2014—2018年洛陽市大氣污染變化特征及影響因素研究

龐丹丹，李潔冰，賈琪琪，李 航

河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南省水體污染與防治重點實驗室，河南 平頂山 467036

洛陽市是我國優(yōu)秀的旅游城市，也是中西部地區(qū)重要的重工業(yè)城市。隨著城市化進程的推進，洛陽市燃煤、化工、冶金、機械制造和交通等行業(yè)迅速發(fā)展，同時大氣污染也日趨嚴重[1]。洛陽市地處黃河中下游，坐落在伊洛河沖積平原西部，市西依秦嶺、南靠伏牛山、東接嵩山，屬于山間盆地地貌特征[2]，這種地貌特征不利于大氣污染物的擴散。城市空氣質(zhì)量與公共環(huán)境和居民健康密切相關(guān)[3-4]。城市大氣污染會對暴露人群呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生傷害，引發(fā)急性和慢性健康效應(yīng)[5-6]，因此有必要對洛陽市城市大氣污染特征開展研究。張予川等[7]對2002年7月至2003年6月洛陽市城區(qū)空氣質(zhì)量的分析結(jié)果表明，此時間段內(nèi)空氣質(zhì)量為輕度污染，空氣質(zhì)量在7—9月和次年3—6月較好，10月至次年2月較差。章異平等[8]的研究表明，2006年—2009年，洛陽市首要污染物為PM10，空氣質(zhì)量呈現(xiàn)煤煙型和塵污染的復(fù)合特征，煙塵排放總量等是影響洛陽市空氣質(zhì)量的主要因素。2012年洛陽市O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中二級標(biāo)準(zhǔn)限值的天數(shù)占全年天數(shù)的比例為21%，O3污染具有明顯的日變化及季節(jié)變化特征，晴朗、高溫和低風(fēng)速等氣象條件下的午后時段會出現(xiàn)O3的高濃度污染[2]。2011—2013年洛陽冬季霧霾天氣呈明顯增多現(xiàn)象，尤其2012—2013年冬季，霧與霾天氣均為最多[9]。胡云川等[1]對2015年—2017年可吸入顆粒物的研究表明，春、冬季的污染較嚴重，夏、秋季的污染較輕。

本研究基于2014—2018年P(guān)M10、PM2.5、NO2、SO2、O3和CO等6項空氣質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)，分析洛陽市大氣污染變化特征，獲得主要污染物，通過灰色關(guān)聯(lián)法對影響主要污染物濃度的因素進行綜合研究，明確主要影響指標(biāo)因子。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以洛陽市為研究區(qū)域，PM10、PM2.5、NO2、SO2、O3和CO等6項空氣質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)來源于洛陽市網(wǎng)格化精準(zhǔn)監(jiān)控平臺(http://117.78.34.120∶8007/BigData/Main)。市區(qū)總?cè)丝凇⒐I(yè)(綜合)能源消費量、人均生產(chǎn)總值、城市機動車總數(shù)、城市房屋施工面積、人均公園綠地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率、氮氧化物排放總量、SO2排放總量、煙(粉)塵排放量、一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量等11項影響指標(biāo)因子數(shù)據(jù)來源于2014—2018年的《洛陽統(tǒng)計年鑒》[10-14]。

1.2 研究方法

1.2.1 空氣質(zhì)量指數(shù)法

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)中的有關(guān)方程，分別計算PM10、PM2.5、NO2、SO2、O3和CO等6項空氣污染物的空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)，空氣質(zhì)量分指數(shù)的最大值即為當(dāng)日的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。在AQI大于50時，AQI相應(yīng)的污染物即為當(dāng)日的首要污染物。根據(jù)當(dāng)日空氣質(zhì)量指數(shù)可將空氣質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染等6個級別。

1.2.2 灰色關(guān)聯(lián)法

灰色關(guān)聯(lián)法適用于數(shù)據(jù)量少、包含不確定因素的研究對象[15]。利用灰色關(guān)聯(lián)法可分析各影響指標(biāo)因子與主體的關(guān)聯(lián)程度，計算出各影響指標(biāo)因子和主體之間量化的關(guān)聯(lián)度。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)模型理論[16]，首先確定參考序列和比較序列，利用均值變換對上述序列進行無量綱化處理得到無量綱化矩陣[17-18]。計算參考序列和比較序列各對應(yīng)期的絕對差值得到差異序列矩陣。對于某一參考序列，可根據(jù)式(1)得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣。

(1)

式中：ξi(k)是第k年的某項空氣污染物(參考序列)與當(dāng)年的第i個影響指標(biāo)因子(比較序列)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；k是每個序列的指標(biāo)數(shù)(k=1,2,…,n)，即2014—2018年；i是比較序列數(shù)(i=1,2,…,N)，即影響指標(biāo)因子數(shù)；Δ(min)和Δ(max)分別是參考序列與所有比較序列每一個指標(biāo)因子絕對差值中的最小值和最大值；Δi(k)是參考序列與所有比較序列每一個指標(biāo)因子的絕對差值；ρ是分辨系數(shù)，用于提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間差異的顯著性，ρ[0, 1]，本研究中取值為0.5。

利用式(2)計算某項空氣污染物與影響因素Xi的關(guān)聯(lián)度ri，ri越大說明兩者關(guān)聯(lián)程度越大；反之，關(guān)聯(lián)程度越小。

(2)

羅上華等[19]在研究城市環(huán)境保護與生態(tài)建設(shè)指標(biāo)體系時，通過專家咨詢將灰色關(guān)聯(lián)度劃分為4個等級(見表1)，本研究亦采用這一劃分方法。

表1 關(guān)聯(lián)度分級Table 1 Classification of the gray relational grade

對城市空氣質(zhì)量和空氣污染物濃度影響的因素較多，包括人均GDP、人口密度、建成區(qū)面積、植被、機動車尾氣、揚塵、燃煤煙塵、污染物排放量等[20-23]。洛陽市是中西部地區(qū)的老工業(yè)基地之一，重工業(yè)占比較大，工業(yè)生產(chǎn)和冬季采暖使其大氣污染表現(xiàn)為煤煙型污染[8]。根據(jù)上述的文獻研究成果和洛陽市自身特點，從經(jīng)濟發(fā)展、城市與社會發(fā)展、環(huán)境和公共管理等3個方面選取11項可能影響因素構(gòu)建影響指標(biāo)因子體系：市區(qū)總?cè)丝?、工業(yè)(綜合)能源消耗量、人均生產(chǎn)總值、城市機動車總數(shù)、城市房屋施工面積、人均公園綠地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率、氮氧化物排放總量、SO2排放總量、煙(粉)塵排放量和一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量等(表2)。

表2 參考序列和比較序列Table 2 Reference sequence and comparison sequence

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染時間變化特征

表3是2014—2018年洛陽市不同空氣質(zhì)量指數(shù)類別所占的天數(shù)及所占的比例。從表3可看出，2014—2018年空氣質(zhì)量指數(shù)類別以良為主，其次為輕度污染，良以上的天數(shù)分別為216、212、160、162、211，優(yōu)良率分別為59.1%、58.1%、43.7%、44.3%、57.8%，良以上的天數(shù)有先減少后增多的趨勢，其中空氣質(zhì)量在2014、2015、2018年較好?？諝赓|(zhì)量為輕度污染的天數(shù)呈先上升后下降趨勢，重度和嚴重污染的天數(shù)在2016年最多，說明2016年污染較為嚴重。

表3 2014—2018年洛陽市不同空氣質(zhì)量指數(shù)類別的天數(shù)及所占比例Table 3 Days and corresponding proportions of different AQI types in Luoyang City from 2014 to 2018

以天文季節(jié)劃分洛陽市的四季，其中3—5月是春季，6—8月是夏季，9—11月是秋季，12月至次年2月是冬季。2014—2018年洛陽市不同空氣質(zhì)量指數(shù)類別在不同季節(jié)的分布情況如圖1所示。從圖1中可以看出，優(yōu)良天數(shù)主要出現(xiàn)在春季、夏季和秋季，重度污染和嚴重污染主要出現(xiàn)在冬季，這可能是由于冬季供暖使空氣質(zhì)量下降。從圖1中還可以看出，在2014—2018年空氣質(zhì)量主要以良和輕度污染為主，這與表3的分析結(jié)果一致。

圖1 2014—2018年不同空氣質(zhì)量指數(shù)類別在不同季節(jié)的分布情況Fig.1 The distribution of AQI types indifferent seasons from 2014 to 2018

圖2是2018年洛陽市PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O3等6項空氣污染物濃度逐日變化曲線，上述空氣污染物相應(yīng)的環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限值分別為150 μg/m3、75 μg/m3、150 μg/m3、80 μg/m3、4 mg/m3、160 μg/m3。從圖2可看出，PM10，PM2.5、NO2、SO2和CO這5項污染物濃度隨時間變化呈“V”型，濃度高值主要集中在1—5月、11—12月，低值出現(xiàn)在7—8月，其中PM10和PM2.5的超標(biāo)時間較長，NO2僅在1月有一個較小的超標(biāo)時間段，SO2和CO沒有發(fā)生超標(biāo)。為改善環(huán)境空氣質(zhì)量，2018年洛陽市開始實施《洛陽市2018年大氣污染防治攻堅戰(zhàn)實施方案》，通過集中供暖、燃煤“雙代”、清潔型煤替代等措施優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，但2018年洛陽市還存在較多的燃煤電廠，洛陽冬季取暖仍然以燃煤為主。冬季和春季以西北風(fēng)為主，沙塵天氣多于夏季和秋季。所以上述5項空氣污染物濃度高值集中在冬季和春季。O3的濃度隨時間變化呈倒“V”型。O3的超標(biāo)時間主要集中在4—9月，濃度低值出現(xiàn)在1—2月和11—12月。夏季氣溫較高，大氣中揮發(fā)性有機物含量較高，同時光照比冬季更為充足，光化學(xué)反應(yīng)易于發(fā)生，因此大氣中O3濃度較高。2014—2017年，上述6項污染物濃度隨時間變化顯現(xiàn)出與2018年相似的“V”型和倒“V”型特征。2018年上述污染物濃度逐日變化曲線的特征較為明顯，而且2018年的數(shù)據(jù)是最新的數(shù)據(jù)，因此本文中僅給出了2018年的數(shù)據(jù)曲線。

圖2 2018年6項空氣污染物濃度隨時間變化曲線Fig.2 The daily variation of concentrationof six air pollutions in 2018

2.2 首要污染物分析

表4和圖3是2014—2018年洛陽市不同首要污染物所占天數(shù)和所占比例。從表4和圖3中可看出，2014—2018年以PM2.5為首要污染物的天數(shù)分別為174、185、151、133、110，所占比例分別為47.7%、50.7%、41.3%、36.4%、30.1%。以PM10為首要污染物的天數(shù)分別為92、96、68、86、113，所占比例分別為25.2%、26.3%、18.6%、23.6%和31.0%。以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)分別為49、37、127、123、121，所占比例為13.4%、10.1%、34.7%、33.7%和33.2%。以SO2、NO2和CO為首要污染物的天數(shù)和所占比例相對較少。這與圖2的結(jié)果類似。圖2中2018年SO2、NO2和CO的濃度基本不超標(biāo)(以國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)為限值)，而PM2.5、PM10和O3的濃度超標(biāo)時間較長。上述分析說明2014—2018年P(guān)M2.5、PM10和O3是造成洛陽市空氣污染問題的主要污染物。從圖3可看出，與2014—2015年相比，2016—2018年P(guān)M2.5的污染逐漸降低，而O3污染更為嚴重。

表4 2014—2018年洛陽市不同首要污染物天數(shù)Table 4 The number of days with different chiefpollutants in Luoyang City from 2014 to 2018

圖3 2014—2018年首要污染物天數(shù)所占比例Fig.3 The proportion of days of the chiefpollutants from 2014 to 2018

2.3 PM2.5、PM10和O3濃度變化的影響因素

由前述分析可知，2014—2018年洛陽市的主要空氣污染物為PM2.5、PM10和O3。在灰色關(guān)聯(lián)模型中，本研究以2014—2018年洛陽市PM2.5、PM10和O3的年累計值為參考序列(表2)。

圖4為不同空氣污染物與影響指標(biāo)因子的關(guān)聯(lián)度。從圖4可以看出，對PM10來說，影響指標(biāo)因子根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小依次為工業(yè)(綜合)能源消耗量>城市房屋施工面積>市區(qū)總?cè)丝?建成區(qū)綠化覆蓋率>城市機動車總數(shù)>人均公園綠地面積>人均生產(chǎn)總值>一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量>氮氧化物排放總量>煙(粉)塵排放量>SO2排放總量，其中前7個指標(biāo)因子處于高關(guān)聯(lián)水平，第8個指標(biāo)因子處于較高關(guān)聯(lián)水平，后3項指標(biāo)因子處于中等關(guān)聯(lián)水平；與PM2.5關(guān)聯(lián)度較高的影響指標(biāo)因子和PM10基本類似，順序略有不同，且人均生產(chǎn)總值也表現(xiàn)為較高關(guān)聯(lián)水平(0.764)；與O3處于高關(guān)聯(lián)水平的是市區(qū)總?cè)丝凇⑷司a(chǎn)總值、城市機動車總數(shù)、人均公園綠地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率和一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量；與O3處于較高關(guān)聯(lián)水平的是工業(yè)(綜合)能源消費量和城市房屋施工面積。這說明經(jīng)濟發(fā)展對空氣質(zhì)量影響較大，需要采取有效的大氣污染治理措施，以達到在發(fā)展經(jīng)濟的同時改善空氣質(zhì)量。

圖4 PM10、PM2.5和O3與不同影響因素的關(guān)聯(lián)度Fig.4 The gray relational grades between PM10,PM2.5,O3 and different influencing factors

此外，城市與社會發(fā)展的4項因素與空氣質(zhì)量的關(guān)聯(lián)水平較高，說明提高機動車排放標(biāo)準(zhǔn)、適當(dāng)控制機動車數(shù)量和城市房屋施工面積、增加人均公園綠地面積和建成區(qū)綠化覆蓋率對于洛陽市空氣質(zhì)量的改善非常重要。環(huán)境和公共管理中除一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量外，其余3項影響因素[氮氧化物排放量、SO2排放量和煙(粉)塵排放量]與空氣污染物濃度的關(guān)聯(lián)度為中等關(guān)聯(lián)(0.4左右)，關(guān)聯(lián)度相對較低，說明加強環(huán)境管理、減少一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量，對于提高洛陽市空氣質(zhì)量有重要意義。

從2014年到2018年，洛陽市氮氧化物排放量、SO2排放量和煙(粉)塵排放量分別從13.10×104、13.86×104、6.31×104t下降到1.57×104、2.19×104、0.95×104t，減少了88.02%、84.20%和84.94%。根據(jù)洛陽市的工業(yè)特點，氮氧化物、SO2和煙塵主要來源于燃煤，氮氧化物和煙塵的來源還包括石油燃燒和汽車尾氣等[8]。由圖4可知，這3項影響指標(biāo)因子對PM10、PM2.5和O3的關(guān)聯(lián)度相對較低。說明洛陽市在貫徹實施電代煤、氣代煤等冬季清潔取暖方面取得了一定程度的進展。

3 結(jié)論

2014—2018年洛陽市空氣質(zhì)量指數(shù)類別主要為良和輕度污染。優(yōu)良天數(shù)主要出現(xiàn)在春季、夏季和秋季，重度污染和嚴重污染主要出現(xiàn)在冬季。2018年P(guān)M10、PM2.5、NO2、SO2和CO這5項污染物濃度隨時間變化呈“V”型，O3污染物濃度隨時間變化呈倒“V”型。PM2.5、PM10和O3是造成洛陽市空氣污染問題的主要污染物。灰色關(guān)聯(lián)法的分析結(jié)果表明：市區(qū)總?cè)丝?、工業(yè)(綜合)能源消耗量、人均生產(chǎn)總值、城市機動車總數(shù)、城市房屋施工面積、人均公園綠地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率和一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量等8項指標(biāo)因子與PM2.5、PM10和O3的濃度表現(xiàn)出高關(guān)聯(lián)度或較高關(guān)聯(lián)度。

為改善洛陽市空氣質(zhì)量，建議：控制市區(qū)總?cè)丝?，降低市區(qū)人口密度；調(diào)整能源消耗結(jié)構(gòu)，減少煤炭消耗，增加新能源的使用；進一步發(fā)展經(jīng)濟，提高人均生產(chǎn)總值；控制城市機動車數(shù)量，大力發(fā)展公共交通；降低城市房屋施工面積；通過合理規(guī)劃提高人均工業(yè)綠地面積和建成區(qū)綠化覆蓋率；做好固體廢物的收集、運輸、處理及處置流程，降低二次污染。