濟南市空氣質(zhì)量變化趨勢及主要影響因子分析

徐改花，胡克寬，李大帥，鈕小坤

(江蘇三希科技股份有限公司，江蘇 南京 210002)

1 引言

隨著人們對身體健康需求的不斷加強以及對周邊環(huán)境的持續(xù)關(guān)注，城市空氣質(zhì)量已成為人們關(guān)注的熱點[1～5]。目前有較多的學(xué)者從空氣質(zhì)量污染趨勢、PM2.5特征譜分析、氣象因素影響、主分量分析及關(guān)聯(lián)分析等不同層面對城市空氣質(zhì)量做了研究[1～8]。結(jié)果表明城市空氣質(zhì)量由氣象條件、地理環(huán)境、人類作用共同影響，尤其是在中國經(jīng)濟社會高速發(fā)展的過程中，人類的各種行為促使空氣污染源增加給空氣質(zhì)量帶來巨大的壓力[1～8]。

空氣質(zhì)量影響人口健康和城市發(fā)展，對其研究具有重要意義。本文采用灰色系統(tǒng)理論分析濟南市空氣質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，旨在為濟南市空氣質(zhì)量改善提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用2013～2019年濟南市環(huán)境狀況簡報中空氣污染物指標(biāo)(包含PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3)的年均值及年空氣質(zhì)量良好率作為分析對象，其相關(guān)影響因素年數(shù)據(jù)來源于《濟南市統(tǒng)計年鑒》。

2.2 空氣質(zhì)量評價

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)規(guī)定，采用空氣質(zhì)量指數(shù)AQI及空氣質(zhì)量綜合指數(shù)對近年來濟南市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀評價。

2.3 影響因子分析

利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分別將空氣污染物指標(biāo)(包含PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3)的年均值及年空氣質(zhì)量良好率作為參考序列X0，各影響因素序列記為Xi，將與參考序列呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的影響因素序列進(jìn)行倒數(shù)化算子變換，記為XiD，參考序列與影響因素序列在k時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)為ε(k)，則第i列相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)度(γi)為：

(1)

式(1)中：m為時間點總數(shù)。根據(jù)關(guān)聯(lián)度的排序，找出影響較大的因子[8]。

3 結(jié)果分析

3.1 近幾年來空氣質(zhì)量變化評價

根據(jù)2013～2019年的空氣污染物濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析來看(圖1)，濟南市空氣質(zhì)量整體呈現(xiàn)向好趨勢。全市PM10和PM2.5均逐年下降，年均濃度分別為191～103 μg/m3和108～53 μg/m3，下降幅度分別為46.07%和50.93%，但近年來均未達(dá)到GB3095-2012二級標(biāo)準(zhǔn)。SO2逐年下降，年均濃度為93～15 μg/m3，下降幅度為83.87%，變化顯著，2015～2017年每年均達(dá)到GB3095-2012二級標(biāo)準(zhǔn)，2017年以來達(dá)到GB3095-2012一級標(biāo)準(zhǔn)。NO2呈穩(wěn)定下降趨勢，變化幅度較小為30.51%。CO呈波動式小幅上升，總體變化不大，年均濃度為1.99 mg/m3，近幾年均低于GB3095-2012二級標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的4 mg/m3。而O3出現(xiàn)逐年上升趨勢，年均濃度為136～203 μg/m3，上升幅度為49.26%，變化較大，2014～2019年均未達(dá)到GB3095-2012二級標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 濟南市空氣質(zhì)量變化趨勢

圖2 AQI考核下各級別天數(shù)變化趨勢

圖3 空氣質(zhì)量綜合指數(shù)分析結(jié)果

采用AQI空氣質(zhì)量指數(shù)評價濟南市空氣質(zhì)量，結(jié)果見圖2。每年全市空氣質(zhì)量達(dá)到或優(yōu)于Ⅱ級的天數(shù)呈逐年遞增，由2013年的61 d增加到2019年的182 d，增長幅度較大，約1.98倍。Ⅲ級空氣質(zhì)量天數(shù)呈波動式下降趨勢，2014年出現(xiàn)一個高峰值為171 d，其余時間穩(wěn)定在130 d左右。Ⅳ級空氣質(zhì)量天數(shù)總體呈下降趨勢，由2013年的87 d降低到2019年的45 d，降低幅度為48.28%。Ⅴ和Ⅵ級空氣質(zhì)量天數(shù)呈逐年下降趨勢，由2013年的81 d降低到2019年的9 d，降低幅度為88.89%，變化幅度較大。由AQI空氣質(zhì)量指數(shù)考核下各級別所占的天數(shù)變化趨勢可看出，濟南市空氣質(zhì)量正在向好的方向發(fā)展。

圖3對濟南市2013～2019年空氣質(zhì)量綜合指數(shù)分析表明，濟南市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)逐年降低且變化顯著，由2013年的11.07降低到2019年的6.18，說明空氣質(zhì)量正在向好的方向發(fā)展，這與空氣質(zhì)量良好率的趨勢相吻合，同時也印證了AQI空氣質(zhì)量指數(shù)評價空氣質(zhì)量可信度高且效果好。

3.2 影響因素分析

空氣質(zhì)量是多種因素共同作用的結(jié)果[1～8]，本研究重點考慮人類行為對濟南市空氣質(zhì)量的影響，因此選取了《濟南市統(tǒng)計年鑒》中5個類別的25項與空氣質(zhì)量相關(guān)的指標(biāo)，包括：①工業(yè)污染排放類：工業(yè)廢氣中SO2排放量、機動車NOx排放量、煙(粉)塵排放量；②生活與經(jīng)濟發(fā)展能耗類：人均生活能源消費、原煤、人均生活煤炭消耗、地區(qū)生產(chǎn)總值煤耗、工業(yè)增加值、工業(yè)增加值能耗；③地區(qū)產(chǎn)值類：第一二三產(chǎn)業(yè)地區(qū)生產(chǎn)總值、輕重工業(yè)總產(chǎn)值；④城市綠化類：建成區(qū)綠化覆蓋率、人均公共綠地面積、公園面積、城市綠地率；⑤其他相關(guān)因素類：全市汽車總數(shù)、城市集中供熱面積、年末總?cè)丝凇⒊Ｗ∪丝凇⒎课萁ㄖ┕っ娣e、社會用電量、工業(yè)用電量。對所選取的指標(biāo)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，計算每項指標(biāo)2013～2019年與空氣污染物指標(biāo)(包含PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3)的年均值及年空氣質(zhì)量良好率的關(guān)聯(lián)度，并分別提取出與空氣污染物指標(biāo)及年空氣質(zhì)量良好率關(guān)聯(lián)度最大的5項指標(biāo)見表1。CO未參與計算分析，因為其年均濃度均低于GB3095-2012二級標(biāo)準(zhǔn)且保持穩(wěn)定,無分析必要。

表1 空氣污染指標(biāo)及年空氣質(zhì)量良好率關(guān)聯(lián)度

由灰色關(guān)聯(lián)分析可知，影響濟南市城市空氣質(zhì)量的主要因素集中在工業(yè)污染和能源消耗方面，城市綠化、其他因素對城市空氣質(zhì)量也有一定影響[8]。

3.2.1 工業(yè)污染因素

隨著機動車保有量迅猛增加和工業(yè)企業(yè)發(fā)展增速，污染物排放不容小覷，其機動車排放尾氣中含有大量NOx、CO2、CO、HC，工業(yè)廢氣中含大量SO2、NOx、CO2、H2S、氯化物、氟化物、煙塵以及生產(chǎn)性粉塵[8]，其排放量直接影響濟南市空氣質(zhì)量。由表1可知，與PM10相關(guān)性較大的工業(yè)污染排放指標(biāo)分別為機動車NOx排放量、煙(粉)塵排放量，其關(guān)聯(lián)度均為0.8804；與PM2.5相關(guān)性較大的工業(yè)污染排放指標(biāo)為機動車NOx排放量，其關(guān)聯(lián)度為0.8878；與SO2相關(guān)性最強的工業(yè)污染排放指標(biāo)為工業(yè)廢氣中SO2排放量，其關(guān)聯(lián)度可達(dá)0.8849，其次是機動車NOx排放量，其關(guān)聯(lián)度為0.7709；與NO2相關(guān)性最強的工業(yè)污染排放指標(biāo)為機動車NOx排放量，其關(guān)聯(lián)度為0.9424。因此，在所選取的5個類別指標(biāo)中，除O3和年空氣質(zhì)量良好率外，對其它污染物濃度貢獻(xiàn)較大的為工業(yè)污染排放因素。事實上，濟南市“十二五”期間以污染物減排為目標(biāo)、“十三五”期間以空氣質(zhì)量改善為目標(biāo)，采取了一系列控制工業(yè)污染排放的措施，如2017年實行火電廠大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)，2018年以來實行重污染天氣/秋冬季企業(yè)錯峰生產(chǎn)，減少了工業(yè)廢氣中煙塵排放量，使?jié)鲜蠸O2年均值由2013年的高峰93 μg/m3明顯減至2019年的15 μg/m3，并逐年降低(圖1)。而由于機動車保有量的迅猛增加，在實施工業(yè)污染控制的過程中，NO2年均值未出現(xiàn)明顯下降。可見，工業(yè)廢氣排放控制措施對空氣污染物SO2濃度的削減有很大的貢獻(xiàn)，與灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果一致。

3.2.2 能源消耗因素

伴隨濟南社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，必然拉動能源消耗的持續(xù)攀升，在濟南市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，第一和第二產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟發(fā)展中一直處于支柱地位，能源總體消耗大，而煤炭占多數(shù)，是環(huán)境空氣污染的重要來源。由灰色關(guān)聯(lián)分析可知，與PM10相關(guān)性較強的為能源消耗因素位于前10位中的后5位，占5項指標(biāo)；與PM2.5相關(guān)性較強的為能源消耗因素是工業(yè)增加值能耗和地區(qū)生產(chǎn)總值煤耗，關(guān)聯(lián)度分別為0.9320和0.9140，而且在前10位中，能耗因素占5項；此外地區(qū)生產(chǎn)總值煤耗、工業(yè)增加值能耗與SO2相關(guān)性也較強，分為0.7877、0.7827；地區(qū)生產(chǎn)總值煤耗、工業(yè)增加值能耗與NO2有很強的關(guān)聯(lián)性，其關(guān)聯(lián)度分為可達(dá)0.9472、0.9448，且人均生活能源消費、人均生活煤炭消費、原煤與NO2關(guān)聯(lián)度均在0.9以上，且排序前10位的因素中，能源消耗類占了5項；工業(yè)增加值對O3有很大的貢獻(xiàn)率，相關(guān)性很強，為0.9341，而且表1未列出的原煤、人均生活能源消費指標(biāo)與O3的關(guān)聯(lián)度也均在0.9以上。由此可見，生活與經(jīng)濟發(fā)展帶來的能源消耗，也是影響濟南市空氣質(zhì)量的主要因素。

3.2.3 城市綠化因素

綠色植物對凈化空氣有獨特的作用，它能吸滯空氣中各種粉塵、二氧化碳、二氧化硫、顆粒及有毒氣體，所以理論上講，城市綠化率越高，空氣質(zhì)量越好[9]。由灰色關(guān)聯(lián)分析可知，城市綠地率與PM10、PM2.5的關(guān)聯(lián)度分別高達(dá)0.8671和0.8852。建成區(qū)綠化覆蓋率、人均公共綠地面積、公園面積與PM2.5的關(guān)聯(lián)度分別為0.8587、0.8556、0.8415；而城市綠地率與SO2的關(guān)聯(lián)度較高，位于第9位；城市綠地率與NO2的關(guān)聯(lián)度較高，位于第4位，關(guān)聯(lián)度為0.9410；公園面積、人均公共綠地面積與O3的關(guān)聯(lián)度分別為0.9330和0.9151，位于前10位；公園面積、人均公共綠地面積與年空氣質(zhì)量良好率的關(guān)聯(lián)度分為位于第6位和第9位。從實際行動來看，濟南市自從以打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)為目標(biāo)以來，全面采取各種措施，如改善道路和城市景觀、建設(shè)城市綠化帶、開展園林綠化工作等，極大地提高了城市空氣清晰度，有效降低了空氣中顆粒物。所以，城市綠化環(huán)境建設(shè)對空氣質(zhì)量的影響較大。

3.2.4 其他相關(guān)因素

在選取的25項指標(biāo)中，還有很多其他因素與污染濃度及年空氣質(zhì)量良好率有較大的關(guān)聯(lián)度。城市集中供熱面積的增加對消除煙(粉)塵作用極大，對提高整體空氣質(zhì)量也有很大貢獻(xiàn)，與年空氣質(zhì)量良好率的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.8893，排在第1位；房屋建筑施工面積的增加與O3的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.9608、排在第1位，與空氣質(zhì)量良好率的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.8471、排到第2位；工業(yè)用電量與PM10、PM2.5、SO2、NO2有很強的相關(guān)性，關(guān)聯(lián)度分別為0.8765、0.8850、0.7605和0.9380；第一、二產(chǎn)業(yè)地區(qū)生產(chǎn)總值對PM10、O3、年空氣質(zhì)量良好率有較大的貢獻(xiàn)，相關(guān)性均為0.8以上；城市汽車總量也是影響SO2、NO2的重要因素，濟南市從2017年起實施機動車尾氣遙感監(jiān)測，實施“黃改綠、綠改綠”措施，淘汰高污染車輛，不斷完善集中供熱設(shè)施，全力推進(jìn)冬季清潔采暖，在新建項目中要求環(huán)保高投入和行動強支持，這些措施的有力執(zhí)行保障了濟南市空氣質(zhì)量的不斷改善，具有重要意義。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)分析結(jié)果，AQI各級天數(shù)占比即每年全市空氣質(zhì)量達(dá)到或優(yōu)于II級的天數(shù)呈逐年遞增，其它級別天數(shù)整體呈下降趨勢，以及空氣質(zhì)量綜合指數(shù)逐年遞減，兩者均說明濟南市空氣質(zhì)量整體上呈現(xiàn)向好趨勢。

濟南市空氣質(zhì)量是多種因素共同作用的結(jié)果，工業(yè)廢氣排放、機動車尾氣排放及能源消耗為最主要的影響因素，集中供熱面積與年空氣質(zhì)量良好率有很強的相關(guān)性，而城市綠化、房屋建筑施工面積、工業(yè)用電量等其他因素的作用也在一定程度上影響空氣質(zhì)量。

濟南市空氣質(zhì)量改善應(yīng)注意以下方面：控制工業(yè)廢氣排放，重污染天氣對工業(yè)企業(yè)實施應(yīng)急管控；加強對機動車尾氣排放控制；大力調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，注重發(fā)展低耗能產(chǎn)業(yè)；積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)清潔能源；完善城市集中供熱設(shè)施，全力推進(jìn)冬季清潔采暖；加快城市綠色生態(tài)建設(shè)，種植可凈化空氣的物種；提高產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入的能耗、物耗、環(huán)保和技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)；重視對環(huán)境保護(hù)方面的資金投入及流向管理。