荊州市環(huán)境空氣質(zhì)量變化及其影響因素分析

李江麗

（湖北荊州環(huán)境保護科學技術(shù)有限公司，湖北 荊州 434000）

0 引言

隨著荊州市經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，空氣污染已成為目前突出的環(huán)境問題之一。雖然通過大力開展大氣污染防治行動，環(huán)境空氣質(zhì)量總體改善[1]，但霧霾天氣仍時有發(fā)生[2]，給居民健康、生活等帶來不利影響，因此環(huán)境空氣質(zhì)量仍需進一步改善。荊州市經(jīng)濟發(fā)展迅速，地區(qū)生產(chǎn)總值從2010年的837.1 億元增加到2019 年的2516.48 億元，能源總消耗量由708.36 萬t 標準煤增加到952.61 萬t 標準煤，機動車保有量增長了2.34 倍，給荊州市生態(tài)環(huán)境帶來了較大壓力。荊州的環(huán)境空氣質(zhì)量與湖北省部分城市相比較差[3]，因此研究荊州市環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征及其影響因素對控制空氣污染有重要意義。本文根據(jù)荊州市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料，探討荊州市空氣質(zhì)量變化趨勢及其影響因素，以期得出其環(huán)境空氣演變規(guī)律，為荊州市空氣污染控制提供科學的依據(jù)。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用2010—2019 年荊州市環(huán)境空氣質(zhì)量長期定點監(jiān)測數(shù)據(jù)，以 SO2、NOx、PM10、PM2.5、CO、O3等污染物濃度進行年度和年內(nèi)污染趨勢分析，文中數(shù)據(jù)來源于荊州市環(huán)境質(zhì)量公報、荊州市環(huán)境統(tǒng)計年報和荊州統(tǒng)計年鑒。

1.2 分析方法

使用Daniel 趨勢檢驗方法（又名Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法）分析空氣污染物的變化趨勢及其統(tǒng)計學顯著特征，見式（1）。

式中：rs——秩的相關(guān)系數(shù)；n——時間周期數(shù)；xi——年均值從小道大排列的序數(shù)；yi——年先后排列序數(shù)。

rs值的正負分別表示污染的增長和下降，其絕對值的大小表示變化的強度。將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值與Spearman 秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp進行比較，如果則表明變化趨勢有顯著意義。n 為10 年，單側(cè)檢驗的顯著水平為0.05。

根據(jù)荊州市大氣污染物濃度總體變化趨勢，本文采用Daniel 趨勢檢驗分別分析各污染物近10 年的總體變化趨勢。

2 結(jié)果

2.1 空氣污染趨勢分析

2.1.1 空氣總體變化趨勢分析

荊州市環(huán)境空氣質(zhì)量變化分為兩個階段：2010—2014 年環(huán)境空氣質(zhì)量總體下降；2015—2019 年環(huán)境空氣質(zhì)量有所改善。

用Daniel 趨勢檢驗分析各污染物變化的趨勢，結(jié)果表明，不同污染物呈現(xiàn)出不同的變化趨勢（圖1）。2010—2019 年，SO2濃度呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢，2013 年達到峰值，總體顯著下降趨勢［圖 1（a）］，尤其是 2015 年后，下降趨勢顯著（P＜0.05）；NO2濃度為上升趨勢，但趨勢不顯著［圖 1（b）］，2014 年達到峰值；PM10 濃度呈現(xiàn)先上升，后下降的趨勢，2014 年達到峰值，總體下降趨勢不顯著［圖 1（c）］；PM2.5 和CO 濃度為顯著下降趨勢［圖 1（d）］；O3濃度為下降趨勢，但趨勢不顯著［圖 1（d）］。

圖1 荊州市空氣污染物濃度的年際變化趨勢

2.1.2 污染物濃度季節(jié)變化特征

由圖 2 可見，SO2、NO2、PM10、PM2.5 和 CO 月均濃度值變化趨勢基本一致，呈“U”型變化特征，總體表現(xiàn)為冬季最高、春秋次之、夏季最低的特征，濃度高值主要出現(xiàn)在冬季的1 月、12 月，其中1 月的PM10、PM2.5、CO 月均值濃度最高，12 月的 SO2、NO2月均值濃度最高，PM2.5 月均值除6—10 月外其他月份均超過國家二級標準，污染月份持續(xù)最久。O3濃度3—11 月較高，超標主要發(fā)生在夏季、初秋，冬季最低。

圖2 2019 年荊州市大氣污染物月均值變化

空氣污染物濃度季節(jié)變化特征明顯，主要受地形、氣象條件和人類生產(chǎn)及生活活動影響[1，4]。夏季氣溫高，對流強烈，大氣邊界層高度較高，擴散條件較好，有利于5 種污染物濃度降低。冬季氣溫較低，大氣層易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，大氣邊界層高度較低，不利于大氣中污染的擴散，外源輸入與本地污染物疊加易形成污染天氣[1，5-6]。

根據(jù)2005—2014 年荊州市PM10 月均值分析，10 月PM10 濃度出現(xiàn)小高峰可能是受秸稈燃燒影響[6]，而 2019 年 9 月、10 月的 PM10 月均值較 7 月、8 月僅略有上升（圖2），并未形成明顯小高峰。荊州市持續(xù)推進秸稈垃圾禁燒與綜合利用，露天焚燒火點數(shù)及黑斑數(shù)逐年下降，秸稈綜合利用率穩(wěn)步達到96%以上，說明秸稈禁燒工作對降低顆粒物濃度有一定的貢獻，在后續(xù)污染防治攻堅過程中，仍需強化秸稈綜合利用和禁燒管控，建立秸稈禁燒長效機制。

2.1.3 空氣污染特征

2010—2014 年，荊州市3 項大氣污染物中以PM10 影響程度最大，為城市大氣首要污染物。2015—2019 年，荊州市6 項大氣污染物中以PM2.5 影響程度最大，其次為O3和PM10，首要污染物為PM2.5、O3、PM10。

NO2和SO2濃度表現(xiàn)出不同的消長趨勢，表明荊州市空氣污染總體特征在發(fā)生改變。如圖3 所示，2010—2014 年，NO2/SO2濃度比值為 0.51~0.91，之后逐年上升，2019 年達到3.56，NO2濃度的相對比例逐漸增加，這表明荊州市城市空氣污染特征逐漸從傳統(tǒng)煤煙型污染轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動車尾氣型污染。

圖3 2010—2019 年荊州市城市NO2/SO2 濃度比值變化趨勢

2.2 環(huán)境空氣質(zhì)量變化的影響因素

荊州市社會經(jīng)濟快速發(fā)展，能源使用量與機動車數(shù)量高速增長，為環(huán)境空氣質(zhì)量帶來巨大壓力。同時，2013 年“大氣十條”發(fā)布以來，荊州市采取了一系列大氣污染防治措施，主要包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、重點污染源整治、機動車尾氣控制、揚塵污染治理等以及秸稈禁燒、餐飲油煙污染整治等其他環(huán)境保護措施，大氣污染物增加的壓力與大氣污染防治措施的相互作用是驅(qū)動荊州市近10 年環(huán)境空氣質(zhì)量變化的主要因素。

2.2.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整是改善環(huán)境空氣質(zhì)量的重要措施[1，7]。2010—2019 年，荊州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已由第二產(chǎn)業(yè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌a(chǎn)業(yè)為主，三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由2010 年的 27.6:38.9:33.5 調(diào)整為 2019 年的 17.3:37.1:45.6，其中工業(yè)的比例由35.03%下降至33.54%，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整升級是驅(qū)動荊州市空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)的因素之一。

同時，能源利用效率逐年提升，2019 年荊州市萬元GDP 能耗為0.378 t 標準煤，比2010 年下降62.7%，全市總能耗2019 年相比2010 年增加了34.5%，說明荊州市節(jié)能降耗工作成效明顯，在保障經(jīng)濟發(fā)展的同時減少了污染物排放。此外，能源消費結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，天然氣等清潔能源使用比例上升，原煤消耗量（折標準煤計）占總能耗的比例由2010 年的64.43%下降到2019 年的54.65%，天然氣消耗量占總能耗的比例由2010 年的1.27%上升到2019 年的3.53%，同期 SO2年均濃度由 35 μg/m3下降到 9 μg/m3，2010—2019 年，天然氣供應(yīng)量與SO2年均濃度有較顯著相關(guān)關(guān)系（圖 4，r=-0.7256，P＜0.05）。

圖4 荊州市天然氣供應(yīng)量與SO2 濃度關(guān)系

2.2.2 重點污染源整治

燃煤鍋爐排放大量的SO2、NOx和煙粉塵，2013年開始荊州市開展燃煤鍋爐淘汰，據(jù)統(tǒng)計，截至2017年共淘汰20 蒸噸以下燃煤鍋爐800 余臺，燃煤電廠、鋼鐵企業(yè)實施超低排放改造，更加嚴格的相關(guān)大氣污染物排放標準頒布施行，以及新上污染源實行總量控制、限制達標，對減少污染物排放起到了重要作用。與2013 年相比，2019 年荊州市工業(yè)SO2、煙粉塵的排放量分別減少了約88%、42%，荊州市SO2濃度從 2014 年開始降低［圖 1（a）］，PM10 濃度從 2015 年開始降低［圖1（c）］，表明燃煤鍋爐綜合整治、重點行業(yè)超低排放改造等行動對減輕荊州市空氣污染有較大貢獻。

2.2.3 機動車尾氣控制

機動車尾氣是城市中PM10 和NO2的重要貢獻源[8]，荊州市機動車保有量由2010 年的1.61 萬輛增加到2019 年的5.38 萬輛，平均每年增加約12.8%，機動車尾氣排放為荊州市大氣污染物重要來源之一。2010—2019 年間荊州市機動車保有量與NO2年均濃度相關(guān)性不顯著（圖5，P＞0.05），雖然機動車保有量快速增長，但機動車尾氣排放標準提高、推行“檢驗—維修—復(fù)檢”閉環(huán)管理、嚴格油品質(zhì)量監(jiān)管等措施對控制機動車大氣污染源起到了一定作用，截至2017 年年底，荊州市共淘汰2.5 萬輛黃標車。NO2濃度并沒有隨著機動車保有量增加而顯著上升，說明上述機動車尾氣控制措施對減輕機動車污染源有一定效果。

圖5 荊州市機動車保有量與NO2 濃度關(guān)系

2.2.4 揚塵污染治理

揚塵是荊州市顆粒物污染物來源之一，其中建筑揚塵等開放源造成的污染對城市環(huán)境空氣質(zhì)量影響顯著[8]。荊州市建筑業(yè)生產(chǎn)總值由2010 年的32.06 億元增加到2019 年的90.41 億元，平均每年增加約10.9%。根據(jù)研究，建筑業(yè)增加值增長，城市環(huán)境空氣質(zhì)量總體下降[9]，而2010—2019 年，荊州市建筑業(yè)生產(chǎn)總值與PM10 年均濃度相關(guān)性不顯著（圖6，P＞0.05），說明建筑揚塵不是顆粒物的最主要來源，同時，荊州市出臺了《荊州市揚塵污染防治條例》，建筑拆遷施工場地實施抑塵防塵“六化”標準，對渣土車輛實施智能監(jiān)控，加強道路灑水降塵，城市管理水平不斷提升，在一定程度上減少了揚塵的產(chǎn)生。

圖6 荊州市建筑業(yè)生產(chǎn)總值與PM10 濃度關(guān)系

2.2.5 自然影響因素

除人為因素，大氣污染物濃度時空變化還受地形、氣象條件、沙塵等自然因素影響[1]。荊州市處于“兩山夾一溝”的特殊地理位置，在東北風作用下受西部荊山山脈阻擋影響，風速降低并產(chǎn)生污染物回流，不利于污染物擴散。氣壓、氣溫、水汽壓、濕度、云量、風速、降水和光照等氣象因素與大氣污染濃度有相關(guān)關(guān)系，如2014 年1 月荊州氣溫異常偏高，冷空氣活動弱，降水偏少，日照時數(shù)異常偏多，導(dǎo)致2014年1 月出現(xiàn)6 d 嚴重污染，而2015 年和2016年沒有出現(xiàn)嚴重污染日[2]。冬季北方沙塵暴及供暖外來污染物南下影響沿途空氣質(zhì)量[1，10]，如 2017 年5 月、12 月荊州市環(huán)境空氣質(zhì)量遭受北方沙塵天氣影響，顆粒物濃度急劇升高，出現(xiàn)重度污染天氣。在冬季，北方污染干冷氣團在向南的過程中濕度增大，導(dǎo)致氣態(tài)污染物發(fā)生二次反應(yīng)轉(zhuǎn)化為細顆粒物的程度顯著增強。

2.2.6 其他

近年來，O3超標情況逐漸突出，2015 年首要污染物為O3的有40 d（占27.4%），2019 年首要污染物為O3的有34 d（占39.5%），O3超標主要發(fā)生在夏季、初秋的午后至傍晚時段，夏季、初秋午后，氣溫高、日照強，為氮氧化物和揮發(fā)性有機物發(fā)生大氣光化學反應(yīng)提供了有利條件[5]，從而生成近地面臭氧等強氧化劑，導(dǎo)致臭氧超標。

3 結(jié)語

（1）荊州市環(huán)境空氣質(zhì)量變化分為兩個階段：2010—2014 年環(huán)境空氣質(zhì)量總體下降；2015—2019年環(huán)境空氣質(zhì)量有所改善，其中SO2、PM2.5、CO 濃度總體顯著下降，NO2濃度不顯著上升，PM10 濃度總體不顯著下降，O3濃度不顯著下降。NO2/SO2濃度比值呈顯著上升趨勢，荊州市空氣污染由傳統(tǒng)煤煙型轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動車尾氣型，表現(xiàn)出典型的復(fù)合污染特征，夏季臭氧、冬季細顆粒物季節(jié)性污染問題突出。

（2）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、重點污染源整治、機動車尾氣控制、揚塵污染治理等對荊州市環(huán)境空氣質(zhì)量改善起到了重要作用。地形、氣象條件、沙塵等自然因素是大氣污染物濃度時空變化的外因。

（3）O3超標情況逐漸突出，在下一階段的污染防治攻堅戰(zhàn)中，荊州市應(yīng)重點關(guān)注夏秋季節(jié)的臭氧污染，協(xié)同推進氮氧化物和揮發(fā)性有機物減排，實現(xiàn)細顆粒物和臭氧協(xié)同控制。