蘇州市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀及其影響因素評(píng)析

劉林瑤，牟子平*，秦惠平，陳重軍

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009；2吳中區(qū)環(huán)境保護(hù)局，江蘇 蘇州 215104）

21世紀(jì)以來(lái)，大氣污染作為一種氣象及環(huán)境災(zāi)害性現(xiàn)象，已經(jīng)帶來(lái)不可忽視的影響，空氣質(zhì)量的優(yōu)劣程度已經(jīng)成為影響人們幸福指數(shù)的重要因素[1－2]?？諝赓|(zhì)量是當(dāng)前城市面臨的一個(gè)十分突出的環(huán)境問(wèn)題，與人們的健康息息相關(guān)，受到城市居民的普遍關(guān)注[3]。相關(guān)科學(xué)研究表明：當(dāng)大氣中污染物的濃度達(dá)到一定的程度，會(huì)引起人類呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的不適，另外如果長(zhǎng)時(shí)間處于污染的大氣環(huán)境中，相應(yīng)疾病的死亡率也會(huì)不斷上升[4－7]。大氣污染還能抑制農(nóng)作物的生長(zhǎng)，破壞它們的生長(zhǎng)機(jī)理，降低農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量并且使農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量大幅度減少[8－9]。大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及影響因素是當(dāng)前空氣污染領(lǐng)域的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容[10－13]。

筆者以國(guó)家環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站發(fā)布的蘇州市2014年1月1日至12月31日的逐日空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)，蘇州市環(huán)保局發(fā)布的環(huán)境狀況公報(bào)統(tǒng)計(jì)的2005至2014年蘇州市空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析蘇州市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀，探討城市發(fā)展過(guò)程中空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)及影響因素，為后期改善大氣環(huán)境質(zhì)量制定有效的措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇州作為蘇南地區(qū)的工業(yè)中心，被污染的大氣環(huán)境和快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)之間的矛盾日益尖銳。隨著蘇州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源需求大幅增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車保有量的不斷增加，復(fù)合型大氣污染特征日益凸顯。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

蘇州市2005到2014年的AQI均值及優(yōu)良率均來(lái)源于蘇州市環(huán)境狀況公報(bào)。2014年1月至12月的每日的PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站。

1.3 評(píng)價(jià)方法

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出多種環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，主要包括模糊評(píng)價(jià)法、灰色聚類法、物元分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[14－17]。不過(guò)這些方法仍存在各自的不足，評(píng)價(jià)結(jié)果大多只能給出一些離散的分級(jí)值，而且分辨精度不高，評(píng)價(jià)過(guò)程復(fù)雜，不便使用。針對(duì)上述缺點(diǎn)，李祚泳借鑒了空氣污染損害率評(píng)價(jià)法，提出了一個(gè)基于污染損害指數(shù)的普適公式，并采用遺傳算法對(duì)公式中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其具有普遍適用性，能應(yīng)用于多種污染物的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)。文中采用李祚泳提出的污染損害指數(shù)的普適公式[18－19]，對(duì)蘇州市的空氣質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 近十年蘇州市年空氣質(zhì)量狀況

2005至2012年，蘇州市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的日數(shù)總體上呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，空氣質(zhì)量良好以上的天數(shù)比例由87.7%上升到92.6%；而2013年和2014年，每年僅有三分之二的天數(shù)空氣質(zhì)量達(dá)到良好（見(jiàn)表1）。從表1可以看出，到2013年，空氣質(zhì)量良好天數(shù)的比例相對(duì)于2012年下降了35.7%；2014年，空氣質(zhì)量良好天數(shù)相比于2013年有所增加，但是空氣質(zhì)量良好以上的天數(shù)卻仍只達(dá)到227 d。

表1 蘇州市2005-2014年空氣質(zhì)量指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

2.2 空氣綜合污染損害指數(shù)

采用李祚泳提出的污染損害指數(shù)普適公式，對(duì)蘇州的空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。選用的大氣污染評(píng)價(jià)因子分別為 PM10、CO、SO2和 NO2。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2。

表2 蘇州市環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)值與污染損害指數(shù)評(píng)價(jià)

由表2可見(jiàn)，蘇州市綜合污染損害指數(shù)值為11.725，達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍，屬于輕污染。在四種評(píng)價(jià)因子中，PM10的污染損害指數(shù)最大，達(dá)到7.969；其次是 NO2為6.135，CO和SO2的污染損害指數(shù)相對(duì)較小，分別為4.124和3.385。因此，PM10是蘇州市環(huán)境空氣的首要污染物。

從季節(jié)變化來(lái)看，蘇州市空氣質(zhì)量存在顯著的季節(jié)變化特征，春季和冬季污染損害指數(shù)明顯高于夏、秋兩季，分別達(dá)到12.145和13.114。另外，PM10、NO2和SO2這三種主要空氣污染物的季節(jié)變化也比較明顯，尤其是PM10，污染損害指數(shù)最大值出現(xiàn)在冬季或春季，最小值出現(xiàn)在夏季，這與氣象條件有關(guān)。有研究表明夏季降水多，氣溫高，大氣相對(duì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，逆溫天氣少而混合層高，有利于污染物的擴(kuò)散；而在冬季，氣候比較干燥，雨水較少，逆溫天氣出現(xiàn)的頻率較大，污染物容易沉積在低空局部區(qū)域，不利于空氣中污染物的清除，尤其是空氣中的顆粒物，它們將很長(zhǎng)時(shí)間的浮在空氣中，很難散去[20－22]。

2.3 空氣質(zhì)量指數(shù)與污染物相關(guān)分析

通過(guò)單因子評(píng)價(jià)法，分析蘇州市AQI的日均值與PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2的相關(guān)性，進(jìn)一步闡明影響蘇州市空氣質(zhì)量的主要大氣成分。如圖1所示。

由圖1可知，PM2.5與AQI呈顯著性相關(guān)，PM10與AQI呈中度相關(guān)，其相關(guān)模型分別為

式中：Y分別為PM2.5和PM10的濃度，X為AQI。

CO與AQI為低度線性相關(guān)，其相關(guān)方程式為

式中：Y為CO的濃度，X為AQI。

NO2和SO2與AQI呈低度相關(guān)，其相關(guān)方程式為

式中：Y分別為NO2和SO2的濃度，X為AQI。

由此可得，影響蘇州市空氣質(zhì)量的主要污染物是PM2.5和PM10，其次是CO、NO2和SO2這三種污染物雖然對(duì)蘇州空氣的質(zhì)量有一定的影響，但是相比前面二種污染物的影響而言，作用力是相對(duì)小的。

圖1 蘇州市空氣污染指數(shù)與影響因子相關(guān)性分析

3 影響空氣環(huán)境質(zhì)量的主要污染物分析

3.1 蘇州市的地理區(qū)位和氣象條件

3.1.1 地理區(qū)位因素

大氣污染物的跨城市輸送已成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)[23-25]，伍復(fù)勝等人通過(guò)建立VAR模型，探究城市間大氣污染的相互影響，研究表明大氣污染具有明顯的區(qū)域性特征，相鄰的城市之間存在相互影響效應(yīng)[26]。而蘇州市地勢(shì)平坦，處于長(zhǎng)三角區(qū)域的城市群中部，受到區(qū)域大氣污染傳輸影響較為明顯。為了更好的研究蘇州及其鄰近城市之間空氣質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系，以蘇州及鄰近城市2014年的全年逐日空氣質(zhì)量指數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)性分析（表3）。根據(jù)結(jié)果可知，蘇州與無(wú)錫的相關(guān)性最為明顯，達(dá)到0.91；其次是上海，為0.87；與常州、南通的相關(guān)性系數(shù)分別為0.86和0.84；蘇州市與杭州和寧波的相關(guān)性也均達(dá)到0.01顯著性水平。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明蘇州市的空氣污染不是獨(dú)自存在的，鄰近城市的空氣污染特征具有相似性，空氣污染變化具有同步性。

表3 蘇州市與其鄰近城市之間AQI的相關(guān)性分析

3.1.2 氣象條件

據(jù)研究表明，大氣污染的濃度易受氣象條件的影響[27-29]。不同的氣象條件對(duì)于污染物的稀釋以及擴(kuò)散的影響是不同的。下面對(duì)蘇州市AQI與氣象條件的相關(guān)性進(jìn)行分析。

將蘇州AQI月平均值與平均氣溫、降水量、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速等氣象因素（表4）進(jìn)行綜合分析。利用SPSS計(jì)算得蘇州AQI與各氣象因素的相關(guān)系數(shù)（表5）。從表5可以看出，蘇州AQI和溫度呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性達(dá)到0.676 39，說(shuō)明平均氣溫對(duì)空氣質(zhì)量的影響非常顯著；AQI和降水量的相關(guān)性在-0.605 80，說(shuō)明降水量對(duì)AQI的影響也比較顯著；AQI和相對(duì)濕度的相關(guān)性在-0.715 63，說(shuō)明了相對(duì)濕度在很大程度上影響了蘇州的AQI；但平均風(fēng)速的大小對(duì)AQI的影響并不是特別顯著，AQI和平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為-0.105 75。綜上可以看出，蘇州作為一個(gè)典型的南方城市，隨著季節(jié)的變化，其平均氣溫、降水量以及濕度會(huì)相應(yīng)的變化，但是平均風(fēng)速在全年的變化是不顯著的，因此，風(fēng)力對(duì)空氣質(zhì)量的影響最不明顯。

表4 2014年蘇州市分月氣象情況

表5 蘇州AQI與氣象條件的相關(guān)性分析

3.2 蘇州市的能源結(jié)構(gòu)

空氣質(zhì)量的下降和能源的消耗及其燃燒過(guò)程中污染的排放是存在一定的關(guān)系的，近五年原煤、焦炭、天然氣和煤氣的消耗量以一定的比例逐年增加，而汽油、燃料油、液化石油氣的消耗量顯示出逐漸下降的趨勢(shì)（表 6）。

燃料在燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣。根據(jù)燃料的使用量及不同燃料的大氣污染物排放系數(shù)計(jì)算出的大氣污染物排放量見(jiàn)表7。由表6可知，NOx、SO2、CO是燃料燃燒最主要的排放物。

表6 蘇州2010-2014年能源消費(fèi)情況

表7 燃料燃燒產(chǎn)生的大氣污染排放量統(tǒng)計(jì)

3.3 城市交通汽車尾氣廢氣排放

2010年至2014年是蘇州市機(jī)動(dòng)車發(fā)展的“井噴期”，機(jī)動(dòng)車保有量以年平均17.3%的速度增加。2010年蘇州市只有各類機(jī)動(dòng)車204.644 7萬(wàn)輛，到2014年底蘇州市機(jī)動(dòng)車保有量突破271.29萬(wàn)輛。其中2010年汽車保有量為124.96萬(wàn)輛，截止2014年底汽車保有量更是達(dá)240.3694萬(wàn)輛，是2010年2倍。在各類車輛中，私家車的發(fā)展最為迅速，由2010年的94.62萬(wàn)輛增長(zhǎng)到2014年的197.897萬(wàn)輛，其保有量占到機(jī)動(dòng)車保有量的73%（圖2）。

圖2 2010-2014年蘇州汽車保有量的變化趨勢(shì)

研究表明，在車輛的行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃燒條件基本上很難達(dá)到理想狀態(tài)，因此，汽油和柴油等不能完全燃燒轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，在不完全燃燒的狀態(tài)下，容易產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，包括碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氮氧化物以及顆粒物等，尤其是在上下班的高峰，各種車輛混行，車輛減速、怠速運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致油耗增多，廢氣排放量大。

3.4 工業(yè)企業(yè)廢氣的排放

雖然蘇州市對(duì)工業(yè)廢氣的排放采取了控制措施，但是廢氣的排放情況依舊很嚴(yán)重（表8）。相當(dāng)一部分的老的工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中并沒(méi)有添加廢氣處理裝置，在尾氣處理未達(dá)標(biāo)的情況下就對(duì)外排放，造成了大氣污染的加劇[30－31]。工業(yè)廢氣中含大量SO2、NOX、煙塵以及生產(chǎn)性粉塵。

表8 2011-2014年蘇州工業(yè)廢氣排放情況

3.5 城市建筑揚(yáng)塵、灰塵等懸浮物的沉積

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的推進(jìn)，房地產(chǎn)及公共設(shè)施等基礎(chǔ)建設(shè)正不斷加快。根據(jù)蘇州市統(tǒng)計(jì)年鑒的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，蘇州地區(qū)近十年建成區(qū)面積就由432.8 km2增加到735.15 km2，增長(zhǎng)率為70%（圖3）。同時(shí)，蘇州市人均城市道路面積也由21.5 m2增長(zhǎng)到了32.4 m2（圖4）。研究表明建筑施工揚(yáng)塵是最重要的揚(yáng)塵污染源之一[32－33]。

圖3 蘇州2005-2014建成區(qū)面積變化趨勢(shì)

圖4 蘇州2005-2014人均城市道路面積增長(zhǎng)趨勢(shì)

在蘇州近年來(lái)建設(shè)發(fā)展過(guò)程中，城市高架的建造、地鐵的修建、舊城區(qū)的改造等建設(shè)施工并沒(méi)有按照規(guī)定對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，許多工地破路或者挖開(kāi)地面以后，并沒(méi)有采取相應(yīng)的措施，裸露的地面，在車輛開(kāi)過(guò)的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵，很難散去。另外，各種建筑施工所需要的原材料以及建筑過(guò)程中產(chǎn)生的垃圾都被無(wú)序的堆放并且沒(méi)有采取覆蓋措施，嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

利用污染損害指數(shù)法和單因子評(píng)價(jià)方法有效地分析了蘇州市空氣質(zhì)量的現(xiàn)狀以及空氣質(zhì)量與各污染物的相關(guān)性，探討了造成蘇州市大氣污染的主要因素，得到以下結(jié)論：

（1）近年來(lái)蘇州市空氣質(zhì)量的優(yōu)良率呈下降趨勢(shì)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率均只達(dá)到60%；

（2）蘇州市綜合污染損害指數(shù)值為11.725，達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍，屬于輕污染。從季節(jié)變化來(lái)看，蘇州市空氣質(zhì)量存在顯著的季節(jié)變化特征，春季和冬季污染損害指數(shù)明顯高于夏、秋兩季，分別達(dá)到12.145和13.114。另外，PM10、NO2和SO2這三種主要空氣污染物的季節(jié)變化也比較明顯，尤其是PM10，污染損害指數(shù)最大值出現(xiàn)在冬季或春季，最小值出現(xiàn)在夏季，這與氣象條件有關(guān)。

（3）空氣質(zhì)量指數(shù)與污染物相關(guān)分析表明PM2.5和PM10與AQI相關(guān)性顯著，相關(guān)性達(dá)到0.98和0.80，其次是CO，相關(guān)性為0.54，因此，PM10和PM2.5是蘇州市環(huán)境空氣的首要污染物。

由于蘇州市環(huán)境空氣中的主要污染物是PM2.5和PM10，可通過(guò)控制煤炭的燃燒、加強(qiáng)清潔能源的使用、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、減少建筑揚(yáng)塵和完善區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等措施改善空氣環(huán)境質(zhì)量。