太原市大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化分析

趙瑩， 周義， 王欣暢

山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,山西 臨汾 041000

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，大氣環(huán)境污染對(duì)地球生態(tài)環(huán)境和人類的生活質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響，因而成為人們最為關(guān)注的熱點(diǎn)和環(huán)境學(xué)科研究的重點(diǎn)[1].因此，通過(guò)對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)的研究，了解其變化特征及大氣污染狀況產(chǎn)生原因，從而為有效改善環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)參考.

太原市作為中國(guó)主要能源城市，為國(guó)家的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的同時(shí)，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越突出，迫切需要以新的面貌面對(duì)未來(lái)的發(fā)展和挑戰(zhàn)[2].近年來(lái)，已有學(xué)者對(duì)太原市大氣環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，如張?jiān)品紝?duì)太原市空氣質(zhì)量總體狀況及污染物情況進(jìn)行分析， 總結(jié)了影響太原市空氣質(zhì)量狀況的原因[3]；高崗栓分析了“十一五”以來(lái)太原市大氣污染現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，并提出了大氣污染防治對(duì)策[4]；溫麗仙等利用2001年～2005年P(guān)M10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)太原市PM10時(shí)空分布特征及其成因進(jìn)行研究[5].綜上，可見(jiàn)現(xiàn)有研究對(duì)太原市大氣環(huán)境質(zhì)量的研究較集中于定性描述大氣環(huán)境質(zhì)量及對(duì)某單一因子的污染評(píng)價(jià)，而定量研究太原市大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征的研究相對(duì)較少，因此本文利用中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站發(fā)布的2013年～2017年太原市大氣環(huán)境質(zhì)量和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)， 以揭示太原市近五年來(lái)大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征及其成因，從而為改善太原市環(huán)境質(zhì)量提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省境中央，地理坐標(biāo)為37°27′～38°25′ N、110°30′～113°09′E，太原東、北、西三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，汾河由北向南橫貫太原市全市[6].太原屬北溫帶大陸性氣候，降雨多集中于夏秋季，冬春季則多風(fēng)少雨.

太原市礦產(chǎn)資源不僅儲(chǔ)量大且種類豐富、質(zhì)量上乘，以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)成為我國(guó)重要的能源與重工業(yè)基地.自20世紀(jì)末起，太原市經(jīng)濟(jì)運(yùn)行持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)、大力發(fā)展科技創(chuàng)新，積極帶動(dòng)山西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí).

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所使用的SO2、NO2、PM10、CO、O3和PM2.5六種污染物的濃度數(shù)據(jù)以及空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index, AQI)數(shù)據(jù)均來(lái)自于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站發(fā)布的全國(guó)城市空氣質(zhì)量時(shí)報(bào)數(shù)據(jù)以及《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》.數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)自2013年至2017年；研究區(qū)內(nèi)含國(guó)家監(jiān)測(cè)九站點(diǎn)，詳見(jiàn)圖1.

2 研究方法

2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法

環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)是用來(lái)描述城市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合狀況的無(wú)量綱指數(shù)，由中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部提出用于對(duì)全國(guó)74個(gè)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種工具[7].環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)越小表明其綜合污染程度越輕；反之，則綜合污染程度較重[8].其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

圖1 研究區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖
Fig.1 Layout of atmospheric environment monitoring points in Taiyuan city

Fi=Ii/Isum

式中，F(xiàn)i為污染物的負(fù)荷率；Ci為污染物i的濃度值；Si為污染物i的年均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Isum為環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)；Ii為污染物i的單項(xiàng)指數(shù)，i為SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5等全部六項(xiàng)指標(biāo)[9].

2.2 空間插值法

空間插值是利用采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)未知區(qū)域的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行推理和估計(jì)的方法[10].空間內(nèi)距離相近的點(diǎn)其特征值也相近；反之，特征值相差較大.因研究區(qū)監(jiān)測(cè)成果多以離散點(diǎn)數(shù)據(jù)形式記錄，難以較直觀地反映整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)空間變化特性，因此需對(duì)研究區(qū)站點(diǎn)數(shù)據(jù)做空間插值化.根據(jù)研究區(qū)內(nèi)站點(diǎn)分布不均且密集度不高的特點(diǎn)，本研究選取克里格插值對(duì)太原市大氣環(huán)境質(zhì)量空間分布進(jìn)行拓展和特征揭示.

3 太原市大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征分析

3.1 時(shí)間變化特征分析

3.1.1 年際變化特征分析

以2013年～2017年太原市六區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)法對(duì)太原市2013年～2017年間空氣質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).結(jié)果如表1.

由表1得出的結(jié)果可知，太原市五年間大氣環(huán)境質(zhì)量變化具有如下特征：(1)除NO2外，各單項(xiàng)污染物濃度呈逐年下降變化特征.其中，PM2.5污染負(fù)荷率(FPM2.5)平均25.60 %，PM10污染負(fù)荷率(FPM10)平均24.50 %，表明其主要污染物為PM2.5、PM10.其余四項(xiàng)污染物的負(fù)荷率均是顆粒物負(fù)荷率的50 %左右.(2)由表1中環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)(Isum)易知，2013年～2015年間太原市環(huán)境空氣質(zhì)量2014年顯著降低，降幅為13.07 %，2015年繼續(xù)下降，降幅為8.42 %，2016年開(kāi)始升高，增幅為7.30 %；2017年轉(zhuǎn)而下降，降幅為2.74 %.總體來(lái)講，五年來(lái)太原市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)呈整體下降并伴有小幅波動(dòng)趨勢(shì).

AQI與空氣污染指數(shù)(API)有異.AQI參照的是《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)，參與評(píng)價(jià)的污染物為SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO六項(xiàng)[11].而API參照的是《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-1996)，評(píng)價(jià)的污染物僅為SO2、NO2和PM10三項(xiàng)，且AQI采用分級(jí)限制標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán).AQI較API進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)更多，因而結(jié)果更具準(zhǔn)確性.近五年太原市不同空氣質(zhì)量級(jí)別所占比例如圖2所示.從中可以看出，2013年～2016年間太原市環(huán)境空氣質(zhì)量的優(yōu)良天數(shù)逐年遞增，優(yōu)良天數(shù)所占比例由2013年的45.55 %增加到2016年的64.48 %，增長(zhǎng)了18.93個(gè)百分點(diǎn)；2017年優(yōu)良天數(shù)所占比例相對(duì)于2013年，增長(zhǎng)2.67個(gè)百分點(diǎn).近五年來(lái)太原市環(huán)境空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)所占比例的整體趨勢(shì)以2013年與2017年為端點(diǎn)，以2015年為最高點(diǎn)呈現(xiàn)出一個(gè)倒U型的結(jié)構(gòu).

表1 太原市大氣環(huán)境質(zhì)量污染物單項(xiàng)指數(shù)和環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)Tab.1 Single index of atmospheric environmental quality and comprehensive index of ambient air quality in Taiyuan

圖2 2013年～2017年太原市空氣質(zhì)量級(jí)別所占比例
Fig.2 The proportion of Taiyuan city's air quality grade from 2013 to 2017

3.1.2 月、季變化特征分析

2013年～2017年間太原市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)的月相特征如圖3所示.五年來(lái)太原市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)最小的月份幾乎為7月、8月份，而從11月到次年的1月、2月份的空氣質(zhì)量綜合指數(shù)全年最大；由季節(jié)角度，可以看出夏季的空氣質(zhì)量綜合指數(shù)普遍較低，空氣污染程度較小；而冬季則是全年最高，冬季污染程度也較高.因此，太原市有明顯的月份和季節(jié)空氣質(zhì)量變化特征.另外，太原市采暖期為當(dāng)年11月至次年3月，非采暖期則為當(dāng)年4月至10月，且PM2.5、PM10、SO2是近五年來(lái)太原市的主要污染物.2013年～2017年間太原市空氣質(zhì)量的主要污染物在總體上呈現(xiàn)采暖期高于非采暖期污染濃度的特征，由五年內(nèi)平均濃度差異范圍看出PM2.5采暖期是非采暖期的1.66倍，PM10為 1.33倍，SO2則是3.18倍，這表明采暖期大量化石燃料的燃燒，污染源的排放量增大，導(dǎo)致空氣中SO2.煙塵等顆粒物排放量增大，加劇了大氣環(huán)境污染的惡化.此外，從各年度采暖期的濃度變化分析，PM2.5濃度五年內(nèi)下降了15.69 %；SO2濃度五年內(nèi)

下降了6.07 %；表明影響太原市大氣環(huán)境質(zhì)量的三種主要污染物濃度均有一定下降趨勢(shì).

3.2 空間變化特征分析

由于澗河監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間缺失，故選擇以2013年～2017年間太原市8個(gè)國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，分析太原市大氣環(huán)境質(zhì)量空間變化，結(jié)果如圖5所示.各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空氣質(zhì)量分指數(shù)最高的均為PM2.5，PM2.5與PM10的分指數(shù)變化趨勢(shì)一致，其中尖草坪監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5與PM10指數(shù)最高，上蘭最低，其余六個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)均保持較穩(wěn)定的污染水平.另外，八個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的CO濃度均超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、O3濃度在國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)左右.由空氣質(zhì)量綜合指數(shù)看出，太原市區(qū)的空氣質(zhì)量總體較均衡，其中污染較嚴(yán)重的為尖草坪地區(qū)，最好的是上蘭地區(qū).

圖3 2013年～2017年空氣質(zhì)量綜合指數(shù)逐月變化特征Fig.3 Air quality in 2013～2017 composite index variation characteristics from month to month圖4 采暖期與非采暖期主要污染物濃度變化Fig.4 Heating period of main pollutant concentration change with the heating period

通過(guò)對(duì)太原市首要污染物PM2.5及環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)進(jìn)行空間插值，其空間分布如圖6所示.從該圖可看出，PM2.5與環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)呈相似的空間分布狀態(tài)，即太原市市區(qū)的西北方向是太原市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)及PM2.5分指數(shù)全市區(qū)最低；以太原市市區(qū)中部為中心，其空氣質(zhì)量綜合指數(shù)及PM2.5的分指數(shù)最高，大致呈同心圓狀向外輻射開(kāi)，其數(shù)值也逐漸降低.

圖5 太原市大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣質(zhì)量指數(shù)分布圖
Fig.5 Air quality index distribution map of atmospheric environment in Taiyuan city

4 結(jié)論

基于實(shí)測(cè)站點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，對(duì)太原市2013年～2017年的大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

(1)時(shí)間上，太原市大氣環(huán)境質(zhì)量呈逐年好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)，其空氣質(zhì)量綜合指數(shù)總體呈逐年遞減趨勢(shì)，除NO2外，各污染物濃度也逐年下降.2013年～2017年間，除2013年空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為8.74外，其余年份均保持在7.5上下浮動(dòng).此外，NO2污染物的濃度分指數(shù)呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)，SO2污染物濃度分指數(shù)在逐年降低，但NO2與SO2五年內(nèi)的污染濃度均超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此仍需加強(qiáng)其二者的治理.太原市市區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征，即冬季大氣污染程度最強(qiáng)，夏季最弱，總體呈由冬—春—秋—夏逐漸減弱的趨勢(shì)，且采暖期主要污染物的濃度遠(yuǎn)大于非采暖期.

圖6 太原市大氣首要污染物環(huán)境空氣質(zhì)量空間分布圖
Fig.6 The spatial distribution of primary pollutant and comprehensive environmental quality in Taiyuan

(2)空間上，太原市市區(qū)的空氣質(zhì)量大致呈西北部最好，中部最差，并以太原市市區(qū)中部為中心大致呈同心圓狀向外輻射，其空氣質(zhì)量由中心向外逐漸變好.太原市市區(qū)內(nèi)的監(jiān)控站點(diǎn)的空氣質(zhì)量分布總體較均衡，上蘭與南寨的污染程度最?。豢諝赓|(zhì)量較差且PM2.5濃度較高的區(qū)域主要集中在太原市區(qū)的中部地區(qū)，空氣質(zhì)量較好的地區(qū)位于太原市區(qū)西北部.

(3)原因分析：全年靜風(fēng)頻率較高，地形較封閉，污染擴(kuò)散能力較差，不利于大氣污染物的擴(kuò)散[12].上蘭監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于太原市主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)向，空氣質(zhì)量全市區(qū)最好，并且污染物濃度呈逐年遞減的趨勢(shì).且太原市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，風(fēng)沙等顆粒物無(wú)法形成大面積揚(yáng)塵，使夏季太原市顆粒物濃度較低；而冬季寒冷干燥，加之地處黃土高原，植被覆蓋率低，導(dǎo)致空氣中顆粒物含量大大增加.

(4)近年來(lái)SO2及顆粒物的濃度呈逐年下降趨勢(shì)，是由于太原市為了改善市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量，“十二五”以來(lái)，集中財(cái)力、物力、人力，以創(chuàng)新發(fā)展模式、全面推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型為支撐，堅(jiān)定不移地實(shí)施“藍(lán)天碧水工程”，從而使得全市大氣環(huán)境質(zhì)量持續(xù)好轉(zhuǎn)[4].太原市采暖期大氣中的PM2.5、SO2和PM10濃度明顯超標(biāo)，由于大量的燃煤與太原市內(nèi)仍存在小鍋爐采暖問(wèn)題.但三種污染物的濃度在近五年呈平穩(wěn)降低的趨勢(shì)，表明太原市在加快建設(shè)熱源廠提供集體供暖以及整治全市的小鍋爐燃煤?jiǎn)栴}上取得顯著成果.而太原市的NO2等氮氧化物的污染加劇則是由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車尾氣大量排放，產(chǎn)生大量氮氧化物污染.

(5)因本研究?jī)H利用2013年～2017年間太原市污染物濃度的站點(diǎn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行時(shí)空變化特征分析，鑒于數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)和空間站點(diǎn)數(shù)量的有限性，對(duì)太原市大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征的揭示仍需進(jìn)一步探究和完善，才能夠更加全面、科學(xué)地揭示太原市大氣環(huán)境質(zhì)量的變化規(guī)律，從而為改善或治理太原市大氣環(huán)境質(zhì)量提供一些科學(xué)依據(jù)或支撐.