龐丹丹，李潔冰，賈琪琪，李 航

河南城建學院市政與環(huán)境工程學院，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)量標準》(GB 3095—2012)中二級標準限值的天數(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)格化精準監(jiān)控平臺(http://117.78.34.120∶8007/BigData/Main)。市區(qū)總?cè)丝?、工業(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)量標準》(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)的污染物即為當日的首要污染物。根據(jù)當日空氣質(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因子與主體的關(guān)聯(lián)程度，計算出各影響指標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)與當年的第i個影響指標因子(比較序列)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；k是每個序列的指標數(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)量二級標準限值分別為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的超標時間較長，NO2僅在1月有一個較小的超標時間段，SO2和CO沒有發(fā)生超標。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(以國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準為限值)，而PM2.5、PM10和O3的濃度超標時間較長。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因子的關(guān)聯(lián)度。從圖4可以看出，對PM10來說，影響指標因子根據(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個指標因子處于高關(guān)聯(lián)水平，第8個指標因子處于較高關(guān)聯(lián)水平，后3項指標因子處于中等關(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?、人均生產(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準、適當控制機動車數(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?；疑P(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。