新冠疫情管控措施對環(huán)境空氣污染物濃度變化的影響及啟示

蘇志華楊俊吳邦向田一瓊

(1.貴州財經(jīng)大學管理科學與工程學院,貴州 貴陽 550025；2.貴州財經(jīng)大學新體育研究中心,貴州 貴陽 550025)

引言

2019年年底新型冠狀病毒疫情暴發(fā),給中國帶來前所未有的社會影響。為阻斷病毒在人與人之間傳播,中國政府積極采取有效措施,國務院發(fā)布了《國家突發(fā)公共事件應急預案》。各省市先后啟動重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級響應,采取一系列強制性措施制止集市集會,加強交通管制,限制居民旅行等[1,2]。多舉并重之下,我國新冠疫情防控取得了顯著成效,疫情于2020年3月底顯著緩解,全國大部分地區(qū)陸續(xù)實現(xiàn)復工復產(chǎn)。在這場史無前例的疫情阻擊戰(zhàn)中,我國工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運營和居民生活都有重大調(diào)整。除部分不可中斷工序特殊項目和重大民生保障項目未停止生產(chǎn)外,其余各行業(yè)幾乎停止生產(chǎn)和營業(yè),生活源、交通源以及中小企業(yè)工業(yè)源的排放顯著降低[1]。疫情管控措施導致人類活動水平下降,本質(zhì)上類似于重大會議及體育賽事期間的污染源臨時排放管制,不同的是疫情管控的力度更大,范圍更廣,持續(xù)時間更長。在疫情期間,人為活動及其污染物排放大幅減少,為評估空氣質(zhì)量對極限減排的響應建立了“天然實驗室”[3]。疫情管控措施對環(huán)境空氣污染物濃度的影響已成為當前環(huán)境空氣研究領域關注的焦點,并取得了一系列成果。本文綜述了當前疫情管控措施對PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等6項常規(guī)污染物濃度變化的影響機制,分析其對空氣污染防治的指導意義,從而為未來的空氣環(huán)境管理提供科學依據(jù)。

1 疫情管控對環(huán)境空氣污染物濃度變化的影響

當前,學者們主要通過對比疫情前后不同階段的環(huán)境空氣污染物濃度,結合氣象參數(shù),研究疫情管控措施對空氣污染物濃度變化的影響。PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等6項污染物的來源各不相同[4]。其中,顆粒物PM2.5和PM10來源既有燃料燃燒產(chǎn)生的煙塵,生產(chǎn)過程產(chǎn)生的粉塵,建筑和交通等一次性排放,同時也包含大氣中SO2、NOx和碳氫化合物等前體物經(jīng)過復雜的物理化學反應生成的二次顆粒物；SO2主要來源于含硫燃料的燃燒,涉及的工業(yè)企業(yè)主要為鋼鐵、火電和陶瓷等行業(yè)。此外,居民生活的散煤燃燒也是SO2的重要來源；NO2人為源主要來自于燃料的燃燒過程,其中以汽車等流動源的排放貢獻最大；O3為二次污染物,由前體物NOx和揮發(fā)性有機物經(jīng)過光化學反應生成,受控于太陽輻射強度變化的影響；CO是城市中數(shù)量最多的污染物,來源于碳氫化合物的不完全燃燒,如居民燃煤排放和機動車尾氣等。

1.1 疫情管控對顆粒物(PM2.5和PM10)的影響

大量研究表明,PM2.5相比于一次污染物存在較大比例的二次來源貢獻,疫情期間顆粒物PM2.5和PM10濃度的變化較為復雜。大多數(shù)城市PM2.5濃度在疫情期間并沒有像NO2出現(xiàn)突然的大幅下降,其原因與顆粒物的二次生成有關。疫情管控大大降低了機動車的活動水平,從而使NOx濃度大幅下降,減少了對O3的“滴定”消耗,使得空氣中的O3濃度升高,導致大氣氧化性增強,進而促進了二次無機和有機顆粒物生成,一定程度上抵消污染減排的效果。由于生成的二次顆粒物主要為粒度較細的PM2.5,導致疫情“封鎖”通常對PM2.5的影響不如PM10顯著,表現(xiàn)為疫情期間PM2.5相比PM10下降幅度不大。如,長江三角洲在“封城”期間的PM2.5/PM10比值高于疫情前和疫情后,表明氣溶膠二次生成對疫情期間仍出現(xiàn)的PM2.5污染有重要貢獻[5]。

PM2.5濃度對疫情管控政策的響應存在明顯的地區(qū)差異,疫情期間大部分地區(qū)的PM2.5濃度均存在一定程度的下降,但也有部分地區(qū)的PM2.5濃度反而增加,如倫敦和巴黎的PM2.5濃度在疫情期間出現(xiàn)上升[6]。在管控異常嚴格的一級“封鎖”期間,京津冀及周邊地區(qū)仍出現(xiàn)持續(xù)多日的區(qū)域性重污染天氣[7]。在極限減排的背景下,仍然發(fā)生霧霾污染與不利氣象條件有關。研究表明,除了污染源排放,氣象條件是影響空氣質(zhì)量變化的重要因素[8]。相對濕度增加有利于各種氣體前體物通過氣相氧化和多相反應生成二次氣溶膠,并進一步導致PM2.5濃度的爆發(fā)性增長[9]。Le等[3]基于地面觀測和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),估算疫情“封鎖”對污染物濃度的減排高達90%,但疫情期間的高濕度天氣,加上電廠和石化行業(yè)的持續(xù)排放是華北平原嚴重灰霾事件發(fā)生的本質(zhì)原因。

1.2 疫情管控對氣態(tài)污染物的影響

NOx的最大排放源為交通運輸源,疫情期間由于異常嚴格和大范圍的交通管制,對環(huán)境空氣中NO2的影響最為顯著,疫情期間的NO2濃度相比于疫情前期下降了20%～100%[10]。SO2主要來源于燃煤企業(yè)的排放,疫情期間下降幅度較小,甚至出現(xiàn)了不降反升的現(xiàn)象[3,11-13]。這是由于SO2主要來源于鋼鐵廠和電廠等燃煤企業(yè),因生產(chǎn)和工藝設備的特殊性及保障民生的需要不能中斷生產(chǎn)[14]。另外,疫情期間居民長期居家,需要更多的散煤燃燒取暖也會加大SO2的排放,從而使環(huán)境空氣中的SO2濃度增加。大范圍的交通管制大幅降低了NO的排放量,減少了對O3的“滴定”消耗,導致疫情期間環(huán)境空氣中的O3濃度普遍上升[6,12,13]。疫情期間CO濃度的下降幅度通常大于SO2,但小于NO2,CO濃度的降低除了與機動車出行率顯著減少外,還與其源貢獻組成及自身化學穩(wěn)定性有關。

2 啟示

2.1 預防PM2.5的二次生成

在受人類活動影響的空氣環(huán)境中,SO2和NOx可以通過多種物理化學途徑分別生成硫酸鹽和硝酸鹽,顆粒物中的次生無機成分往往以硫酸鹽和硝酸鹽為主[15,16]。研究表明,硫酸鹽和硝酸鹽的二次氣溶膠形成往往是PM2.5爆發(fā)性增長驅(qū)動因素[9]。疫情期間NO2濃度大幅下降,而PM2.5濃度下降幅度較小,兩者的變化并不同步。疫情期間鋼鐵廠和電廠等燃煤企業(yè),因生產(chǎn)和工藝設備的特殊性及保障民生的需要不能中斷生產(chǎn),導致環(huán)境空氣中的SO2濃度變化不大,甚至出現(xiàn)不降反升的現(xiàn)象。因此,疫情期間PM2.5濃度降幅不大的原因可能是SO2與OH自由基反應生成更多的硫酸鹽氣溶膠,替代了硝酸鹽氣溶膠對PM2.5濃度的貢獻[17]。以此為基礎,環(huán)境管理部門在制定環(huán)保措施時,不能理所當然認為減排一定會減少環(huán)境空氣中的PM2.5濃度,必須考慮氣體-顆粒轉(zhuǎn)換生成的二次氣溶膠對PM2.5濃度的貢獻。對于鋼鐵廠和電廠等不可中斷生產(chǎn)的流程式企業(yè),迫切需要改進生產(chǎn)工藝,推廣更先進的過程減排技術。

2.2 預防減排導致O3污染

疫情管控導致機動車的出行率顯著降低,大幅減少了NO的排放,使環(huán)境空氣中的NO濃度大幅下降。從而削弱了對O3的“滴定”消耗,導致疫情期間O3濃度大幅增加。本次疫情發(fā)生在冬季,該季節(jié)全國在大部分時間太陽輻射較弱,不利于光化學反應生成O3,因此環(huán)境空氣中的O3濃度并不高,但如果疫情發(fā)生在其它季節(jié),O3污染必然會顯著加重。因此,采取減排措施控制污染物排放時必須制定預防O3污染的方案,這對于交通型污染為主的城市尤其重要。另外,O3濃度的增加會導致大氣氧化性增強,使更多的前體物經(jīng)過氧化作用生成二次顆粒物PM2.5,從而加重細顆粒物污染。因此,需要制定科學性、針對性和操作性強的PM2.5和O3污染協(xié)同防控方案,因地制宜,一市一策,綜合解決PM2.5和O3復合污染,以科技助力打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)。

2.3 進一步認清減排和污染的關系

極少數(shù)地區(qū)盡管在極限減排的背景下仍出現(xiàn)霧霾天氣,表明污染源減排與空氣質(zhì)量改善并不具有必然聯(lián)系。各個地區(qū)不同的能源結構、產(chǎn)業(yè)組成、交通設施和氣象條件,都會影響污染物濃度變化對管控措施的響應。其中氣象條件對大氣污染物濃度具有顯著影響。風速持續(xù)降低和相對濕度逐漸增加通常是污染事件發(fā)生的導火索,風速逐漸降低使大氣處于停滯狀態(tài),污染物不易擴散,相對濕度增加有利于各種氣體前體物通過氣相氧化和多相反應生成二次氣溶膠。當大氣處于停滯狀態(tài)下,主要氣態(tài)污染物向二次氣溶膠的快速轉(zhuǎn)化會促進PM2.5爆發(fā)性增長。