南水北調中線核心水源區空氣質量演化特征研究

李春杰

摘 ?要：南水北調中線核心水源區是調水工程最后一道生態屏障和水源保護最為敏感的區域，然而有關南水北調中線核心水源區空氣質量演變特征的研究鮮見于報道。本文通過采集分析2014—2020年南水北調中線核心水源區空氣質量數據資料，對PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3等大氣污染物進行系統分析。研究結果表明：南水北調中線核心水源區空氣質量整體上以良好和輕度污染為主，冬季是大氣污染相對嚴重的季節。2014—2020年的監測中AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2均呈現波動下降趨勢，空氣質量正在得到持續改善。主要污染物PM2.5、PM10、SO2濃度12月至次年2月期間明顯偏高?？刂乒I廢氣、機動車尾氣排放，可提降低大氣污染濃度從而提升南水北調中線核心水源區空氣質量，本文可為南水北調中線核心水源區大氣污染控制、水環境保護提供借鑒。

關鍵詞：南水北調中線核心水源區;空氣質量;大氣污染物;演化特征

Study on the Evolution Characteristics of Air Quality in the Core Headwaters Area in Central Project of Water Adjustment from South to

North

LI Chunjie

（School of Geography and Tourism， Nanyang Normal University， Nanyang， Henan Province， 473061 China）

Abstract： The core headwaters area in central project of water adjustment from South to North is the ecological barrier and the most sensitive area for water source protection. In this study， the core headwaters area in central project of water adjustment from South to North from 2014 to 2020 were collected and analyzed， and the atmospheric pollutants such as PM2.5， PM10， CO， SO2， NO2 and O3 were systematically analyzed. The results showed that the air quality in the core headwaters area in central project of water adjustment from South to North were mainly good and slightly polluted， and winter is a relatively serious season of air pollution. During the monitoring period from 2014 to 2020， AQI， PM2.5， PM10， CO and SO2 all showed a trend of fluctuation and decline， and air quality is continuously improving. The concentration of major pollutants PM2.5， PM10 and SO2 were significantly higher from December to February of the next year. The control of industrial and motor vehicle exhaust emissions can reduce air pollution concentration and improve air quality in ?the core headwaters area in central project of water adjustment from South to North. This study could provide reference for air pollution control and water environment protection in ?the core headwaters area in central project of water adjustment from South to North.

Key Words： The core headwaters area in central project of water adjustment from South to North;Air quality; Air pollutants; Evolution characteristics

據統計，截止2020年末南水北調中線核心水源區常住人口超過了1200萬，加之經濟社會的快速迅速，使得該地區大氣污染形勢嚴峻[1-2]。同時，南水北調中線核心水源區特殊的盆地地形使得本地排放難以有效擴散，這些污染物在高濕環境中可以快速轉化為二次污染，并顯現出多污染物共存、多污染源疊加、多過程耦合、多尺度關聯的特點[3-5]。當前南水北調中線核心水源區已經成為我國的重點灰霾區域，相比其他大氣重污染地區，如京津冀、長三角和珠三角等地，當前對南水北調中線核心水源區的大氣污染過程和演變的研究相對較少。雖然政府部門已經采取了許多嚴格有效的措施來減少污染，但目前的南水北調中線核心水源區污染水平與《國家環境空氣質量標準》（GB3095-2012）允許的水平仍然存在著巨大的差距[6]。

南水北調中線工程是我國水資源調節的重大戰略性工程，南水北調中線核心水源區也是調水工程最后一道生態屏障和水源保護最為敏感的區域，由于大氣沉降的存在，大氣顆粒物可能會對南水北調核心水源區水質產生影響，然而關于南水北調中線核心水源區空氣質量的相關研究鮮見于報道。本文采用南水北調中線核心水源區國控點和省控點數據，通過數據統計的方法對大氣主要污染物做長時間序列分析，旨在闡明空氣污染物季節及年際的組成和演變規律，從而為南水北調中線核心水源區大氣污染物來源解析和大氣污染防控提供理論基礎和決策依據。

1 研究方法

1.1研究區概況

南水北調中線核心水源區地處中國自然地理南北過渡帶，氣候屬亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶，是長江、淮河兩大水系支流上游發源地之一。年平均氣溫約16℃，1月平均氣溫約1.3℃，7月平均氣溫約27.6℃，氣候溫和，無霜期長，雨量豐沛，降水主要集中在6～9月，年降水量為900～1100mm。研究區主要地貌類型以山地、丘陵、洪積平原和河谷平原為主。土地利用現狀主要有水澆地、旱地、林地和灌木林地。研究區喀斯特地質發育，成土母質由石灰巖、片麻巖等發育而成，質地疏松，土壤類型以黃棕壤和砂姜黑土為主，分別占研究區總面積的39.2%和30.7%。

1.2數據來源

南水北調中線核心水源區現有5個國控環境空氣質量在線自動監測點，分別位于南陽市氣象站、漢畫館、瓦房莊、南陽理工學院、南陽市環保局，10個省控點分別為新野縣環保局自動站、新野縣聾啞學校、涅陽中學、新野縣人民政府、方城五高、淅川縣監測站環保局、南召晏工業區、南召縣思源實驗學校、唐河沿河廣場、社旗縣委。本文所的細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和臭氧（O3）均來源于國控點和省控點15個站點數據。本文選用的數據時間范圍為2014年1月1日到2020年12月31日期間，所用數據均為監測點的平均值。為了監測南水北調中線核心水源區的空氣質量整體狀況和變化趨勢，參照標準《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》（HJ663-2012）、《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）?？諝馕廴局笖禐?1-100，空氣質量二級屬于良?？諝馕廴局笖禐?01～150，空氣質量三級屬于輕度污染?？諝馕廴局笖禐?51～200，空氣質量四級屬于中度污染?？諝馕廴局笖禐?01～300，空氣質量五級屬于重度污染。按照北半球氣象研究慣例：3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季，據此進行數據處理。運用R語言和SPSS16.0、Origin2018軟件等數理統計分析軟件，對監測數據結果進行分析處理與評價。

2 結果與分析

2.1 南水北調中線核心水源區空氣質量年內變化分析

通過對南水北調中線核心水源區2014—2020年各監測點AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3等污染物月均濃度值進行分析比較，月均AQI均未到達一級標準，月均AQI達到二級標準的有54個月，占比為64.3%，達到三級標準的月數為24個，占比28.6%，達到四級標準的月數為5個，占比5.9%，達到五級標準的月數為1個，占比1.2%，空氣質量整體以良好和輕度污染為主（表1），以全球尺度對比，南水北調中線核心水源區空氣質量也相對較低。PM2.5、PM10、SO2濃度12月至次年2月期間明顯偏高[7-9]，CO濃度9月至次年3月期間明顯偏高，NO2濃度10月至次年1月期間偏高，與靜穩天氣基本一致，大氣污染物與大氣運動可能存在協同現象（表2、表3、表4）。O3濃度在4月至9月期間明顯偏高，與PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2變化趨勢存在一定程度反轉的現象。南水北調中線核心水源區環境空氣質量在7～10月份空氣質量最高，與夏季降雨期基本一致，大氣降水和對流一定程度上消解了大氣污染物提高了空氣質量。AQI冬季最高為142.9μg/m3，春季次之，秋季最低。PM2.5冬季最高為108.0μg/m3，秋季次之，夏季最低。PM10冬季最高為160.0 μg/m3，春季次之，夏季最低。SO2冬季最高為21.1μg/m3，春季次之，夏季最低。NO2冬季最高為36.1μg/m3，秋季次之，夏季最低。O3夏季最高為141.3μg/m3，春季次之，冬季最低（表5）。冬季是大氣污染相對嚴重的季節，與靜穩天氣基本一致。

2.2 南水北調中線核心水源區空氣質量年際變化分析

2014—2020年南水北調中線核心水源區的空氣質量監測中AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2均呈現波動下降趨勢，其中SO2排放量大幅減少（表6），這與國務院2013年頒布《大氣污染防治行動計劃》的時間基本吻合，說明政策因素對于南水北調中線核心水源區大氣環境保護的促進作用。2014年1月份AQI值超過200，達到重度污染水平。在2015、2016、2018、2019年的1月份AQI均值在151～200之間，達到中度污染水平。表5給出了2014—2020年南水北調中線核心水源區PM2.5質量濃度年均值變化。南水北調中線核心水源區的PM2.5質量濃度年均值整體呈現波動下降趨勢，從2014年的82.5μg/m3降到2020年的51.1μg/m3，PM10也具有近似的規律，從2014年的138.5μg/m3降到2020年的84.0μg/m3（表2），這可能與“大氣十條”中加強工業排放標準，淘汰落后產能，升級清潔燃燒技術和關停燃煤小鍋爐等措施有關，證實了“大氣十條”實施的有效性。顆粒物作為我國長期主要的大氣污染物之一，是全國大氣污染防控的重點[10-12]。NO2在2018年均濃度較高，達到32.8μg/。O3在2019年達到最大值為107.5μg/m3，達到二級標準。2014—2020年O3呈現波動上升趨勢[13]，在2019年達到最高值為107.5μg/m3。說明二次污染物有所上升趨勢，并且二次污染物正在成為主要的污染物類型。

2.3污染物相關性分析

運用Pearson相關系數法對6種主要污染物進行相關性分析，由表7可知，AQI與PM2.5、PM10、CO正相關系數較高，PM10跟一次大氣污染物的排放有關，PM2.5跟二次大氣污染物的顯著相關，SO2、NO2與PM2.5、PM10、CO顯著性正相關，污染物含量相關性顯著，說明可能有相似的來源[14]，主要與南水北調中線核心水源區工業廢氣和機動車尾氣排放有關[15]，空氣中的SO2和NO2通過反應氧化形成酸性氣溶膠，再與大氣中NH3反應生成硫酸銨和硝酸銨氣溶膠粒子，最終轉化為硫酸鹽及硝酸鹽顆粒物，而硫酸鹽和硝酸鹽又是PM2.5和PM10中的重要組分[16-17]。O3與AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2均呈現顯著負相關關系，SO2和NO2是形成顆粒物和 O3的重要前提物，O3形成過程比較復雜與太陽輻射及前體物光化學反應有關，且與二次污染物演變過程緊密相關，說明南水北調中線核心水源區大氣二次污染物比重較大。氮氧化物和碳氫化合物在日光照射下也會發生光化學反應生成O3，因此主要污染物來源是工業排放的廢氣、機動車尾排放?？刂茩C工業廢氣、動車尾氣排放，使用清潔能源，可提降低大氣污染濃度，提升南水北調中線核心水源區空氣質量。

3 結論

本文從大氣污染物AQI及PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3七大指標的角度，分析了南水北調中線核心水源區空氣質量現狀，研究發現南水北調中線核心水源區達到二級標準月份占比為64.3%，三級標準占比28.6%，四級標準占比5.9%，五級標準占比1.2%，空氣質量整體以良好和輕度污染為主，空氣質量整體以良好和輕度污染為主，冬季是大氣污染相對嚴重的季節，與靜穩天氣基本一致。2014—2020年的監測中AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2均呈現波動下降趨勢，南水北調中線核心水源區空氣質量的改善和“大氣十條”出臺的時間吻合，說明政策因素在南水北調中線核心水源區大氣環境保護方面的重要意義。污染物主要以PM2.5、PM10、NO2和O3為主，PM2.5、PM10、NO2和O3在少數月份高于《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）中的二級標準，二次污染物比重較大。國控點主要污染物PM2.5、PM10、NO2、SO2濃度12月至次年2月期間明顯偏高，CO濃度9月至次年3月期間明顯偏高，NO2濃度10月至次年1月期間偏高，O3濃度在4月至9月期間明顯偏高控制工業廢氣、機動車尾氣排放，使用清潔能源，可提降低大氣污染濃度，提升南水北調中線核心水源區空氣質量，本研究可為南水北調中線核心水源區大氣污染控制、水環境保護提供借鑒。

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