2017～2020年采暖期沈阳市空气质量变化研究

2021-06-23甘国渝周建利李继福

绿色科技 2021年10期

张旭，甘国渝，周建利，李继福

(湿地生态与农业利用教育部工程研究中心/长江大学农学院，湖北荆州 430025)

1 引言

近年来随着东北老工业基地振兴等一系列举措，东北经济稳定发展。沈阳是老工业城市肩负振兴重任的典例，同时也是排污压力较大的城市之一。面临城市扩容发展与供暖排污的双重难题，辽宁省于2018年出台《辽宁省打赢蓝天保卫战三年行动方案(2018—2020年)》[1]，计划到2020年全省SO2、NXOX和VOCS排放量分别比2015年下降20%、20%和10%，重点指标PM2.5浓度下降到40 μg/m3。2016年沈阳市就已提出《沈阳市2016年煤炭消费总量控制方案》[2]，计划在2015年当量标准煤用量上削减100万t，淘汰10 t以下工业及第三产业燃煤锅炉。因此研究2017～2020供暖季沈阳市城区大气环境能够论证当前控污减排政策措施的合理性和有效性。

已有研究显示，气象条件如温度、湿度和风级等对污染物的形成及其扩散存在一定影响[3～5]。因而，有效评估冬季供暖期气象因子对沈阳市空气质量是否有干扰，是进行交通和社会生产因子影响空气质量的必要前提。如果当某时间段气象条件与污染物高度相关，那就表明污染物含量受大气条件影响较大。参照刘枫等[6]研究结果，即Pearson值0.8～1.0为极强相关性、0.6～0.8为强相关性、0.4～0.6为中相关性、0.2～0.4为弱相关性和0.0～0.2为极弱相关性。本文将对2019～2020年供暖企业生产运营情况与主要大气污染物浓度进行对比，结合近3年的空气质量数据，来评估交通和社会生产对沈阳市空气质量的影响，为冬季环境治理和保护提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 试验设计

本文研究的供暖排放段为2020年2月1日至2020年3月31日，共60 d。同时，收集2017～2020年期间3个供暖季(当年11月至次年3月)大气主要污染物指标，其中2017～2018年与2018～2019年供暖季设定为参照值。在数据方面，为保证数据对比的科学性和连续性，调查时间延长至当年4月份(非供暖季)，以此为基础对比2020年供暖期中2月和3月的供暖污染指标。选择沈阳市区内11个国控环境监测站进行数据采集，主要污染物检测指标包括细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)6项指标。

2.2 测定方法

PM2.5和PM10采用β射线吸收法(动态加热DHS)——光散射法(光浊度)；SO2检测采用脉冲紫外荧光法；NO2监测采用化学发光法、CO监测方法为气体滤波相关红外吸收法；O3检测采用紫外光度法。相关评估和分类依据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)、《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633-2012)和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663-2012)等进行[7,8]。

2.3 数据处理

试验数据用MS Excel 2019和SPSS 20计算处理和作图，LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性。

3 结果与讨论

3.1 气象因子对空气污染物形成与散布的影响

由图1结果可知，PM2.5与气温、湿度呈正相关关系，R2值分别为0.0548、0.3778，而与风级为负相关关系，R2值为0.4302。从数值可以看出PM2.5与气温呈极弱相关性，与湿度呈弱相关性，与风级成中相关性。PM10与气温、湿度呈正相关关系，R2值分别为0.2133、0.1010，而与风级为负相关关系，R2值为0.1568。从数值可以看出PM10与气温呈弱相关性，与湿度呈极弱相关性，与风级成极弱相关性。SO2与气温、湿度呈正相关关系，R值分别为0.0063、0.0686，而与风级为负相关关系，R2值为0.3883。从数值可以看出SO2与气温和湿度呈极弱相关性，与风级成弱相关性。CO与气温、湿度呈正相关关系，R2值分别为0.0632、0.4201，而与风级为负相关关系，R2值为0.4136。从数值显著性可以看出CO与气温呈弱相关性，与湿度呈中相关性，与风级成中相关性。NO2与气温和湿度呈正相关关系，R2值分别为0.1892、0.2027，与风级为负相关关系，R2值为0.5999。从数值可以看出NO2与气温呈极弱相关性，与湿度呈弱相关性，与风级成中相关性。

图1 气象因子与大气污染物相关性分析

3.2 2017～2020年供暖季期间空气质量指数变化

空气质量指数(Air Quality Index，简称AQI)是定量描述空气质量状况的指数，其数值越大说明空气污染状况越严重，对人体健康的危害也就越大[9]。由图2结果可知，2019～2020年度的11和12月份AQI与前两年均值没有显著性差异，而到2020年1月份后快速升至141，比前两年均值提高58.3%，这可能与春节期间人们集中居家燃放烟花爆竹有关。2020年2月份和3月份的AQI相比前两年则明显下降，降幅平均达到36.6%。

3.3 2017～2020年主要大气污染物浓度变化

图3为2017～2020年沈阳市供暖季6项主要污染物浓度变化结果。2019～2020年度供暖季空气中PM2.5、PM10、SO2、CO和NO2五项指标较前两年有明显的变化。与2017～2018和2018～2019正常年份相比，2020年供暖期间污染物含量明显下降。PM2.5(52 μg/m3、40 μg/m3)和PM10(75 μg/m3、73 μg/m3)较2019年分别下降26.8%、34.4%和26.5%、33.6%；SO2(18 μg/m3、16 μg/m3)较上年分别下降41.9%和36%；CO(0.969 mg/m3、0.7 mg/m3)较上年分别下降16.8%和26.9%；NO2(30 μg/m3、32 μg/m3)较上年分别下降28.6%和23.8%。相比而言，2020年1月份大气污染物较往年偏高可能与1月份春节期间沈阳市城区周边大量燃放烟花爆竹有关。2019年11月，沈阳市出台《沈阳市烟花爆竹安全管理规定》规定2020年3月1日起扩大城市禁放区范围。另外，随着沈阳地区进入4月份，受东南季风影响污染物具备足够的扩散条件，污染物指标基本处在正常水平[10]。

注：AQI数据来源于https://www.aqistudy.cn

自我国实施新的《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)以来，我国首次将O3列为监测指标。与其它污染物相比，O3属于典型的二次污染物，通过烟雾和光照二次形成[11]。O3的产生与城市石化产业、交通运输、锅炉燃烧等工业污染源密不可分。化学反应主要通过NOX和VOCS(易挥发有机物)反应生成。从沈阳市供暖季看(图3)，三个供暖季中O3生成幅度变化不大，O3污染生成量没有明显变化。在供暖季结束之后的4月份，O3含量与往季相比基本保持不变，这说明O3污染的主要来源不仅与生产排放有关，还与氮氧化物进一步化学形成有关。相关研究表明，O3质量浓度与日平均气温、日照时数和日蒸发量呈显著性正相关，与日平均风速、日降水量和日平均相对湿度呈显著性负相关[12]。因此，从结果来看，供暖季污染物排放与O3形成没有直接的相关性。

4 结论

2019～2020年供暖期，由于社会生产和交通运输受到极大限制，沈阳市大气环境质量比往年有明显改善。空气质量主要受地面污染物总排放量的调控，与气象因子无显著相关性。供暖企业污染物排放量占冬季大气环境污染物总排放量的60%～80%，且与供热面积正相关；而社会生产和交通运输对空气污染物总量的贡献占比20%～40%，集中供暖污染物排放仍是沈阳市冬季空气污染物的主要来源。因此，从供暖视角进行节能减排仍是提高冬季空气质量的重要措施和手段，如选用灰分少、污染物含量低的煤炭；加强供暖企业运营管理和人员培训，科学合理投放脱硫脱硝制剂，同时，加快老旧小锅炉的淘汰进度，加速低耗能、低排放供暖设备的市场投入量。