集中供暖與非集中供暖城市的冬季大氣污染狀況
——以天津和上海為例

2020-02-19 01:52:10朱兆洲楊鑫鑫

天津師范大學學報(自然科學版) 2020年1期

張晶，朱兆洲，楊鑫鑫

（1.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室，天津 300387；2.天津師范大學地理與環境科學學院，天津300387）

隨著人類化石燃料消耗的日益增多，城市環境空氣質量日益惡化，嚴重的空氣污染對人體健康造成極大的危害，并引起社會各界的高度關注[1-5].2015 年，全國338 個地級及以上城市中，有78.4%的城市（265個）環境空氣質量超出《環境空氣質量》（GB 3095-2012）二級標準[6-7].近幾年頻繁發生的灰霾污染事件中，污染較重的區域主要為京津冀和長三角地區[8-11].環境保護部公開的數據顯示2013—2015 年京津冀地區13個地級以上城市空氣質量平均超標天數比例高達54.1%，其中重度及以上污染天數比例為15.4%；長三角地區25 個地級以上城市平均超標天數比例為31.1%，其中重度及以上污染天數比例為4.2%[7].

受地域和氣候條件影響，我國北方冬季寒冷干燥；南方四季鮮明，冬季氣溫高于北方[8].自20 世紀50年代起，國家以秦嶺-淮河為界劃分了我國的供暖分界.北方城市冬季采用集中供暖方式，燃料以煤和天燃氣為主；南方地區采暖方式較分散，多采用空調、電暖器和煤爐采暖等方式.國內外學者對京津冀和長三角城市群的大氣污染狀況開展了大量研究工作[9-19]，而針對2 種不同供暖方式對空氣質量影響的研究目前尚不多見.因此，本研究基于2016—2017 年度天津和上海采暖期及采暖前后大氣中 PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2和O3等6 項常規污染物的濃度，分析對比了天津和上海大氣污染物濃度的長時間變化特征和日變化特征，以期了解集中供暖和非集中供暖2 種不同方式對空氣質量產生的影響，從而為大氣環境污染治理和聯防聯控提供科學參考.

1 監測點的選擇與數據監測

本研究選擇天津和上海作為研究對象，主要出于以下兩方面考慮：①天津和上海在非采暖期具有相似的污染物來源，主要包括工業源、城鎮生活源、機動車排放、道路揚（粉）塵和海鹽等[12，15].進入采暖期后，天津增加了由集中供暖產生的直接污染源，而上海則沒有集中供暖產生污染源，這種差異正適用于對不同供暖類型城市污染物來源進行對比研究[13，16].②污染物擴散條件相似.2 個城市雖然緯度存在差異，但都處于東亞季風區，夏季和冬季受到相同的季風影響，氣候條件相似[20].《環境空氣質量》（GB3095-2012）中將環境空氣功能區分為2 類，其中，第2 類區為居住區、商業交通居民混合區、文化區、工業區和農村地區.本研究分別從天津和上海選取18 個（圖1（a））和 10 個監測點（圖1（b）），監測點類型包括上述 5 個不同功能區，如圖1 所示.污染物濃度監測數據為天津市環境監測中心和上海市環境監測中心實時發布的數據.

圖1 大氣環境質量監測點分布圖Fig.1 Distribution of atmospheric environmental quality monitoring sites

本研究包括2 個時間段：①采暖期，時間為2016年 11 月 15 日—2017 年 3 月 15 日，由于春節期間（2017 年 1 月 16 日至 2017 年 2 月 12 日）環境空氣質量受煙花爆竹燃放影響顯著，因此剔除這段時間的監測數據；②非采暖期（集中供熱前、后），時間為2016年 10 月 1 日—11 月 14 日以及 2017 年 3 月 16 日—4月30 日2 個階段.

2 結果與討論

2.1 污染物長時間變化特征

表1 為天津和上海采暖期和非采暖期大氣污染物的日均（24 h）質量濃度特征.

表1 天津和上海污染物日均質量濃度特征Tab.1 24-hour average mass concentrations of pollutants in Tianjin and Shanghai

由表1 可知，采暖期天津PM2.5日均質量濃度變化范圍為 30～289 μɡ/m3，平均質量濃度為（107±68）μɡ/m3，超過《環境空氣質量》標準二級限值（75 μɡ/m3）（以下簡稱標準限值）43%；PM2.5指數超標天數占采暖期的62%，重度及以上污染天數占比高達23%.非采暖期天津 PM2.5平均質量濃度為（83±41）μɡ/m3；PM2.5指數在非采暖期超標率為44%，重度及以上污染天數占比為12%.采暖期PM2.5的平均質量濃度是非采暖期的1.30 倍，采暖期PM2.5指數的空氣質量達標率比非采暖期低18%，采暖期重度及以上污染天數占比比非采暖期高11%.采暖期PM10日均濃度變化范圍為48～354 μɡ/m3，平均質量濃度為（149±80）μɡ/m3，與標準限值（150 μɡ/m3）接近；PM10指數超標天數占采暖期的43%，重度及以上污染天數占比為3%.非采暖期PM10平均質量濃度為（132±55）μɡ/m3；PM10指數的空氣質量超標率為36%，未出現重污染現象.采暖期PM10的日均質量濃度是非采暖期的1.13 倍，而采暖期PM10指數的空氣質量達標率比非采暖期低7%，采暖期重度及以上污染天數占比比非采暖期高3%.采暖期CO 日均質量濃度變化范圍為 792～4 951 μɡ/m3，平均質量濃度為（2 226±944）μɡ/m3，CO 指數超標天數占比為11%；非采暖期CO 日均質量濃度為（1 555±694）μɡ/m3.采暖期CO 的日均質量濃度是非采暖期的1.43 倍；采暖期CO 指數達標率比非采暖期低10%.采暖期NO2日均質量濃度變化范圍為36～131 μɡ/m3，平均質量濃度為（71±23）μɡ/m3，略低于標準限值（80 μɡ/m3）；NO2指數超標天數占比為 31%.非采暖期NO2日均質量濃度為（58±16）μɡ/m3，采暖期 NO2的日均質量濃度是非采暖期的1.22 倍.采暖期SO2日均質量濃度為（33±16）μɡ/m3，SO2指數遠低于標準限值（150 μɡ/m3），這說明近些年清潔能源的使用對于大氣中SO2的去除效果非常顯著[21-22].非采暖期SO2平均質量濃度為（21±7）μɡ/m3，雖然采暖期 SO2的日均質量濃度僅比非采暖期高12 μɡ/m3，但采暖期日均質量濃度是非采暖期的1.57倍.天津SO2/NO2日均濃度比值為0.46，比值<1，說明大氣污染中NO2的貢獻高于SO2，大氣污染屬于硝酸型為主的污染[23].采暖期O3日均質量濃度為（33±21）μɡ/m3；采暖期是非采暖期的0.79 倍，采暖期O3的日均質量濃度低于非采暖期，未出現超標現象.由上述分析可知，除O3以外，采暖期PM2.5、PM10、CO、NO2和 SO2等 5 種污染物的質量濃度較非采暖期均有不同程度的增加.從氣象因素考慮，污染事件的發生頻率與逆溫發生頻率呈正相關關系，大氣層結構穩定時不利于污染物的擴散[13-14].天津采暖期發生大氣逆溫頻率超過90%，且逆溫強度明顯高于其他季節[13-14].穩定大氣層和夜間逆溫層的形成對污染物的生成和維持具有重要作用.從污染物來源分析，2016—2017 年度采暖期天津供暖消耗燃煤和天然氣分別高達2.1×105t 和1.3×109m3，由采暖產生的污染物排放是天津地區冬季污染物的首要來源之一.集中供暖活動和氣象因素共同造成了采暖期大氣污染物的濃度高于非采暖期的濃度.

采暖期上海PM2.5日均質量濃度變化范圍為13～128 μɡ/m3，平均質量濃度為（52±32）μɡ/m3，日均質量濃度未超過標準限值；PM2.5指數超標天數占采暖期的23%；非采暖期 PM2.5平均質量濃度為（37±27）μɡ/m-3，PM2.5指數超標天數僅占非采暖期的5%；采暖期和非采暖期均未出現重度及以上污染現象，采暖期PM2.5的日均質量濃度是非采暖期的1.41 倍.采暖期PM10日均質量濃度變化范圍為23～159 μɡ/m3，平均質量濃度為（66±37）μɡ/m3，遠低于標準限值；PM10指數超標天數僅占采暖期的3%.非采暖期PM10平均質量濃度為（61±25）μɡ/m3，PM10指數沒有出現超標天數；采暖期PM10的日均質量濃度僅為非采暖期的1.08 倍.采暖期CO 日均質量濃度變化范圍為566～2 583 μɡ/m3，平均質量濃度為（977±432）μɡ/m3；非采暖期 CO 日均質量濃度為（712±183）μɡ/m3，且均未發現 CO 超標現象.采暖期 NO2日均濃度變化范圍為 28～115 μɡ/m3，平均質量濃度為（58±19）μɡ/m3；NO2指數超標天數占比為16%.非采暖期 NO2平均質量濃度為（46±19）μɡ/m3，NO2指數超標天數僅占非采暖期的5%，采暖期NO2的日均質量濃度是非采暖期的1.26 倍.采暖期SO2日均質量濃度為（16±6）μɡ/m3，遠低于標準限值；非采暖期 SO2平均質量濃度為（13±4）μɡ/m3，雖然與采暖期相差不大，但采暖期日均質量濃度是非采暖期的1.23倍.上海SO2/NO2日均濃度比值為0.28，說明上海大氣污染也屬于硝酸型為主的污染.采暖期O3日均質量濃度為（57±23）μɡ/m3，是非采暖期的 0.79 倍.由以上分析可知，上海采暖期PM2.5、NO2和CO 的濃度明顯高于非采暖期；采暖期PM10和SO2的濃度較非采暖期略有升高，O3的濃度低于非采暖期.研究發現，上海地區冬季的大氣污染物來源主要包括工業源、城鎮生活源、機動車排放、道路揚（粉）塵、海鹽排放和燃煤，其中燃煤的貢獻率為6.9%[16].盡管上海處于非集中供暖期，但燃煤是大氣污染不可忽略的因素之一.由于冬季上海大氣污染物傳輸指數的強度和傳輸范圍比其他季節均有所增大，來自大陸的污染物占64%，明顯高于夏季的33%，外來污染源比例明顯升高，其中來自京津冀及周邊高污染區的氣團在偏北氣流的作用下，對上海形成了污染物的有效輸送[16-18].另一方面，上海冬季大氣層較其他季節相對穩定，大氣污染物不易擴散，是造成上海冬季空氣污染比其他季節嚴重的另一個重要因素.

此外，表1 還給出采暖期與非采暖期污染物濃度的差值，天津采暖期 PM2.5、PM10、CO 和 SO2日均質量濃度比非采暖期分別增加了 24、17、671 和 12 μɡ/m3；上海采暖期 PM2.5、PM10、CO 和 SO2日均質量濃度比非采暖期分別增加了 15、5、25 和 3 μɡ/m3.天津采暖期與非采暖期 PM2.5、PM10、CO 和 SO2這 4 種污染物濃度的差值明顯高于上海的差值，說明集中供暖模式對這4種污染物生成的貢獻要大于非集中供暖模式.天津和上海NO2在采暖期和非采暖期的濃度差值相差不大，分別僅為 13 和 12 μɡ/m3，2 種供暖模式對 NO2的影響差異很小，這主要是因為NO2主要來源于機動車的排放而不是化石燃料燃燒等活動[23].2 個城市采暖期O3的濃度值均低于非采暖期，這是因為O3主要是光化學反應的二次污染物[24]，受采暖活動的影響并不明顯.

2.2 污染物日變化特征

為了進一步了解不同供暖模式對冬季大氣污染物的影響，本研究分析了采暖期不同時間點大氣污染物濃度的日變化特征.

圖2 為天津和上海市PM2.5和PM10濃度的日變化情況.由圖2 可以看出，采暖期天津PM2.5和PM10具有相似的日變化規律，均呈現出單峰或單谷的變化趨勢，其峰值（120 和 161 μɡ/m3）出現在夜間 00 ∶00～02 ∶00，之后受夜間逆溫層的影響，濃度維持在較高水平[25].白天以不穩定類大氣為主，污染物擴散條件較好[13-14].早高峰結束后（10 ∶00 左右）大氣顆粒物開始出現較為明顯的下降，下午 16 ∶00 左右降至最低值（87 和123 μɡ/m3），其峰值與谷值分別相差 33 和 37 μɡ/m3.伴隨著晚間供暖強度的增加及人為活動晚高峰的出現[26]，濃度在16 點后緩緩上升至峰值.采暖期晚上22 ∶00 至次日10 ∶00 的時間段里PM2.5和 PM10濃度維持在較高水平，其濃度值明顯高于其他時段（10 ∶00～22 ∶00）；而在非采暖期PM2.5和PM10污染物的日變化規律與采暖期近似，呈鏡像相反規律.采暖期，上海PM2.5、PM10、CO 和SO2的日變化趨勢較為平緩，污染物均沒有明顯的峰值和谷值.PM2.5和PM1024 h 內濃度的最高值和最低值均只相差11 μɡ/m3.

CO、NO2、SO2和 O3濃度的日變化趨勢如圖3 所示.

圖2 天津和上海PM2.5 和PM10 的日變化特征Fig.2 Diurnal variations of PM2.5 PM10 in Tianjin and Shanghai

圖3 天津和上海CO、NO2、SO2 和O3 日變化特征Fig.3 Diurnal variations of CO，NO2，SO2 and O3 in Tianjin and Shanghai

由圖3（a）可以看出，采暖期CO 變化趨勢呈現單峰單谷型模式，08 ∶00 左右出現質量濃度峰值（2 602 μɡ/m3），16 ∶00 左右出現最低值（1 553 μɡ/m3），最高值與最低值相差1 149 μɡ/m3.采暖期夜間CO 濃度明顯高于非采暖期夜間CO 的濃度.由圖3（b）可以看出，天津NO2日變化呈明顯的單谷型，且采暖期與非采暖期的日變化特征相似.天津 NO2質量濃度的峰值（81 μɡ/m3）出現在 20 ∶00 左右，14 ∶00 左右出現谷值（49 μɡ/m3）.此外，采暖期與采暖前后NO2濃度的差值非常接近，說明天津冬季供暖對NO2日變化特征產生的影響并不明顯，這也驗證了NO2的排放與供暖關聯并不密切，它主要還是與汽車尾氣的排放有關[27].由圖3（c）可以看出，采暖期和非采暖期SO2呈現出明顯的單峰單谷型日變化特征，但SO2的谷值在采暖期和采暖前后存在顯著區別，采暖期谷值出現在16 ∶00 左右，之后濃度值快速升高；非采暖期谷值出現在晚上22 ∶00左右，這種差異主要由北方晚間加強供暖和大氣逆溫層造成[28-29].由圖3（d）可以看出，O3的日變化趨勢呈單峰單谷型，且采暖期與非采暖期變化特征保持完全一致，這是由于O3的產生主要受溫度、光照強度等自然因素的影響[30]，集中供暖活動未對O3的生成產生顯著影響.

此外，由圖3 可以看出，采暖期上海CO 和SO2的日變化趨勢較為平緩.CO 僅在08 ∶00 左右出現一個小的峰值，污染物質量濃度最高值與最低值相差149 μɡ/m3（圖3（a））；SO2濃度的最大值和最小值分別出現在 10 ∶00 和 20 ∶00 左右，污染物質量濃度最高值與最低值相差約3 μɡ/m3（圖3（c））.NO2日變化呈明顯的雙峰雙谷型，受早晚高峰交通影響非常顯著，在上午 08 ∶00左右和晚 20 ∶00 左右出現 2 個峰值（65和71 μɡ/m3），且機動車晚高峰的峰值明顯高于早峰值（圖3（b））.與天津相似，上海 O3的日變化呈單峰型的日變化特征（圖3（d））.

綜上所述，集中供暖改變了PM2.5、PM10和CO 在天津的日均分布，并造成3 種污染物在夜間污染相對較為嚴重的現象；集中供暖對白天SO2的分布影響不大，而晚間有較為明顯的濃度升高現象；上述4 種污染物在非集中供暖城市的日變化特征并未明顯受到本地供暖或北方城市間污染物傳輸的影響.無論集中供暖還是非集中供暖模式對NO2和O3日變化特征的影響均不顯著.

3 結論

本研究通過對天津和上海2 種不同供暖模式采暖期和非采暖期污染物濃度進行比較分析，得到以下主要結論：

（1）天津和上海采暖期 PM2.5、PM10、CO、NO2和SO2的質量濃度均高于非采暖期.

（2）天津采暖期 PM2.5、PM10、CO 和 SO2濃度較非采暖期高的主要原因有2 點：一是集中供暖消耗的化石燃料燃燒排放；二是穩定的大氣層和較強逆溫層不利于污染物擴散.上海雖處于非集中供暖區，但北方城市供暖區遠距離污染物的傳輸和冬季相對穩定的大氣層共同造成了 PM2.5、PM10、CO 和 SO2的質量濃度高于非采暖期.通過天津和上海采暖期和非采暖期污染物濃度差值的對比發現，由集中供暖模式產生的PM2.5、PM10、CO 和 SO2對空氣質量的影響高于非集中供暖城市.

（3）天津和上海采暖期與非采暖期NO2濃度的增加量相近，說明供暖活動對大氣中NO2的貢獻并不明顯；天津和上海采暖期O3濃度均低于非采暖期，表明供暖活動未對O3排放產生顯著作用.