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博乐市大气污染特征及变化趋势研究

2019-11-26 11:11:33 绿色科技 2019年20期

肖凯 黄忆琦 周君蕊 朱敏 刘浩 哈斯琴格乐

摘要:随着工业化、城市化进程加快,中国城市的大气质量正面临前所未有的考验。利用2015~2017年博乐市城市空氣质量监测数据,以大气污染因子二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)为研究对象,分析了年、季节及月变化特征;利用Daniel趋势检验Spearman秩相关系数法,分析了博乐市环境空气中的主要污染物变化规律,及大气环境质量变化趋势。结果表明:2015~2017车间,博乐市NOz和PM10为首要污染物,呈上升趋势;PM2.5和SO2呈现下降趋势,但下降趋势均不显著。各大气污染物浓度均呈现双峰型,PM2.5、PM10、SO2和NOz年平均质量浓度分别为(29.63d=19.7)、(66.9±36·8)、(15.6±9.3)、(17.8±9.13)ug/m3。4种大气污染物浓度季节变化基本一致,均呈冬季>秋季>春季>夏季的趋势。研究结果可为博乐市大气污染治理提供基础资料。

关键词:空气污染;颗粒物;Spearman秩相关系数;Daniel趋势检验;博乐市

中国分类号:X51 文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2019)20-0082-06

1引言

洁净大气是人类赖于生存的必要条件之一,研究显不,人体每天要吸人10~12 m2的空气。而随着工业化、城市化发展及机动车污染排放的增加,使得生活污染和工业排放叠加、各种新旧污染与二次污染相互复合,构成复合的大气污染体系。空气污染不仅已经严重影响了居民的日常生活和健康,也阻碍了区域经济发展。对于环境空气质量的众多研究主要集中在东部沿海及津京冀地区,其中以北上广这类一线城市最多,如以高浓度细颗粒物浓度超标为主要特征的北京市大气污染吸引了许多科研团队对灰霾的形成机制进行研究,对上海市颗粒物的来源及理化特征、生物活性方面的研究,这些研究对于掌握大气污染物的变化规律、污染机制以及大气污染生成的主要影响因素有了一定的认识,并能应用于重污染天气预警预报,重大活动保障等,为科学治理提供依据。而西部地区的相关研究较少,新疆博乐市作为以煤炭为主要能源的典型的西部城市,其环境空气质量有恶化趋势,但其污染特征、规律尚不清,污染来源、机制及相关的污染成因及控制策略更是缺乏系统性研究。

本文主要以大气污染因子二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸人颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)为研究对象,整理并分析2个城区监测点的连续3年的大气污染因子数据,利用Daniel趋势检验Spearman秩相关系数法,定量分析博乐市2015~2017年的大气环境质量变化趋势,以期为博乐市大气污染治理提供基础资料。

2数据来源及研究方法

2.1研冤区概况

博乐市(44°02~45°23N,79°53~83°53'E)位于新疆维吾尔自治区西北部,地处阿拉套山和岗吉格山间谷地,博乐塔拉河畔,地势东高西低,高山、中山、低山丘陵和谷地平原呈阶梯状分布,博乐市平均海拔500 m,属大陆性干旱半荒漠和荒漠气候,春季气温冷暖多变,夏季高温,气候炎热,伴有干热风,秋季气候适宜,冬季漫长而寒冷。东西长315 km,南北宽125 km,行政区土地面积7500 km2,总人口26.92万人。多年年平均降水量138.5 mm,多年年平均蒸发量为1800.8 mm,多年平均相对湿度为65%,全年主导风向为西北方向(NW),夏季主导风向为西北风向(NW),冬季主导风向为西北风向(NW)及西南风向(SW),多年平均风速为1.9 m/s。冬季风速低、稳定性强,为大气污染累积提供了条件。

2.2数据来源

本文数据来自博乐市市环保局和西郊区2处空气质量监测站,包括2015~2017年监测站点PM2.5、PM10、SO2、NO2等污染物逐日数据。目前,中国大气环境质量监测仍然采用定点采样的方法,包括在城市不同功能区建立固定的大气环境监测站点。博乐市站点布设、监测设备、监测方法、数据有效性等方面均符合《环境空气质量监测站点布设技术规范HJ 664-2013》《环境空气质量监测规范(试行)》等有关要求。

2.3分析方法

根据气象学方法把博乐市四季划分为春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)和冬季(12~2月),用SPSS软件进行原数据处理与计算,分析PM2.5、PM10、SO2、NO2等污染物的现状值及其年、季、月、日变化规律并讨论其变化原因。以《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)作为评价依据,通过污染物负荷法确定2015~2017年博乐市大气首要污染物,并采用Dan-iel趋势检验及Spearman秩相关系数法,对博乐市2015-2017年的环境空气质量变化趋势进行评价。

空气综合污染指数是空气受污染程度的综合指标,可用来研究各项污染物的年际变化特征,其数值越大,空气污染程度越严重。污染物负荷系数则反映污染物对空气整体污染水平的污染贡献率,根据其计算值来确定研究区大气中的首要和次要污染物,污染负荷系数最大的为首要污染物,计算步骤见式(1)、(2)、(3)。Daniel趋势检验法用来检验数据的平稳性,常用在时间序列分析中,进行单因素小样本数的相关检验,方法简单明了,精确性高。秩相关系数为正值表示空气污染物浓度增加,负值表示空气污染物浓度减少,而绝对值的大小还可以表示空气污染物浓度变化的强度。

式(3)中,rj为秩相关系数;i为时间周期数序号,N为时间周期总数;di为每项污染物所对应的秩次之差;Xi为空气污染物排列序数;yi为时间序列系数。

rs值的正负分别表示污染物浓度的增长和下降,其绝对值的大小表示变化的强度。将秩相关系数r|的绝对值与Spearman秩相关系数统计表中的临界值w。进行比较。如果rs≥W。,则表明变化趋势有显著意义。

3结果与讨论

3.1污染物总体变化特征

图1所示为2015年1月至2017年12月博樂市PM2.5、PM10、SO2及NO2浓度均值逐日变化曲线。PM2.5、PM10、sO2及NO2的24 h一级标准平均质量浓度限值分别为34、50、50、80ug/m3,其二级标准限值分另U为75、150、150、80ug/m3

2015~2017年博乐市PM2.5日均值变化范围为(8.7~124.43)ug/m3,3年期间PM2.5年平均浓度均高于28ug/m3,分别为(29.5±20.8)、(28.9±19.9)、(30.6±18.3)ug/m3,3年总平均(29.63±19.7)ug/m3。期间PM2.5一级标准超标日有296 d,二级标准超标日有48 d,超标率分别为27.0%和4.3%,各年份的超标天数和超标率如表1所示,2017年一级超标率最高,较2016和2015年分别高4%和8%。博乐市地处山谷地形,西、南、北三面环山,中部是喇叭状的谷底平原,西部狭窄,东部开阔,减弱了大气污染物在水平方向上的扩散,使污染物易于累积。PM2.5浓度冬季最高,3年内高峰值出现在2015年1月2日,浓度为124,4ug/m3。可能与冬季采暖期燃烧多、风速低、逆温层厚、颗粒物不易扩散有关,这与邻近的乌鲁木齐地区的情况比较相似。博乐市PM2.5浓度均达到国家一级标准,且平稳呈轻微的下降趋势,其中2018年的浓度较2017年下降了11.8%,这可能与“煤改气”工程的实施有一定的关系。

PM10日均值变化范围为(14.4~271.4)ug/m3,三年均值为(66.9±36.8)ug/m3,2015~2017年分别为(66.3±37.4)、(64.9±37.6)、(69.4±35.3)ug/m3,最高值出现在2015年4月14日,为271.4ug/m3,2015~2017年一级及二级超标率分别为:40.27%及4.39%、51.78%及3.29%、62.19%及3.29%。大量的源排放清单研究表明,扬尘、工业和化石燃料燃烧等是PM10最主要来源。PM2.5-10主要由机械过程所产生的扬尘、液滴蒸发、海盐溅沫、火山爆发和风沙等一次颗粒物所构成,因此在城市地区其浓度可用来揭示扬尘源的污染控制情况,PM2.5/PM10通常用来指示粗细粒子的贡献。博乐市大气PM2.5/PM10比值在2015~2017年期间呈下降趋势,表明扬尘源对PM10贡献逐渐增,PM2.5/PM,。平均值为0.45(d0.5),说明扬尘等粗粒子来源对PM10的贡献高于细颗粒来源(图3)。扬尘主要来源于道路、建筑、堆场和裸露土壤,分析博乐市近几年房屋建筑施工面积,由2015年72.77增长到2017年的90.5万m2,增长了24.4%,说明博乐市PM,。浓度的上升一定程度上受建筑扬尘影响。

SO2是硫酸盐气溶胶的前提物,是雾霾的重要组成部分,除对雾霾有影响之外,大气硫循环还可导致气候变化、辐射平衡的破坏以及酸雨等恶劣污染的发生。由图1可知,SO2浓度一年中呈两头高、中间低的变化趋势,2015~2017年间SO2的污染尚不严重,SO2日均值变化范围为2.2~61.6ug/m3,最高值出现在2017年1月21日,其浓度为61.6肚g/m3,未超过国家二级标准限值150 ug/m3,2015~2017年一级标准超标率分别为0.82%、0.27%及0.55%,未有超过二级标准情况。三年年均值为(15.6±9.3)ug/m3,2015~2017年年均浓度分别为20.8±7.3ug/m3、14.7士9.5ug/m3及11.1±8.2ug/m3,总体水平呈现下降趋势。大气中S02的主要是来自于人类活动,包括由煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧和生产工艺过程中使用含硫原料所产生,数据显示,博乐市规上工业企业增加值呈增长趋势,由2015年8.84亿元增长到2017年的14.24亿元,增长率为61%,但博乐市S02浓度呈下降趋势,表明近年来博乐市SO2治理取得了一定成效,其中,燃煤污染控制,如电厂超低排放、燃煤锅炉清洁能源替代等减排工作发挥了重要作用。

在大气污染中作为污染物的NOx常指NO与NO2,NO2能发生一系列光化学连锁反应,生成O3与光化学烟雾,会对人体的中枢神经产生极大的危害,能影响大气中O2和羟基自由基OH·的浓度,进而影响大气氧化性。NO2是由供燃烧的空气中的氮在高温状态与燃烧空气中的氧发生化合反应而生成的。2015~2017年期间,N02日均浓度变化范围为4.1~60.6ug/m3,最高值和最低值分别出现在2015年12月17日和2017年9月24日。三年浓度均值为(17.8±9.13)肚g/m3,2015~2017年质量浓度分别为(15.8±10.91)、(18.2±7.91)、(19.5±8.23)ug/m3,三年中未有超过国家标准现象,但NO2浓度呈现上升趋势。NO2/SO2比值可以用来衡量大气污染的类型属于煤烟型还是机动车尾气型,2015~2017年期间,博乐市NO2/SO2比值逐年上升,其中2017年比值1.76,较2015年增长了132%(图3),表明机动车尾气等流动源对NO2浓度的贡献大幅增长,应当引起足够的重视。研究发现,颗粒物浓度与SO2和NO2浓度呈高度正相关,因此,开展SO2和NO2的协同治理,对博乐市大气环境的整体改善有重要作用。

3.2污染物时间分布

3.2.1季节变化特征

博乐市大气污染物浓度存在季节差异,不同年份之间一定时期内的天气状况往往有所差异。对比不同年份不同季节污染物浓度具有重要的意义。由图4可知,博乐市不同季节污染物变化显著。

2015~2017春季SO2浓度下降明显,PM2.5、PM10、浓度无明显变化规律,NO2出现上升趋势。夏季以及秋季除sO2浓度下降明显,其余各污染物浓度变化不明显。冬季除了SO2,其他污染物浓度同样变化不明显,说明博乐市冬季污染水平较稳定。PM2.5冬季最高,为53.4 ug/m3,夏季最低,为16.3Ug/m3。然而玉散·吐拉普等人研究发现新疆和田等城市PM2.5质量浓度冬季最低、春季最高,与本研究结果不一致。分析可能由于博乐地处阿拉套山和岗吉格山间谷地,山谷城市大气污染物浓度的变化受气候影响较大,冬季风速低,逆温层较厚,不利于大气对流,颗粒物扩散效果差,加之降水量小,使得颗粒物浓度在冬季最高,且这类山谷城市一般环境容量小于平原城市。这体现出颗粒物污染不仅受山谷内的大气逆温层强度、水平风速等季节气候影响,还与研究区地理区域密切相关。

PM10冬季最高,为94.7ug/m3,夏季最低,为43.48ug/m3。在2015年中呈现双峰趋势,冬季出现第一个峰值(196.0ug/m3)。PM10浓度主要与冬季化石燃料的燃烧有关,还受到边界层热力结构抑制污染物的垂直输送,抑制污染气体的对流扩散影响,而且还受到降水量少、湿沉降减少有关。春季天气形势不稳定,颗粒物容易富集,出现了第二个峰值(225.43ug/m3)。PM2.5、PM10浓度季节分布表现为冬季>秋季>春季>夏季,PM2.5浓度贡献率分别为44.1%、22.8%、19.6%、13.5%;PM10浓度贡献率分别为35.1%、26.1%、22.7%、16.1%。颗粒物浓度与温度呈现负相关性,与相对湿度呈现明显的正相关性,使得颗粒物夏季时浓度最低。

SO2浓度呈现两头高、中间低的双峰型特征,2015~2017年间各季节均呈下降趋势;S02在冬、秋、春和夏季的贡献率分别为37.1%、26.1%、20.3%、16.5%;NOz浓度3年内表现出秋冬季高(74.8ug/m3),春夏季低(41.5vg/m3)的特征;季节平均浓度分布呈冬季>秋季>春季>夏季,贡献率分别为33.3%、30.1%、19.4%、17.2%。

3.2.2月变化特征

运用SPSS 17.0软件对不同月份各污染物均值差异进行单因素方差分析(One-way ANOVA),采用LSD方差检验法进行多重比较,对两变量间进行Pear-son检验(P<0.05)。方差分析表明,各月污染物浓度差异极显著(图5)。博乐冬季大气混合层最低,大气过于稳定,大气垂向平均稀释能力最差,大气颗粒物的扩散差,使得博乐PM2.5质量浓度于1月达到最高(62.4ug/m3);夏季混合层最高,6月PM2.5质量浓度最低(15.2ug/m3)。PM10浓度2月最高(105.6ug/m3),6月最低(39.74ug/m3)。

随着10月中旬采暖期开始,从11月开始S02浓度开始显著升高,11月(21.22ug/m3)、12月(21.45ug/m3)、1月(27.0ug/m3)和2月(23.0ug/m3)浓度均较高。而NO2浓度从9月份就开始升高。研究期间,SO2质量浓度均未超过国家二级标准,在6月份呈现最低浓度(8.94Ug/m3)。SO2的主要来源是燃烧排放和工业生产,采暖燃煤产生的排放使得冬季的S02浓度较非取暖期明显高。NOz浓度表现为12月最高(77.85ug/m3),6月最低(39.74ug/m3),除了采暖期浓度较高外,其他月份差异不明显。

3.3首要污染物确定及污染物变化趋势分析

近年来,雾霾天气对投资环境与居民健康的影响越来越受到政府和公众的关注,PM2.5等大气细颗粒物已逐渐成为中国大部分城市的首要污染物。研究城市空气污染物的变化规律,影响因素及污染机制已经成为空气研究的焦点。2015~2018博乐市大气中PM2.5、PM10、SO2、NO2的负荷系数见表2。细颗粒物负荷系数历年最高,大气污染以细颗粒物为主,主要污染物负荷系数排序为PM2.5>PM10>sO2>NO2,是典型的复合型污染特征。这与在新疆乌鲁木齐地区的研究结果相似。

采用Daniel趋势检验法对2015~2018年博乐市大气污染变化趋势进行定量分析。当检验数n=4、显著性水平为0.05时,rs的临界值Wp=1。与计算所得的rs值(结果如表3、表4)相比,4项污染物的r。值均小于临界值(Wp=1),表明4项污染物均无显著趋势,说明4种污染物在4年间污染状况较平稳。SO2污染负荷系数表现为逐年下降趋势(表2),NO2污染负荷系数较稳定,而可吸入颗粒物呈现上升趋势,这与4项污染物年际变化趋势(图1)规律基本吻合,表明可吸入颗粒物和NOz污染防治是当前博乐市大气污染治理亟待解决的问题。

4结论

(1)博乐市各大气污染物浓度均呈现双峰型,变化幅度较明显。2015~2017年间,PM2.5、PM10、SO2和NOz年平均质量浓度分别为(29.63土19.7)、(66.9±36.8)、(15.6±9.3)、(17.8±9.13)ug/m3。在此期间,SO2和NO2浓度未超出国家环境质量标准,而可吸人颗粒物和细颗粒物浓度均有不同程度超出国家标准。

(2)分析污染特征值PM2.5/PM10及NO2/sO2比值,发现博乐扬尘等粗粒子来源对PMl。的贡献高于机动车等细颗粒来源,PM10浓度的上升一定程度上受建筑扬尘影响;NO2/SO2比值逐年上升,表明博乐市机动车尾气等流动源对NO2浓度的贡献大幅增长,应当引起足够的重视。

(3)4种大气污染物浓度季节变化明显,均呈冬季>秋季>春季>夏季的趋势。冬季受燃煤取暖、特殊地形逆温的影响,博乐市空气污染更为严重,尤其是PM10(94.7ug/m3)和PM2.5(53.4ug/m3)污染程度較为明显。

(4)4种大气污染物浓度月变化明显,其中PM2.。浓度1月达到最高(62.4 ug/m3),6月质量浓度最低(15.2 ug/m3),污染贡献率分别为17.6%和3.6%;PMlo浓度以2月份最高,为105.6ug/m3,6月份最低,39.74ug/m3;SO2浓度以1月最高(27.0ug/m3),6月最低(8.94ug/m3),污染贡献率分别为12.7%和6.2%,NO2浓度以12月最高(77.85ug/m3),6月最低(39.74 ug/m3),污染贡献率分别为12.7%和6.2%。

(5)2015~2017年间,博乐市大气中NO,和PM10呈上升趋势,即为首要污染物;PM2.5和SO2呈现下降趋势,其中变化趋势均不显著。污染负荷系数排序为PM2.5>PM10>SO2>NO2。