戚嘉卓,李亞男,張志浩,周錫琨,王曉丹,馬 駿

1.黑龍江省哈爾濱生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,黑龍江 哈爾濱 150076 2.黑龍江省生態(tài)安全與事故調(diào)查中心,黑龍江 哈爾濱 150096 3.中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

哈爾濱市的地理坐標(biāo)為125°42′～130°10′E、44°04′～46°40′N,地處中國東北平原東北部,黑龍江省南部,轄區(qū)東臨牡丹江市、七臺(tái)河市,南連吉林省長春市[1]、吉林市、延邊朝鮮族自治州,西接綏化市、大慶市,北毗伊春市、佳木斯市[2]。哈爾濱市屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,冬長夏短,四季分明。冬季在極地大陸氣團(tuán)控制下,氣候寒冷、干燥;夏季降水充沛,氣候溫?zé)?春秋為冬夏季風(fēng)交替季節(jié),氣候多變,春季多西南大風(fēng),氣溫回暖快,秋季降溫急劇,降水變率較大。2020年哈爾濱市GDP為5 351.7億元,占黑龍江省地區(qū)GDP的39.6%[3]。當(dāng)前,已有部分學(xué)者對(duì)哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征及其影響因素開展研究,包括采暖季PM2.5污染特征研究[4-5]、污染傳輸特征及潛在源區(qū)分[6]、PM2.5與氣象要素研究[7]、空氣質(zhì)量與氣象條件關(guān)聯(lián)分析[8]以及哈爾濱市PM10污染與氣象條件分析[9]等。但大多僅考慮供暖季或個(gè)別年,對(duì)6項(xiàng)污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)長時(shí)間變化研究較少,對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量影響因素的研究多為氣象條件,對(duì)秸稈焚燒等因素研究較少。

基于哈爾濱市12個(gè)國控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)2013—2020年哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)及6項(xiàng)污染物進(jìn)行分析,總結(jié)環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征,結(jié)合氣象條件、秸稈焚燒等相關(guān)污染因素對(duì)哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量影響因素進(jìn)行研究。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

該研究涉及的數(shù)據(jù)來源于國家生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)和政府公開發(fā)布材料,選取哈爾濱市2013—2020年6項(xiàng)空氣污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)的日均濃度和市區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)空氣污染物濃度為研究指標(biāo),開展哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征分析,其中2013—2015年為“十二五”時(shí)期數(shù)據(jù),2016—2020年為“十三五”時(shí)期數(shù)據(jù)。PM2.5源解析結(jié)果為黑龍江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心與中國環(huán)境科學(xué)研究院研究結(jié)果,火點(diǎn)數(shù)據(jù)在中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供的近實(shí)時(shí)地表高溫異常點(diǎn)查詢服務(wù)系統(tǒng)查詢獲得,冬季供暖面積數(shù)據(jù)來自哈爾濱市公開發(fā)布的統(tǒng)計(jì)年鑒。

點(diǎn)位布設(shè)情況見圖1。

圖1 哈爾濱市環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位Fig.1 Automatic monitoring points of ambient air in Harbin

1.2 研究方法

空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012),使用SPSS 22.0軟件分析空氣污染物濃度特征,通過WPS Office軟件展示污染物時(shí)間變化特征,使用ArcGIS軟件分析空氣污染物空間變化特征,采用統(tǒng)計(jì)與相關(guān)分析的方法,綜合分析了哈爾濱市能源結(jié)構(gòu)、污染物源解析結(jié)果和氣象條件等影響因素,其中利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)2013—2020年哈爾濱市冬季各月污染物濃度和氣象要素任意變量之間的相關(guān)程度進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

2020年哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量有效監(jiān)測(cè)天數(shù)為366 d,達(dá)標(biāo)天數(shù)為303 d,達(dá)標(biāo)率為82.8%。其中空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)為148 d,良為155 d,超標(biāo)天數(shù)為63 d。超標(biāo)天數(shù)中,輕度、中度、重度和嚴(yán)重污染分別為27、16、14、6 d。超標(biāo)天數(shù)中首要污染物有55 d為PM2.5,7 d為O3,1 d為PM10與PM2.5(圖2)。空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為4.44。

圖2 2020年哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量級(jí)別比例分布Fig.2 Distribution of ambient air quality levels in Harbin in 2020

6項(xiàng)污染物日評(píng)價(jià)中,PM2.5、PM10、NO2、O3出現(xiàn)超標(biāo)情況,達(dá)標(biāo)率分別為84.7%、93.4%、98.1%、98.1%。年均值評(píng)價(jià)中,PM2.5超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.34倍,PM10、NO2、SO2達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。年百分位數(shù)評(píng)價(jià)中,PM2.5第95百分位數(shù)超二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1.09倍,PM10第95百分位數(shù)超二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(日)0.19倍,其他4項(xiàng)污染物達(dá)標(biāo)(表1)。

表1 2020年環(huán)境空氣6項(xiàng)污染物情況Table 1 Six pollutants of ambient air in 2020

2.2 時(shí)間變化趨勢(shì)

2.2.1 空氣質(zhì)量級(jí)別

2013—2020年,哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例總體呈明顯增加趨勢(shì),污染天數(shù)總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。與“十二五”期間相比,“十三五”期間哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)明顯增加,重度及以上污染天數(shù)明顯減少。優(yōu)良比例從“十二五”期間的65.0%上升至“十三五”期間的80.5%,上升15.5百分點(diǎn)。重度及以上污染天數(shù)比例從12.6%下降至4.6%,下降8.0百分點(diǎn)(表2)。

表2 2013—2020年哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量各級(jí)別天數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of days of ambient air quality at various levels in Harbin from 2013 to 2020

2.2.2 主要污染物濃度

與“十二五”期間平均值相比,“十三五”期間哈爾濱市PM2.5平均質(zhì)量濃度下降26 μg/m3,降幅為35.1%,2013—2020年哈爾濱市PM2.5濃度呈波動(dòng)下降趨勢(shì),各年年均值均超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);PM10平均質(zhì)量濃度下降40 μg/m3,降幅為36.0%,2013—2020年哈爾濱市PM10濃度呈波動(dòng)下降趨勢(shì),2018—2020年年均值達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);NO2平均質(zhì)量濃度下降15 μg/m3,降幅為28.3%,2013—2020年哈爾濱市NO2質(zhì)量濃度呈波動(dòng)下降趨勢(shì),2018—2020年年均值達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);SO2平均質(zhì)量濃度下降25 μg/m3,降幅為53.2%,2013—2020年哈爾濱市SO2濃度呈下降趨勢(shì),各年年均值達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);CO第95百分位數(shù)平均值下降0.3 mg/m3,降幅為15.8%,2013—2020年哈爾濱市CO第95百分位數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢(shì),各年百分位數(shù)達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);O3日最大8 h平均第90百分位數(shù)上升26 μg/m3,升幅為27.1%,2013—2020年哈爾濱市O3日最大8 h平均第90百分位數(shù)呈上升趨勢(shì),各年百分位數(shù)達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3和圖3)。

表3 哈爾濱市環(huán)境空氣“十三五”與“十二五”期間6項(xiàng)污染物濃度對(duì)比Table 3 Comparison of concentrations of six pollutants in Harbin’s ambient air during the 13th and the 12th Five-Year Plans μg/m3

圖3 2013—2020年哈爾濱市環(huán)境空氣6項(xiàng)污染物濃度值變化Fig.3 Changes of six pollutants concentration values of ambient air quality in Harbin from 2013 to 2020

2.3 空間分布特征

使用ArcGIS 軟件插值圖(圖4)對(duì)哈爾濱市“十二五”與“十三五”時(shí)期環(huán)境空氣質(zhì)量空間分布特征比較顯著的污染物空間變化特征進(jìn)行分析。受哈爾濱市主要風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)等因素影響,哈爾濱市城區(qū)PM2.5濃度整體呈西南方向低、東南方向高的特征。O3受排放源集中在工業(yè)區(qū)影響,空間變化呈現(xiàn)中部高、四周低的特征。與“十二五”時(shí)期相比,PM2.5濃度顯著降低。

2.4 影響因素和關(guān)聯(lián)分析

近年來已有學(xué)者對(duì)中國其他區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量影響因素進(jìn)行了研究,結(jié)合烏魯木齊市地理位置和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等相關(guān)因素,對(duì)烏魯木齊市“十三五”期間環(huán)境空氣質(zhì)量變化及污染原因分析[10]得出,沙塵天氣對(duì)烏魯木齊市環(huán)境空氣質(zhì)量影響較大,燃煤排放物[11]仍是冬季重污染期間PM2.5的重要組成部分。結(jié)合煙臺(tái)市污染防治政策與污染防治措施、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素、能源結(jié)構(gòu)因素,對(duì)煙臺(tái)市環(huán)境空氣質(zhì)量影響因素相關(guān)性分析[12]得出,“十三五”期間煙臺(tái)市能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主,重工業(yè)比重居高不下,機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增加,污染逐步由煤煙型污染向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變。不同區(qū)域的空氣質(zhì)量影響因素成因研究均考慮本地區(qū)地理位置和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等相關(guān)因素,該研究也結(jié)合哈爾濱市能源結(jié)構(gòu)、污染物源解析和氣象條件等因素對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量影響因素進(jìn)行了分析。

2.4.1 供暖期污染物排放超環(huán)境承載能力為主要污染原因

哈爾濱市冬季時(shí)間長,供暖期長達(dá)180 d以上(10月20日至次年4月20日),取暖方式以燃煤為主,近年來供熱面積維持在30 000萬m2以上[2,13-14]。2013—2020年重污染天氣出現(xiàn)在供暖期的有209 d,占總重污染天數(shù)的95%。從2015年顆粒物源解析結(jié)果來看,在本地排放源中,對(duì)PM2.5貢獻(xiàn)最大的污染源為燃煤源,非采暖季占17.94%,采暖季占40.61%;機(jī)動(dòng)車排放源僅次于燃煤源,占16.42%～18.21%。由于氣象原因,秋冬季大氣環(huán)境容量小,燃煤污染物排放量疊加機(jī)動(dòng)車排放量超出環(huán)境自凈能力,成為污染的主要原因(圖5)。

圖5 哈爾濱市本地排放源對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)Fig.5 Contribution of local emission sources to fine particles in Harbin

2.4.2 秋冬季氣象條件總體不利導(dǎo)致重污染天氣頻現(xiàn)

秋冬季哈爾濱市整體氣象擴(kuò)散條件不利[15-16]。哈爾濱冬季近地面空氣層結(jié)穩(wěn)定,常有逆溫情況出現(xiàn)。同時(shí)由于地理位置因素,哈爾濱市冬季易出現(xiàn)均壓場及靜穩(wěn)天氣。若疊加濕度大、風(fēng)速小等不利氣象條件,污染物易累加,導(dǎo)致出現(xiàn)重污染天氣。

利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)2013—2020年冬季各月污染物濃度和氣象要素任意變量之間的相關(guān)程度進(jìn)行分析,得出顆粒物濃度與逆溫厚度、逆溫強(qiáng)度有很好的正相關(guān)性,與地面溫度和地面風(fēng)速有很好的負(fù)相關(guān)性,即在靜穩(wěn)天氣下逆溫強(qiáng)度越大、逆溫厚度越厚及地面風(fēng)速越小、氣溫越低,越不利于污染物的擴(kuò)散,使顆粒物的濃度不斷積聚升高;SO2、NO2與地面溫度和地面風(fēng)速有一定的相關(guān)性,CO與各氣象要素均無相關(guān)性(表4)。

表4 冬季環(huán)境空氣污染物濃度與氣象要素皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計(jì)Table 4 Pearson correlation statistics of ambient air pollutant concentration and meteorological elements in winter

2.4.3 秋季秸稈焚燒及春季清除秸稈根茬產(chǎn)生一定影響

哈爾濱市周邊農(nóng)作物秸稈主要以水稻、玉米為主,秸稈焚燒時(shí)段主要集中在每年播種前的春季4月中下旬和秋收后10月中下旬至11月上中旬,且秸稈焚燒時(shí)段內(nèi)火點(diǎn)數(shù)量與空氣質(zhì)量狀況呈線性相關(guān)[17]。“十三五”期間,哈爾濱市出現(xiàn)由焚燒秸稈及清除秸稈根茬引起的重污染天氣過程共8次,共造成重度及以上污染天數(shù)24 d,其中重度污染為14 d,嚴(yán)重污染為10 d,對(duì)環(huán)境空氣造成較大影響。2017年重污染發(fā)生后,黑龍江省實(shí)施嚴(yán)格管控,實(shí)現(xiàn)全域、全時(shí)段、全面禁燒,2018年起,秋季大面積秸稈焚燒現(xiàn)象得到極大改善,10—11月未再出現(xiàn)由本地秸稈焚燒產(chǎn)生的重污染天氣。

2017年10月18—20日是較為典型的由秸稈焚燒導(dǎo)致的重污染天氣過程,10月17日哈爾濱市周邊秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)為0,環(huán)境空氣質(zhì)量為良,18—21日火點(diǎn)數(shù)分別為94、216、142、44個(gè),環(huán)境空氣AQI指數(shù)變化趨勢(shì)與火點(diǎn)數(shù)量變化一致,分別為252、465、324、43。10月21日隨著火點(diǎn)數(shù)減少,全市退出重污染天氣過程,PM2.5濃度峰值均出現(xiàn)在夜間,變化規(guī)律符合由秸稈焚燒導(dǎo)致的污染偶然性強(qiáng)、污染物濃度上升快、污染物濃度高、污染物清除困難等特點(diǎn)。李樹嶺等學(xué)者利用氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)及秸稈焚燒火點(diǎn)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)此次重污染天氣過程進(jìn)行了分析研究,研究表明該次污染過程中秸稈焚燒排放為主要因素[18](圖6)。

注:疑似火點(diǎn)數(shù)在中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供的近實(shí)時(shí)地表高溫異常點(diǎn)查詢服務(wù)系統(tǒng)中查詢獲得。圖6 2017年10月17—22日哈爾濱市AQI、PM2.5濃度值及疑似火點(diǎn)數(shù)Fig.6 The AQI,the concentration value of fine particles and the number of suspected fires in Harbin on October 17-22,2017

2.4.4 春夏季O3污染逐漸顯現(xiàn)

“十三五”期間,哈爾濱市O3第90百分位數(shù)、O3超標(biāo)天數(shù)、O3作為首要污染物天數(shù)、達(dá)到良以下級(jí)別天數(shù)均有升高趨勢(shì),其中超標(biāo)天數(shù)由“十二五”期間年均值3 d,增加到9 d,由O3導(dǎo)致的環(huán)境空氣質(zhì)量良及以下天數(shù)明顯增加,2017、2018年均達(dá)到110 d。2020年與2015年相比,O3第90百分位數(shù)升高15 μg/m3,超標(biāo)天數(shù)增加1 d,O3作為首要污染物天數(shù)增加33 d,達(dá)到良及以下級(jí)別天數(shù)增加43 d。O3污染情況“十三五”末期略有改善,但總體污染形勢(shì)不容樂觀(圖7)。

圖7 2013—2020年O3污染狀況統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of ozone pollution from 2013 to 2020

基于2013—2020年O3濃度與氣象要素指標(biāo),使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法和斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果表明,O3濃度和降水量呈現(xiàn)中度正相關(guān),和氣溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān),和氣壓呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。2016—2020年,哈爾濱市O3濃度、氣溫、降水量呈波動(dòng)上升趨勢(shì),濕度和氣壓總體平穩(wěn),無明顯變化趨勢(shì)(表5和圖8)。

表5 O3濃度與氣象要素相關(guān)系數(shù)(r)統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of correlation coefficients between ozone concentration and meteorological elements

圖8 哈爾濱市O3濃度與氣象要素變化情況Fig.8 Changes of ozone concentration and meteorological elements in Harbin

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

“十三五”期間,哈爾濱市環(huán)境空氣質(zhì)量呈現(xiàn)波動(dòng)向好趨勢(shì),較“十二五”期間大幅改善。2018—2020年環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)達(dá)到300 d以上,比例達(dá)到80%以上。環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)呈線性下降趨勢(shì)。2020年重污染天數(shù)仍為20 d,其中重度污染為14 d,嚴(yán)重污染為6 d。2013—2020年,哈爾濱市PM2.5年均濃度均未達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),2020年超國家標(biāo)準(zhǔn)0.34倍。

“十三五”期間,哈爾濱市O3第90百分位數(shù)、O3超標(biāo)天數(shù)、O3作為首要污染物天數(shù)、達(dá)到良及以下級(jí)別天數(shù)均有升高趨勢(shì),其中超標(biāo)天數(shù)由“十二五”期間年均值3 d,增加到9 d,由O3導(dǎo)致的環(huán)境空氣質(zhì)量良及以下天數(shù)明顯增加,2017、2018年均達(dá)到110 d,2020年哈爾濱市有61 d首要污染物為O3,占全年可評(píng)價(jià)首要污染物天數(shù)的28.0%,其中超標(biāo)天數(shù)為7 d,僅次于PM2.5。

3.2 建議

按照產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和布局,推進(jìn)重點(diǎn)行業(yè)污染治理,嚴(yán)控“兩高”指標(biāo),淘汰落后產(chǎn)能,削減非電力用煤;將重點(diǎn)行業(yè)涉氣污染源全部納入減排清單,嚴(yán)格抓好減排措施落實(shí);持續(xù)推進(jìn)大氣污染物達(dá)標(biāo)排放和“散亂污”企業(yè)等專項(xiàng)整治。

嚴(yán)格控制煤炭消費(fèi)總量,積極發(fā)展清潔能源,持續(xù)推進(jìn)清潔取暖,推進(jìn)燃煤鍋爐整治、工業(yè)爐窯清潔能源替代。深化散煤治理“三重一改”攻堅(jiān)行動(dòng),優(yōu)先實(shí)施城市主導(dǎo)上風(fēng)向城中村、棚戶區(qū)、城鄉(xiāng)接合部、農(nóng)村和國控大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊5 km范圍內(nèi)散煤污染治理。

以石化、化工、工業(yè)涂裝、包裝印刷、油品儲(chǔ)運(yùn)銷為重點(diǎn),強(qiáng)化VOCs治理,積極推進(jìn)含VOCs原輔材料和產(chǎn)品源頭替代,加強(qiáng)無組織排放管控,持續(xù)推進(jìn)鋼鐵等超低排放改造。

深化揚(yáng)塵綜合治理,加強(qiáng)秸稈綜合利用和禁燒管理,穩(wěn)步推進(jìn)大氣氨污染防控,強(qiáng)化消耗臭氧層物質(zhì)管理,著力解決惡臭、油煙等群眾身邊的大氣環(huán)境問題。

構(gòu)建“市-縣”污染天氣應(yīng)對(duì)預(yù)案體系,完善重污染天氣預(yù)警應(yīng)急的啟動(dòng)、響應(yīng)、解除機(jī)制。探索輕、中度污染天氣應(yīng)急響應(yīng)的應(yīng)對(duì)機(jī)制。完善減排清單,實(shí)施“一廠一策”差異化管控。推進(jìn)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制落實(shí)。完善應(yīng)急減排信息公開和公眾監(jiān)督渠道。非采暖期開展大氣污染防治措施,緩解采暖期大氣污染防治壓力;采暖期強(qiáng)化聯(lián)防聯(lián)控,打好重污染天氣應(yīng)對(duì)戰(zhàn)役。預(yù)測(cè)有重度及以上污染天氣時(shí),降低應(yīng)急門檻,提出啟動(dòng)響應(yīng),落實(shí)應(yīng)急減排措施,實(shí)施區(qū)域應(yīng)急聯(lián)動(dòng),切實(shí)起到“削峰降頻”作用。