我國典型城市空氣質量演變及其調控
——以深圳市2000—2017年為例

趙秀玲,李 偉,王偉民,韓立建,周偉奇,6,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學技術大學生命科學學院,合肥 230027 3 北京市林業碳匯工作辦公室,北京 100013 4 深圳市環境監測中心站,深圳 518049 5 中國科學院大學,北京 100049 6 北京城市生態系統研究站,北京 100085

改革開放以來,我國經歷了短期但快速的城市化過程,給城市生態環境帶來了巨大的壓力,尤其是近年來凸顯的空氣質量問題。如在我國秋冬季節,大部分地區都會遭受霧霾污染問題[1-2]。尤其是隨著城市規模、能源消耗等的快速增加,空氣污染問題也在迅速地惡化[3- 5]。研究表明,我國大部分地區城市的空氣質量與城市化質量的協調水平處于中度協調或勉強協調,而在空間上呈現以京津冀地區為圓心的環狀分布,且越靠近圓心協調度越差[6]。不同發展水平的城市,空氣污染的改善程度也存在差異[7]。因此,城市化速度與環境污染的治理之間如何協調是我國城市發展面臨的迫切問題。

社會經濟的快速發展往往伴隨著環境質量的惡化,但根據環境庫茲涅茨曲線模型(EKC模型)理論：當經濟發展達到一定水平之后,也就是到達某個臨界點或稱“拐點”以后,隨著人均收入的進一步增加,環境污染又由高趨低,其環境污染的程度逐漸減緩,環境質量逐漸得到改善[8-11]。該理論已經在很多生態環境污染問題中得以驗證,如水環境、碳排放、生態足跡等等[12-16]。研究發現,EKC模型同樣適用于社會經濟發展與空氣污染問題的關系[17]。目前空氣污染問題是我國面臨的主要環境問題之一,同一時期下,當大多數城市還在忍受霧霾污染時,深圳市的空氣質量已經達到并保持在良好水平,經濟快速發展導致的霧霾污染問題已經得到了很好的治理[18-19]。根據環境庫茲涅茨曲線理論,目前深圳市霧霾污染問題可能已經越過“拐點”,進入逐漸改善階段[20]。

深圳市作為我國改革開放政策中最早開放的城市,自70年代以來,城市人口和社會經濟迅速發展,尤其是2000年以來,深圳市的社會經濟等方面的發展速度更為迅速。目前,深圳市已經成為我國四個一線城市中的一員。 至2018年,深圳市城市經濟規模居大城市中第三位,人均GDP產出位居全國大中城市第2位。

隨著城市化進程的推進,中國的空氣污染問題已經由單一的污染物污染轉變成復合污染[21]；空氣污染物類型多種多樣,特性也各異。如同樣是作為二次污染物的PM和O3雖然有類似的前體物,但是反應機制和污染物本身的特點也有很大差異[22-23]。此外,污染原因也由單純的環境問題演變為人口社會經濟的復合生態系統問題。深入科學的探究深圳市典型污染物的演變特點及其與城市發展的關系,總結深圳市針對空氣污染問題的治理經驗,不僅為深圳市今后的空氣質量繼續提升提供思路,也為其他城市在空氣質量改善方面提供借鑒。

基于以上背景,本研究以深圳作為典型案例,利用深圳市多年環境質量公報數據和統計年鑒數據,擬解決以下幾個科學問題：1)深圳市空氣質量現狀及其演變有何特征？例如,不同類型的污染物其演變特征是否不同？空氣質量變化是否存在階段性特征？現階段主要污染物的特點是什么？2)深圳市社會經濟發展如何影響空氣質量？重點研究不同類型污染物的影響因素是否不同。3)深圳市空氣污染防控措施的階段性特征,及其對空氣污染問題改善的作用？

1 數據與方法

1.1 深圳市概況

深圳市是中國南部海濱城市,毗鄰香港,位于北回歸線以南,東經113°43′至114°38′,北緯22°24′至22°52′之間(圖1)。地處廣東省南部,珠江口東岸,東臨大亞灣和大鵬灣,西瀕珠江口和伶仃洋,南邊深圳河與香港相連,北部與東莞、惠州兩城市接壤。地勢東南高,西北低,多為低丘陵地。全市面積1997.47km2。截至2017年末,常住人口1252.83萬人,其中戶籍人口434.72萬人。深圳屬亞熱帶季風氣候,降水豐富。常年平均氣溫22.4℃,無霜期長達355d。雨量充沛,每年4—9月份為雨季,平均年降雨量1933.3mm,日照時長2120.5h。

圖1 研究區位置Fig.1 Study area and spatial distribution

1.2 數據來源

深圳市典型空氣污染物數據來源于《2000—2018年深圳市環境質量公報》公布的全市年平均濃度。其中,SO2、NO2和PM10統計時段為2000—2018年；O3濃度統計時段為2006—2018年。深圳市社會經濟數據來源于《2000—2017年深圳市統計年鑒》。本研究所用社會經濟指標類型包括：人口、經濟、城市用地、機動車數量、產業結構和能源結構(表1)。

表1 社會經濟指標

1.3 研究方法

研究利用SPSS 19.0中的曲線擬合工具,來分析典型污染與各社會經濟指標的相關關系,利用雙側檢驗來評估擬合曲線的顯著性水平。

根據《2000—2018年深圳市環境質量公報》中針對空氣污染的“措施與行動”的表述內容,對每年該內容中污染源管控方向側重點的不同進行排序；再根據每年的污染源管控方向的排序,分析每個時期(“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”)的綜合污染源排序,以此探究深圳市空氣污染防控具體措施的變化與各典型污染變化的關系。

2 結果與分析

本研究首先分析了深圳市空氣質量演變特征以及各典型污染物的變化特點。進一步分析了宏觀社會經濟發展以及具體的空氣污染防控措施實施對各典型污染物濃度變化的影響,探究了宏觀發展和具體措施對城市空氣污染防控的作用。

2.1 深圳市空氣質量現狀與演變特征

2.1.1深圳市空氣質量現狀

2018年深圳市空氣質量基本保持良好水平。2018年環境質量公報顯示,全市前三個季度空氣質量達到優良天數占比平均為95.6%。其中SO2濃度基本與上年持平,保持在7μg/m3左右。NO2濃度相對于上年同期有微弱下降,平均濃度為28μg/m3。PM10濃度相對于上年同期有微弱上升,平均濃度為41μg/m3。PM2.5濃度基本與上年同期持平,平均濃度為25μg/m3。O3濃度與上年同期相比略有上升,平均濃度為61μg/m3。

2.1.2深圳市空氣污染超標情況演變特征

2000—2017年深圳市二級達標天數整體呈波動下降趨勢,二級達標天數維持在150—250d之間；“十五”期間平均二級達標天數最高,不同階段演變趨勢也不同。“十五”期間,二級達標天數呈波動上升趨勢；“十一五”期間,二級達標天數先基本保持平穩2008年之后開始逐漸下降；“十二五”期間,二級達標天數比較波動,整體呈上升趨勢；“十三五”初期,二級達標天數又開始呈逐漸下降趨勢(圖2)。

圖2 深圳市空氣質量演變特征Fig.2 Evolutions of air quality in Shenzhen

2000—2017年深圳市超標天數呈波動變化的特點,超標天數維持在1—40d之間,“十一五”期間平均超標天數最低,不同階段演變特點也不同。“十五”期間,超標天數先下降,2002年之后開始大幅上升至2005年又降至較低水平；“十一五”期間整體呈逐漸下降趨勢至2010年有小幅上升；“十二五”期間,前期呈逐漸下降趨勢,至2013年有大幅上升,之后雖開始逐漸下降但仍維持在相對較高的水平；“十三五”前期,超標天數又開始有上升趨勢(圖2)。

2.1.3深圳市一次污染物演變特征

2000—2017年深圳市典型一次污染物濃度整體均呈下降趨勢,不同階段演變特點不同。2000—2017年深圳市SO2濃度從27μg/m3降至8 μg/m3；“十五”期間,SO2濃度先有大幅下降后又小幅上升；“十二五”期間,呈逐漸下降趨勢,濃度從30μg/m3降至11 μg/m3,降幅最大；“十二五”期間,SO2濃度降幅較小,前期基本處于平穩水平,后期開始逐漸下降；“十三五”初期SO2濃度趨于平穩,維持在8 μg/m3。

2000—2017年深圳市NO2濃度從55 μg/m3降至30 μg/m3；“十五”期間,NO2濃度先呈上升趨勢,至2005年有較大幅度降低；“十一五”期間,NO2濃度先有小幅上升,之后基本呈逐漸下降趨勢；“十二五”期間至“十三五”前期基本呈逐漸下降的趨勢。

2.1.4深圳市二次污染物演變特征

深圳市2000—2017年典型顆粒物濃度整體呈波動下降趨勢,其中2000—2017年PM10濃度從58 μg/m3降至45 μg/m3。“十五”期間,PM10濃度基本呈上升趨勢,至2005年開始至“十一五”期間基本呈緩慢下降趨勢；“十二五”前期仍繼續降低,至2013年有小幅上升之后又開始逐漸下降,直到2017年又開始有小幅的上升。

表2 深圳市空氣質量管控措施演變

2006—2017年,O3與PM10相反,濃度基本呈逐漸上升趨勢,從33 μg/m3上升至61 μg/m3,不同階段上升幅度不同。“十一五”期間,O3濃度上升幅度最大；“十二五”期間,O3濃度變化比較波動,至2015年之后開始逐漸上升。

2.2 深圳市社會經濟發展與空氣質量的關系

2.2.1深圳市經濟、人口和城市用地發展與空氣質量的關系

本研究首先從經濟、人口和建成區用地變化與深圳市典型空氣污染物的關系來分析社會經濟發展對深圳市空氣質量的變化的影響。從各社會經濟因子與典型污染物的散點圖(圖3),可以看出,對于顆粒物而言,隨著深圳市人均GDP、人口密度和建成區面積的增加,其濃度呈現先增加趨勢,至人均GDP達到5萬之后,隨著人均GDP的繼續增加而呈下降的趨勢,即符合EKC模型假說,擬合曲線均通過了P<0.01的檢驗；并且深圳目前所處階段為下降階段。對于典型一次污染物SO2和NO2而言,隨著深圳市人均GDP、人口密度和建成區面積的增加,其濃度呈下降趨勢,也已經處在EKC模型的下降階段,而當深圳市人均GDP發展至16萬之后,深圳市SO2和NO2濃度基本達到并維持在一級標準以下。與其他污染物不同,深圳市O3濃度隨著城市人均GDP、人口密度和建成區面積的增加,呈現先快速增加后趨于平穩的趨勢,整體也表現出倒U型的EKC模型特點,目前處在高濃度的平穩階段。

圖3 深圳市典型空氣污染物與經濟、人口和城市用地發展的關系散點圖Fig.3 Scatter plots of the relationships between typical air pollutants and economy,population and urban land use in Shenzhen

2.2.2深圳市機動車輛變化與空氣質量的關系

以深圳市《統計年鑒》統計的2000—2017年民用機動車輛數據代表深圳市機動車輛的變化,通過分析典型污染物與機動車輛的散點圖發現(圖4),深圳市民用機動車輛從2000至2016年增加了287萬多輛,增加了9倍。而隨著機動車輛的增加,顆粒物濃度開始雖有小幅的增加,但是機動車輛達到80萬輛之后均呈下降的趨勢。SO2呈指數下降趨勢,NO2則呈線性下降趨勢。而O3濃度隨機動車的變化則呈先增加,至機動車增至170萬之后開始趨于平穩的趨勢。擬合曲線均通過了P<0.01的檢驗。可以看出,深圳市機動車數量的增加并沒有完全導致深圳市空氣質量的持續惡化。

圖4 深圳市典型空氣污染物與機動車輛的關系散點圖Fig.4 Scatter plots of the relationships between typical air pollutants and motor vehicles in Shenzhen

2.2.3深圳市產業結構和能源結構變化與空氣質量的關系

由產業結構和能源結構變化與典型空氣污染物濃度變化的散點圖可知,隨著產業結構的不斷升級和能源的結構的優化,PM10、SO2和NO2濃度在逐漸降低,但O3濃度在逐漸增加,且均呈線性趨勢,擬合曲線均通過了P<0.05的檢驗。說明,通過產業結構的升級和能源結構的優化能夠顯著緩解顆粒物產生的污染問題,但是對O3污染問題卻起到反作用(圖5)。

圖5 深圳市典型空氣污染物與產業結構和能源結構的關系散點圖Fig.5 Scatter plots of the relationships between typical air pollutants and the industrial structure and energy structure in Shenzhen

2.3 深圳市空氣污染防治措施演變特征

在“十五”期間,深圳市首要污染物為NO2和PM10。此時,深圳市主控污染源也是圍繞主要污染物進行。如工業和熱電廠產生的燃燒排放、機動車尾氣排放以及各類揚塵污染問題。對應的主要措施有,工業廢氣消煙、除塵脫硫處理；集中供熱,油品脫硫處理；機動車路檢、抽檢、車用燃油清潔劑強制使用、低硫清潔柴油的使用等；針對各類揚塵污染源,加大監管和查處力度等。但是,因為此階段深圳市處于發展的初期,雖然治理具有針對性,但是可能由于治理的力度方向或管理的措施還不夠完善,導致此階段典型污染物,如SO2、NO2、PM10都還是有所上升(圖2、表2)。

在“十一五”期間,深圳市主控污染源方向持續圍繞能產生NO2、SO2等的工業、熱電廠燃燒排放和機動車尾氣排放以及各類揚塵問題。此階段對一次污染物如SO2和NO2治理效果還是比較顯著的,尤其是SO2污染問題,由于油品脫硫、油改氣、集中供熱等措施的執行,其濃度基本降低至10μg/m3左右,同時低N燃料器的改造,新能源(電動)機動車的推廣和使用、各類限行監管措施的實施,使得NO2污染問題也得到了一定程度的改善。但是,對于PM污染問題并沒有得到很大程度的緩解,O3濃度甚至在持續上升。為此,除了持續針對傳統污染源的防控,在“十一五”后期,開始成立“VOC專項”,完成排放源清單的調查,開始關注VOC排放問題,也即O3污染的問題。后期通過對O3前體物的防控,可以看到O3濃度雖然保持在較高的水平但是沒有增加的趨勢(圖2、表2)。

在“十二五”初期,PM10濃度依然維持在較高水平,甚至在前期又開始上升,所以從2013年開始,專門成立“揚塵專項”加大揚塵污染的治理,使得后期PM10濃度持續下降。同時,傳統污染源的防控,如熱電廠燃燒排放和機動車尾氣排放仍然是治理的重點。主要措施如,電廠繼續實施脫硫脫硝降N處理；機動車繼續推廣使用新型能源,嚴格實行排放標準和限行措施等。而在此階段,NO2和SO2污染問題都持續在改善,其中SO2濃度甚至降低至10μg/m3以下。但是,此階段雖然有針對地對VOC污染源進行防控,如家具、噴涂企業,汽車、建筑維修、印刷行業等,使得O3濃度維持在了一定的水平,但O3污染卻依然并沒有明顯的改善。除此之外,隨著粵港澳大灣區城市群發展規劃的制定實施,深圳港口船舶運輸量大幅增加,船舶燃油排放也成為重點關注的對象之一,主要控制措施如低硫油品的使用,“油改氣”、“油改電”等(圖2、表2)。

在“十三五”前期,熱電廠污染已經不再是重點防控的污染源,而機動車尾氣排放依然是持續防控的對象,如繼續加大機動車的電動化率等措施的實施。同時繼續加強港口碼頭污染以及揚塵污染問題的防控。與以往措施不同的是,針對揚塵污染,增加了裸露地表揚塵問題的治理,如通過綠地覆蓋等措施進行防治和污染物尤其是顆粒物等的消減。因此,此時傳統的首要污染物均已經得到了控制,如年平均NO2和PM類污染物均已經達到國家一級標準,SO2濃度基本維持在7μg/m3的較低水平,得到了有效治理。但是O3污染問題依然嚴峻,并成為該階段的首要污染物,雖然針對其前體物的污染源仍在繼續防控,但是O3濃度卻有增加的趨勢,是目前重點防控的污染物類型(圖2、表2)。

3 討論與結論

3.1 深圳市城市化與空氣質量的調控機制、策略與過程

2000—2017年深圳市不同典型污染物在不同階段變化特點不同,主要可能是因為不同階段發展速度和管控的措施和力度具有差異。根據不同污染物的變化特點,可將污染物分為兩類。其中,PM10與SO2和NO2變化特征比較類似,但與O3變化特征具有較大差異。主要原因是SO2和NO2的污染源比較類似,且兩者均是PM10的典型前體物[24]。而對于O3而言,其主要是由其前體物NOX和VOCs在光照的條件下生成[23]。雖然NO2(NOX)濃度在降低,但是因為NO對O3的生成有滴定作用,所以在VOCs控制區,當NOX降低時,對O3生成的抑制性也會降低,進而會導致O3濃度增加[25]。同時因為空氣中PM濃度的減少,大氣能見度提高,光照強度變強,使得O3生成反應可能也在變強。這些結果,也在暗示我們,在霧霾污染逐漸緩解的過程中,可能會導致O3污染的加劇,因此各城市在進行空氣污染的治理時,需要根據各污染物的變化特點和相互之間的關系,不斷調整管控的方向。

典型污染物與深圳市社會經濟發展指標的關系,表明深圳市整個社會經濟快速發展階段并沒有導致典型污染物如PM、SO2和NO2類的污染物的持續惡化,而是很快就越過EKC模型的拐點處在下降階段。主要原因是,深圳市在快速發展的同時也在不斷調整產業結構和能源結構。且產業結構和能源結構與PM10的顯著線性關系也表明其對PM類污染緩解至關重要。而對于O3而言,雖然隨著社會經濟的發展,也滿足EKC的模型假說,但是目前仍處在較高濃度的平穩階段,并且產業結構和能源結構的優化并不能緩解O3污染問題。主要原因可能是一方面因為其前體物如NOX的降低和霧霾污染的緩解對其生成產生了影響；另一方面,研究表明城市熱環境的變化對O3的生成也具有顯著影響[26]。而隨著深圳市城市化的不斷發展,不透水表面不斷增加,使得城市熱污染問題也越來越嚴重[27],進而影響O3的生成與擴散,或許是導致O3污染難以得到緩解的重要原因。

通過分析機動車輛與典型污染物,尤其是與NO2的相互關系,發現作為NO2的主要污染源之一[28],機動車數量的增加并沒有導致NO2的持續惡化。分析可能的原因,一方面是因為,機動車輛與社會經濟發展具有很強的協同性,所以該指標反映的還是社會經濟的特點。而另一個主要的原因,可能是深圳市持續對機動車輛的管控措施的實施起到了很好的效果。如嚴格實行排放和油品標準的同時,不斷推廣和使用新能源,積極提高機動車的電動化率等措施,使得深圳市機動車輛雖然在增加,但是尾氣排放的污染問題卻不嚴重,NO2類污染問題仍然能夠得到很好的緩解。

除了宏觀上產業結構和能源結構的不斷優化,深圳市實施的持續性和針對性的具體措施對于空氣質量的改善也起到至關重要的作用。對于控制目標,在持續控制傳統污染物的同時,隨著首要污染物的變化,及時加入新型污染物的控制。如針對O3污染加劇的問題,深圳市及時展開對其前體物VOCs的防控,并且起到作用,雖然沒有顯著降低O3濃度,卻使得O3污染沒有再繼續加劇。但是,在污染源的控制方面,尤其是在O3前體物VOCs的控制上,主控污染源多關注人為活動排放的VOCs,而忽略對于生物性VOCs的關注和防控。大量研究表明,多數植物能釋放VOCs,參與O3生成[29-31]。因此,弄清楚深圳市生物性VOCs的清單,及其對O3生成的貢獻,進而調整深圳市植被組成對O3污染問題的緩解也至關重要。在油品使用產生的污染控制方面,深圳市通過不斷地調整燃油品質和發展新能源,如,油品脫硫、降N燃燒器的使用以及大量使用電力等新能源,最終成功使得相應污染物實現減排,污染問題也得到了有效的緩解。

3.2 結論與建議

深圳市自改革開放以來,在經濟快速發展的過程中,雖然也經歷了較嚴重的大氣污染問題,如霧霾污染問題,但是目前深圳市的空氣質量已經達到并保持在良好的水平。深圳市各類型空氣污染物與城市社會經濟發展均符合EKC模型假說,進一步驗證了EKC模型在空氣污染問題中的應用。其中PM10、NO2和SO2均已經很快越過了EKC曲線的“拐點”,達到國家空氣質量一級標準,進入改善階段。

目前深圳市的首要污染物為O3,歸結于深圳市的及時防控措施的實施,近幾年O3濃度雖并沒有持續嚴重惡化,但是一直保持在較高水平甚至有上升的趨勢。針對O3污染問題,深圳市今后應重點關注的方向有：城市人為排放VOCs和植物釋放VOCs對O3生成的相對貢獻；城市熱環境對O3濃度的影響等。

深圳市空氣污染問題的快速成功治理,離不開深圳市針對空氣污染問題的防控措施的實施。研究表明通過有效的治理措施的實施,城市空氣污染問題隨著城市社會經濟發展的變化是可以盡早越過EKC模型的拐點,實現持續改善的。

總結深圳市空氣質量改善歷程和措施,發現主要有兩大主要方向：宏觀上嚴格把控；微觀上精準治理。宏觀上,重點放在產業結構和能源結構的快速調整上。而在微觀精細化的管理上,針對空氣污染的治理政策一定要具有持續性、精準性和及時性特點。例如,針對SO2、NO2和PM10的持續性和精準性治理：工業、熱電廠、機動車、揚塵污染等的持續管控；針對O3污染治理的及時性：摸清污染源之后,成立專項及時進行控制。面對新興的污染源,如粵港澳大灣區發展帶來的港口污染問題也及時的進行防控,以至于沒有使空氣污染問題得到惡化。等等措施,都為我國其他城市空氣污染問題的治理提供了很好的借鑒。