河南省空氣污染物構(gòu)成特征與空間關(guān)聯(lián)關(guān)系研究

秦建輝，王素仙

(1.河南理工大學(xué) 工商管理學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 理工教育中心，河南 焦作 454000)

0 引 言

當(dāng)前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量不斷惡化，人民健康和國家生態(tài)安全受到威脅，空氣污染問題已成為亟須解決的重大民生問題[1-3]?？諝馕廴局饕憩F(xiàn)為空氣中顆粒物、硫氧化合物、氮氧化合物、臭氧等超標(biāo)。其中，顆粒物易于吸附環(huán)境中的重金屬、有害細(xì)菌等有毒物質(zhì)，且能夠隨空氣進(jìn)入人的肺部，引起呼吸系統(tǒng)、血液系統(tǒng)等各類疾病[4-7]，而空氣中的氮氧化物能夠促使光化學(xué)煙霧形成[8]，其和硫氧化合物又是酸雨形成的重要基礎(chǔ)[9]。因此，探討空氣污染物構(gòu)成特征與時空變化過程是關(guān)系民生的重大課題[10-11]。

河南省是國家實(shí)施中部崛起和中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)戰(zhàn)略的核心區(qū)域，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但空氣污染形勢不容樂觀，曾一度出現(xiàn)污染指數(shù)持續(xù)上升、污染程度在全國排位持續(xù)靠前的嚴(yán)峻局面。空氣污染已經(jīng)成為影響全省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重大瓶頸和潛在風(fēng)險隱患。近年來，學(xué)者針對河南省空氣污染時空格局與影響因素[12-13]、空氣污染輸送通道及來源[14-15]開展了一些研究，并取得了豐碩成果，也有學(xué)者開始初步探討污染物構(gòu)成及其變化，但基于數(shù)據(jù)限制，研究涉及污染物組分過于單一，難以揭示空氣污染物整體構(gòu)成及演變特征[16-17]。2014年，依照中國環(huán)境保護(hù)部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)，河南省城市開始逐步實(shí)施并系統(tǒng)發(fā)布6種首要污染物及空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)數(shù)據(jù)。本文借助其發(fā)布的最新空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)探討河南省城市空氣污染物的演變過程及空間關(guān)聯(lián)特征，以期為我省空氣污染防治提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省地處我國中部，界于31°23′～36°22′N，110°21′～116°39′E間，總面積約16.7萬km2，現(xiàn)轄鄭州、開封、洛陽、平頂山等17個省轄市和1個省直管市濟(jì)源(圖1)。河南省大部分地處暖溫帶，南部跨亞熱帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期，年均溫度12.7～16.2 ℃，年均降水量477.8～1 167.3 mm。近年來，隨著城鎮(zhèn)化和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河南省空氣質(zhì)量不容樂觀，省會鄭州市成為首個被約談的省會城市,而且鄭州、開封、安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽等7個城市也被列入京津冀大氣污染傳輸通道城市，是京津冀地區(qū)的大氣污染防治攻堅(jiān)的重點(diǎn)區(qū)域。

圖1 河南省城市分布

1.2 數(shù)據(jù)與方法

空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index，AQI)與首要污染物數(shù)據(jù)源于國家環(huán)保部(http://www.zhb.gov.cn/)和河南省環(huán)境保護(hù)廳(http://www.hnep.gov.cn/)發(fā)布的河南省各城市2015年3月1日—2017年2月28日日尺度數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)依據(jù)我國環(huán)境保護(hù)部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局2012年底發(fā)布的最新環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)。為保持不同年份監(jiān)測天數(shù)的一致性，剔除缺測日對應(yīng)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)。依照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)，本文涉及的空氣污染是指空氣質(zhì)量為輕度及其以上的空氣污染。

基于2015年和2016年河南省城市空氣污染首要污染物出現(xiàn)天數(shù)數(shù)據(jù)，借助ArcGIS全局自相關(guān)(global moran’s I)和局部自相關(guān)(local moran’s I)分析模塊，分別從季節(jié)(氣象劃分法)及全年尺度對比探討河南省城市首要污染物的空間集聚特征及城市首要污染物與鄰近城市首要污染物的關(guān)聯(lián)程度。最后，根據(jù)年均首要污染物出現(xiàn)天數(shù)，采用SPSS系統(tǒng)聚類分析方法，選擇歐氏距離平方測度距離和離差平方和法初步探討河南省城市空氣首要污染的相似性與差異性。

2 結(jié)果與討論

2.1 首要污染物構(gòu)成變化特征

由圖2可知，2015—2016年河南省春季空氣污染天數(shù)有所減少，減少約8天，全省首要污染物構(gòu)成比例也出現(xiàn)較大變化。其中，PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比由2015年的67.11%下降至2016年的41.30%，而PM10和O3出現(xiàn)天數(shù)占比分別由21.89%和10.89%增至41.30%和17.25%。就城市而言，2015年僅鶴壁以首要污染物PM10出現(xiàn)天數(shù)占比最高，其他17個城市均以首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比最高，其中周口達(dá)82.35%。全省除漯河、商丘、信陽、駐馬店和濟(jì)源外，其他城市首要污染物PM10出現(xiàn)天數(shù)僅次于PM2.5。相比而言，2016年鄭州、安陽、濮陽、許昌、三門峽、南陽、駐馬店和濟(jì)源等8個城市出現(xiàn)天數(shù)占比最高的首要污染物為PM10。

圖2 河南省春季各市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)構(gòu)成特征

2015—2016年河南省夏季空氣污染天數(shù)也有所減少，但首要污染物O3出現(xiàn)天數(shù)占比激增。具體而言，2015—2016年首要污染物PM2.5，PM10和O3出現(xiàn)天數(shù)占比分別由51.93%，11.15%和36.09%變?yōu)?4.15%，1.21%和84.64%。城市間首要污染物構(gòu)成變化差異較大，2015年鄭州、漯河、商丘、駐馬店和濟(jì)源市等地出現(xiàn)天數(shù)占比最高的首要污染物為O3，其他13個城市出現(xiàn)天數(shù)占比最高的首要污染物為PM2.5。然而，2016年全省除商丘以PM2.5為首要污染物外，其他所有城市出現(xiàn)天數(shù)占比最高的首要污染物為O3，多在80%以上，且多數(shù)城市無首要污染PM10出現(xiàn)(圖3)。

圖3 河南省夏季各市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)構(gòu)成特征

由圖4可見，2015—2016年河南省秋季空氣污染天數(shù)略有增加，但首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比下降，由85.80%下降為60.45%，而首要污染物PM10和O3出現(xiàn)天數(shù)占比增大，尤其是O3，增加至27.14%。2015年全省所有城市均以首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比最高，尤其是周口，達(dá)97.83%，平頂山、漯河、三門峽、南陽、商丘、信陽等城市首要污染物O3出現(xiàn)天數(shù)占比較PM10占比高，而洛陽首要污染物NO2出現(xiàn)天數(shù)占比較高，且無首要污染O3出現(xiàn)。相比而言，2016年除周口和南陽出現(xiàn)天數(shù)占比最高的首要污染物為O3，其余所有城市最常見的首要污染物均為PM2.5。

2015—2016年河南省冬季空氣污染天數(shù)基本一致，但首要污染物構(gòu)成差異明顯。首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比增加，由86.97%增至96.53%，而首要污染物PM10出現(xiàn)天數(shù)占比由12.42%降低至3.47%，首要污染物構(gòu)成趨于單一。就城市而言，2015全省所有城市均以首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比最高，達(dá)73%以上，而2016年首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比均超過87%(圖5)。

圖4 河南省秋季各市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)構(gòu)成特征

圖5 河南省冬季各市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)構(gòu)成特征

從年尺度上，2015—2016年河南省空氣污染天數(shù)有所減少，減少約11天。PM2.5是河南省最常見的首要污染物，但出現(xiàn)天數(shù)占比降低，由2015年的75.01%下降為2016年的62.49%。相比而言，首要污染物PM10的出現(xiàn)天數(shù)差別不大，基本在24.5天(約14%)，但以O(shè)3為首要污染物的污染天數(shù)增加迅速，超過了首要污染物PM10的出現(xiàn)天數(shù)，約占總污染天數(shù)的22.58%(圖6)。

圖6 河南省全年各市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)構(gòu)成特征

從城市角度看，2015年全省所有城市最常見的首要污染物是PM2.5，其中周口首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比最高，為91.51%，而鄭州占比最低，為66.20%。全省除商丘、信陽、駐馬店、濟(jì)源、平頂山以及漯河等市以O(shè)3為第二首要污染物，其余12個城市第二首要污染物為PM10(圖6)。相比而言，2016年P(guān)M2.5依然是所有城市中最常見的首要污染物，但出現(xiàn)天數(shù)明顯減少，出現(xiàn)天數(shù)占比最高為74.25%(商丘)。此外，全省城市中僅安陽、鶴壁、開封以及三門峽等4個城市以PM10為第二首要污染物，其余城市首要污染O3的出現(xiàn)天數(shù)占比僅次于PM2.5(圖6)。PM2.5是影響我國空氣質(zhì)量的主要污染物，尤其在每年10月份至次年3月份[18]。然而，隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、小型燃煤火電廠關(guān)停以及集中供暖等控制措施的實(shí)施，PM2.5質(zhì)量濃度不斷降低[19]。夏季溫度較高，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，O3成為我國夏季最重要的污染物，且隨著氣候不斷變暖，O3質(zhì)量濃度呈現(xiàn)逐漸增長的態(tài)勢[20]。

2.2 首要污染物空間關(guān)聯(lián)特征

由全局自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，2015年河南省四季首要污染物PM2.5，PM10以及O3出現(xiàn)天數(shù)具有一定的隨機(jī)分布特征，但2016年秋季PM2.5(Z=2.85，P<0.01)、PM10(Z=2.63，P<0.01)以及冬季PM2.5(Z=2.00，P<0.05)表現(xiàn)出顯著的空間集聚現(xiàn)象。就局部空間自相關(guān)而言，2015年河南省全年空氣污染天數(shù)呈現(xiàn)以平頂山為中心的高-高型集聚特征和以開封市為中心的低-高型異常區(qū)域，而2016年南陽和信陽空氣污染天數(shù)與周邊城市呈現(xiàn)顯著的低-低型集聚特征，新鄉(xiāng)呈現(xiàn)高-高型集聚特征(圖7)。首要污染物空間自相關(guān)關(guān)系差異較大，2015年全省僅首要污染物O3呈現(xiàn)低-高型分布，而2016年首要污染物PM2.5存在高-高型集聚現(xiàn)象(圖8)。由于大氣傳輸及地形等因素，城市空氣污染程度與周邊空氣污染狀況關(guān)系密切，空氣污染具有一定的空間聚集特征，而這種集聚特征可能會促使污染物相互作用，加劇空氣質(zhì)量惡化[21]。這意味著空氣污染防治應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控力度，也應(yīng)因時制宜及時調(diào)整。

圖7 河南省2015年和2016年城市空氣污染天數(shù)局部空間自相關(guān)圖

圖8 河南省城市空氣污染首要污染物局部空間自相關(guān)圖

2.3 首要污染物分類特征

由圖9可見，河南省城市空氣污染首要污染物可劃分為5類。第1類以首要污染物PM2.5為主導(dǎo)，但其出現(xiàn)天數(shù)少于其他類型，由開封和鶴壁組成。三門峽、南陽、駐馬店、濟(jì)源、信陽、許昌和漯河等7城市屬于第2類，該類首要污染物O3出現(xiàn)天數(shù)較多，約30天，而首要污染物PM2.5和PM10出現(xiàn)天數(shù)較少，分別為104天和23天。第3類由鄭州、濮陽和洛陽等3個城市組成，該類首要污染物PM10和O3出現(xiàn)天數(shù)最多。第4類城市首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)較多，但是PM10和O3出現(xiàn)天數(shù)較少，由焦作、商丘和安陽組成。平頂山、新鄉(xiāng)和周口等屬于第5類，該類城市首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)最多，但PM10天數(shù)最少，O3出現(xiàn)天數(shù)僅高于第1類和第4類?？傮w而言，第3，4類城市內(nèi)部首要污染物PM2.5和O3出現(xiàn)天數(shù)一致性較強(qiáng)，預(yù)示著該兩類城市內(nèi)PM2.5和O3來源或形成機(jī)理方面可能存在很大的共性。

圖9 2015—2016年河南省城市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)聚類特征

3 結(jié) 論

本文基于河南省城市最新的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)及首要污染物數(shù)據(jù)，分析探討了河南省城市空氣污染首要污染物構(gòu)成變化與空間關(guān)聯(lián)，結(jié)論如下。

(1)PM2.5是河南省最常見的首要污染物，但2015—2016年首要污染物構(gòu)成比例發(fā)生顯著變化，首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比下降，而O3占比急劇上升。

(2)2015—2016年河南省春季首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比下降，而PM10和O3占比上升，夏季首要污染物O3出現(xiàn)天數(shù)占比超過PM2.5，而冬季首要污染物PM2.5出現(xiàn)天數(shù)占比上升。

(3)河南省空氣污染天數(shù)及首要污染物呈現(xiàn)一定的空間自相關(guān)特征，但集聚區(qū)域隨時間變化明顯。受城市社會經(jīng)濟(jì)、自然條件等因素的影響，河南省城市空氣污染首要污染物可劃為5類。