太原市大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化分析

趙瑩， 周義， 王欣暢

山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,山西 臨汾 041000

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，大氣環(huán)境污染對(duì)地球生態(tài)環(huán)境和人類的生活質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響，因而成為人們最為關(guān)注的熱點(diǎn)和環(huán)境學(xué)科研究的重點(diǎn)[1].因此，通過對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量變化趨勢的研究，了解其變化特征及大氣污染狀況產(chǎn)生原因，從而為有效改善環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)參考.

太原市作為中國主要能源城市，為國家的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的同時(shí)，環(huán)境問題越來越突出，迫切需要以新的面貌面對(duì)未來的發(fā)展和挑戰(zhàn)[2].近年來，已有學(xué)者對(duì)太原市大氣環(huán)境質(zhì)量問題開展了相關(guān)研究，如張?jiān)品紝?duì)太原市空氣質(zhì)量總體狀況及污染物情況進(jìn)行分析， 總結(jié)了影響太原市空氣質(zhì)量狀況的原因[3]；高崗栓分析了“十一五”以來太原市大氣污染現(xiàn)狀和存在的問題，并提出了大氣污染防治對(duì)策[4]；溫麗仙等利用2001年～2005年P(guān)M10監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)太原市PM10時(shí)空分布特征及其成因進(jìn)行研究[5].綜上，可見現(xiàn)有研究對(duì)太原市大氣環(huán)境質(zhì)量的研究較集中于定性描述大氣環(huán)境質(zhì)量及對(duì)某單一因子的污染評(píng)價(jià)，而定量研究太原市大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征的研究相對(duì)較少，因此本文利用中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的2013年～2017年太原市大氣環(huán)境質(zhì)量和《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)， 以揭示太原市近五年來大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征及其成因，從而為改善太原市環(huán)境質(zhì)量提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省境中央，地理坐標(biāo)為37°27′～38°25′ N、110°30′～113°09′E，太原東、北、西三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，汾河由北向南橫貫太原市全市[6].太原屬北溫帶大陸性氣候，降雨多集中于夏秋季，冬春季則多風(fēng)少雨.

太原市礦產(chǎn)資源不僅儲(chǔ)量大且種類豐富、質(zhì)量上乘，以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢成為我國重要的能源與重工業(yè)基地.自20世紀(jì)末起，太原市經(jīng)濟(jì)運(yùn)行持續(xù)穩(wěn)定增長、大力發(fā)展科技創(chuàng)新，積極帶動(dòng)山西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí).

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的SO2、NO2、PM10、CO、O3和PM2.5六種污染物的濃度數(shù)據(jù)以及空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index, AQI)數(shù)據(jù)均來自于中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的全國城市空氣質(zhì)量時(shí)報(bào)數(shù)據(jù)以及《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》.數(shù)據(jù)時(shí)長自2013年至2017年；研究區(qū)內(nèi)含國家監(jiān)測九站點(diǎn)，詳見圖1.

2 研究方法

2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法

環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)是用來描述城市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合狀況的無量綱指數(shù)，由中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部提出用于對(duì)全國74個(gè)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種工具[7].環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)越小表明其綜合污染程度越輕；反之，則綜合污染程度較重[8].其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

圖1 研究區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位置圖
Fig.1 Layout of atmospheric environment monitoring points in Taiyuan city

Fi=Ii/Isum

式中，F(xiàn)i為污染物的負(fù)荷率；Ci為污染物i的濃度值；Si為污染物i的年均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Isum為環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)；Ii為污染物i的單項(xiàng)指數(shù)，i為SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5等全部六項(xiàng)指標(biāo)[9].

2.2 空間插值法

空間插值是利用采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)未知區(qū)域的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行推理和估計(jì)的方法[10].空間內(nèi)距離相近的點(diǎn)其特征值也相近；反之，特征值相差較大.因研究區(qū)監(jiān)測成果多以離散點(diǎn)數(shù)據(jù)形式記錄，難以較直觀地反映整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)空間變化特性，因此需對(duì)研究區(qū)站點(diǎn)數(shù)據(jù)做空間插值化.根據(jù)研究區(qū)內(nèi)站點(diǎn)分布不均且密集度不高的特點(diǎn)，本研究選取克里格插值對(duì)太原市大氣環(huán)境質(zhì)量空間分布進(jìn)行拓展和特征揭示.

3 太原市大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征分析

3.1 時(shí)間變化特征分析

3.1.1 年際變化特征分析

以2013年～2017年太原市六區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)法對(duì)太原市2013年～2017年間空氣質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).結(jié)果如表1.

由表1得出的結(jié)果可知，太原市五年間大氣環(huán)境質(zhì)量變化具有如下特征：(1)除NO2外，各單項(xiàng)污染物濃度呈逐年下降變化特征.其中，PM2.5污染負(fù)荷率(FPM2.5)平均25.60 %，PM10污染負(fù)荷率(FPM10)平均24.50 %，表明其主要污染物為PM2.5、PM10.其余四項(xiàng)污染物的負(fù)荷率均是顆粒物負(fù)荷率的50 %左右.(2)由表1中環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)(Isum)易知，2013年～2015年間太原市環(huán)境空氣質(zhì)量2014年顯著降低，降幅為13.07 %，2015年繼續(xù)下降，降幅為8.42 %，2016年開始升高，增幅為7.30 %；2017年轉(zhuǎn)而下降，降幅為2.74 %.總體來講，五年來太原市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)呈整體下降并伴有小幅波動(dòng)趨勢.

AQI與空氣污染指數(shù)(API)有異.AQI參照的是《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)，參與評(píng)價(jià)的污染物為SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO六項(xiàng)[11].而API參照的是《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-1996)，評(píng)價(jià)的污染物僅為SO2、NO2和PM10三項(xiàng)，且AQI采用分級(jí)限制標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán).AQI較API進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)更多，因而結(jié)果更具準(zhǔn)確性.近五年太原市不同空氣質(zhì)量級(jí)別所占比例如圖2所示.從中可以看出，2013年～2016年間太原市環(huán)境空氣質(zhì)量的優(yōu)良天數(shù)逐年遞增，優(yōu)良天數(shù)所占比例由2013年的45.55 %增加到2016年的64.48 %，增長了18.93個(gè)百分點(diǎn)；2017年優(yōu)良天數(shù)所占比例相對(duì)于2013年，增長2.67個(gè)百分點(diǎn).近五年來太原市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)所占比例的整體趨勢以2013年與2017年為端點(diǎn)，以2015年為最高點(diǎn)呈現(xiàn)出一個(gè)倒U型的結(jié)構(gòu).

表1 太原市大氣環(huán)境質(zhì)量污染物單項(xiàng)指數(shù)和環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)Tab.1 Single index of atmospheric environmental quality and comprehensive index of ambient air quality in Taiyuan

圖2 2013年～2017年太原市空氣質(zhì)量級(jí)別所占比例
Fig.2 The proportion of Taiyuan city's air quality grade from 2013 to 2017

3.1.2 月、季變化特征分析

2013年～2017年間太原市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)的月相特征如圖3所示.五年來太原市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)最小的月份幾乎為7月、8月份，而從11月到次年的1月、2月份的空氣質(zhì)量綜合指數(shù)全年最大；由季節(jié)角度，可以看出夏季的空氣質(zhì)量綜合指數(shù)普遍較低，空氣污染程度較小；而冬季則是全年最高，冬季污染程度也較高.因此，太原市有明顯的月份和季節(jié)空氣質(zhì)量變化特征.另外，太原市采暖期為當(dāng)年11月至次年3月，非采暖期則為當(dāng)年4月至10月，且PM2.5、PM10、SO2是近五年來太原市的主要污染物.2013年～2017年間太原市空氣質(zhì)量的主要污染物在總體上呈現(xiàn)采暖期高于非采暖期污染濃度的特征，由五年內(nèi)平均濃度差異范圍看出PM2.5采暖期是非采暖期的1.66倍，PM10為 1.33倍，SO2則是3.18倍，這表明采暖期大量化石燃料的燃燒，污染源的排放量增大，導(dǎo)致空氣中SO2.煙塵等顆粒物排放量增大，加劇了大氣環(huán)境污染的惡化.此外，從各年度采暖期的濃度變化分析，PM2.5濃度五年內(nèi)下降了15.69 %；SO2濃度五年內(nèi)

下降了6.07 %；表明影響太原市大氣環(huán)境質(zhì)量的三種主要污染物濃度均有一定下降趨勢.

3.2 空間變化特征分析

由于澗河監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)長時(shí)間缺失，故選擇以2013年～2017年間太原市8個(gè)國控站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，分析太原市大氣環(huán)境質(zhì)量空間變化，結(jié)果如圖5所示.各監(jiān)測站點(diǎn)的空氣質(zhì)量分指數(shù)最高的均為PM2.5，PM2.5與PM10的分指數(shù)變化趨勢一致，其中尖草坪監(jiān)測站點(diǎn)的PM2.5與PM10指數(shù)最高，上蘭最低，其余六個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)均保持較穩(wěn)定的污染水平.另外，八個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的CO濃度均超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、O3濃度在國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)左右.由空氣質(zhì)量綜合指數(shù)看出，太原市區(qū)的空氣質(zhì)量總體較均衡，其中污染較嚴(yán)重的為尖草坪地區(qū)，最好的是上蘭地區(qū).

圖3 2013年～2017年空氣質(zhì)量綜合指數(shù)逐月變化特征Fig.3 Air quality in 2013～2017 composite index variation characteristics from month to month圖4 采暖期與非采暖期主要污染物濃度變化Fig.4 Heating period of main pollutant concentration change with the heating period

通過對(duì)太原市首要污染物PM2.5及環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)進(jìn)行空間插值，其空間分布如圖6所示.從該圖可看出，PM2.5與環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)呈相似的空間分布狀態(tài)，即太原市市區(qū)的西北方向是太原市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)及PM2.5分指數(shù)全市區(qū)最低；以太原市市區(qū)中部為中心，其空氣質(zhì)量綜合指數(shù)及PM2.5的分指數(shù)最高，大致呈同心圓狀向外輻射開，其數(shù)值也逐漸降低.

圖5 太原市大氣環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)空氣質(zhì)量指數(shù)分布圖
Fig.5 Air quality index distribution map of atmospheric environment in Taiyuan city

4 結(jié)論

基于實(shí)測站點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，對(duì)太原市2013年～2017年的大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

(1)時(shí)間上，太原市大氣環(huán)境質(zhì)量呈逐年好轉(zhuǎn)態(tài)勢，其空氣質(zhì)量綜合指數(shù)總體呈逐年遞減趨勢，除NO2外，各污染物濃度也逐年下降.2013年～2017年間，除2013年空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為8.74外，其余年份均保持在7.5上下浮動(dòng).此外，NO2污染物的濃度分指數(shù)呈現(xiàn)逐年升高的趨勢，SO2污染物濃度分指數(shù)在逐年降低，但NO2與SO2五年內(nèi)的污染濃度均超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此仍需加強(qiáng)其二者的治理.太原市市區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征，即冬季大氣污染程度最強(qiáng)，夏季最弱，總體呈由冬—春—秋—夏逐漸減弱的趨勢，且采暖期主要污染物的濃度遠(yuǎn)大于非采暖期.

圖6 太原市大氣首要污染物環(huán)境空氣質(zhì)量空間分布圖
Fig.6 The spatial distribution of primary pollutant and comprehensive environmental quality in Taiyuan

(2)空間上，太原市市區(qū)的空氣質(zhì)量大致呈西北部最好，中部最差，并以太原市市區(qū)中部為中心大致呈同心圓狀向外輻射，其空氣質(zhì)量由中心向外逐漸變好.太原市市區(qū)內(nèi)的監(jiān)控站點(diǎn)的空氣質(zhì)量分布總體較均衡，上蘭與南寨的污染程度最小；空氣質(zhì)量較差且PM2.5濃度較高的區(qū)域主要集中在太原市區(qū)的中部地區(qū)，空氣質(zhì)量較好的地區(qū)位于太原市區(qū)西北部.

(3)原因分析：全年靜風(fēng)頻率較高，地形較封閉，污染擴(kuò)散能力較差，不利于大氣污染物的擴(kuò)散[12].上蘭監(jiān)測點(diǎn)位于太原市主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)向，空氣質(zhì)量全市區(qū)最好，并且污染物濃度呈逐年遞減的趨勢.且太原市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，風(fēng)沙等顆粒物無法形成大面積揚(yáng)塵，使夏季太原市顆粒物濃度較低；而冬季寒冷干燥，加之地處黃土高原，植被覆蓋率低，導(dǎo)致空氣中顆粒物含量大大增加.

(4)近年來SO2及顆粒物的濃度呈逐年下降趨勢，是由于太原市為了改善市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量，“十二五”以來，集中財(cái)力、物力、人力，以創(chuàng)新發(fā)展模式、全面推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型為支撐，堅(jiān)定不移地實(shí)施“藍(lán)天碧水工程”，從而使得全市大氣環(huán)境質(zhì)量持續(xù)好轉(zhuǎn)[4].太原市采暖期大氣中的PM2.5、SO2和PM10濃度明顯超標(biāo)，由于大量的燃煤與太原市內(nèi)仍存在小鍋爐采暖問題.但三種污染物的濃度在近五年呈平穩(wěn)降低的趨勢，表明太原市在加快建設(shè)熱源廠提供集體供暖以及整治全市的小鍋爐燃煤問題上取得顯著成果.而太原市的NO2等氮氧化物的污染加劇則是由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車尾氣大量排放，產(chǎn)生大量氮氧化物污染.

(5)因本研究僅利用2013年～2017年間太原市污染物濃度的站點(diǎn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行時(shí)空變化特征分析，鑒于數(shù)據(jù)時(shí)長和空間站點(diǎn)數(shù)量的有限性，對(duì)太原市大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征的揭示仍需進(jìn)一步探究和完善，才能夠更加全面、科學(xué)地揭示太原市大氣環(huán)境質(zhì)量的變化規(guī)律，從而為改善或治理太原市大氣環(huán)境質(zhì)量提供一些科學(xué)依據(jù)或支撐.