基于污染貢獻(xiàn)率的石家莊市大氣污染特征分析

李秋芳 路娜 程麗萍 谷金峰 丁學(xué)英

摘要：為計(jì)算6項(xiàng)大氣污染物（PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和O3）的污染貢獻(xiàn)率，探討大氣污染特征及其變化趨勢(shì)，以石家莊市2013—2017年的大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，基于環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)，從宏觀方面計(jì)算了6項(xiàng)污染物在綜合指數(shù)中的污染貢獻(xiàn)率;基于濃度均值，從微觀方面計(jì)算了單項(xiàng)污染物貢獻(xiàn)率的月分布和小時(shí)分布。結(jié)果表明：2013—2017年，石家莊市對(duì)大氣污染貢獻(xiàn)率最大的仍為顆粒物，NO2和O3的貢獻(xiàn)率逐年升高，污染特征呈現(xiàn)由“煤煙型”、“混合型”向“復(fù)合型”轉(zhuǎn)變的趨勢(shì);6項(xiàng)污染物中，PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO的污染貢獻(xiàn)率月分布呈“U型”分布，O3呈“拱型”分布，除O3外，其余5項(xiàng)污染物貢獻(xiàn)率小時(shí)變化呈現(xiàn)“晨峰午谷”的周期性變化規(guī)律。研究結(jié)果可為石家莊市治理大氣污染提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià);污染貢獻(xiàn)率;大氣污染;污染特征;石家莊

中圖分類號(hào)：X823文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2019yx01011

LI Qiufang， LU Na， CHENG Liping， et al.Analysis of air pollution characteristics in Shijiazhuang City based on pollution contribution rate[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：59-65.Analysis of air pollution characteristics in Shijiazhuang City

based on pollution contribution rate

LI Qiufang1， LU Na1， CHENG Liping2， GU Jinfeng1， DING Xueying1

（1.Shijiazhuang Environmental Monitoring Center， Shijiazhuang， Hebei 050022， China; 2.Shijiazhuang Environmental Prediction Center， Shijiazhuang， Hebei 050022， China）

Abstract：In order to calculate the pollution contribution rates of six atmospheric pollutants （PM10， PM2.5， SO2， NO2， CO and O3）， and discuss the characteristics of air pollution and its trends，on the basis of air quality monitoring data from 2013 to 2017 in Shijiazhuang City， the contribution rates of six pollutants are macroscopically calculated based on comprehensive index. The monthly and hourly contribution rates of individual pollutants are microscopically calculated based on the mean concentration. The results show that， from 2013 to 2017， the most contribution to atmospheric pollution is still particulate matter， while the contribution rates of NO2 and O3 increase year by year， and the characteristics of air pollution in Shijiazhuang shows a transition from "coal-fired pollution" and "mixed pollution" to "compound pollution"; the monthly contribution rates of PM10， PM2.5， SO2， NO2 and CO show a "U-shaped" distribution， while that of O3 shows an "arched" distribution. In addition to O3， hourly contribution rates of the other five pollutants show the periodicity of "morning peak and afternoon valley". The research results can provide scientific basis and technical support for the management of air pollution in Shijiazhuang City.

Keywords：environmental quality monitoring and evaluation; pollution contribution rate;air pollution;pollution characteristics; Shijiazhuang

城市大氣污染來(lái)源多且復(fù)雜多樣，近年來(lái)，中國(guó)由傳統(tǒng)的煤煙型污染逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌闲臀廴尽?fù)合型污染。目前，關(guān)于大氣污染特征及其變化規(guī)律方面的研究成果較多，對(duì)6項(xiàng)主要大氣污染物（PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO 和 O3）的研究多集中于污染物濃度分布特征、污染過(guò)程與傳輸、污染來(lái)源及其影響因子、氣象條件對(duì)大氣污染貢獻(xiàn)率等方面[1-11]。 由于污染源和氣象條件存在差異，因而不同地區(qū)的污染物類型、濃度和組成差異很大。有諸多研究以污染物濃度值為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)污染物濃度的大小評(píng)價(jià)單項(xiàng)污染物的污染程度。然而，對(duì)不同類型的大氣污染物進(jìn)行評(píng)價(jià)，尤其是對(duì)大氣污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，僅以污染物濃度值的大小來(lái)評(píng)價(jià)污染狀況具有一定的局限性。

根據(jù)城市環(huán)境空氣質(zhì)量排名的技術(shù)規(guī)定[12]，國(guó)家依據(jù)地級(jí)及以上城市環(huán)境空氣質(zhì)量的月度、季度、半年度、年度排名，對(duì)各?。▍^(qū)、市）區(qū)域內(nèi)地級(jí)及以上城市環(huán)境的空氣質(zhì)量綜合指數(shù)進(jìn)行了排序。環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)的大小可用來(lái)評(píng)價(jià)城市空氣污染程度的大小，6項(xiàng)污染物濃度均參與綜合指數(shù)的計(jì)算。綜合指數(shù)越大，表明污染程度越重。筆者基于綜合指數(shù)，通過(guò)計(jì)算各項(xiàng)污染物在綜合指數(shù)中的貢獻(xiàn)率以及單項(xiàng)污染物在不同評(píng)價(jià)時(shí)段的污染貢獻(xiàn)率，分析了石家莊市2013—2017年的大氣污染特征，以期掌握石家莊市大氣環(huán)境污染的綜合狀況，為大氣污染削減方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1研究方法

1.1基于綜合指數(shù)的污染貢獻(xiàn)率計(jì)算

本研究中，各項(xiàng)污染物的污染貢獻(xiàn)率按照各項(xiàng)污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)與綜合指數(shù)的比值來(lái)計(jì)算[11]。

指標(biāo)i的單項(xiàng)質(zhì)量指數(shù)：Ii=CiSi;????????????????????????? ????????????????????????????（1）綜合指數(shù)：Isum=∑6i=1Ii;（2）污染貢獻(xiàn)率：Ui=IiIsum。 （3）式中：i為指標(biāo)類別，取值為1，2，3，4，5，6，分別表示PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和O3;Ci為指標(biāo)i的評(píng)價(jià)濃度值，SO2，NO2，PM10，PM2.5的評(píng)價(jià)濃度為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)日均濃度的平均值，O3的評(píng)價(jià)濃度為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)日最大8 h均值的第90百分位數(shù)，CO的評(píng)價(jià)濃度為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)日均濃度的第95百分位數(shù);Si為指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)i為PM10，PM2.5，SO2及NO2時(shí)，Si為污染物i的年均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，當(dāng)i為O3時(shí)，Si為日最大8 h的平均二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，當(dāng)i為CO時(shí)，Si為日均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

1.2基于濃度均值的污染貢獻(xiàn)率計(jì)算

本研究中，基于濃度均值的污染貢獻(xiàn)率指單項(xiàng)污染物在單位時(shí)間段對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)時(shí)段的污染貢獻(xiàn)率。指標(biāo)i在單位時(shí)間段（t）內(nèi)對(duì)評(píng)價(jià)時(shí)段（T）的污染貢獻(xiàn)率的計(jì)算公式為Vit=Cit·tCiT·T。（4）式中：i為指標(biāo)類別，取值為1，2，3，4，5，6，分別表示PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和O3;Cit為指標(biāo)i在評(píng)價(jià)時(shí)段（T）的單位時(shí)間段（t）內(nèi)的濃度平均值;CiT為指標(biāo)i在評(píng)價(jià)時(shí)段（T）的濃度平均值。

2實(shí)證研究

石家莊市是國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)城市之一，市區(qū)內(nèi)正常運(yùn)行的國(guó)控環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站有7個(gè)，分別為裕華區(qū)的世紀(jì)公園點(diǎn)位，長(zhǎng)安區(qū)的22中南校區(qū)點(diǎn)位、人民會(huì)堂點(diǎn)位，新華區(qū)的西北水源點(diǎn)位，橋西區(qū)的西南高教點(diǎn)位、職工醫(yī)院點(diǎn)位，高新區(qū)點(diǎn)位。7個(gè)國(guó)控點(diǎn)位均采用自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)方式，監(jiān)測(cè)PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和O3等污染物的濃度，并實(shí)時(shí)對(duì)外發(fā)布。本研究采用石家莊市區(qū)7個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間為2013年1月1日至2017年12月31日，為完整的5年。

2.1基于綜合指數(shù)的污染貢獻(xiàn)率

2.1.1貢獻(xiàn)率逐年變化

根據(jù)2013年至2017年石家莊市發(fā)布的6項(xiàng)污染物濃度，由式（1）—式（3）計(jì)算，得到污染物逐年的污染貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)表1（表中數(shù)值皆為體積分?jǐn)?shù)）。

由表1可知，按照各項(xiàng)污染物的污染貢獻(xiàn)率進(jìn)行評(píng)價(jià)，2013—2017年，對(duì)大氣污染貢獻(xiàn)最大的均為顆粒物（包括PM10和PM2.5）。其中：PM10的貢獻(xiàn)率逐年降低，由2013年的29.6%降至2017年的25.2%;PM2.5的貢獻(xiàn)率在30%左右波動(dòng)，逐年變化不大;SO2的貢獻(xiàn)率呈逐年降低的趨勢(shì)，由2013年的11.9%降至2017年的6.3%;NO2和O3的貢獻(xiàn)率呈逐年升高的趨勢(shì)，NO2的貢獻(xiàn)率由2013年的11.5%升至2017年的15.4%，O3的貢獻(xiàn)率由2013年的7.3%升至2017年的14.4%;CO的貢獻(xiàn)率在10%左右波動(dòng)，逐年變化不大，略有上升趨勢(shì)。

2.1.2貢獻(xiàn)率季度變化

按照季度劃分：1～3月為第一季度，4～6月為第二季度，7～9月為第三季度，10～12月為第四季度。由式（1）—式（3）計(jì)算，得到2013—2017年6項(xiàng)污染物各季度在綜合指數(shù)中的污染貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)圖1。一季度至四季度，對(duì)大氣污染貢獻(xiàn)最大的均為顆粒物（包括PM10和PM2.5），且各季度貢獻(xiàn)率差異不大，第二季度和第三季度的貢獻(xiàn)率略低于第一季度和第四季度。2013年至2014年的第一季度，貢獻(xiàn)率僅次于顆粒物的為SO2，其次為NO2。2015年至2017年的第一季度，貢獻(xiàn)率僅次于顆粒物的為NO2，其次為SO2。2013年的第二季度貢獻(xiàn)率僅次于顆粒物的為NO2，其次為SO2。2014年至2017年的第二季度，貢獻(xiàn)率僅次于顆粒物的均為O3，其次為NO2。2013年的第三季度貢獻(xiàn)率僅次于顆粒物的為NO2，其次為O3。2014年至2017年的第二季度，貢獻(xiàn)率僅次于顆粒物的均為O3，其次為NO2。2013年至2017年的第四季度，貢獻(xiàn)率僅次于顆粒物的均為NO2。

結(jié)合表1、圖1可知，除顆粒物外，NO2已成為石家莊市全年第二大污染影響因素，O3成為夏季第二大污染影響因素。石家莊市大氣污染特征呈現(xiàn)由“煤煙型”、“混合型”污染向“復(fù)合型”污染轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。2013年至2017年，對(duì)大氣污染貢獻(xiàn)最大的仍為顆粒物，雖然PM10的貢獻(xiàn)率逐年降低，但PM2.5的貢獻(xiàn)率基本在30%左右波動(dòng)，說(shuō)明石家莊市“抑塵”工作應(yīng)以降低細(xì)顆粒物污染為核心。SO2的貢獻(xiàn)率逐年降低，表明“壓煤”效果突出。鑒于NO2和O3的貢獻(xiàn)率呈逐年升高的趨勢(shì)，“控車(chē)”以及加大力度控制工業(yè)生產(chǎn)排放的VOCs成為大氣污染防治工作的另一個(gè)重點(diǎn)。

2.2基于濃度均值的污染貢獻(xiàn)率

基于綜合指數(shù)的各項(xiàng)污染物污染貢獻(xiàn)率逐年發(fā)生著變化，各項(xiàng)污染物貢獻(xiàn)率的變化體現(xiàn)石家莊市大氣污染的特征也在不斷發(fā)生著變化，掌握單項(xiàng)污染物在不同時(shí)段的污染貢獻(xiàn)率能更有效地對(duì)大氣污染防治工作起到指導(dǎo)作用。根據(jù)式（4），不僅能夠計(jì)算各項(xiàng)污染物全年逐月的污染貢獻(xiàn)率，還可計(jì)算各項(xiàng)污染物全年污染貢獻(xiàn)率的逐時(shí)分布。

2.2.1污染貢獻(xiàn)率月分布

2013年至2017年，石家莊市6項(xiàng)污染物的污染貢獻(xiàn)率月分布的年際趨勢(shì)有很強(qiáng)的一致性，結(jié)果見(jiàn)圖2，6項(xiàng)污染物中PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO的污染貢獻(xiàn)率月分布整體表現(xiàn)同源性較強(qiáng)，呈“U型”分布，而O3污染貢獻(xiàn)率月分布呈“拱型”分布，與其他5項(xiàng)污染物呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

1）PM10污染貢獻(xiàn)率較大的月份除2017年外，基本分布在1月至3月、10月至12月，這6個(gè)月份占全年約50%的天數(shù)對(duì)全年的污染貢獻(xiàn)率分別為60.7%，60.6%，61.7%，68.2%和58.8%。2017年1月、2月PM10的污染貢獻(xiàn)率較大（16.6%，10.0%），其他月份的污染貢獻(xiàn)率分布均勻。

2）PM2.5污染貢獻(xiàn)率較大的月份，2013年為1月（18.4%）、2月（11.6%）、10月（10.2%）、12月（11.8%），2014年為1月（14.6%）、2月（13.4%）、10月（11.3%），2015年為1月（14.6%）、11月（11.3%）、12月（15.8%），2016年為1月（11.3%）、11月（14.1%）、12月（23.7%），2017年為1月（19.9%）、2月（12.5%）、12月（10.0%）。

3）SO2污染貢獻(xiàn)率較大的月份基本分布在1月至3月、11月至12月，這5個(gè)月份占全年約40%天數(shù)的SO2對(duì)全年的污染貢獻(xiàn)率分別為68.6%，69.7%，69.5%，67.0%和 61.8%。

4）NO2污染貢獻(xiàn)率最大的月份除2016年出現(xiàn)在12月份，其余4年均出現(xiàn)在1月份，2013年污染貢獻(xiàn)率月最大值為12.8%，2014年為13.0%，2015年為14.6%，2016年為14.2%，2017年為12.4%。NO2污染貢獻(xiàn)率較高的月份集中在1月至3月，10月至12月。

5）CO污染貢獻(xiàn)率較大的月份集中在1月至2月、11月至12月，貢獻(xiàn)率為10%～20%，貢獻(xiàn)率較小的月份貢獻(xiàn)率僅為5.0%左右，不同月份貢獻(xiàn)率差異很大。PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO污染貢獻(xiàn)率較大的月份與供暖期有很強(qiáng)的一致性。

6）O3的污染貢獻(xiàn)率逐月變化趨勢(shì)與其余5項(xiàng)污染物不同，貢獻(xiàn)率較高的月份集中在光照較強(qiáng)的4月至9月，且月份間貢獻(xiàn)率的差異較小，貢獻(xiàn)率基本在15%左右，其他月份貢獻(xiàn)率較小，均在10%以下。2013年至2017年，這6個(gè)月份占全年約50%的天數(shù)對(duì)全年的污染貢獻(xiàn)率逐年分別為76.0%，76.6%，71.0%，71.2%，73.0%。

PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO污染貢獻(xiàn)率的“U型”分布特征與石家莊市的污染氣象條件和燃料煤消耗量變化相吻合。由于冬季逆溫強(qiáng)度與逆溫層厚度大，阻礙污染物稀釋擴(kuò)散的接地逆溫現(xiàn)象普遍，污染物稀釋擴(kuò)散能力降低，加上冬季采暖季燃煤量增大，造成PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO濃度值較高，貢獻(xiàn)率較大。O3與其余5項(xiàng)污染物呈現(xiàn)相反狀態(tài)，基本呈現(xiàn)夏季高、冬季低的狀態(tài)，這種現(xiàn)象與夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng)有關(guān)。

2.2.2污染貢獻(xiàn)率小時(shí)分布

根據(jù)圖3可知，2013年至2017年石家莊市6項(xiàng)污染物中的污染貢獻(xiàn)率逐時(shí)變化年際趨勢(shì)有很強(qiáng)的一致性，污染貢獻(xiàn)率“峰值”和“谷值”出現(xiàn)的時(shí)段基本相同。

根據(jù)不同污染物的逐時(shí)污染特征，將0：00至23：00等分為3段（0：00至7：00，8：00至15：00，16：00至23：00）來(lái)分析PM10，PM2.5，SO2和NO2污染貢獻(xiàn)率的時(shí)段分布情況，將0：00至23：00等分為2段來(lái)分析CO污染貢獻(xiàn)率的分布情況，將0：00至23：00等分為4段（0：00至5：00，6：00至11：00，12：00至17：00，18：00至23：00）來(lái)分析O3污染貢獻(xiàn)率的時(shí)段分布情況，結(jié)果見(jiàn)表2。除2015年外，PM10和PM2.5污染貢獻(xiàn)率最高的時(shí)段均在0：00至7：00。2017年SO2污染貢獻(xiàn)率最高的時(shí)段在0：00至7：00，其余各年貢獻(xiàn)率最高的時(shí)段均在8：00至15：00。NO2污染貢獻(xiàn)率最高的時(shí)段均在0：00至7：00，0：00至11：00 CO污染貢獻(xiàn)率較高，12：00至17：00 O3污染貢獻(xiàn)率最高。

由分析結(jié)果可知，除O3外，其他5項(xiàng)污染物貢獻(xiàn)率峰值多出現(xiàn)于凌晨至清晨時(shí)段，午后貢獻(xiàn)率逐漸下降至谷底，夜間又逐漸上揚(yáng)，貢獻(xiàn)率小時(shí)變化呈現(xiàn)“晨峰午谷”的周期性規(guī)律。該特征主要與一天內(nèi)氣象條件、污染物排放及城市生活有關(guān)。大氣輻射逆溫變化通常從夜間開(kāi)始，清晨達(dá)到最大，然后逐步減退，至中午左右消失，這種污染氣象特征是造成污染貢獻(xiàn)率逐時(shí)變化呈現(xiàn)“晨峰午谷”規(guī)律的主要因素。

3結(jié)論

近5年來(lái)，針對(duì)大氣污染防治工作，石家莊市提出了“壓煤、抑塵、控車(chē)、減排、遷企、增綠”六大措施，集中全力對(duì)鋼鐵、電力、水泥、玻璃行業(yè)進(jìn)行了集中整治，謀劃實(shí)施了主城區(qū)19家污染企業(yè)搬遷升級(jí)改造工作，持續(xù)調(diào)整供熱能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源供熱占比，堅(jiān)定不移地推進(jìn)“氣代煤”、“電代煤”工作的開(kāi)展。一系列措施的實(shí)施，促進(jìn)了大氣環(huán)境質(zhì)量的全面改善，實(shí)現(xiàn)了年均濃度逐年降低的局面。同時(shí)，石家莊市的能源結(jié)構(gòu)和工業(yè)布局的改變也直接帶來(lái)了大氣污染特征的改變。

目前，人們對(duì)大氣污染狀況的研究多以污染物濃度值的高低來(lái)評(píng)價(jià)污染程度，以濃度值的上升和下降幅度來(lái)評(píng)價(jià)改善程度[13-15]，而從污染構(gòu)成方面解釋污染特征及其變化趨勢(shì)的研究相對(duì)缺乏。本研究通過(guò)計(jì)算大氣污染貢獻(xiàn)率，以貢獻(xiàn)率為評(píng)價(jià)對(duì)象，定量描述了大氣污染特征及其變化趨勢(shì)。宏觀方面，基于綜合指數(shù)的污染貢獻(xiàn)率的計(jì)算，將綜合指數(shù)中6項(xiàng)污染物的污染貢獻(xiàn)率進(jìn)行了量化，明確了城市大氣污染物中的主要特征污染物。5年來(lái)各項(xiàng)污染物貢獻(xiàn)率的變化很好地表征了石家莊市大氣污染類型的轉(zhuǎn)變，從而為有針對(duì)性地制訂大氣污染削減方案提供了依據(jù)。微觀方面，基于濃度均值的污染貢獻(xiàn)率的計(jì)算，將單項(xiàng)污染物全年中的月份貢獻(xiàn)率、全天中的時(shí)段貢獻(xiàn)率進(jìn)行量化，將單項(xiàng)污染物的時(shí)間污染特征進(jìn)行細(xì)化，方便管理部門(mén)有效掌握大氣污染關(guān)鍵時(shí)段，從而使污染防治工作在時(shí)間尺度上有所側(cè)重。本研究中單項(xiàng)污染物長(zhǎng)時(shí)間序列的污染貢獻(xiàn)率的計(jì)算結(jié)果，可作為大氣預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作的依據(jù)，為精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支撐。

筆者對(duì)大氣污染貢獻(xiàn)率的研究?jī)H側(cè)重于時(shí)間尺度，尚未對(duì)采暖期和非采暖期、污染物濃度達(dá)標(biāo)時(shí)段和超標(biāo)時(shí)段的污染貢獻(xiàn)率特征展開(kāi)深入分析，空間尺度的污染貢獻(xiàn)率將是今后進(jìn)一步探討的另一個(gè)方向。

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