米 敬 程宇飛

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境科學研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011;2.?？诮?jīng)濟學院,海南 ?？?571132;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

近地面臭氧(O3)是造成慢性呼吸道疾病和導致霧霾的主要大氣環(huán)境污染物[1-2]。近年,我國許多地區(qū)O3已反超細顆粒物成為影響城市環(huán)境空氣質量的首要污染物[3-4]?！笆濉币詠?隨著工業(yè)化程度顯著提升,內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染問題也日益突出[5],但全區(qū)O3濃度分布在工業(yè)分布、氣流等因素影響下,存在顯著的空間不均勻性。

烏海及其周邊地區(qū)是重工業(yè)基地,是內(nèi)蒙古自治區(qū)O3濃度高值區(qū)[6-8]。河套灌區(qū)是我國最大的引黃灌區(qū),對于國家糧食生產(chǎn)至關重要。O3超標將導致小麥等主要經(jīng)濟作物光合作用受限、葉片受損、產(chǎn)量下降[9-10],因此河套灌區(qū)也是O3防治典型區(qū)?！耙缓珊！?包括呼倫湖、烏梁素海和岱海)也正面臨著嚴重的O3污染威脅[11-13]。

另外,O3污染存在顯著的時間差異。周海軍等[14]研究發(fā)現(xiàn),包頭市O3污染主要出現(xiàn)在6—8月。曹星輝[15]研究表明,O3濃度夏季高、冬季低。江靖等[16]指出,呼和浩特市O3濃度隨溫度和日照時長增加而增加。由此可見,O3污染會因季節(jié)、溫度等因素的變化而變化。

因此,本研究以河套灌區(qū)、“一湖兩海”、烏海及周邊地區(qū)為O3防治典型區(qū)對內(nèi)蒙古自治區(qū)進行O3污染特征研究,提出O3污染重點管控時段和區(qū)域,為因地制宜地治理內(nèi)蒙古自治區(qū)O3污染提供理論和實踐支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 O3防治典型區(qū)界定

烏海及周邊地區(qū)、“一湖兩海”和河套灌區(qū)包含的內(nèi)蒙古自治區(qū)O3防治典型區(qū)主要包括呼倫貝爾市、巴彥淖爾市、烏海市、包頭市、烏蘭察布市、呼和浩特市、鄂爾多斯市和阿拉善盟。其中,河套灌區(qū)包括呼和浩特市、包頭市、烏蘭察布市、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、烏海市和阿拉善盟;“一湖兩海”包括呼倫貝爾市、巴彥淖爾市和烏蘭察布市;烏海及周邊地區(qū)包括烏海市、鄂爾多斯市和阿拉善盟。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2015—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3數(shù)據(jù)由內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站提供,包括全區(qū)12個盟市103個旗(縣、區(qū))。2019—2021年O3防治典型區(qū)的PM2.5數(shù)據(jù)也由內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站提供。包頭市的氣象數(shù)據(jù)、揮發(fā)性有機物(VOCs)排放量、氮氧化物(NOx)排放量、機動車保有量、污染源等有關數(shù)據(jù)來自包頭市生態(tài)環(huán)境局。

1.3 評價方法

根據(jù)《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)和《環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)范(試行)》(HJ 633—2012),本研究中O3日評價以日最大8 h平均計,月評價與年評價以日最大8 h平均的第90百分位數(shù)計,為方便起見若無歧義統(tǒng)稱為O3濃度(有特殊說明除外)。O3污染級別根據(jù)HJ 633—2012評價。

2 結果與討論

2.1 內(nèi)蒙古自治區(qū)O3污染特征

2.1.1 2015—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3濃度年變化特征

內(nèi)蒙古自治區(qū)O3質量濃度年變化特征如表1所示。雖然O3濃度通常以日最大8 h平均的第90百分位數(shù)計,但為了更加全面地刻畫2015—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3濃度年變化,分別用第90、50、10百分位數(shù)作為高、中、低濃度進行分析。由表1可見,中、高O3濃度在2019年前總體逐年增加,2019年達到峰值后,2020、2021年有所降低。低O3濃度在2019年前增長較慢,但2020、2021年增長較快,始終處于增長狀態(tài)。由此可見,2020、2021年中、高O3濃度較2019年降低,而低O3濃度顯著升高,說明2020、2021年O3污染程度出現(xiàn)下降趨勢,2019—2021年基本反映了內(nèi)蒙古自治區(qū)O3污染的現(xiàn)狀。

表1 2015—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3質量濃度Table 1 O3 mass concentrations in Inner Mongolia Autonomous Region from 2015 to 2021 μg/m3

由表2可見,2019—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)12個盟市的O3質量濃度均未超過GB 3095—2012二級標準限值(160 μg/m3),3年全區(qū)O3質量濃度分別為137、129、131 μg/m3;全區(qū)日濃度超標天數(shù)分別為160、93、129 d;以O3為首要污染物的超標天數(shù)分別占當年總超標天數(shù)的40.0%、22.4%、26.1%。進一步分析發(fā)現(xiàn),2019—2021年全區(qū)O3輕度污染天數(shù)分別為159、91、127 d,中度污染分別為1、2、2 d,未出現(xiàn)重度污染和嚴重污染。

表2 2019—2021年12個盟市O3質量濃度及超標情況Table 2 The mass concentrations and exceeding status of O3 in 12 municipalities from 2019 to 2021

2.1.2 內(nèi)蒙古自治區(qū)O3濃度空間分布特征

在SuperMap iDesktop10.1軟件中選用距離反比法進行空間插值分析內(nèi)蒙古自治區(qū)2019—2021年的O3濃度變化,發(fā)現(xiàn)3年的O3濃度空間分布規(guī)律相似,總體呈西部和東南部高,中部和東北部低的特點,圖1給出了2019年典型的空間分布圖。西部O3濃度特別高是因為西部煤炭資源豐富,煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達,還分布著化工、焦化、建材、火電等眾多企業(yè),排放大量O3前體物VOCs和NOx[17-18]。由此可見,內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染防治重點區(qū)域應在西部和東南部地區(qū),這些區(qū)域大多屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)O3防治典型區(qū),在后續(xù)環(huán)境管理中應重點在這些地區(qū)實施分區(qū)管控及區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

圖1 內(nèi)蒙古自治區(qū)2019年O3質量濃度空間分布Fig.1 Spatial distribution of O3 mass oncentration in Inner Mongolia Autonomous Region in 2019

全區(qū)每年O3質量濃度前三的盟市統(tǒng)計結果如表3所示,其中呼和浩特市、鄂爾多斯市、通遼市出現(xiàn)次數(shù)最多,均出現(xiàn)了5次,另外赤峰市出現(xiàn)了3次,包頭市和烏蘭察布市均出現(xiàn)了2次,烏海市出現(xiàn)了1次,說明呼和浩特市、鄂爾多斯市、通遼市O3污染比較嚴重,集中發(fā)生的時間在5—8月。

表3 2015—2021年全區(qū)O3質量濃度前三的盟市Table 3 Top three municipalities of O3 mass concentrations in the region from 2015 to 2021

2.2 O3防治典型區(qū)污染特征

2019—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3防治典型區(qū)的O3質量濃度月變化見圖2(a),最大值均出現(xiàn)在7月,5—8月O3濃度較高,最小值均出現(xiàn)在12月,1、11—12月O3濃度較低,這是因為NOx、VOCs等O3前體物受光照條件的季節(jié)變化影響比較顯著[19-20]。2019—2021年,烏海及周邊地區(qū)O3質量濃度平均值為127 μg/m3,河套灌區(qū)為121 μg/m3,“一湖兩海”為108 μg/m3。可見,烏海及周邊地區(qū)的O3濃度最高,這可能與烏海及周邊地區(qū)化工園區(qū)數(shù)量多,排放大量O3前體物有關[21]。

圖2 2019—2021年O3防治典型區(qū)的O3和PM2.5質量濃度月變化Fig.2 Monthly changes of O3 and PM2.5 mass concentrations in O3 prevention and control typical regions from 2019 to 2021

比較3個O3防治典型區(qū)中O3和PM2.5質量濃度月變化(見圖2)發(fā)現(xiàn),O3呈“凸線”趨勢,而PM2.5呈“凹線”趨勢,分析每月兩者間的關系發(fā)現(xiàn)1、10兩月兩者呈顯著負相關(p<0.01),這是因為較高濃度的PM2.5可降低消光系數(shù)和大氣輻射強度,不利于O3生成[22-23]。

2.3 污染原因初探

包頭市屬于O3防治典型區(qū),又位于全區(qū)的中間位置,因此以包頭市為例初步探究內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染原因。

2.3.1 產(chǎn)業(yè)結構及機動車尾氣方面

包頭市是內(nèi)蒙古自治區(qū)最大的工業(yè)城市,擁有全區(qū)最大的鋼鐵、鋁業(yè)、裝備制造和稀土加工企業(yè),是國家和內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的能源、原材料、稀土、新型煤化工和裝備制造基地,形成了東部鋁業(yè),西部鋼鐵、煤化工和稀土產(chǎn)業(yè),南部高新技術產(chǎn)業(yè),北部裝備制造業(yè)等多種產(chǎn)業(yè)聚集分布的特征。這些產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)過程中排放大量的O3前體物NOx[24]、VOCs[25-26],造成包頭市O3污染。

包頭市近年機動車數(shù)量也逐年增加,由此導致機動車尾氣排放量逐年增加,特別是NOx[27],成為包頭市O3污染的重要原因之一。

包頭市及周邊主要的火電、黑色及有色金屬冶煉等行業(yè)涉及重要的燃燒源。2015年包頭市電力行業(yè)等燃燒源的VOCs和NOx排放量分別為2 647.01、52 036.89 t/a;鋼鐵、有色金屬冶煉、焦化及煤化工、水泥等建筑工業(yè)燃燒源的VOCs和NOx排放量分別為14 330.40、41 718.81 t/a;生活源的VOCs和NOx排放量分別為15 390.98、3 499.52 t/a;移動源的VOCs和NOx排放量分別為12 573.65、21 969.75 t/a。O3由VOCs和NOx等物質在紫外光照和高溫等條件的作用下發(fā)生光化學反應生成。VOCs除加速O3生成并增加大氣氧化性外,還會促進SO2、NOx等污染氣體轉化成硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠,進而形成PM2.5。

2.3.2 氣象因素對O3的影響

近地面O3濃度還與氣象條件有密切關系[28]。2021年包頭市年平均氣溫為8.4 ℃,年平均風速為2.9 m/s,年總降水量為240.4 mm,年日照時數(shù)為2 978.9 h,年平均相對濕度為58%。2020—2021年包頭市O3濃度與溫度、風速的Pearson相關系數(shù)如表4所示。O3濃度與氣溫、風速均呈正相關關系,這是因為溫度越高越有利于光化學反應生成O3。O3濃度與風速呈正相關關系可能是因為風對污染物的混合作用大于擴散作用[29]。具體分析發(fā)現(xiàn),包頭市O3小時濃度在溫度處于超過25 ℃時就開始超過GB 3095—2012二級標準限值。2020—2021年包頭市O3濃度隨風速增大而升高主要發(fā)生在風速低于5 m/s時。由此可見,包頭市在溫度大于25 ℃且風速小于5 m/s時最易促使O3濃度升高。

表4 2020—2021年包頭市O3和氣象因素相關關系Table 4 Correlation between O3 and meteorological factors in Baotou City from 2020 to 2021

3 結 論

(1) 內(nèi)蒙古自治區(qū)2020、2021年相比2019年O3污染程度出現(xiàn)下降趨勢。2019—2021年基本反映了內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染現(xiàn)狀,12個盟市的O3質量濃度均未超過GB 3095—2012二級標準限值(160 μg/m3)?？臻g分布上呈西部和東南部高,中部和東北部低的特點,建議對烏海及周邊地區(qū)、河套灌區(qū)和“一湖兩?！監(jiān)3防治典型區(qū)進行重點管控,5—8月應為重點管控時段。

(2) 以包頭市為例初步探究內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染原因發(fā)現(xiàn),產(chǎn)業(yè)結構和機動車尾氣是包頭市O3污染的重要原因,溫度大于25 ℃且風速小于5 m/s時溫度和風速增大易促進O3濃度升高。