石家莊市2005-2012年環境空氣質量變化及影響因素分析

陸雅靜，王 輝，鮑曉磊，趙樹慈，張煥坤，趙衛鳳

（1.河北省環境科學研究院，河北石家莊 050037；2.河北正奇環境科技有限公司，河北石家莊 050037；3.河北省環境監測中心站，河北石家莊 050037）

隨著工業迅猛發展和城市化進程的加快，城市人口不斷增長和聚集，能源和物質消費激增，人為排放的污染物明顯增多，以城市為中心的復合污染問題日益嚴重。有研究表明，隨著工業發展和能源利用的增長，城市空氣污染水平迅速升高［1］，2012年，石家莊市城鎮常住人口比2005年增加346%，城鎮化率比2005年提高10.7%，生產總值比2005年增加95%，能源消費總量比2005年增加40%，煤炭消費總量比2005年增加36%，給石家莊市環境質量和生態狀況帶來了較大的壓力。

城市空氣污染問題日益成為可持續發展研究的重點和熱點問題，不同學者研究城市空氣污染物的變化規律及大氣復合污染特征，以及大氣污染的來源和成因等［2-6］，對制訂城市大氣污染防治對策提供理論依據及技術支撐。本研究依據2005-2012年期間石家莊市的環境空氣質量監測資料，采用空氣綜合污染指數、污染物負荷系數、空氣污染指數（API）、Daniel趨勢檢驗等評價和分析方法，對近年來石家莊市的空氣質量變化趨勢及影響因素進行分析與研究，為石家莊市大氣污染防治工作提供決策依據。

1 研究方法

1.1 數據來源

本文采用2005—2012年石家莊市環境空氣質量長期定點監測數據為研究對象，對SO2，NO2，PM10等污染物濃度的均值及超標天數等主要項目進行年際和年內污染分析，文中所用數據來自2005—2012年的石家莊市環境狀況公報、河北省環境狀況公報。

1.2 評價標準

SO2，NO2和PM10采用《環境空氣質量標準》（GB 3095—1996）中的二級標準，日均限值（質量濃度，下同）分別為0.15，0.12，0.15mg／m3，年均限值分別為0.06，0.08，0.10mg／m3。

1.3 評價方法

空氣污染的月季變化特征用空氣污染指數（API）來評價，API是將常規監測的幾種空氣污染物的濃度簡化成為單一的概念性數值形式，并分級表征空氣質量狀況與空氣污染的程度。采用文獻［7］中的方法對API進行計算和分級。

環境空氣質量綜合評價采用綜合污染指數法，用空氣綜合污染指數反映空氣污染的年際變化特征，用污染負荷系數表征主要污染物對環境空氣整體污染水平的貢獻率。

綜合污染指數計算公式：

各污染物污染分指數計算公式：

污染負荷系數計算公式：

式中：P為綜合污染指數；Pi為第i項污染物的污染分指數；Fi為第i項污染物的污染負荷系數；n為污染物項數；Ci為第i項污染物質量濃度的年均值，mg／m3；Si為第i項空氣污染物的環境質量標準限值，mg／m3。

采用Daniel趨勢檢驗法（又名Spearman秩相關系數法）分析石家莊市空氣污染物的變化趨勢及統計學顯著性特征，其計算公式見式（4）［8］：

式中：rs為秩相關系數；n為時間周期數；xi為年均值從小到大排列的序數；yi為年先后排列序數。

rs值的正負分布表示污染的增長和下降，其絕對值的大小表示變化的強度。將秩相關系數rs的絕對值與Spearman秩相關系數統計表中的臨界值Wp（當顯著性水平為0.05，n＝6時，Wp＝0.829）進行比較，如果｜rs｜≥Wp，則表明變化趨勢有顯著意義。

2 結果與討論

2.1 空氣污染特征

2005—2012年石家莊市SO2，NO2和PM10的監測結果顯示（見表1），SO2和NO2年均質量濃度均不超標。SO2年均質量濃度2006年較2005年有所降低，2006—2010年間逐年升高，之后先降低后升高，2012年達到最大值（0.057mg／m3）；NO2年均質量濃度先降低后升高，2010年后穩定在0.040～0.041mg／m3；PM10年均質量濃度在2006年達到最高值0.137mg／m3，之后逐年降低，2010年后穩定在0.097～0.099mg／m3，其中2005—2009年的年均值超標。

表1 2005—2012年SO2，NO2和PM10監測結果Tab.1 Monitoring results of SO2，NO2and PM10from 2005to 2012

SO2超標率先降低后升高，2012年達到最大值6.9%；2008年以后開始出現NO2超標現象，超標率未超過4%；PM10超標率在2006年達到最大值31.3%，之后超標率逐年降低，但至2012年超標率仍高達15%以上，說明石家莊市塵污染呈逐年降低的趨勢，但仍處在較高的水平。

PM10的污染負荷系數最高，均超過0.40；2006—2008年PM10污染負荷系數均在0.50以上，2009年后有所降低，2010—2012年穩定在0.40～0.42。SO2污染負荷系數先降低后升高，2010年以來SO2污染有加劇趨勢，2012年污染負荷系數達到0.39，接近PM10。NO2污染負荷系數變化不大，基本穩定在0.20左右。影響石家莊市空氣質量的污染物依次為可吸入顆粒物、二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2），呈現塵污染和煤煙型污染特征。

2005—2012年石家莊市達到國家二級標準天數的統計結果顯示（見表2），空氣質量達標天數逐年增加，2009年開始達標天數占全年85%以上。

表2 2005—2012年達標天數及占全年比例Tab.2 Standard days and their proportions from 2005to 2012

2005—2012年石家莊市SO2，NO2和PM10月均質量濃度變化見圖1。如圖1所示，SO2和NO2月均質量濃度均呈現3—10月（非采暖期）小于1—2月、11—12月（采暖期）的趨勢，SO2尤為明顯；PM10總體呈非采暖期小于采暖期的趨勢，非采暖期中，3—5月出現一個小高峰，主要是由于石家莊市春季氣候干旱，受沙塵天氣影響所致。有研究表明，采暖期間石家莊市大氣浮塵以煤煙塵為主，其次為風沙塵和建筑揚塵；非采暖期則以風沙塵和建筑揚塵為主［9］。

圖1 2005—2012年石家莊市SO2，NO2和PM10月均質量濃度變化曲線Fig.1 Monthly averaged values′changing trends of SO2，NO2 and PM10from 2005to 2012in Shijiazhuang City

石家莊市月均API變化如圖2所示，可以看出，API月均值呈夏、秋季＜春季＜冬季的趨勢。石家莊市冬季采暖，燃煤量較其他季節有較大增加；加之冬季靜風和小風頻率高（達到33.06%）、穩定性層結幾率高（達60%以上）以及降水少等氣象因素的影響，造成冬季污染明顯重于其他季節［9］。API月均變化曲線與PM10月際變化一致，說明石家莊市首要污染物是PM10，大氣污染以塵污染為主。

圖2 2005—2012年石家莊市月均API變化曲線Fig.2 Changing trends of the monthly averaged API from 2005to 2012in Shijiazhuang City

2.2 空氣污染變化趨勢

采用Daniel趨勢檢驗法分析2005—2012年石家莊空氣污染物及空氣綜合污染指數的年際變化趨勢，見圖3和表3。SO2和NO2呈先下降后上升的趨勢，秩相關系數分別為0.595和0.333，均表現為不顯著上升；PM10呈現顯著下降趨勢，秩相關系數為-0.952。空氣綜合污染指數呈先下降后略有升高的趨勢，秩相關系數為-0.571，表現為不顯著下降。

圖3 2005—2012年空氣污染物及空氣綜合污染指數年際變化趨勢Fig.3 Inter-annual changing trends of the air pollutants and air pollutant integrated index from 2005to 2012

通過ρ（NO2）／ρ（SO2）值及其變化趨勢來進一步研究判斷空氣污染特征。空氣污染表現出煤煙型污染特征時，ρ（NO2）／ρ（SO2）值會比汽車尾氣型污染低，北京、上海等大城市的ρ（NO2）／ρ（SO2）值已普遍超過2。石家莊市2005—2012年ρ（NO2）／ρ（SO2）值的年際變化趨勢見圖4。由圖可知，石家莊市的ρ（NO2）／ρ（SO2）值在0.7～0.9之間，年際變化趨勢不明顯，表明石家莊市空氣污染特征仍以煤煙型污染為主，這與石家莊市的能源結構有關，能源消耗仍是以煤炭為主的粗放式消費［10-11］。

表3 石家莊市2005-2012年主要污染物Daniel趨勢分析結果Tab.3 Daniel trend test analysis results of main air pollutants from 2005-2012in Shijiazhuang City

圖4 2005—2012年ρ（NO2）／ρ（SO2）值的年際變化趨勢Fig.4 Inter-annual changing trends ofρ（NO2）／ρ（SO2）from 2005to 2012

3 環境空氣質量影響因素分析

3.1 能源結構和產業結構變化

能源結構和產業結構的調整是改善環境質量的重要途徑。石家莊市經濟增長的顯著特征是高能耗、高投入、低效益，經濟結構趨向重工業化，第二產業發展速度高于其他產業。從規模以上工業企業能源消費分布來看，電力、化學原料、鋼鐵、建材、石化、醫藥、煤炭、紡織等8個行業能源消費量占工業能源總消費量的80%以上［10］，經濟發展對能源尤其是煤炭有很強的依賴性。以燃煤為主導的能源消費結構和較低的煤炭利用效率，導致石家莊市的環境污染日趨嚴重。

“十一五”期間，石家莊市加快推進電力、輸變電、原油加工及輸油管道、天然氣輸氣管道等重大項目建設，積極推廣利用新能源和可再生能源，發展集中供熱等，促進能源結構調整［12］；對冶金、電力、建材、化工、煤炭、石化等六大高耗能行業全力實施節能降耗工程，積極淘汰鋼鐵、水泥、電力、焦化等高污染行業落后產能和設備［13］；加快發展第三產業，大力發展新能源、節能環保、電子信息、生物產業和新材料等新興產業。2010年全市第一、二、三產業結構的比例由2005年的13.9∶48.4∶37.7轉變為9.8∶49.7∶40.5。

以上產業能源結構、產業結構調整及節能降耗工作取得了一定的成效，2012年石家莊市生產總值比2005年增加95%，而能源消費總量僅比2005年增加了40%，其中煤炭消費總量比2005年增加了36%。萬元GDP平均能耗為1.134t（以標煤計，下同），比2005年下降了23.1%，但仍遠高于全國平均水平（萬元GDP平均能耗0.697t）。

3.2 污染源綜合整治

石家莊市大氣中污染物主要來自燃煤產生的煙塵、工業廢氣和機動車尾氣，其中工業污染源排放量最大、種類多、污染危害嚴重。據統計，石家莊市SO2排放量大的主要行業有電力和熱力、石油化工、水泥建材、鋼鐵焦化等；NOx排放量大的主要行業有電力和熱力、水泥建材、石油化工和鋼鐵焦化以及機動車尾氣等；煙（粉）塵排放量大的主要行業有水泥建材、鋼鐵焦化、石油化工、電力和熱力等。此外，工地和道路交通揚塵污染，煤場、露天礦山、采砂場、水泥攪拌站等揚塵污染，以及農村日常生活及冬季采暖的原煤散燒等排放的污染物也不容小覷。

“十一五”及河北省“三年大變樣”以來，石家莊市淘汰全部小火電、小水泥、小造紙、小煉焦、小煉鐵等落后產能［13］；深化石鋼等重點大氣污染企業的治理［13］；對火電行業實施全面脫硫，至2010年底，河北省電廠脫硫裝機容量占火電總裝機容量的99.8%；拆除全部石環公路以內具備供熱條件的燃煤采暖鍋爐，不具備供熱條件的燃煤采暖和工業鍋爐全部完成治理并實現達標排放［14］；開展集中整治揚塵污染專項行動、SO2與煙（粉）塵治理、建材行業治理等項工作，對減輕石家莊市空氣污染、改善環境空氣質量起到重要的作用［14］。

石家莊市PM10顯著降低，說明石家莊市的煙（粉）塵治理工作取得了一定的成效。SO2雖呈現不顯著上升趨勢，但相比煤炭消費總量增長了36%，2012年SO2年均濃度僅比2005年增長了5.6%。NO2呈現不顯著上升的趨勢，一方面是由于近兩年才開始加強氮氧化物的控制力度；另一方面，隨著石家莊市機動車保有量的快速增加，空氣中的NO2濃度也有持續增加的趨勢。

3.3 其他

顆粒物是目前石家莊市的首要污染物，且PM10和PM2.5濃度高，其來源和形成機制復雜，存在二次污染，且除人為污染源外，外來型自然沙塵源的影響也很大。根據石家莊市污染物濃度月均值變化曲線可知，PM10質量濃度在3—5月出現一個小高峰，就是由于沙塵等自然因素的年際變化引起的。例如2005-04-27和2005-04-28這兩天，石家莊市出現了一次強沙塵天氣，各監測點的PM10質量濃度值達到了1.0mg／m3，是由河北省上游的蒙古國以及中國內蒙古區域等外來源和本地源綜合作用的結果［15］。因此對大氣污染的控制還應考慮自然因素的影響。

除石家莊市自身產生的污染物外，隨著城市的發展，不僅周邊郊縣的污染物在熱島環流作用下向城市中心區域匯聚，遠距離污染源在特定的天氣條件下也向石家莊市區輸送。2002年10月國慶長假之后，石家莊市出現了嚴重的煙霧污染事件，市區環境質量連續4天達到中度、重度污染。其原因是河北省南部縣市燃燒秸桿產生大量的煙霧，隨偏南風向石家莊市區輸送造成的。大氣污染的高開放性、高流動性決定了區域聯動治理的重要性，治理大氣污染，石家莊市還應與周邊地區建立有效的聯防聯控機制。

4 結 論

1）2005—2012年，石家莊市首要污染物是PM10，其次是SO2，呈現塵污染和煤煙型污染特征。SO2和NO2呈不顯著上升趨勢，PM10呈現顯著下降趨勢，空氣綜合污染指數表現為不顯著下降。

2）SO2，NO2，PM10月均值總體呈非采暖期小于采暖期的趨勢，PM10在非采暖期3—5月份出現一個小高峰，是受沙塵天氣影響，由本地源和外來源共同作用所致。

3）API月均值呈夏、秋季＜春季＜冬季的趨勢，與PM10月際變化一致，說明石家莊市大氣污染以塵污染為主，應加強對其來源、形成機理、控制對策的研究。

4）能源結構變化、產業結構變化、污染源綜合整治對減輕環境空氣污染起到一定的作用。在經濟高速增長、能源消費不斷增加的情況下，研究制訂基于能源結構、產業結構調整，多種污染物協同控制的區域城市污染協同優化控制方案，對石家莊市空氣質量持續改善具有重大意義。

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