2001—2020年天津市大氣污染特征的演變與防治歷程

王雪涵，張文慧，畢曉輝*，戴啟立，吳建會，肖致美，張裕芬，馮銀廠

1. 南開大學環境科學與工程學院，中國氣象局-南開大學大氣環境與健康研究聯合實驗室，國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室，天津 300350

2. 天津市生態環境監測中心，天津 300191

大氣污染可對氣候變化[1]、能見度[2]、人類健康[3]等造成一定的負面影響. 根據世界衛生組織調查，仍有92%的人口居住在沒有達到世界衛生組織空氣質量標準的地方[4]. 人為因素對城市污染影響顯著，城市化率、人口、GDP、能源消耗和車輛數量的增加通常導致空氣污染物排放量增加，引起城市空氣質量下降[5-7]. 近幾十年來，多個國家和地區都制定與實施了多種大氣污染防治措施，實現了空氣質量不同程度的改善[8-10]. 近年來，我國開展了強有力的大氣污染防治工作，通過《關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》《空氣污染防治行動計劃》《京津冀及周邊地區大氣污染防治行動計劃實施細則》《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》等實施綜合治理，以及調整產業結構、優化產業布局等一系列舉措，環境空氣質量改善明顯[11-13]，引起全球關注.

天津市是我國北方最大的沿海城市，長期以來遭受著較為嚴重的空氣污染. 近20年來，天津市及周邊區域采取眾多的大氣污染防治措施，環境空氣質量取得顯著改善，京津冀地區2007-2016年SO2濃度下降47.6%[14]，2013-2018年PM10濃度下降44.8%[15]，2014-2018年PM2.5濃度下降40.3%[16]. 該文分析了天津市2001-2020年長時間序列大氣污染特征的演變規律，梳理了天津市大氣污染的防治歷程，識別空氣質量改善的關鍵驅動因素，總結其中的成功經驗，以期為制定未來的大氣污染防治政策、進一步改善區域空氣質量提供科學依據.

1 數據與方法

1.1 研究區域概況

天津市位于華北平原北部，進入21世紀以來，天津市經濟社會發展迅速，其變化趨勢如圖1所示. 根據歷年《天津統計年鑒》數據，2018年天津市的城市面積為11 966 km2，其中建筑竣工面積為2 119 km2.人口從2002年的856×104人增至2019年的1 328×104人. 2019年GDP為14 104×108元，約為2002年的7倍，相當于年均GDP增長率為11%，均高于美國(1870-1913年，4%)和日本(1950-1973年，9%)快速增長期的年均增長水平[17]. 能源消耗量從2002年的3 022×104t(以標準煤當量計)增至2019年的8 241×104t，煤炭消耗量以及水泥產量增長緩慢，生鐵和粗鋼產量分別從2002年的248×104和483×104t增至2019年的2 074×104和2 195×104t. 天津市產業結構從第二產業(從2002年的49%降至2019年的35%)主導向第三產業(從47%升至64%)主導轉變.

1.2 數據來源

基于天津市環境空氣質量國控點監測的大氣污染物(SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3)質量濃度數據，分析天津市近20年空氣質量的變化；人口、產業結構、GDP、燃料用量、能源消耗、機動車數量、建筑施工面積、建筑建成面積等社會經濟數據來自2002-2020年《天津統計年鑒》；2011年、2016年、2017年、2018年、2020年分別采集了天津市環境空氣中的顆粒物(PM2.5)進行分析，樣品采集及分析方法詳見文獻[18-19].

1.3 研究方法

1.3.1Daniel趨勢檢驗

使用基于Spearman相關系數的Daniel檢驗法分析天津市空氣質量的變化趨勢. Daniel檢驗法一般用在時間序列分析中，利用非參數方法Spearman相關系數檢驗兩變量是否相關的原理來檢驗污染物濃度與時間是否存在同時增加或減少的趨勢. 式(1)適用于樣本量(n)＜30的趨勢檢驗，目前該方法在大氣環境領域已被廣泛應用[17,20]，可減弱短期波動對趨勢判斷的影響，多用于驗證長時間序列下污染物濃度變化趨勢是否顯著.

圖 1 天津市GDP及主要工業產品產量年變化率Fig.1 Annual rate of change of gross domestic product and output of major industrial products in Tianjin

式中，rs為秩相關系數，n為樣本量，xi為第i個樣本污染物濃度數值按遞增排列的序數，yi為第i個樣本按時間遞增排列的序數.

rs為正值(負值)代表在統計周期內處于上升(下降)的趨勢. 若|rs|≥Wp(臨界值)，代表變化趨勢具有顯著意義；若|rs|＜Wp，則代表變化趨勢不具有顯著意義，而是處于平穩狀態.

1.3.2偏相關性分析

采用偏相關系數分析天津市污染物與社會經濟因素的相關性. 在多個社會經濟因素影響的情況下，變量之間的相關關系復雜，直接研究兩個變量間的相關系數不能準確說明其真實關系，偏相關性分析法可減弱其他變量影響后再計算相關系數，能夠較為客觀地反映變量之間的相關關系[17].

式中，Rxy,z表示在控制z的條件下x、y間的偏相關系數，Rxy表示變量x、y間的簡單相關系數，Rxz表示變量x、z間的簡單相關系數，Ryz表示變量y、z間的簡單相關系數.

Rxy,z越接近1，表示相關性越大；Rxy,z=1，表示一個變量的變化肯定會引起另一個變量的變化；Rxy,z越接近0，表示二者相關性越低.

2 結果與討論

2.1 空氣質量時間變化特征

2.1.1年變化特征

分析2001-2020年天津市常規6項污染物的變化趨勢(見圖2)發現，SO2和PM10濃度分別從2001年的76和167 μg/m3降至2020年的8和68 μg/m3，SO2濃度達到GB 3095-2012《環境空氣質量標準》一級標準(20 μg/m3)，PM10濃度達到二級標準(70 μg/m3). PM2.5和CO濃度分別從2013年的96和3.7 mg/m3降至2020年的48和1.7 mg/m3，PM2.5濃度仍未達到二級標準(35 μg/m3).

如圖3所示，天津市過去20年GDP、天然氣消耗量和機動車數量均處于上升趨勢，煤炭消耗量處于下降趨勢. 從表1可以看到，對于SO2和PM10，均表現為rs＜0、|rs|＞Wp，說明2001-2020年SO2、PM10濃度均呈顯著下降趨勢；對于NO2，|rs|＜Wp，說明2001-2020年NO2濃度呈現平穩狀態. NO2濃度減少不明顯，可能是因為機動車污染物排放量的增加和燃煤排放量的減少相互抵消[11]. 如圖4所示，2013年之后天津市煤炭消耗量減少，機動車數量增加，NO2濃度保持在46 μg/m3左右.

圖 2 2001—2020年天津市大氣污染物濃度的變化趨勢Fig.2 Evolution trends of air pollutants concentration from 2001 to 2020 in Tianjin

圖 3 天津市大氣污染物濃度與社會經濟指標的變化趨勢Fig.3 Change trends of social-economic indicators and ambient pollutants concentration in Tianjin

表 1 天津市大氣污染物濃度的秩相關系數(rs)分析結果Table 1 Results of coefficient of rank correlation analysis for air pollutants concentration in Tianjin

對于PM2.5和CO，均表現為rs＜0、|rs|＞Wp，說明2013-2020年PM2.5和CO濃度均呈顯著下降趨勢；對于O3，rs＞0、|rs|＜Wp，說明2013-2020年O3濃度上升趨勢不顯著，但是|rs|與Wp接近，仍有潛在的上升趨勢，具體表現在2013-2015年O3濃度呈下降趨勢[21]，2015-2020年呈上升趨勢，其中2015-2017年增幅較大，達到25 μg/(m3·a). CO濃度呈下降趨勢，民用燃煤的減少[22]和油品的升級[23]都有利于CO濃度的降低. 如圖5所示，燃料消耗量降低，天然氣消耗量上升，CO濃度下降. O3濃度從2001年的151 μg/m3升至2020年的190 μg/m3，是GB 3095-2012二級標準限值(160 μg/m3)的1.2倍. O3的生成水平與區域前體物質(VOCs和NOx)排放、煙氣傳輸、光化學反應以及大氣邊界層有關[24-27].

2.1.2月變化特征

圖 4 2002—2019年天津市煤炭消耗量、機動車數量和NO2濃度的變化趨勢Fig.4 Change trends of coal consumption, vehicles and NO2 concentration from 2002 to 2019 in Tianjin

圖 5 2013—2019年天津市燃料消耗量和CO濃度的變化趨勢Fig.5 Change trends of consumption of fuel and CO concentration from 2013 to 2019 in Tianjin

2001-2020年天津市各月份6項污染物濃度月均值變化趨勢如圖6所示. CO月均濃度呈現“U”型模式；NO2月均濃度呈現“V”型模式；PM10和PM2.5月均濃度呈現冬季(12-2月)高、夏季(6-8月)低的特征. 2013年之前SO2月均濃度也呈現“U”型模式，之后沒有非常明顯的季節性變化特征，這與近年來推行濕法脫硫技術、控制燃煤含硫量、加強燃煤鍋爐脫硫建設、實施電廠煙氣脫硫工程等一系列高效措施有密切關系. Song等[28]研究了2014-2015年我國大氣污染物的時空變化特征，各污染物濃度也呈現出明顯的季節性分布特征. 我國冬季5種污染物濃度升高是因為北方常以燃煤和生物質燃燒來供暖，增加了污染物排放量，并且相對靜穩的氣象條件也限制了空氣污染物的稀釋和擴散[28-30]. 而天津市O3月均濃度則呈現倒“U”型模式，有夏季高、冬季低的分布特征. 夏季高溫和強輻射天氣易促進O3生成[31].

2.2 化學組分時間變化特征

圖 6 天津市大氣污染物濃度的月變化特征Fig.6 Monthly variation characteristics of ambient pollutants concentration in Tianjin

天津市2011年、2016年、2017年、2018年和2020年秋冬季PM2.5中主要化學組分占比如圖7所示，結果顯示，PM2.5中碳組分和水溶性離子的占比較大，元素占比較小. 有研究表明，SO42-、NO3-、EC和OC等組分主要富集在PM2.5中[32]，而Na、Mg、Al、Si、Ca和Fe等元素主要富集在PM10中[33]. 2011年天津市PM2.5中OC(12.5%)、SO42-(17.0%)和NO3-(14.6%)的占比較高，2016年OC(10.6%)、SO42-(6.1%)和NO3-(7.5%)的占比較高，2018年OC(8.0%)、SO42-(15.3%)和NO3-(10.2%)的占比較高. 2017年OC(16.9%)、NO3-(16.5%)、SO42-(8.8%)和NH4+(8.3%)的占比較高，而2020年NO3-(17.1%)、NH4+(10.3%)、OC(9.9%)的占比較高.2011-2020年，SO42-占比逐漸降低，而NO3-和NH4+占比逐漸增加，OC占比先上升后下降，EC占比趨于平穩.

如圖8所示，SO42-/NO3-(濃度比)從2011年的1.6降至2020年的0.6，表明煤煙型污染貢獻減弱，機動車尾氣污染貢獻增強，即固定源污染影響減小，移動源污染影響增大. OC/EC (濃度比)從2011年的2.5增至2020年的2.9，可能是因為機動車、工廠等污染源排放的氮氧化物和碳氫化合物等污染物增加，在陽光照射下發生光化學反應形成二次污染，同時也與燃煤、生物質燃燒等EC排放源減少有關.

圖 7 2011—2020年天津市秋冬季PM2.5中主要化學組分的占比Fig.7 Percentage of main chemical compositions in PM2.5 of autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

圖 8 2011—2020年天津市秋冬季SO42-/NO3-與OC/EC的變化Fig.8 Change of OC/EC and SO42-/NO3- in autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

Si等地殼元素是揚塵的標識性組分，Ca是建筑水泥塵的標識性元素. 天津市環境空氣PM2.5中的Si占比減少，從2011年的5.6%降至2020年的1.9%，Ca占比增加，從2011年的1.7%升至2020年的3.9%(見圖9)，表明揚塵受到土壤風沙塵的影響減小，受到建筑施工的影響增大. 隨著城市化的推進，天津市城區綠化覆蓋率一直增加，從2011年的34.5%增至2019年的37.5%，在一定程度上抑制了土壤揚塵污染. 天津市施工面積從2002年的2 817.8×104m2增至2019年的15 616.9×104m2，建筑施工活動較多，對揚塵的貢獻較大. Cu和Zn的變化趨勢相似，除2011年占比較高外，其他年份趨于平穩.

2.3 PM2.5來源的變化特征

圖 9 2011-2020年天津市秋冬季PM2.5中Si和Ca占比的變化Fig.9 Change of percentage of Si and Ca in PM2.5 of autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

運用CMB模型[34-36]對2011年、2016年、2017年、2018年和2020年天津市秋冬季PM2.5進行來源解析，結果如圖10所示. 其中，2011年天津市秋冬季PM2.5來源為燃煤，貢獻率為24.7%；其次為機動車尾氣塵，貢獻率為19.9%；二次粒子(二次有機碳、二次硝酸鹽、二次硫酸鹽)貢獻率為33.1%. 2016年PM2.5的主要來源是燃煤，貢獻率為27.1%；其次是機動車尾氣塵和揚塵，貢獻率分別為21.5%和18.2%；二次粒子貢獻率為28.5%. 2017年天津市PM2.5的主要來源是燃煤(17.8%)、揚塵(15.9%)和機動車尾氣塵(15.2%)，二次粒子的貢獻率(30.3%)有所上升. 2018年PM2.5的主要來源依然是燃煤(19.0%)、機動車尾氣塵(18.0%)和揚塵(14.7%)，二次粒子貢獻率比2017年同期減少了5.3%. 2020年PM2.5的主要來源是機動車尾氣塵(18.2%)、燃煤(16.9%)和揚塵(15.8%)，二次粒子貢獻率比2018年同期增長了10.5%.

如圖11所示，天津市秋冬季PM2.5中二次硫酸鹽貢獻率有所下降，與2011年同期相比，2020年貢獻率減少了74.1%，燃煤貢獻率則下降了31.6%；揚塵和機動車尾氣塵貢獻率分別從2011年的17.7%和19.9%降至2020年的15.8%和18.2%；而二次硝酸鹽貢獻率有所增加，2020年比2011年同期增長了63.3%.

2.4 大氣污染防治歷程與有效性評價

根據2.1.1節的污染物濃度趨勢分析可見，2001-2020年天津市SO2、PM10、PM2.5濃度總體呈下降趨勢. 研究污染物和社會經濟因素關系時，利用偏相關分析控制其他社會經濟因素，可減弱其對所研究相關關系的影響. 如圖12所示，控制天然氣消耗量和用電量因素的影響后，PM2.5濃度下降與煤炭消耗量減少呈顯著相關(R=0.879，P＜0.05)；控制煤炭消耗量和天然氣消耗量后，PM2.5濃度下降與用電量增加呈顯著相關(R=-0.841，P＜0.05). 控制煤炭消耗量后，SO2濃度降低與天然氣使用的推廣呈顯著相關(R=-0.965，P＜0.05). 控制建筑施工面積后，粗顆粒(PM2.5～10)濃度下降與綠化覆蓋率增加呈顯著相關(R=-0.859，P＜0.05).

圖 10 2011—2020年天津市各源類對環境空氣中秋冬季PM2.5的貢獻率Fig.10 Sources percentage contribution in PM2.5 of autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

綜上，該研究從產業能源結構調整、“雙散”管控和末端治理3個方面對天津市大氣污染防治措施進行梳理，對其有效性進行評估.

圖 11 2011—2020年天津市秋冬季PM2.5主要源貢獻率的變化Fig.11 Change of main Sources percentage contribution to ambient PM2.5 of autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

2.4.1產業與能源結構調整初見成效

圖 12 天津市污染物濃度與社會經濟指標之間的關系Fig.12 Relationship between ambient pollutants concentration and social-economic indicators

圖 13 2001—2020年天津市PM10、SO2、PM2.5年均濃度階段變化趨勢Fig.13 The trend of phase changes of PM10, SO2, PM2.5 concentration from 2001 to 2020 in Tianjin

2001-2020年天津市產業結構重心由第二產業向第三產業轉移，能源結構由煤炭為主向清潔能源轉變. 分階段來看：①2001-2005年天津市產業結構對GDP的貢獻主要以第二產業為主，貢獻率在50%左右. 該階段煤炭消耗量不斷增加，天然氣消耗量較少，SO2濃度超過GB 3095-2012二級標準(見圖13).2010年《關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》提出了堅持優化區域產業結構和布局、加強能源的清潔利用等原則. ②2010-2013年天津市產業結構中第二產業貢獻率下降了1.8%，依舊為主導產業；煤炭消耗量在此期間持于上升階段，并在2013年達到最高消耗量，天然氣消耗量和用電量增加，SO2濃度先降后升，總體已達到GB 3095-2012二級標準. ③2013-2017年天津市產業結構中第二產業貢獻率逐漸下降，第三產業貢獻率逐漸上升，且煤炭消耗量大幅減少，天然氣消耗量迅速增加. 該階段天津市SO2濃度下降了72.9%，取得了顯著效果. 在同一時期，我國人為污染排放減少了59%的SO2、21%的NOx、23%的CO、36%的PM10、33%的PM2.5及32%的OC[22]. 2018年《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》要求有效推進北方地區清潔取暖，實現“增氣減煤”. ④2017-2020年天津市產業結構轉變第三產業為主導產業. 2019年天津市煤炭消耗量比2015年下降了17.0%，天然氣消耗量上升了70.5%；2020年PM2.5濃度比2015年下降了31.4%，SO2濃度下降了72.4%；2020年燃煤的貢獻率比2016年減少了37.6%，二次硫酸鹽的貢獻率減少了32.2%. 可見，產業結構與能源結構的有序良性調整使天津市大氣污染防治初見成效.

2.4.2散煤、“散亂污”治理效果明顯

推動散煤清潔化治理和“散亂污”企業整治，實施清潔能源替代和清潔化治理并重措施. 2013年《空氣污染防治行動計劃》和《京津冀及周邊地區大氣污染防治行動計劃實施細則》中規定：小型燃煤鍋爐退役、重點行業污染控制、城市車輛總量控制、燃料質量改善、控制煤炭消耗量、清潔能源供應、煤炭清潔使用等. 實施的一系列大氣污染防治措施使集中供熱排放的PM2.5得到有效控制[37-38]. 但農村地區散煤燃燒問題依然嚴峻，散煤污染物排放量約占采暖季污染物排放量的50%[39]. 2015年天津市修訂了《工業和民用煤質量》煤質地方標準，進一步加嚴煤質指標，在全市域嚴禁使用民用煙煤，并印發《2015年散煤清潔化治理工作方案》持續推進民用散煤污染治理.2013-2017年天津市PM10與PM2.5濃度呈下降趨勢，分別減少了37.3%和35.4%，但仍超過各自相應的GB 3095-2012二級標準. 2017年后天津市整治了約2萬家“散亂污”企業，并推廣天然氣、電力等清潔能源替代，促使散煤加快退出市場，農村生活散煤治理以清潔無煙型煤替代，提高燃煤質量和燃燒效率，減少污染排放. 2017-2020年PM2.5濃度下降了22.6%，PM10濃度下降了27.6%，SO2濃度下降了50.0%. 2020年機動車尾氣塵的貢獻率比2017年下降了19.7%，揚塵的貢獻率下降了0.6%，二次硫酸鹽的貢獻率下降了6.6%.

2.4.3末端治理的管控

2006年我國逐步淘汰中小型發電機組并全面推行高效的煙氣脫硫技術，大氣中SO2濃度有所下降，但也超過GB 3095-2012二級標準. 2014年“美麗天津·一號工程”項目中石化煙氣脫硫除塵每年可減少1 400 t SO2和470 t粉塵的排放. 2015年天津市全面推進潔凈空氣計劃，對22家企業進行脫硫除塵改造；對84座燃煤工業鍋爐進行改燃并更換了24萬臺農村無煙煤爐具. 與2013年相比，2015年SO2與PM2.5濃度分別下降了50.8%和27.1%，且2016年二次硫酸鹽貢獻率比2011年減少了61.8%.

2003年天津市實施“藍天工程”，對揚塵污染提出防治措施，PM10濃度有所下降，但是仍超過GB 3095-2012二級標準，可能是因為“十五”期間天津市進行大規模的市政工程建設，城區快速路和地鐵建設全面展開，施工造成揚塵嚴重[40]. 天津市建筑施工面積從2010年的7 564.3×104m2升至2013年的12 791.0×104m2，增加了69.1%，PM10濃度上升了56.3%.2013年后天津市實施建筑工地、渣土運輸、房屋拆遷和道路揚塵精細化管理，嚴格實施封閉、高欄圍擋、噴淋等工程措施，消除建成區裸露地面. 2013-2020年建成區綠化覆蓋率從34.9%增至37.5%，PM10濃度降低了54.7%，且2020年揚塵的貢獻率比2011年下降了10.7%.

3 結論

a) 在長期趨勢變化上，2001-2020年天津市環境空氣中SO2、PM2.5、PM10和CO濃度均呈顯著下降趨勢，NO2濃度處于平穩狀態，O3濃度有潛在的上升趨勢；SO2、PM2.5、PM10、CO和NO2濃度均呈現冬季高、夏季低的分布特征；O3濃度則是夏季高、冬季低.

b) 在顆粒物化學組成上，PM2.5中SO42-的占比逐漸減少，NO3-和NH4+占比逐漸增加，Si占比減少，Ca占比增加；反映在顆粒物來源上，二次硫酸鹽、燃煤貢獻率的降幅較大，揚塵貢獻率有所下降，機動車尾氣塵貢獻率基本穩定，二次硝酸鹽貢獻率顯著增加.

c) 在大氣污染類型上，過去20年來，天津市大氣污染類型已由燃煤揚塵為主的一次混合型逐漸演變為O3與PM2.5為代表的二次復合型.

d) 在大氣防治對策的有效性上，2013年以來產業結構與能源結構的調整，區域性的煙氣脫硫、“雙散”治理以及大規模取締中小燃煤鍋爐等重大舉措對天津市環境空氣質量改善具有明顯效果. 未來要緊密結合國家“雙碳”戰略，進一步優化產業與能源結構，實現環境空氣質量的持續改善.