撫順市環境空氣質量與污染源相關性分析

苑宏剛

摘要：在系統闡明了撫順市城區高污染燃料的消耗特征、大氣污染物治理排放特征以及環境空氣質量狀況與評價基礎上，采用相關性分析的方法，系統分析了撫順市城區2014年環境空氣質量污染物的濃度量值、首要污染物天數的及月分布，與高污染燃料燃燒污染物排放量之間的關系。研究表明：PM10、PM2.5代表的煙（粉）塵顆粒物和NO2是首要的污染物因子；煙氣SO2的排放量的擬合線與環境空氣SO2月濃度的擬合均是一致的凹拋物線，具有良好的一致性；煙（粉）塵的排放量與環境空氣PM10和PM2.5月均濃度存在的良好的相關性；煙氣NOx的月排放量及其擬合線與NO2月濃度變化趨勢具有良好的一致性。

關鍵詞：空氣質量；污染源；相關性；二氧化氮；二氧化硫

中圖分類號：X831

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10006303

1 引言

大量研究表明，區域環境空氣質量與區域污染源具有極強的相關性[1～3]。在特定區域內，環境空氣質量污染物在濃度量值、首要污染物天數，以及出現的特定時間段上會呈現特定特征[4]。筆者在系統分析了撫順市城區高污染燃料的消耗特征、大氣污染物治理排放特征以及環境空氣質量狀況與評價的基礎上，采用相關性分析的方法，系統分析了撫順市城區2014年環境空氣質量污染物的濃度量值、首要污染物天數的及月分布，與高污染燃料燃燒污染物排放量之間的關系，為高污染燃料禁燃區科學客觀地劃分提供必要條件。

2 主要污染物的識別與確定

高污染燃料禁燃區劃分方案需要明確確定影響區域環境空氣質量的主要污染物。中國國家標準《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）共確定六項污染物[5]，分別是SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5。這六項污染物在撫順城區域環境空氣質量濃度特征、首要污染物天數以及時間分布上呈現了以下明顯特點。

（1）以PM10、PM2.5代表的煙（粉）塵顆粒物和O3，是自2012年全市有系統環境空氣質量監測數據以來最主要的三種污染物。2012年二級空氣質量以下污染天數為73 d，O3占了47 d約64%，PM10為26 d約36%；2013年二級空氣質量以下污染天數為78 d，O3占了21 d約27%，PM10為30 d約38%，PM2.5為27 d約35%；距現在最近的2014年，二級空氣質量以下污染天數為123 d，O3占了41 d約33%，PM10為10 d約8%，PM2.5達到了71 d約58%（圖1）。這些數據表明，撫順市的環境空氣污染的主要污染物即為O3和煙（粉）塵顆粒物。

（2）PM10、PM2.5和O3污染物在年度內出現的時間段上，PM10、PM2.5主要出現春、秋和冬季三季，O3污染物主要出現在夏季。

（3）SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5六項污染物，特別是PM10、PM2.5和O3污染物在濃度上，年度內呈現規律性分布。SO2、NO2、PM10和PM2.5一直呈凹型拋物線，這表明4種污染物在污染排放源上具有同一性，而O3呈凸型拋物線。研究表明，O3是環境空氣的二次污染物，是由于NO2引發，在夏季強紫外光輻射照射下產生了NO、O、NO2、O2和O3各成分間循環的光化學反應。圖1也表明，O3的存在與撫順市的光照時間存在良好的相關性，盡管日照時間僅是NO、O、NO2、O2和O3各成分間轉化的一個因素，但是光照時間卻和紫外線的輻射強度存在一致性。因此，在污染源對環境空氣質量的影響方面，應O3將與NO2歸類，分析NO2與污染源排放的關系。

通過上述3個規律的分析可知，PM10、PM2.5代表的煙（粉）塵顆粒物和NO2是首要的污染物因子。而SO2一直以來作為環境空氣污染必須分析的污染物，在撫順市的濃度量值在年度內的分布特征又與PM10、PM2.5具有相同分布特征和同源性，所以也應該把SO2作為污染物因子。因此，撫順市環境空氣污染物因子確定為PM10、PM2.5、NO2和SO2。

3 主要污染物與污染源相關性分析

兩個變量間的相關性分析是建立兩種變量是否有關聯的重要方法。

為客觀分析污染物排放源強度與環境空氣質量間的關系，做如下技術處理。

（1）將全年煙氣中的SO2、煙（粉）塵和氮氧化物排放量分為取暖期附加排放量和工業污染源排放背景值兩部分，工業污染源各排放總量按12個月平均到每月中，冬季取暖期的排放量按5個月平均，分別再加到1、2、3、11和12月等5個月中。按照此方法，全年分成了取暖期和非取暖期兩段，取暖期分別為1、2、3、11和12月共5個月份，非取暖期為4、5、6、7、8、9和10月共7個月份。冬季取暖期的煙氣污染物排放量包括取暖鍋爐排放源和工業生產使用的高污染燃料源，非取暖期僅為生產使用的高污染燃料源。

（2）將各污染物月排放量進行二次曲線擬合，與對應污染物的月平均濃度或者污染天數進行相關性比較，確定污染物排放是否和環境空氣污染因子具有相關性。

3.1 煙氣SO2的排放量與環境空氣SO2濃度間的相關性

煙氣SO2的排放量與環境空氣SO2濃度間的相關性如圖2。

由圖2可知，煙氣SO2的排放量的擬合線與環境空氣SO2月濃度的擬合均是一致的凹拋物線，具有良好的一致性，兩者相關性分別達到了0.7180和0.9634。凹拋物線特征進一步說明，兩者存在的良好的相關性，環境空氣中的SO2的濃度與煙氣排放SO2的數量極其相關。SO2的排放量在一年中的1、2和3月及11月、12月高，而環境空氣SO2對應月的平均濃度也高，這也是取暖期比非取暖期多燃燒消耗了大量高污染燃料所致[7]。但是根據第五章的環境空氣質量分析表明，SO2雖不是首要超標污染物，但是仍有一些天IAQI值超過100，因此仍需作為高污染燃料禁燃區劃分的污染標識物之一。

3.2 煙氣中煙（粉）塵的排放量與環境空氣PM10和PM2.5之間的相關性

撫順市高污染燃料燃燒排放煙（粉）塵的排放量與環境空氣PM10和PM2.5之間的相關性如圖3，4所示（以撫順市2014年污染物排放量和環境空氣質量為代表）。

由圖3可知，煙氣煙（粉）塵的排放量與環境空氣PM10和PM2.5月均濃度均呈現1～3月份、11～12月份高而中間各月份低的現象，具有良好的一致性，這表明取暖期比非取暖期多燃燒消耗了大量高污染燃料所致[8]。圖4表明，每月污染天數的分布特征與煙（粉）塵排放量也呈現良好的相關系，并且燃燒排放的煙（粉）塵造成空氣中的PM10和PM2.5超標的污染物，已經在2013年開始成為撫順市的最主要的污染物，2014年兩者污染天數之和已達80 d，占全年污染天數的65%。PM10和PM2.5的污染應該受到嚴格的注意和防控。

從三者的擬合線來看（圖3），煙（粉）塵的排放量的擬合線與環境空氣PM10和PM2.5月均濃度擬合線均是一致的凹拋物線型。雖然PM10和PM2.5的擬合度并不高，但是在9次多項式以內，2次多項式拋物線擬合形式的相關系數仍然最高。凹拋物線的特征也說明了煙（粉）塵的排放量與環境空氣PM10和PM2.5月均濃度存在的良好的相關性。這個結論與其他城市的研究結果相同[9]。

PM2.5月首要污染天數間的相關性

造成PM10和PM2.5擬合線相關系數不高的原因，與非取暖期呈現部分高值有關，這是因為非取暖期高污染燃料燃燒排放煙（粉）塵顆粒物數量雖然低于取暖期，但由于煙（粉）塵粒度過細，沉降性不佳，幾年累積的結果，一旦空氣層結穩定，必然會造成環境空氣PM10和PM2.5偏高的現象[6]，研究表明，高污染燃料的燃燒，如果治理水平不高，在常規的干法除塵工藝條件下，直徑小于2.5 μm的PM2.5無法去除，除非采用濕法除塵。這說明了取暖期和非取暖期高污染燃料燃燒排放的煙（粉）塵均是PM10和PM2.5成為環境空氣質量污染最主要的污染物。因此全國很多城市均把高污染燃料燃燒排放的煙（粉）塵作為環境空氣PM10和PM2.5超標的元兇。

綜合上述分析，煙氣中煙（粉）塵的排放量與環境空氣PM10和PM2.5之間均在良好的相關性，PM10和PM2.5的煙（粉）塵應作為高污染燃料禁燃區劃分的最主要的污染標識物之一。

3.3 煙氣NOx的排放量與環境空氣NO2濃度間的相關性

煙氣NOx的排放量與環境空氣NO2濃度間的相關性如圖5。

由圖5可知，煙氣NOx的月排放量及其擬合線與NO2月濃度變化趨勢具有良好的一致性。從兩者的擬合線來看，煙氣NOx的月排放量與環境空氣NO2月平均濃度的擬合線均是一直的凹拋物線，相關系數R2分別為0.7180和0.7294。具有良好的一致性，同前述SO2和煙（粉）塵顆粒物的分析結果一樣，凹拋物線特征進一步說明了兩者存在的良好相關性，環境空氣中的NOx的濃度與煙氣排放NO2的數量極其相關[10]。NOx的排放量在一年中的1、2、3、11、12月呈現高值，而環境空氣NO2在對應月上的平均濃度也呈現高值，這與取暖期比非取暖期多燃燒消耗了大量高污染燃料有關。

NO2在夏季濃度偏低，還在于夏季轉化為O3所致。一般而言，O3與NOx的排放量的關系如圖6。

圖6表明，由NOx氧化物、O2和紫外線光化學反應產生的O3應該引起重視。5～9月份雖然出現的降水天氣對煙（粉）塵顆粒物有良好的清除作用，但是這些月份的強輻射，NOx會引發O3的產生[11]。只有控制了NOx的排放，才能抑制O3的產生，進而改變夏季撫順市空氣O3超標的現象。

因此，NOx作為高污染燃料燃燒的煙氣排放的引發的O3污染的引發劑的角度，NO2、NO等NOx也應該作為高污染燃料禁燃區劃分的污染標識物。

4 結語

PM10、PM2.5代表的煙（粉）塵顆粒物和NO2是首要的污染物因子；煙氣SO2的排放量的擬合線與環境空氣SO2月濃度的擬合均是一致的凹拋物線，具有良好的一致性，兩者相關性分別達到了0.7180和0.9634；煙（粉）塵的排放量的擬合線與環境空氣PM10和PM2.5月均濃度擬合線均是一致的凹拋物線型，排放量與環境空氣PM10和PM2.5月均濃度存在的良好的相關性；煙氣NOx的月排放量及其擬合線與NO2月濃度變化趨勢具有良好的一致性，擬合相關系數R2分別為0.7180和0.7294，具有良好的一致性。

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