陸雅靜，王 輝，鮑曉磊，趙樹慈，張煥坤，趙衛(wèi)鳳

（1.河北省環(huán)境科學研究院，河北石家莊 050037；2.河北正奇環(huán)境科技有限公司，河北石家莊 050037；3.河北省環(huán)境監(jiān)測中心站，河北石家莊 050037）

隨著工業(yè)迅猛發(fā)展和城市化進程的加快，城市人口不斷增長和聚集，能源和物質(zhì)消費激增，人為排放的污染物明顯增多，以城市為中心的復合污染問題日益嚴重。有研究表明，隨著工業(yè)發(fā)展和能源利用的增長，城市空氣污染水平迅速升高［1］，2012年，石家莊市城鎮(zhèn)常住人口比2005年增加346%，城鎮(zhèn)化率比2005年提高10.7%，生產(chǎn)總值比2005年增加95%，能源消費總量比2005年增加40%，煤炭消費總量比2005年增加36%，給石家莊市環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)狀況帶來了較大的壓力。

城市空氣污染問題日益成為可持續(xù)發(fā)展研究的重點和熱點問題，不同學者研究城市空氣污染物的變化規(guī)律及大氣復合污染特征，以及大氣污染的來源和成因等［2-6］，對制訂城市大氣污染防治對策提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。本研究依據(jù)2005-2012年期間石家莊市的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料，采用空氣綜合污染指數(shù)、污染物負荷系數(shù)、空氣污染指數(shù)（API）、Daniel趨勢檢驗等評價和分析方法，對近年來石家莊市的空氣質(zhì)量變化趨勢及影響因素進行分析與研究，為石家莊市大氣污染防治工作提供決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用2005—2012年石家莊市環(huán)境空氣質(zhì)量長期定點監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，對SO2，NO2，PM10等污染物濃度的均值及超標天數(shù)等主要項目進行年際和年內(nèi)污染分析，文中所用數(shù)據(jù)來自2005—2012年的石家莊市環(huán)境狀況公報、河北省環(huán)境狀況公報。

1.2 評價標準

SO2，NO2和PM10采用《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB 3095—1996）中的二級標準，日均限值（質(zhì)量濃度，下同）分別為0.15，0.12，0.15mg／m3，年均限值分別為0.06，0.08，0.10mg／m3。

1.3 評價方法

空氣污染的月季變化特征用空氣污染指數(shù)（API）來評價，API是將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物的濃度簡化成為單一的概念性數(shù)值形式，并分級表征空氣質(zhì)量狀況與空氣污染的程度。采用文獻［7］中的方法對API進行計算和分級。

環(huán)境空氣質(zhì)量綜合評價采用綜合污染指數(shù)法，用空氣綜合污染指數(shù)反映空氣污染的年際變化特征，用污染負荷系數(shù)表征主要污染物對環(huán)境空氣整體污染水平的貢獻率。

綜合污染指數(shù)計算公式：

各污染物污染分指數(shù)計算公式：

污染負荷系數(shù)計算公式：

式中：P為綜合污染指數(shù)；Pi為第i項污染物的污染分指數(shù)；Fi為第i項污染物的污染負荷系數(shù)；n為污染物項數(shù)；Ci為第i項污染物質(zhì)量濃度的年均值，mg／m3；Si為第i項空氣污染物的環(huán)境質(zhì)量標準限值，mg／m3。

采用Daniel趨勢檢驗法（又名Spearman秩相關(guān)系數(shù)法）分析石家莊市空氣污染物的變化趨勢及統(tǒng)計學顯著性特征，其計算公式見式（4）［8］：

式中：rs為秩相關(guān)系數(shù)；n為時間周期數(shù)；xi為年均值從小到大排列的序數(shù)；yi為年先后排列序數(shù)。

rs值的正負分布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（當顯著性水平為0.05，n＝6時，Wp＝0.829）進行比較，如果｜rs｜≥Wp，則表明變化趨勢有顯著意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣污染特征

2005—2012年石家莊市SO2，NO2和PM10的監(jiān)測結(jié)果顯示（見表1），SO2和NO2年均質(zhì)量濃度均不超標。SO2年均質(zhì)量濃度2006年較2005年有所降低，2006—2010年間逐年升高，之后先降低后升高，2012年達到最大值（0.057mg／m3）；NO2年均質(zhì)量濃度先降低后升高，2010年后穩(wěn)定在0.040～0.041mg／m3；PM10年均質(zhì)量濃度在2006年達到最高值0.137mg／m3，之后逐年降低，2010年后穩(wěn)定在0.097～0.099mg／m3，其中2005—2009年的年均值超標。

表1 2005—2012年SO2，NO2和PM10監(jiān)測結(jié)果Tab.1 Monitoring results of SO2，NO2and PM10from 2005to 2012

SO2超標率先降低后升高，2012年達到最大值6.9%；2008年以后開始出現(xiàn)NO2超標現(xiàn)象，超標率未超過4%；PM10超標率在2006年達到最大值31.3%，之后超標率逐年降低，但至2012年超標率仍高達15%以上，說明石家莊市塵污染呈逐年降低的趨勢，但仍處在較高的水平。

PM10的污染負荷系數(shù)最高，均超過0.40；2006—2008年P(guān)M10污染負荷系數(shù)均在0.50以上，2009年后有所降低，2010—2012年穩(wěn)定在0.40～0.42。SO2污染負荷系數(shù)先降低后升高，2010年以來SO2污染有加劇趨勢，2012年污染負荷系數(shù)達到0.39，接近PM10。NO2污染負荷系數(shù)變化不大，基本穩(wěn)定在0.20左右。影響石家莊市空氣質(zhì)量的污染物依次為可吸入顆粒物、二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2），呈現(xiàn)塵污染和煤煙型污染特征。

2005—2012年石家莊市達到國家二級標準天數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示（見表2），空氣質(zhì)量達標天數(shù)逐年增加，2009年開始達標天數(shù)占全年85%以上。

表2 2005—2012年達標天數(shù)及占全年比例Tab.2 Standard days and their proportions from 2005to 2012

2005—2012年石家莊市SO2，NO2和PM10月均質(zhì)量濃度變化見圖1。如圖1所示，SO2和NO2月均質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)3—10月（非采暖期）小于1—2月、11—12月（采暖期）的趨勢，SO2尤為明顯；PM10總體呈非采暖期小于采暖期的趨勢，非采暖期中，3—5月出現(xiàn)一個小高峰，主要是由于石家莊市春季氣候干旱，受沙塵天氣影響所致。有研究表明，采暖期間石家莊市大氣浮塵以煤煙塵為主，其次為風沙塵和建筑揚塵；非采暖期則以風沙塵和建筑揚塵為主［9］。

圖1 2005—2012年石家莊市SO2，NO2和PM10月均質(zhì)量濃度變化曲線Fig.1 Monthly averaged values′changing trends of SO2，NO2 and PM10from 2005to 2012in Shijiazhuang City

石家莊市月均API變化如圖2所示，可以看出，API月均值呈夏、秋季＜春季＜冬季的趨勢。石家莊市冬季采暖，燃煤量較其他季節(jié)有較大增加；加之冬季靜風和小風頻率高（達到33.06%）、穩(wěn)定性層結(jié)幾率高（達60%以上）以及降水少等氣象因素的影響，造成冬季污染明顯重于其他季節(jié)［9］。API月均變化曲線與PM10月際變化一致，說明石家莊市首要污染物是PM10，大氣污染以塵污染為主。

圖2 2005—2012年石家莊市月均API變化曲線Fig.2 Changing trends of the monthly averaged API from 2005to 2012in Shijiazhuang City

2.2 空氣污染變化趨勢

采用Daniel趨勢檢驗法分析2005—2012年石家莊空氣污染物及空氣綜合污染指數(shù)的年際變化趨勢，見圖3和表3。SO2和NO2呈先下降后上升的趨勢，秩相關(guān)系數(shù)分別為0.595和0.333，均表現(xiàn)為不顯著上升；PM10呈現(xiàn)顯著下降趨勢，秩相關(guān)系數(shù)為-0.952?？諝饩C合污染指數(shù)呈先下降后略有升高的趨勢，秩相關(guān)系數(shù)為-0.571，表現(xiàn)為不顯著下降。

圖3 2005—2012年空氣污染物及空氣綜合污染指數(shù)年際變化趨勢Fig.3 Inter-annual changing trends of the air pollutants and air pollutant integrated index from 2005to 2012

通過ρ（NO2）／ρ（SO2）值及其變化趨勢來進一步研究判斷空氣污染特征。空氣污染表現(xiàn)出煤煙型污染特征時，ρ（NO2）／ρ（SO2）值會比汽車尾氣型污染低，北京、上海等大城市的ρ（NO2）／ρ（SO2）值已普遍超過2。石家莊市2005—2012年ρ（NO2）／ρ（SO2）值的年際變化趨勢見圖4。由圖可知，石家莊市的ρ（NO2）／ρ（SO2）值在0.7～0.9之間，年際變化趨勢不明顯，表明石家莊市空氣污染特征仍以煤煙型污染為主，這與石家莊市的能源結(jié)構(gòu)有關(guān)，能源消耗仍是以煤炭為主的粗放式消費［10-11］。

表3 石家莊市2005-2012年主要污染物Daniel趨勢分析結(jié)果Tab.3 Daniel trend test analysis results of main air pollutants from 2005-2012in Shijiazhuang City

圖4 2005—2012年ρ（NO2）／ρ（SO2）值的年際變化趨勢Fig.4 Inter-annual changing trends ofρ（NO2）／ρ（SO2）from 2005to 2012

3 環(huán)境空氣質(zhì)量影響因素分析

3.1 能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化

能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整是改善環(huán)境質(zhì)量的重要途徑。石家莊市經(jīng)濟增長的顯著特征是高能耗、高投入、低效益，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)趨向重工業(yè)化，第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度高于其他產(chǎn)業(yè)。從規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)能源消費分布來看，電力、化學原料、鋼鐵、建材、石化、醫(yī)藥、煤炭、紡織等8個行業(yè)能源消費量占工業(yè)能源總消費量的80%以上［10］，經(jīng)濟發(fā)展對能源尤其是煤炭有很強的依賴性。以燃煤為主導的能源消費結(jié)構(gòu)和較低的煤炭利用效率，導致石家莊市的環(huán)境污染日趨嚴重。

“十一五”期間，石家莊市加快推進電力、輸變電、原油加工及輸油管道、天然氣輸氣管道等重大項目建設，積極推廣利用新能源和可再生能源，發(fā)展集中供熱等，促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整［12］；對冶金、電力、建材、化工、煤炭、石化等六大高耗能行業(yè)全力實施節(jié)能降耗工程，積極淘汰鋼鐵、水泥、電力、焦化等高污染行業(yè)落后產(chǎn)能和設備［13］；加快發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展新能源、節(jié)能環(huán)保、電子信息、生物產(chǎn)業(yè)和新材料等新興產(chǎn)業(yè)。2010年全市第一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的比例由2005年的13.9∶48.4∶37.7轉(zhuǎn)變?yōu)?.8∶49.7∶40.5。

以上產(chǎn)業(yè)能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)能降耗工作取得了一定的成效，2012年石家莊市生產(chǎn)總值比2005年增加95%，而能源消費總量僅比2005年增加了40%，其中煤炭消費總量比2005年增加了36%。萬元GDP平均能耗為1.134t（以標煤計，下同），比2005年下降了23.1%，但仍遠高于全國平均水平（萬元GDP平均能耗0.697t）。

3.2 污染源綜合整治

石家莊市大氣中污染物主要來自燃煤產(chǎn)生的煙塵、工業(yè)廢氣和機動車尾氣，其中工業(yè)污染源排放量最大、種類多、污染危害嚴重。據(jù)統(tǒng)計，石家莊市SO2排放量大的主要行業(yè)有電力和熱力、石油化工、水泥建材、鋼鐵焦化等；NOx排放量大的主要行業(yè)有電力和熱力、水泥建材、石油化工和鋼鐵焦化以及機動車尾氣等；煙（粉）塵排放量大的主要行業(yè)有水泥建材、鋼鐵焦化、石油化工、電力和熱力等。此外，工地和道路交通揚塵污染，煤場、露天礦山、采砂場、水泥攪拌站等揚塵污染，以及農(nóng)村日常生活及冬季采暖的原煤散燒等排放的污染物也不容小覷。

“十一五”及河北省“三年大變樣”以來，石家莊市淘汰全部小火電、小水泥、小造紙、小煉焦、小煉鐵等落后產(chǎn)能［13］；深化石鋼等重點大氣污染企業(yè)的治理［13］；對火電行業(yè)實施全面脫硫，至2010年底，河北省電廠脫硫裝機容量占火電總裝機容量的99.8%；拆除全部石環(huán)公路以內(nèi)具備供熱條件的燃煤采暖鍋爐，不具備供熱條件的燃煤采暖和工業(yè)鍋爐全部完成治理并實現(xiàn)達標排放［14］；開展集中整治揚塵污染專項行動、SO2與煙（粉）塵治理、建材行業(yè)治理等項工作，對減輕石家莊市空氣污染、改善環(huán)境空氣質(zhì)量起到重要的作用［14］。

石家莊市PM10顯著降低，說明石家莊市的煙（粉）塵治理工作取得了一定的成效。SO2雖呈現(xiàn)不顯著上升趨勢，但相比煤炭消費總量增長了36%，2012年SO2年均濃度僅比2005年增長了5.6%。NO2呈現(xiàn)不顯著上升的趨勢，一方面是由于近兩年才開始加強氮氧化物的控制力度；另一方面，隨著石家莊市機動車保有量的快速增加，空氣中的NO2濃度也有持續(xù)增加的趨勢。

3.3 其他

顆粒物是目前石家莊市的首要污染物，且PM10和PM2.5濃度高，其來源和形成機制復雜，存在二次污染，且除人為污染源外，外來型自然沙塵源的影響也很大。根據(jù)石家莊市污染物濃度月均值變化曲線可知，PM10質(zhì)量濃度在3—5月出現(xiàn)一個小高峰，就是由于沙塵等自然因素的年際變化引起的。例如2005-04-27和2005-04-28這兩天，石家莊市出現(xiàn)了一次強沙塵天氣，各監(jiān)測點的PM10質(zhì)量濃度值達到了1.0mg／m3，是由河北省上游的蒙古國以及中國內(nèi)蒙古區(qū)域等外來源和本地源綜合作用的結(jié)果［15］。因此對大氣污染的控制還應考慮自然因素的影響。

除石家莊市自身產(chǎn)生的污染物外，隨著城市的發(fā)展，不僅周邊郊縣的污染物在熱島環(huán)流作用下向城市中心區(qū)域匯聚，遠距離污染源在特定的天氣條件下也向石家莊市區(qū)輸送。2002年10月國慶長假之后，石家莊市出現(xiàn)了嚴重的煙霧污染事件，市區(qū)環(huán)境質(zhì)量連續(xù)4天達到中度、重度污染。其原因是河北省南部縣市燃燒秸桿產(chǎn)生大量的煙霧，隨偏南風向石家莊市區(qū)輸送造成的。大氣污染的高開放性、高流動性決定了區(qū)域聯(lián)動治理的重要性，治理大氣污染，石家莊市還應與周邊地區(qū)建立有效的聯(lián)防聯(lián)控機制。

4 結(jié) 論

1）2005—2012年，石家莊市首要污染物是PM10，其次是SO2，呈現(xiàn)塵污染和煤煙型污染特征。SO2和NO2呈不顯著上升趨勢，PM10呈現(xiàn)顯著下降趨勢，空氣綜合污染指數(shù)表現(xiàn)為不顯著下降。

2）SO2，NO2，PM10月均值總體呈非采暖期小于采暖期的趨勢，PM10在非采暖期3—5月份出現(xiàn)一個小高峰，是受沙塵天氣影響，由本地源和外來源共同作用所致。

3）API月均值呈夏、秋季＜春季＜冬季的趨勢，與PM10月際變化一致，說明石家莊市大氣污染以塵污染為主，應加強對其來源、形成機理、控制對策的研究。

4）能源結(jié)構(gòu)變化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化、污染源綜合整治對減輕環(huán)境空氣污染起到一定的作用。在經(jīng)濟高速增長、能源消費不斷增加的情況下，研究制訂基于能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，多種污染物協(xié)同控制的區(qū)域城市污染協(xié)同優(yōu)化控制方案，對石家莊市空氣質(zhì)量持續(xù)改善具有重大意義。

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