每年的峰值和平均值來看，空氣污染指數(shù)總體上呈下降趨勢，2001至2005年空氣質量逐年變好，在2006年和2009年出現(xiàn)反彈趨勢，有所上升，在2006年出現(xiàn)強烈反彈的原因是受沙塵暴及浮塵天氣的影響。而2009年之所以出現(xiàn)較大反彈，一方面是由于該年沙塵暴及浮塵天氣的強度相對較強的緣故，另一方面是由于“西熱東輸工程”“天然氣管網工程”等工程的全面啟動，從而造成了揚塵，導致可吸入顆粒物的增加?？傮w來看，蘭州市近十幾年來大氣污染狀況總體有所好轉，2010年后的API明顯低于2001年，但由于受到各種因素的制約，局部時段大氣污染反彈趨重時有發(fā)生，因此大氣污染的徹底治理還任重道遠；

從SO2的年平均濃度變化情況來看，SO2總體上呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，SO2年平均濃度從2002年的80ug/cm3下降到2014年的25ug/cm3，年均降幅為6.3%，但是2008年出現(xiàn)較大反彈，主要是由于2008年蘭州市工業(yè)二氧化硫排放量為7.19萬噸［12］，為近年來排放量最多的一年。由于蘭州的能源結構以燃煤為主，SO2排放量大，所以對SO2的控制仍然是重點；

近年來PM10總體呈下降趨勢，PM10的年平均年度從2001年的168ug/cm3下降到2014年的121ug/cm3，但中間也出現(xiàn)了波動，2006年和2009年亦出現(xiàn)反彈，尤其是2006年，可吸入顆粒物年平均濃度達到近年來的最高值192ug/m3，主要是受沙塵暴和浮塵天氣的強烈影響，影響了蘭州市空氣質量；而2009年則是受沙塵暴和浮塵天氣以及由于建筑施工引起揚塵的共同影響；所以對PM10控制任務依然艱巨；

2001至2014年蘭州NO2年均濃度稍有下降，趨勢不明顯，呈現(xiàn)穩(wěn)定的波動變化，原因可能與機動車輛大幅增加有關，所以今后要引起重視，加大對機動車數(shù)量限制，控制尾氣排放，以達到對NO2排放控制。

圖3　2001至2012年蘭州不同空氣質量級別出現(xiàn)天數(shù)占全年比例圖

從圖3可以看出，空氣質量優(yōu)良天數(shù)比率明顯增加，優(yōu)良天數(shù)比率從2001年的32.6%增加到2012年的75%，重度污染比率從11%下降到0.8%，減少了近90%，輕度污染天數(shù)也減少了近一半，中度污染天數(shù)也由2001年的24天減少到2012的3天。雖然在2006年和2010年出現(xiàn)了反彈，但總體上看蘭州空氣質量達標的天數(shù)明顯增加。

3.2蘭州空氣質量季節(jié)變化

蘭州市大氣污染存在明顯的季度變化規(guī)律，通過對2001至2014年的空氣污染指數(shù)的統(tǒng)計分析，由圖4可以看出，冬春兩季污染最嚴重，秋季次之，夏季污染最輕。一方面由于冬季靜風頻率和逆溫頻率最高，大氣層結最穩(wěn)定，污染物不易擴散，另一方面此季節(jié)為蘭州采暖期，燃煤量急劇增加，導致污染物排放量增加，所以造成API數(shù)值高；春季污染也很嚴重，主要是沙塵天氣影響，導致污染加重，夏季是全年空氣質量最好的季節(jié)。

由圖表可以看出蘭州API總體明顯下降，其中冬季和春季空氣質量改善最明顯，夏秋降幅不大，處于波動之中。由此可以看出，冬春治理污染效果明顯，而夏秋兩季由于變化不明顯，因而應該加大對冬春治理空氣污染的投入，減小夏季投入。

圖5　2001至2014年蘭州不同季節(jié)空氣質量級別天數(shù)變化趨勢

從圖5可以看出，不同季節(jié)、不同空氣質量級別天數(shù)的年際變化趨勢；2001至2012年間春季空氣質量表現(xiàn)為優(yōu)和良的天數(shù)逐年增加，但在2008年有所回落，中度污染及輕污染天數(shù)在逐年減少，重污染天氣無較大變化，2006年變化突出。但與其他季節(jié)相比，春季空氣污染指數(shù)變化年際波動較大，這與北方沙塵活動的變化及波動有關。夏季空氣質量最優(yōu)，以優(yōu)良等級為主，變化也非常小。秋季年變化趨勢比較明顯，優(yōu)和良的天數(shù)逐年增多，中度和輕度污染天數(shù)逐年減少。但都有明顯的分界線那就是2008年，可見2008年以后的天氣污染有所加重。冬季污染最嚴重，中、重度污染在2005年之前減小趨勢明顯，2004年2005年兩年嚴重反彈，2006年后呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。綜合來看，從2001年到2012年優(yōu)良天數(shù)明顯增加，污染天數(shù)明顯減小。

3.3近十幾年蘭州主要大氣污染物達標情況

表3　主要污染物濃度限值［13］

表4　2001至2014年蘭州主要大氣污染物年平均濃度達標情況

雖然總體來看，蘭州市空氣質量狀況有所改善，主要污染物年均濃度總體上均呈下降趨勢，但從表7可以看出，主要污染物SO2、NO2和PM10年均濃度在大部分年份依然超標，其中只有SO2達標的年份較多，NO2只有2005和2012年達標，其余年份均超標，而PM10每年濃度均超標。因此，蘭州空氣污染治理依然任重而道遠。

3.4蘭州市未來空氣質量預估

為了對蘭州市未來的空氣質量進行預估，我們先對數(shù)據(jù)參數(shù)進行線性擬合，再將各個參數(shù)的達標濃度代入擬合的直線方程，求出還需要多少年各個量才能達標。

3.4.1各個參數(shù)年平均濃度變化的線性擬合結果

表5　蘭州市空氣質量數(shù)據(jù)線性擬合表

3.4.2未來空氣質量預估

表6　蘭州市未來空氣質量達標預估表

預估結果分析：由表6可以看出，API已經達到良（二級）標準，但要達到優(yōu)（一級）標準還需要大概8年的時間；PM10要達到二級標準還需要7年的時間，到達一級標準還需要22年的時間，所以對于可吸入顆粒物的防治是接下來治污的重點；SO2已經達到二級標準，還需要4年達到一級標準，說明近些年工業(yè)減排效果明顯，SO2排放量得到了有效控制；NO2因為擬合結果不顯著所以無法定量預估，但從變化趨勢來看也呈下降趨勢，有希望在未來若干年達標；而且API、SO2和PM10下降速度非常接近，說明三者的變化趨勢呈現(xiàn)一致性。

4　主要結論及建議

4.1主要結論

4.1.1環(huán)境質量改善

蘭州市空氣質量總體上明顯好轉，API年平均濃度已經達到良的標準，各主要污染物的濃度雖然沒有完全達標，但也呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。

4.1.2優(yōu)良天數(shù)增多

優(yōu)良天數(shù)比率明顯增加，優(yōu)良天數(shù)比率從2001年的32.6%增加到2012年的75%，重度污染比率從11%下降到0.8%，減少了近90%，輕度污染天數(shù)也減少了近一半，中度污染天數(shù)也由2001年的24天減少到2012的3天。

4.1.3空氣質量季節(jié)變化顯著

蘭州空氣質量具有明顯季節(jié)特征，冬春污染嚴重，夏秋較輕。近十幾年，全市冬春兩季空氣質量改善明顯，冬季API由2001年的244ug/cm3下降到2014年的101ug/cm3，平均每年下降4.2%；春季API由2001年的214ug/cm3下降到2014年的105ug/cm3，平均每年降幅為3.6%；夏秋降幅不大，處于波動之中。應該加大冬春兩季治污的投入。

4.1.4未來預期良好

根據(jù)空氣質量預估的結果，API已經達到良的標準，有希望在10年內達到優(yōu)的標準；主要污染物中SO2已經達到二級標準，預估再過8年達到一級標準；PM10再過7年達到二級標準；NO2雖然變化不顯著，但也在呈現(xiàn)下降趨勢，有希望在未來達標。

4.2治污建議

（1）全面規(guī)劃，合理布局。在科學安排產業(yè)規(guī)模、產業(yè)結構、城市空間結構的基礎之上，合理安排城市各項用地。城區(qū)應當盡量避免建造大型污染企業(yè)，對于必須興建的，則應當遠離城市中心，位于小城鎮(zhèn)區(qū)域或者是遠郊區(qū)。需要注意的一點是，雖然偏東風是蘭州的主導風向，但全年還是以靜風為主，與逆溫的結合才是造成蘭州市大氣污染的罪魁禍首。所以說，盲自按照理論“上風向”與“下風向”來布置企業(yè)布局是不夠合理和全面的，需要在充分考慮了靜風和逆溫對蘭州大氣污染影響的基礎上進行合理安排。與此同時，生活區(qū)應安置在環(huán)境質量好且交通便利的區(qū)域，對于目前夾雜在生活區(qū)中的污染企業(yè)，應當視情況采取措施，遷移、停止或者合并等，配合城市的整體規(guī)劃逐步遷出居住區(qū)域。

（2）減少機動車尾氣排放。制定限制和改造柴油車、停售含鉛汽油、機動車達標排放等一系列規(guī)定，并完善和嚴格執(zhí)行。另外機動車尾氣達標排放，但如果車輛總數(shù)增加，大氣污染依然會加重。因此，限制市區(qū)機動車輛總數(shù)，是一個需要解決的問題?？梢詫C動車實行單雙號限行的做法，在供暖期對機動車實行單雙號限行，以減輕冬春季的大氣污染。此外，在市內設立多處檢查監(jiān)測點，強化尾氣治理路面檢查，對超標車輛和冒黑煙車輛給予處罰。

（3）加強生態(tài)建設，減少自然因素造成的污染:采取預防和保護措施，遏制生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢。近年來，蘭州城市綠化覆蓋率和人均公共綠地面積不斷增加，但在國內大城市中仍屬落后［16］。為此，應大力進行城市園林綠地建設，加快南北兩山的綠化進程，并通過防護林體系建設，在蘭州的周邊地區(qū)形成多道綠化屏障，以改善生態(tài)環(huán)境，降低大氣中總懸浮顆粒物污染，不斷提高空氣質量［17］。

（4）積極宣傳環(huán)保概念，喚醒民眾環(huán)保意識。力爭做到“公眾參與，公眾受益”以提升公眾環(huán)保理念和環(huán)保意識，積極推進“以預防為主，防治結合”的方針政策，使蘭州空氣質量進一步提升。

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A

2016-7-29

孫文杰（1993-），男，漢族，河南鄭州人，碩士，主要從事環(huán)境影響評價工作。