2003—2011年太原市大氣環境質量評價及污染特征分析

魏民秀，趙先貴

(陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

太原市作為我國的能源重化工基地，大氣污染比較嚴重.據2009年環境監測數據顯示：2009年PM10、SO2、NO2空氣污染負荷所占比例分別為41.09%、8.45%、10.85%[1]，與現行國家環境空氣質量二級標準(GB3095—1996環境空氣質量標準)相比，除NO2達到一級標準之外，PM10和SO2均超過現行國家環境空氣質量二級標準，這種大氣質量已直接危害到市民的身心健康[2].段永蕙等[3]采用上海大氣質量指數法，對太原市1996—2000年的大氣環境質量進行評價.2001年，趙寶新等[4]對太原市空氣污染物對人群健康危害進行了研究，雖已有不少學者通過實際監測數據對太原市空氣質量進行了研究.但大多限于太原市某一個或幾個區，且監測年份較短，沒有真正反映整個市區在持續穩定時間段內的空氣質量[5].本文以整個市區，2003—2011近10年的監測數據為依據，采用API指數法來評價空氣質量狀況，并采用Spearman秩相關系數法對市區未來的空氣質量進行預測.了解太原市空氣質量現狀，不僅可以為大氣環境質量監管工作提供理論依據，而且能喚起人們的環保意識，防止太原市大氣環境質量繼續惡化.

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 大氣污染物負荷法

運用大氣污染物負荷法，首先計算出各污染物的分指數，然后根據各污染物的分指數計算出污染物的負荷系數.

計算公式為：

(1)

.

(2)

式中Fi為某污染物負荷系數；n為大氣污染物的項目數；Pi為某污染物的分指數；Ci為某污染物的年均值濃度；Si為某污染物的標準濃度.

1.1.2 API指數法

方法原理：該方法是先根據各污染物的監測濃度值計算各污染物的分指數，分指數最大的污染物為

首要污染物，最大的分指數即為空氣污染指數(API).污染物的分指數Ix由實測濃度值按照分段線性方程計算.

計算公式為：

(3)

式中Ix為污染物x的污染分指數；Cx為污染物x的監測濃度值；Ixj為第j轉折點的污染分項指數；Ix,j+1為第j+1轉折點的污染分項指數值；Cx,j為第j轉折點的污染物的(對應于Ix,j)濃度限值；Cx,j+1為第j+1轉折點的污染物的(對應于Ix,j+1)濃度限值.

3種污染物的污染分指數都計算出來以后，取最大者為該區域或城市的空氣污染指數API，則該項污染物即為該區域或城市空氣中的首要污染物 API =max(I1,I2,Ix,…,In).該法簡潔、綜合、直觀，目前是我國城市環境空氣質量評價中采用的最主要方法.

1.1.3 Spearman秩相關系數法

對3項主要污染物的濃度值進行Spearman秩相關系數分析，并對太原市大氣主要污染物污染指數變化趨勢進行定量分析，來預測未來市區大氣質量變化趨勢，采用Spss16.0輸出結果.取置信度為95%、W0.05=0.90為參照標準，3項主要污染物的分析結果見表3.將相關系數Rs的絕對值同Spearman秩相關系數統計表中的Wp進行比較，如果Rs>Wp則表明變化趨勢有顯著意義；如果Rs是正值表明變化為上升趨勢，反之Rs為負值是下降趨勢.

1.2 數據來源

本文研究的基礎數據來源于2003—2011年太原市環境監測中心站.現行國家環境空氣質量二級標準(GB3095—1996環境空氣質量標準)中常規監測項目有SO2、PM10、NO2、CO、降塵和硫酸鹽化速率，根據我國空氣污染特點和污染防治工作重點，目前計入空氣污染指數的污染物項目暫定為：二氧化硫、氮氧化物和總懸浮顆粒物.所以本文實際分析中選取了SO2、PM10、NO2作為大氣環境質量評價因子.

2 結果與分析

2.1 市區污染物負荷分析

2003—2011年，太原市主要污染物指數呈波動下降趨勢(圖1).SO2污染指數從2003年的1.65下降到2011年的1.07，下降幅度為35.2%;NO2污染指數呈小幅下降趨勢，由0.62下降到0.46；PM10由0.86下降到0.42，降幅為51.2%，太原市大氣中的顆粒物明顯減少.由圖1可知：在所評價的33項污染物中，PM10的污染負荷總體呈明顯下降趨勢，由2004年的32%下降到2011年的22%，是三項污染物中污染負荷唯一下降的指標；SO2污染負荷遠遠高于其它2項，質量濃度始終大于0.5mg/m3，且呈穩步上升趨勢，由53%上升到61%，預計即將成為太原市的首要污染物；NO2污染負荷在三項污染物中所占比例最小，且污染負荷值呈波動下降趨勢.表1中PM10的污染指數以51.2%的幅度減少，與此同時圖1中PM10的污染負荷也呈下降趨勢，而SO2呈明顯上升趨勢，由此可見在未來幾年太原市的首要污染物將從PM10向SO2過渡.

表1 2003—2011太原市污染負荷系數

2.2 市區大氣質量評價

空氣污染指數(API)是一種反映和評價大氣質量的方法，利用此方法本文將常規監測的3種空氣污染物的濃度簡化成單一的概念性數值形式、并分級表征太原市空氣質量狀況與空氣污染的程度(表2).由表可知：從2003—2012年，PM10一直作為太原市的首要污染物，這符合太原市作為能源重化工基地的污染特征，與前人研究結果一致[6].其次2003、2004年API指數較大，空氣質量為Ⅲ(輕度污染)，接觸一段時間后，易感人群癥狀有輕度加劇，健康人群出現刺激癥狀，應減少體力消耗和戶外活動，2005年以后空氣質量持續為Ⅱ(良好)，符合居住區、文化區、商業交通居民混合區的天氣質量要求，市民可以正常活動[2].

由秩相關系數統計檢驗表(表3)可知：2003—2011年，PM10呈顯著下降趨勢，SO2不顯著下降，而NO2呈不顯著上升趨勢，總體表明在此期間太原市大氣環境質量保持基本穩定并有所好轉.

表2 2003—2011年太原市大氣污染物的年平均質量濃度 mg/m3

表3 2003—2011年太原市大氣環境質量變化趨勢 mg/m3

3 討論

3.1 太原市大氣環境質量成因分析

1) 能源結構不合理，煤炭比例過高.太原市作為全國的重化工業基地，煤炭消耗量居全國省會城市之首.主要能源有煤炭、電力、煤氣、液化氣、汽柴油等，其中煤炭消費比例占75%～80%，成為太原市最主要的能源；其次是電力，消費比例為12%～16%，且是以火電為主.這就表明，以煤炭為主的一次能源消費量占太原市整個能源消費結構的一半以上，這樣的能源消費結構是不合理的，這也是使太原市成為典型污染城市的重要原因.據統計，全市PM10和SO2大部分來自于煤炭的直接燃燒，尤其是冬季采暖期，采暖設備比較分散，多為大型鍋爐，污染十分嚴重.

2) 產業結構不合理，工業治理水平不高.太原市作為全國的能源重化工基地，高投入、高消耗、高污染和低效益曾是太原市傳統經濟的突出特征.高新技術比重低，企業自主創新能力和科研水平差，產品附加值低，單位GDP所耗資源高.2011年太原市3大產業比例分別為1.6∶45.6∶52.8，三大產值對經濟增長的貢獻率分別為0.5%，52.5%、47%.這種現狀與“三、二、一”的產業結構不相符，不利于太原市經濟的持續發展.

此外，太原市工業廢物的治理水平也不高，不能長期穩定達標.據2011年太原市污染源普查，全市工業廢氣治理設施 1 200 套，其中脫硫設施僅150套；有的企業有脫硫設施，但SO2處理效率較低，全市工業SO2平均處理率為49%，不能長期穩定達標，超標的污染物長期排放，導致市區大氣環境不能達到國家二級標準.氮氧化物根本不做任何處理，就直接排放.雖然目前符合國家空氣質量二級標準，但如果不使用脫氮設施，進行污染物處理，氮氧化物的持續增加將加重空氣污染.

3) 城市機動車增長迅速，尾氣污染日益嚴重.隨著我省經濟快速發展，人均收入不斷提高，太原市機動車保有量迅速增加.自2001年以來，太原市機動車以平均20%以上的速度遞增，由2001年的28.52萬輛增至2012年9月底的82萬輛，與此同時，太原市平均每天新增約350輛汽車.相比之下，太原市公交系統發展不完善，交通結構不合理，道路面積增長緩慢，最主要的是，高架橋與地下通道稀少，行人大量的涌現在路上，導致城市交通擁堵，這樣不僅浪費了資源，而且加重了大氣污染.根據污染源普查數據，2009年全市機動車排放到大氣中的污染物為25萬t，其中，氮氧化物2.8萬t，總顆粒物0.23萬t.機動車尾氣排放已經成為太原市空氣的又一重要污染源，將給城市帶來新的污染.

4) 城市基礎設施落后，生態環境脆弱.交通擁堵，車速下降以及車況差，車輛技術性能低等使太原市處在世界十大空氣污染最嚴重的城市之中.

5) 特殊地理條件使污染加重.太原市東、北、西三面環山，中南部為汾河沖積平原，整個地勢北高南低，為封閉的盆地地形，使市區污染物難以擴散，空氣自凈能力較低.太原市地處黃土高原，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，而且遠離東南沿海，受暖濕氣流影響小，降水比較少，所以水對污染物的凈化作用小.市區平均風速為3.5 m/s，冬夏季逆溫日數每月20天，逆溫層厚度冬季為490 m,夏季為247 m,逆溫強度為0.9 ℃/100 m，加上城市“熱島效應”的影響，出現空氣強污染過程，會使污染物濃度大幅度升高.因此.地理環境是影響空氣質量的重要因素.

3.2 防治對策

1) 改變能源結構,提高能源利用率.以煤炭為主的一次能源消費占太原市能源消費結果的一半以上，為改變這種能源結構，就要大力推廣使用清潔能源，使用清潔生產工藝, 減少污染物排放; 強化節能減排, 提高城市氣化率, 實行熱電聯產, 發展集中供熱, 提高能源利用率.

2) 調整產業結構, 發展集約經濟,嚴格科學管理.針對太原市三大產業比例嚴重不合理，給出以下對策：調整和鞏固第一產業的基礎地位，以市場需求為導向，以農業增產增效、農民增收為目標，大力發展特色農業，生態農業，建設一批規模型優質農產品基地；第二產業要以支柱產業群為龍頭，以技術進步和提高技術能級、集聚度為動力，實現規模、質量、效益同步推進；第三產業要著力提高比重，提升層次，增強輻射能力，同時要積極引導, 統籌安排, 合理布局, 避免重復建設.

3) 完善城市公交系統，提倡使用公交車，嚴格控制機動車尾氣排放.加大機動車尾氣治理力度, 加強對在用車輛的檢測, 對檢測不合格的要按照規定安裝尾氣凈化器.同時，合理規劃城市道路，并做好城市綠化工作, 強化裸地的綠化管理.植物有過濾各種有毒有害大氣污染物和凈化空氣的功能,可以降低粉塵量.

4 結語

1) 市區大氣環境質量明顯改善：2003—2011年來，太原市空氣質量以Ⅱ良好為主，一年中空氣質量為Ⅱ良好天數占78%.由Spearman秩相關系數法計算可知:NO2污染呈波動下降趨勢，NO2的污染負荷在三項污染物中所占比例最小，但9年來年均值為0.023 mg/m3，遠遠低于國家規定環境空氣質量一級標準(0.04 mg/m3)，且總體上呈波動下降趨勢，未對太原市大氣質量產生污染.所以過去9年、以及未來幾年太原市區空氣質量正在逐漸變好.

2) 市區首要污染物正由PM10向SO2過渡：根據API指數法計算發現，9年來PM10一直是太原市的首要污染物；但圖1顯示，SO2的負荷值在0.5以上，污染分擔率居首位達49%，明顯高于其他2項.與此同時PM10的秩相關系數呈大幅度顯著下降趨勢，而SO2下降趨勢不顯著.所以可以預測未來SO2將取代PM10作為太原市的首要污染物.通過以上2種綜合評價結果可知：太原市首要污染物正從PM10向SO2過渡.

3) 太原市大氣污染呈現煤煙與機動車尾氣復合污染：對市區成因分析表明, 由燃煤引起的SO2與煙塵、粉塵及地面揚塵污染形成了長期以來影響太原市空氣質量的主導因素, 并且隨著機動車輛的迅速增加, 機動車燃料燃燒造成的尾氣污染亦不可忽視.傳統的煤煙型污染仍未得到有效控制的同時, 在機動車保有量繼續增長和電力、鋼鐵、石化等行業污染物的共同排放作用下, 傳統煤煙型大氣污染已逐步向煤煙型與機動車尾氣污染共存的大氣復合污染轉變, 呈現區域性大氣復合污染特征.

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