“十三五”末塔里木盆地南緣巴州環(huán)境空氣質(zhì)量時空變化研究

趙 琦，施曉冬，帥東海，王琳琳

(1.巴音郭楞蒙古自治州環(huán)境監(jiān)測站，新疆 庫爾勒 841000； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

塔里木盆地因地處干旱區(qū)腹地，其環(huán)境空氣質(zhì)量受氣候因素擾動，對周邊綠洲城市生活生產(chǎn)及經(jīng)濟發(fā)展影響較大[1，2]。隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，人口的進一步增長，土地開墾及工業(yè)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展，致使環(huán)境空氣質(zhì)量擾動因素增多，對人類健康以及生態(tài)環(huán)境安全造成了進一步的影響[3]?！笆濉币詠?，隨著對大氣環(huán)境的不斷重視，大氣環(huán)境保護規(guī)劃已從單一污染物變化持續(xù)減排理念發(fā)展為使區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟社會的發(fā)展相協(xié)調(diào)[4，5]，提倡“一帶一路”綠色建設(shè)新理念。而塔里木盆地地處新疆中部，作為推動絲綢之路經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展的重要區(qū)域[6]，其空氣環(huán)境質(zhì)量變化成為了社會及公眾持續(xù)關(guān)注的焦點。

基于塔里木盆地特殊地理位置及自然條件，眾多學(xué)者對塔里木盆地空氣環(huán)境質(zhì)量進行了多角度研究。李吉玫等[7]對庫爾勒、和田、喀什等塔里木盆地內(nèi)主要城市空氣中負離子濃度進行監(jiān)測，研究表明庫爾勒市空氣中負離子遠高于其余城市；菊春燕等[8]對位于塔克拉瑪干沙漠邊緣的和田市采用遙感反演研究氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5相關(guān)性及空間致災(zāi)風(fēng)險，得出致災(zāi)高風(fēng)險地區(qū)主要受到氣象條件的影響；張云菲[9]運用模糊綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)度法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及灰色預(yù)測模型對新疆主要地區(qū)大氣污染物進行了現(xiàn)狀分析、探討了因素影響，并選出了適宜模型，提出了優(yōu)化大氣環(huán)境質(zhì)量的相關(guān)建議；劉新春等[10]使用環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀通過對塔克拉瑪干沙漠周邊及腹地主要城鎮(zhèn)塔中、哈密、和田進行了PM10長期定位監(jiān)測，研究表明受氣溫、氣壓及相對濕度影響，塔克拉瑪干沙漠PM10具有顯著區(qū)域性差異，東緣哈密最低，南緣和田次之，中部塔中最高；張潔瓊[11]基于PMEI-WES模型對南疆主要地州PM2.5及PM10構(gòu)建風(fēng)蝕源解析清單，得出克州PM2.5排放量最高，而巴州PM10排放量最高。

目前對于環(huán)塔里木盆地城市綠洲環(huán)境空氣質(zhì)量研究主要集中與PM2.5及PM10排放量及源解析，對解析塔里木盆地南緣巴州地區(qū)縣市環(huán)境空氣質(zhì)量研究鮮有報道，因此，本文基于綜合指數(shù)評價法，對塔里木盆地南緣巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)州地區(qū)9個縣市“十三五”末(2020年)環(huán)境空氣質(zhì)量進行時空分析，為區(qū)域經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境發(fā)展提供一定參考。

2 研究區(qū)概況

巴州位于塔里木盆地南緣，行政區(qū)劃共有9個縣市，作為中緯度干旱區(qū)的典型大陸性暖溫帶氣候，日照充足且晝夜溫差較大，地表蒸發(fā)量大，毗鄰中國最大的沙塵源塔克拉瑪干沙漠，沙塵天氣發(fā)生頻率極高[12，13]，四季均有沙塵暴和塵卷風(fēng)發(fā)生，對周邊縣市環(huán)境空氣產(chǎn)生了較嚴重影響。

3 研究方法與數(shù)據(jù)處理

“十三五”末，巴州共設(shè)置11個環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點，其中庫爾勒市設(shè)置3個國控監(jiān)測站點，其余縣市均為省控監(jiān)測點，數(shù)據(jù)選取11個自動監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，收集時段為2020年1月1日至2020年12月31日23時。監(jiān)測項目為二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、臭氧(O3)、一氧化碳 (CO)、細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)。運用綜合指數(shù)評價法按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)對各站點環(huán)境空氣質(zhì)量進行評價[14，15]，分析其總體環(huán)境空氣質(zhì)量；利用Origin2021制圖，對巴州9縣市環(huán)境空氣主要指標(biāo)年內(nèi)各月月均值、季均濃度進行比較，分析其時間序列變化規(guī)律；采用ArcGIS10.6軟件對巴州各縣市環(huán)境空氣主要指標(biāo)進行空間插值分析，解析了巴州6種環(huán)境空氣主要指標(biāo)空間分布特征。

4 結(jié)果與分析

4.1 總體環(huán)境空氣質(zhì)量分析

“十三五”末，巴州各縣市綜合空氣質(zhì)量指數(shù)在3.41～13.2間，其中北部4縣市和碩縣、焉耆縣、博湖縣、和靜縣綜合指數(shù)分別為3.41、4.19、4.76、4.89，顯著優(yōu)于其余5縣市，9個縣市中和碩縣綜合質(zhì)量指數(shù)最低，為3.41，環(huán)境空氣質(zhì)量為9縣市中最優(yōu)。巴州各縣市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)總體范圍為133～296 d，其中且末縣全年優(yōu)良天數(shù)最少，為133 d，優(yōu)良率為36.4%，和碩縣優(yōu)良天數(shù)最多，為296 d，優(yōu)良率為81.1%，“十三五”末巴州各縣綜合質(zhì)量指數(shù)及優(yōu)良天數(shù)見表1。

4.2 主要指標(biāo)時間序列變化分析

通過對巴州各縣市主要環(huán)境空氣指標(biāo)“十三五”末年內(nèi)月均值及季節(jié)均值進行分析，具有顯著時間序列變化趨勢。

表1 “十三五”末巴州各縣綜合質(zhì)量指數(shù)及優(yōu)良天數(shù)統(tǒng)計

4.2.1 主要指標(biāo)年內(nèi)各月變化分析

從巴州各縣市主要環(huán)境空氣指標(biāo)“十三五”末年內(nèi)月均值變化情況來看，主要指標(biāo)NO2濃度變化趨勢為：各縣市中庫爾勒市、博湖縣、和靜縣、和碩縣年內(nèi)各月均值總體呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，其余5縣市年內(nèi)均值呈現(xiàn)無規(guī)律波動式變化；O3濃度變化趨勢為輪臺縣、若羌縣、且末縣年內(nèi)均值呈現(xiàn)無規(guī)律波動式變化，其余6縣市均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；SO2濃度變化趨勢為輪臺縣、和靜縣、和碩縣年內(nèi)各月均值總體呈現(xiàn)波動式下降趨勢，尉犁縣呈現(xiàn)波動市上升趨勢，其余5縣市年內(nèi)均值呈現(xiàn)無規(guī)律波動式變化，具體變化情況如圖1。

圖1 “十三五”末巴州各縣市環(huán)境空氣中SO2濃度

其余指標(biāo)中，就CO濃度變化而言，各縣市中博湖縣、和碩縣呈波動上升趨勢，和碩縣呈現(xiàn)波動式下降趨勢，且末縣及若羌縣整體變化不明顯，其余3縣市呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；各縣市中，庫爾勒市、博湖縣、和靜縣、和碩縣PM2.5年內(nèi)各月均值總體呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，其余5縣市呈波動上升趨勢；與CO、PM2.5濃度變化不同，各縣市中，且末縣、若羌縣、輪臺縣、尉犁縣PM10年內(nèi)各月均值總體呈現(xiàn)上升趨勢，其余5縣市呈持續(xù)波動變化，具體變化情況見圖2。

4.2.2主要指標(biāo)季節(jié)變化分析

根據(jù)巴州氣候變化，將3～5月份劃分為春季、6～8月份劃分為夏季、9～11月份劃分為秋季、12月份及翌年1～2月份劃分為冬季?！笆濉蹦?，將巴州各縣市各項指標(biāo)進行分析可知，各縣市環(huán)境空氣指標(biāo)中NO2及PM2.5具有顯著季節(jié)性變化。各縣市NO2變化如圖3所示，其中，庫爾勒市、和碩縣、和靜

圖2 “十三五”末巴州各縣市環(huán)境空氣中排名PM10濃度

縣、博湖縣工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)周期相對一致，NO2變化具有一致變化趨勢，均為呈現(xiàn)秋季、冬季高于春季、夏季；若羌縣、且末縣工業(yè)企業(yè)較少，NO2變化呈現(xiàn)為冬季、春季高于夏季、秋季；焉耆縣工業(yè)企業(yè)大多為夏季生產(chǎn)企業(yè)，NO2變化呈現(xiàn)夏季高于其余3個季節(jié)；尉犁縣企業(yè)極少，受個別主要企業(yè)影響，NO2變化呈現(xiàn)秋季高于其余3個季節(jié)；輪臺縣石化企業(yè)較為集中，廢氣排放設(shè)施投入較大，因此環(huán)境空氣中NO2濃度顯著低于其余各縣市，并呈現(xiàn)冬季高于其余3個季節(jié)趨勢。

圖3 “十三五”末巴州各縣市環(huán)境空氣中NO2濃度季節(jié)變化

“十三五”末，巴州各縣市PM2.5變化如圖4所示，其中，庫爾勒市、和碩縣、和靜縣、博湖縣PM2.5變化具有一致變化趨勢，均為呈現(xiàn)秋季、冬季高于春季、夏季，與NO2具有一致的變化趨勢，可見以上縣市環(huán)境空氣指標(biāo)主要受工業(yè)企業(yè)廢氣排放影響；且末縣、若羌縣、輪臺縣、焉耆縣PM2.5變化具有一致變化趨勢，變化呈現(xiàn)秋季高于其余3個季節(jié)；與其余縣市不同，尉犁縣4個季節(jié)整體變化不明顯。

圖4 “十三五”末巴州各縣市環(huán)境空氣中PM2.5濃度季節(jié)變化

4.3 空間變化分析

通過整體區(qū)域分析可知，“十三五”末塔里木盆地南緣巴州地區(qū)各縣市常見大氣污染物具有較顯著空間差異性。由表2可見，巴州各縣空氣質(zhì)量指數(shù)從低到高依次是和碩、焉耆、博湖縣、和靜、尉犁、輪臺、若羌以及末縣，總體空氣質(zhì)量北部好于南部。通過綜合指數(shù)評價法可知各縣市首要污染物為PM10，因此，沙塵為影響巴州環(huán)境空氣質(zhì)量的主要影響因素。同時，由于且末縣毗鄰塔克拉瑪干沙漠，因此受沙塵影響最為顯著，空氣質(zhì)量指數(shù)最高。

通過對主要指標(biāo)進行空間插值分析，6項主要環(huán)境空氣指標(biāo)分布具有顯著空間差異性，其中SO2、NO2具有相對較一致的空間分布特點，總體呈現(xiàn)為北部高于南部，主要原因為北部縣市企業(yè)分布多于南部，受工業(yè)企業(yè)廢氣排放影響，北部焉耆縣、和碩縣、和靜縣、博湖縣SO2年均濃度分別為9 μg/m3、9 μg/m3、8 μg/m3、7 μg/m3，NO2年均濃度分別為14 μg/m3、17 μg/m3、18 μg/m3、20 μg/m3；受工業(yè)企業(yè)設(shè)備投入影響，主要指標(biāo)CO濃度較高縣市為且末縣、焉耆縣，年均濃度分別達到5.8mg/m3、4.2 mg/m3，除焉耆縣外其余北部縣市CO呈現(xiàn)較低濃度，最低為庫爾勒市0.6 mg/m3；受地理因素影響，北部焉耆縣、和碩縣、和靜縣、博湖縣主要指標(biāo)O3濃度較高NO2年均濃度分別為143 μg/m3、112 μg/m3、102 μg/m3、126 μg/m3；受地理因素及工業(yè)企業(yè)分布影響，主要指標(biāo)PM10、PM2.5具有較一致的空間分布，總體為北部4縣市好于中部及南部縣市，其中，巴州各縣市PM2.5濃度空間分布如表3所示，由于輪臺縣、尉犁縣、且末縣、若羌縣位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，受沙塵影響，NO2年均濃度分別為58 μg/m3、51 μg/m3、144 μg/m3、72 μg/m3。

表2 巴州各縣市空氣綜合質(zhì)量指數(shù)對比

表3 巴州各縣市空氣指標(biāo)PM2.5對比

5 討論

受自然條件及人為活動因素影響，巴州各縣市環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)波動，并呈現(xiàn)時間序列變化及空間分布從差異。

5.1 自然影響因素

巴州處于塔克拉瑪干大沙漠的東北邊緣，植被稀少，全年降水量少，空氣干燥，脆弱的生態(tài)環(huán)境和特殊的地理氣象條件，沙塵、揚塵、浮塵等重污染天氣頻發(fā)。在春、秋兩季大氣多處于不穩(wěn)定狀態(tài)，也易產(chǎn)生強烈的大氣對流，大風(fēng)攜帶塔克拉瑪干沙漠中的黃沙漂移至巴州南部縣市，致使環(huán)境空氣中PM10顯著增高，對空氣質(zhì)量造成了嚴重的影響[16,17]。

同時，環(huán)境空氣質(zhì)量主要指標(biāo)中，O3與氣象條件具有極顯著相關(guān)性，其中溫度變化、太陽輻射強度與O3濃度呈顯著正相關(guān)[18,19]。O3作為光化學(xué)反應(yīng)的主要產(chǎn)物，即日照強度的增強也伴隨著溫度的升高，日照時長的增大也會加劇光化學(xué)反應(yīng)，使O3濃度升高[20]。

5.2 人為活動影響因素

PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO監(jiān)測濃度同時也受人為活動因素的影響[21]，其中包括車輛、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)排放、居民生活和取暖、垃圾焚燒等[22]。巴州北部如博湖縣、和靜縣、焉耆縣等縣市主要指標(biāo)存在顯著季節(jié)性差異，且與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)生產(chǎn)周期密切相關(guān)，說明來自固定和流動污染源的人為污染物排放大小是影響巴州各縣市環(huán)境空氣質(zhì)量另一主要因素，通過強化區(qū)域大氣環(huán)境兵地聯(lián)防聯(lián)控，推進散煤綜合治理和重點行業(yè)大氣污染治理，開展“散亂污”企業(yè)動態(tài)清零行動，加強能耗“雙控”管理，加大揚塵污染控制、脫硫脫硝除塵燃煤鍋爐改造等一系列措施，對于改善大氣環(huán)境有一定實效。

6 結(jié)論

(1)“十三五”末，巴州環(huán)境空氣質(zhì)量總體較好，各縣市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)總體范圍為133～296 d，各縣市綜合質(zhì)量指數(shù)在3.41～13.2間，其中北部4縣市和碩縣、焉耆縣、博湖縣、和靜縣綜合指數(shù)分別為3.41、4.19、4.76、4.89，顯著優(yōu)于其余5縣市。

(2)巴州各縣市主要環(huán)境空氣指標(biāo)“十三五”末年內(nèi)月均值及季節(jié)均值進行分析，均具有顯著時間序列變化趨勢，各縣市中庫爾勒市、博湖縣、和靜縣、和碩縣NO2、PM2.5年內(nèi)月均值及季節(jié)均值均具有較為一致的變化趨勢。

(3)通過整體區(qū)域分析可知，“十三五”末塔里木盆地南緣巴州地區(qū)各縣市常見大氣污染物具有較顯著空間差異性。巴州各縣空氣質(zhì)量指數(shù)從低到高依次是和碩、焉耆、博湖、和靜、尉犁、輪臺、若羌以及且末縣，總體空氣質(zhì)量北部好于南部。

(4)受自然條件影響，塔克拉瑪干沙漠中的黃沙漂移至巴州南部縣市，致使環(huán)境空氣中PM10顯著增高，對空氣質(zhì)量造成了嚴重的影響。受人為活動因素的影響，巴州北部如博湖縣、和靜縣、焉耆縣等縣市主要指標(biāo)存在顯著季節(jié)性差異，且與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)生產(chǎn)周期密切相關(guān)。