王英剛, 范欣雅

(1. 沈陽大學 環(huán)境學院, 遼寧 沈陽 110044; 2. 南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院, 湖南 衡陽 421001)

近年來,隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展、城市化進程的加快、工業(yè)規(guī)模的擴大,空氣污染問題日益嚴重,對人類健康造成極大危害[1].已有研究表明,心血管疾病、死亡率等與大氣中PM2.5和PM10質(zhì)量濃度呈現(xiàn)很強的正相關關系[2-3],而且PM2.5能顯著降低大氣能見度[4].京津冀地區(qū)作為國家政治、經(jīng)濟、文化的重要區(qū)域,近年來經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展,然而密集的工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸[5]以及冬季燃煤[6]等活動和京津冀地區(qū)特殊的地形和氣候特征[7]加劇了大氣污染,引起普遍關注[8].國內(nèi)外學者對京津冀區(qū)域大氣污染物的時空分布特征及來源進行了研究.郝吉明等[9]利用GEOS-Chem全球大氣化學傳輸模式模擬計算出2013年1次PM2.5排放量超出大氣環(huán)境容量.王燕麗等[10]發(fā)現(xiàn)京津冀區(qū)域PM2.5以本地污染源貢獻為主,在冬季尤其明顯.趙晨曦等[11]對2012—2013年北京地區(qū)冬春 PM2.5和 PM10進行了污染水平時空分布及其與氣象條件的關系的研究,得出PM2.5和PM10質(zhì)量濃度之間具有較好的相關性,風速和相對濕度是影響污染物質(zhì)量濃度分布主要因素.王未來等[12]根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)計算,對京津冀13個城市2014—2015年的空氣質(zhì)量排名,并查明了首要污染物.可懸浮顆粒物來源主要有二次氣溶膠、燃煤、汽車尾氣、工業(yè)生產(chǎn)、生物質(zhì)燃燒等[13],而北京冬季細顆粒物金屬元素主要來源為燃煤和生物質(zhì)燃燒,貢獻率為34.2%[14].吳文景等[15]分析得出京津冀地區(qū)PM2.5主要排放源減排改善效果貢獻率從大到小依次為工業(yè)源、民用源、交通源和電廠源.

河北省正處于經(jīng)濟快速上升期,污染程度目前最嚴重,關于河北省大氣中PM2.5和PM10污染物的時空分布研究較少.本文系統(tǒng)分析了河北省2013—2017年11個主要城市的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化趨勢和空氣質(zhì)量地理分布特征.并初步探討了造成大氣顆粒污染物質(zhì)量濃度分布的原因,以期為河北省大氣污染的防治提供參考.

1 材料與方法

本文所采用的空氣質(zhì)量和氣象數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站數(shù)據(jù)中心、河北省生態(tài)環(huán)境廳環(huán)境質(zhì)量狀況公報和河北省氣象局公報.數(shù)據(jù)包括河北省11個地級市5年間(2013—2017)大氣顆粒污染物PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度年均值、優(yōu)良天數(shù)和降水量.數(shù)據(jù)統(tǒng)計有效性依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[16]和《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)[17].有關三次產(chǎn)業(yè)對河北省生產(chǎn)總值貢獻率的數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》[18].

2 結果與討論

2.1 PM2.5與PM10污染現(xiàn)狀及變化趨勢

河北省2013—2017年PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度年均值與年均降水量如表1所示.5年間,11個地級市PM2.5的年均值在65～108 μg·m-3之間,占PM10的比值大于50%,且基本穩(wěn)定在55%～58%,說明PM2.5為PM10的主要組分.5年間大氣顆粒質(zhì)量濃度均呈下降趨勢,其中PM2.5質(zhì)量質(zhì)量濃度從2013年的108 μg·m-3下降至2017年的65 μg·m-3,PM10質(zhì)量濃度從2013年的190 μg·m-3下降至2017年的117 μg·m-3.基于質(zhì)量濃度年降低率計算可發(fā)現(xiàn),2014—2015年2種大氣顆粒物的質(zhì)量濃度下降速度最快,分別為18.9%和17.6%,此后下降速度逐年減小,2016—2017年PM2.5和PM10體積濃度的下降率分別達到最低值7.1%和4.9%.這一結果表明大氣顆粒污染物質(zhì)量濃度逐年得到控制,大氣環(huán)境總體在改善,但改善幅度逐年減小.趙晨曦等[11]發(fā)現(xiàn)北京的大氣質(zhì)量與濕度相關.河北省年均降水量與大氣顆粒污染物質(zhì)量濃度變化的關系如表1所示,2016年為這5年中降水量最大年份(多于常年20.9%),2014年為降水量最少年份(少于常年22%),但該年份對應的PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度并未達到5年的極值,說明河北省的年均降水量與大氣中PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度無明顯相關關系.另一方面,2015年1月1日我國開始施行新的《環(huán)境保護法》,針對大氣環(huán)境現(xiàn)狀采取了產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整和污染治理措施等有利于環(huán)境質(zhì)量提升的措施,可能是造成2014—2015年大氣顆粒污染物含量下降最明顯的原因.2013—2017年河北省產(chǎn)業(yè)結構持續(xù)優(yōu)化,雖然第二產(chǎn)業(yè)仍占據(jù)主導地位,但截至2017年,第三產(chǎn)業(yè)與第二產(chǎn)業(yè)僅相差2.4%,如圖1所示.在2013—2017年期間,第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重非常少,并且逐年下降,由12.4%下降到9.2%;第二產(chǎn)業(yè)所占比重最大,5年中也不斷下降,由52.2%下降到 46.6%;第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,比重穩(wěn)步上升,由35.5%上升到42.2%.河北省的產(chǎn)業(yè)結構形成了第一、二產(chǎn)業(yè)不斷下降,第三產(chǎn)業(yè)不斷上升的變化趨勢,正經(jīng)歷由低級向高級的演變發(fā)展過程,若按照此發(fā)展趨勢,第三產(chǎn)業(yè)所占比重很快將超過第二產(chǎn)業(yè).河北省已經(jīng)進入以第二產(chǎn)業(yè)為主導,向第三產(chǎn)業(yè)主導轉變的階段,隨著產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整,大氣顆粒污染物已呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢.2013—2017年河北省第二產(chǎn)業(yè)比重較大,這與河北省是重工業(yè)大省及京津的重工業(yè)轉移政策有關,故工業(yè)占比同樣是研究河北省產(chǎn)業(yè)結構的重點.河北產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化過程中,工業(yè)比重也發(fā)生了相應的變化,2013年為46.62%,此后逐年下滑,到2017年降至40.44%.河北工業(yè)占GDP的比重總體趨勢為持續(xù)下降,但目前工業(yè)比重仍較高,仍然是拉動河北省經(jīng)濟增長的主導力量.曹慧豐等[19]指出產(chǎn)業(yè)結構和工業(yè)占比都與大氣污染有關,且產(chǎn)業(yè)結構的貢獻度更大,產(chǎn)業(yè)結構升級長期來看會對大氣污染產(chǎn)生積極影響,工業(yè)占比的下降也有利于大氣環(huán)境的改善.2016年3月,河北省根據(jù)《中華人民共和國大氣污染防治法》制定了《河北省大氣污染防治條例》,從燃煤、工業(yè)、揚塵、機動車及其他污染5個方面提出了相應的治理措施.

表1 2013—2017年河北省PM2.5和PM10質(zhì)量濃度和年均降水量Table 1 Mass concentration and annual precipitation of PM2.5 and PM10 in Hebei Province, 2013-2017

圖1 2013—2017年河北省三次產(chǎn)業(yè)結構變化Fig.1 Three industrial structure changes in Hebei Province, 2013-2017

河北省11個地級城市2013—2017年PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度如圖2所示.5年PM2.5、PM10質(zhì)量濃度平均值最大的城市均為邢臺市,分別為112.8、198.6 μg·m-3.區(qū)域內(nèi)所有城市的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度年均值大致呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢.2013年邢臺市的PM2.5質(zhì)量濃度年均值最高,為160 μg·m-3,至2017年質(zhì)量濃度年均值下降幅度最大,下降至80 μg·m-3.2013年石家莊市的PM10質(zhì)量濃度年均值最高,為309 μg·m-3, 至2017年質(zhì)量濃度年均值下降幅度最大, 下降至154 μg·m-3. 質(zhì)量濃度下降幅度最小的滄州市從130 μg·m-3下降到105 μg·m-3. 石家莊市的PM2.5質(zhì)量濃度在2015年達最小值89 μg·m-3,邯鄲市的PM2.5質(zhì)量濃度則在2016年達最小值82 μg/·m-3,于2017年質(zhì)量濃度略有上升,其他城市均在2017年達到最小值.石家莊市的PM10質(zhì)量濃度在2015年達最小值,為147 μg·m-3.邯鄲市和邢臺市的PM10質(zhì)量濃度于2016年達最小值,分別為151、144 μg·m-3.其余城市PM10質(zhì)量濃度均在2017年達最小值.2017年之前河北省11個城市的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均未達《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)中的2級標準.而截至2017年,張家口市和承德市的PM2.5質(zhì)量濃度分別為31和35 μg·m-3,達2級標準(35 μg·m-3).PM10質(zhì)量濃度達2級標準(70 μg·m-3)的僅有張家口市,PM10質(zhì)量濃度為69 μg·m-3,秦皇島市和承德市接近達標,PM10質(zhì)量濃度均為82 μg·m-3.

對顆粒物PM2.5與PM10質(zhì)量濃度的相關性分析如圖3所示,二者之間存在很好的線性關系,擬合方程為

y=1.57919x+14.78709.

圖3 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度年均值的相關性分析Fig.3 Correlation analysis of the average annual value of PM2.5 and PM10 mass concentrationy=1.579 19x+14.787 09.

式中:x為PM2.5質(zhì)量濃度的年均值;y為PM10質(zhì)量濃度的年均值.

擬合性回歸的確定性系數(shù)R2為0.936 88,表明2種顆粒物質(zhì)量濃度間存在較強的相關性.

2.2 PM2.5、PM10與優(yōu)良天數(shù)的關系

我國目前采用的空氣質(zhì)量指數(shù)為AQI,共分為6個等級,即1級優(yōu)、2級良、3級輕度污染、4級中度污染、5級重度污染和6級嚴重污染,其對應的空氣污染指數(shù)分別為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300.目前計入空氣污染指數(shù)的項目定為PM10、SO2、NO2、CO和O3.

2013—2017年河北省PM2.5和PM10質(zhì)量濃度年均值、日均值達標率及優(yōu)良天數(shù)百分比的變化趨勢見圖4. 從圖4中可以看出, 優(yōu)良天數(shù)百分比從2013年的35.4%上升到2017年的55.3%. PM2.5日均值達標率從2013年的44.3%上升到2017年的73.2%, PM10日均值達標率從2013年的46.8%上升到2017年的76.7%. 5年中PM2.5日均值達標率始終低于PM10, 表明在大氣顆粒污染控制中, 應更加關注PM2.5. 相關研究也表明PM2.5已成為河北省大氣顆粒物污染的主要組分, 對人體健康和大氣環(huán)境的危害更為突出[20]. 這一結果表明在《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)中增設細顆粒物(PM2.5)質(zhì)量濃度限值是十分必要的. 雖然PM2.5和PM10的日均值達標率逐年上升, 但2017年河北省的優(yōu)良天數(shù)為202 d, 略低于2016年的207 d,說明雖然2017年河北省PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度處于下降趨勢, 但大氣環(huán)境總體質(zhì)量還受到其他污染物的影響. 有關研究表明,SO2和NO2質(zhì)量濃度變化趨勢和PM2.5的質(zhì)量濃度具有很強的相關性[21], 因此2017年河北省的優(yōu)良天數(shù)的輕微下降可能與以O3為首要污染物的超標天數(shù)比例逐年增加有關[22-23]. PM2. 5與 O3污染受不同因素控制, 其內(nèi)在并無必然聯(lián)系. PM2.5以人為產(chǎn)生為主, 在污染物排放量大、氣象條件也不利于擴散條件下, PM2.5容易成為首要污染物; 而O3主要來源于自然, 在高溫、強光照環(huán)境下, O3質(zhì)量濃度升高[24]. 因此,PM2.5與 O3質(zhì)量濃度無明顯相關關系,我們需對不同污染物采取不同的防治措施.

圖4 2013—2017年河北省優(yōu)良天數(shù)比例與PM2.5、PM10年均值及日均值達標率Fig.4 Percentage of days of good air quality, annual mean and daily mean compliance rate of PM2.5 and PM10, 2013-2017

2.3 河北省PM2.5、PM10污染區(qū)域空間特征

為評價河北省11個地級市的環(huán)境空氣質(zhì)量分布情況,統(tǒng)計了2013—2017年河北省11個地級市平均優(yōu)良天數(shù)比例分布情況(見圖5).同時結合區(qū)域PM2.5、PM10的年均質(zhì)量濃度分布情況,可以將河北省11個城市按受污染程度分為:

1) 北部輕度污染城市,包括張家口、承德和秦皇島;

2) 中部中度污染城市,包括唐山、滄州和廊坊;

3) 西南重度污染城市,包括衡水、邢臺、邯鄲和石家莊.

圖5 2013—2017年河北省11個城市優(yōu)良天數(shù) 比例空間分布Fig.5 The spatial distribution of the percentage of the days of good air qualityof the 11 cities of Hebei Province, 2013-2017

根據(jù)優(yōu)良天數(shù)比例得出的環(huán)境空氣質(zhì)量明顯呈現(xiàn)出 “北優(yōu)南劣”的形勢,與地形、經(jīng)濟發(fā)展方式及產(chǎn)業(yè)結構有緊密關系.河北省整體位于華北平原的西北部,其西部和北部山地丘陵居多,中部、東部為平原地區(qū),地勢呈現(xiàn)出西北部向東南部傾斜的趨勢.山地丘陵自西部、北部的張家口市、承德市、秦皇島市將河北東南部的平原區(qū)包圍,河北省這一地形特征易形成山谷風,使得地勢起伏變化較大處風速較周圍地區(qū)明顯偏大,有利于顆粒物及其他大氣污染物的擴散,從而使得PM2.5和PM10質(zhì)量濃度降低和大氣環(huán)境改善;且北部地區(qū)因地處燕山、太行山脈以北,南部污染物在遷移過程中受到阻礙,與北部區(qū)域分隔,呈現(xiàn)出不同的污染特征.因此,河北省這一特殊的地形條件是南北地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量存在差異的重要原因之一.此外,河北省南部的經(jīng)濟發(fā)展方式、產(chǎn)業(yè)結構導致PM2.5的污染排放量大,南部地區(qū)成為PM2.5主要污染區(qū)域.

3 結 論

1) 河北省2013—2017年大氣中PM2.5和PM10質(zhì)量濃度逐年下降,大氣質(zhì)量整體呈改善趨勢.其中,張家口市2017年PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均達到2級標準,承德市2017 年PM2.5質(zhì)量濃度達2級標準.

2) 2013—2017年間河北省大氣顆粒污染物中,PM2.5是PM10的主要組分,每年所占比例基本穩(wěn)定在57%左右,表明PM2.5與PM10質(zhì)量濃度具有很強的相關性.相對而言,PM2.5污染問題比PM10更嚴重.

3) 2013—2017年河北省環(huán)境空氣質(zhì)量呈現(xiàn)出明顯的“北優(yōu)南劣”趨勢,可能與河北的地形有關,其中西部、北部的山地丘陵包圍著中部、東部的平原地區(qū),地勢高低起伏較大,這一地形特征極易形成山谷風,對大氣污染物的擴散起到了促進作用,有利于PM2.5與PM10質(zhì)量濃度的降低和環(huán)境質(zhì)量的改善.

4) 河北省大氣顆粒污染物質(zhì)量濃度的變化與降水量之間無明顯的相關性.2014—2015年顆粒污染物質(zhì)量濃度下降率最大,可能與2015年新《環(huán)境保護法》的實施有關.

4 控制大氣污染的建議

1) 河北省產(chǎn)業(yè)結構是以第二產(chǎn)業(yè)為主體、鋼鐵產(chǎn)業(yè)為主導的重工業(yè)體系, 鋼鐵、水泥、玻璃、石油化工等都是河北省的重點產(chǎn)業(yè), 但這些產(chǎn)業(yè)能耗高、污染物排放量大,是PM2.5的主要污染源. 目前,由于河北省采取了一系列的治理措施, 已經(jīng)縮小了此類產(chǎn)業(yè)的規(guī)模與數(shù)量, 今后可以利用勞動力的優(yōu)勢, 鼓勵輕工業(yè)的發(fā)展, 進一步調(diào)整輕重工業(yè)比例,發(fā)展科技水平,促進第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

2) 京津冀區(qū)域作為國家重要政治經(jīng)濟中心, 可以發(fā)揮三者各自優(yōu)勢聯(lián)合應對環(huán)境問題. 發(fā)展較為迅速的北京市和天津市可以為河北省的大氣污染提供生態(tài)補償, 即根據(jù)生態(tài)服務的價值量向生態(tài)建設者支付費用, 以激發(fā)保護環(huán)境的積極性.

3) 進一步加大對清潔能源的開發(fā)與使用,并運用技術降低經(jīng)濟成本.隨著科技的發(fā)展,清潔能源已經(jīng)開始投入使用,如新能源汽車等,加大這些能源的開發(fā)與利用,并盡可能降低經(jīng)濟成本,確保其投入市場的可能性.

4) 在確保全省PM2.5和PM10質(zhì)量濃度達標的同時,需加強對O3這一污染物的關注.有研究表明[25-26],O3質(zhì)量濃度與機動車保有量正相關,機動車排放出的 NOx在太陽紫外線照射下發(fā)生光化學反應, 形成氧化性極強的二次污染物O3等.因此,合理發(fā)展交通系統(tǒng),控制機動車保有量對于河北省大氣環(huán)境的改善非常重要.同時,在城市規(guī)劃進程中,政府應對大氣污染源和城市功能區(qū)合理布局,并分區(qū)分配恰當?shù)沫h(huán)境容量.按照不同地區(qū)經(jīng)濟情況、現(xiàn)階段污染情況以及該地區(qū)的環(huán)境容量等制定大氣污染治理具體目標,確?？諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)信息公開透明化.