新冠肺炎疫情期間冀南地區空氣質量時空變化特征

謝劍鋒，朱永磊，劉力敏，侯冬利，王繼紅，柴彥霄，劉翠棉，胡 鑫，呂 帆，王 輝

1.河北省生態環境監測中心，河北 石家莊 050037 2.河北會有環保科技有限公司，河北 石家莊 050046 3.河北省生態環境工程評估中心，河北 石家莊 050051 4.石家莊市環境監控中心，河北 石家莊 050000

近年來，如何提升區域空氣質量被頻繁提及，典型事件對空氣質量的影響及其所反映出的時空變化規律，為厘清區域污染特征及探索解決方案提供了思路。趙偉等[1]研究了春節期間煙花燃放對珠三角地區空氣質量的影響，結果表明煙花燃放對SO2、PM10、PM2.5濃度影響極大，對CO、O3和NO2則沒有明顯影響；周靜博等[2]研究表明抗戰勝利70周年閱兵活動空氣質量保障措施的實施對細顆粒物濃度有明顯影響，“控車”和“控煤”效果顯著；程念亮等[3]對APEC會議前后北京市空氣質量進行研究，發現各項減排措施的實施帶來的環境效益顯著，對不同類別的站點濃度均有影響，會議期間PM2.5本地貢獻以移動源貢獻為主，減排保障措施對PM2.5濃度有明顯削峰降速作用；徐圣辰等[4]研究表明，G20峰會空氣質量保障機制的實施，使空氣質量明顯改善；ZHANG等[5]研究證實，出行限制與空氣污染的降低密切相關，AQI、PM2.5、CO的變化一部分是由人員流動介導，而SO2、PM10、NO2的變化則完全由人員流動介導；HE等[6]的研究結果表明，城市封控可顯著改善空氣質量，其他類型的疫情防控措施對空氣質量的改善有積極作用。

新冠肺炎疫情管控在各類重大典型事件中具有特殊性。2021年1月6日，因新冠肺炎疫情嚴峻，位于冀南地區的石家莊市、邢臺市相繼實行全域管控，所有城市社區、鄉鎮農村實行封閉管理，居民就地居家隔離，工地停工、企業停產、車輛限行、商場等服務場所關門停業，除防疫工作和民生保障之外的其他社會活動基本停滯，大規模消殺作業緊急啟動[7-9]。2021年1月16日，邢臺市解除全面封閉管控，進入有限控制階段，之后石家莊市也逐步放寬管控，恢復正常生產生活秩序[10]。該地區有史以來最為嚴格的管控措施對原有的生產生活秩序影響巨大，相應的大氣污染物排放情況和空氣質量也發生了顯著變化，環境空氣進入了“準本底”狀況。新冠肺炎疫情管控為研究環境空氣的時空變化規律，解析區域環境空氣污染的特征和成因提供了客觀條件，對同類研究具有重要借鑒意義。

筆者主要采集了研究區域空氣質量常規監測數據和石家莊、邢臺大氣超級站的PM2.5組分數據，通過數據處理分析，研究疫情期間空氣質量變化及污染物排放規律，明確防疫管控措施對空氣質量的具體影響，為疫情過后冀南地區常態化大氣污染防治措施的制定和實施提供科學參考。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

冀南地區位于河北省中南部，包括石家莊市、邢臺市、衡水市、邯鄲市，是典型的暖溫帶大陸性季風氣候區，其中石家莊、邢臺、邯鄲地處太行山東麓與華北平原交匯處，鋼鐵、焦化、水泥、玻璃、煤化工、機械制造等產業發達，為河北省重要的煤炭、鋼鐵、建材、電力生產基地[11-17]。受氣候、地理和產業結構的多重影響，該地區空氣污染問題突出，是京津冀和“2+26”重點城市污染最重的區域。自新的環境空氣質量標準發布實施以來，冀南四市在全國74個重點城市空氣質量排名中長期位于倒數10名的行列，石家莊市、邢臺市和邯鄲市多次位列倒數3名，污染形勢極其嚴峻[18-23]。近年來，冀南四市在大氣污染原因分析等方面做了大量工作，初步掌握了大氣污染的一些規律和成因，并在污染減排和治理上取得了明顯成效[24-32]，但仍有大量問題需要厘清，疫情管控的限產停產措施提供了深入研究分析的機遇。

該次疫情暴發階段，實施全域疫情管控的石家莊市和邢臺市是防控的重點區域，石家莊市藁城區是疫情防控的高風險區域，疫情集中發生的藁城區增村鎮是防控的核心區域。該研究以上述3個區域為重點，以同屬冀南地區且環境條件相近的邯鄲、衡水及石家莊藁城區其他鄉鎮作為對照。

1.2 數據采集

為了保證研究區域的時間一致性和數據可比性，研究時段選為2020年12月27日00：00—2021年1月16日00：00，1月6日00：00為疫情前和疫情中的分界點，前后各10 d。環境空氣質量監測數據來自河北省各市(區)空氣質量監測網絡，主要監測指標為PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O3。同時收集了石家莊市、邢臺市大氣環境超級站PM2.5在線源解析質譜監測系統(SPAMS)的小時數據，主要監測指標為OC、EC、水溶性離子等。

1.3 分析方法

利用SPSS19.0和R 4.0.3等分析軟件，通過時間序列分析和描述性統計分析定量探討研究對象空氣質量情況，并采用特征污染物評價等手段研究空氣質量特征變化規律，同時解析PM2.5組分數據，探究空氣質量及主要污染源的變化情況。

采用禾信PM2.5在線源解析質譜監測系統(SPAMS)來監測PM2.5中各粒子的濃度變化。每3個月通過配置氣溶膠樣品及標準溶液，繪制擬合曲線，對系統內測徑激光光路及質量軸進行校準。

采用正定矩陣因子分解法(PMF)[33-34]對PM2.5的來源進行解析，PMF基本輸入是顆粒物各化學成分的濃度、各化學成分測量的標準偏差，基本方程式為

X=G×F+E

(1)

式中：X為樣品濃度矩陣(n×m，n為樣品數，m為化學成分數)；G為因子(污染源)貢獻矩陣(n×p，p為析出因子個數)；F為因子輪廓矩陣(p×m)；E為殘差矩陣(n×m)。

(2)

式中：eij為第i個樣品中第j個組分的殘差；σij為第i個樣品中第j個組分的不確定度。約束條件G和F中的元素都為非負值，Q(E)是模型的判據之一，PMF模型通過不停運行使Q(E)最小。

2 結果與討論

2.1 冀南四市空氣質量變化趨勢

2.1.1 空氣質量對比分析

疫情期間冀南四市空氣質量整體好轉。圖1為不同時期4個城市綜合指數對比情況。由圖1可知，石家莊市、邢臺市、衡水市和邯鄲市空氣質量綜合指數同比下降率分別達到52.52%、44.03%、35.59%和43.07%，地處疫情防控核心區域的石家莊和邢臺空氣質量綜合指數下降幅度明顯大于衡水和邯鄲，與疫情前相比，環比下降率分別達到14.66%和10.56%。衡水市和邯鄲市雖然不是疫情防控重點區域，但因與石家莊、邢臺毗鄰，疫情期間也采取了比較嚴格的管控措施，空氣質量也得到了一定改善。

圖1 冀南四市不同時期綜合指數對比Fig.1 Comparison of comprehensiveindexes of four cities in SouthernHebei in different periods

圖2為石家莊、邢臺6項污染物平均質量濃度環比情況。

圖2 石家莊和邢臺6項污染物平均環比變化Fig.2 Average changes of six pollutantsbefore and after the epidemic inShijiazhuang and Xingtai

由圖2可知，疫情期間石家莊、邢臺6項污染物中NO2、CO、PM2.5、SO2濃度較疫情前平均下降47.31%、33.03%、25.51%、9.38%，說明疫情防控舉措造成的人為排污行為縮減對空氣質量的改善作用明顯。但同時，石家莊、邢臺PM10和O3濃度較疫情前平均上升28.66%、27.95%。經深入調研分析認為，PM10污染加重的原因，一方面是受疫情期間沙塵過境影響，另一方面是受本地突出的揚塵問題影響。疫情管控采取了諸如社區村鎮封閉、限制防疫無關人員的正常活動等措施，無法對大量建設工地和道路裸露揚塵開展日常管理維護，導致本地揚塵問題較為突出。O3污染加重的原因，一方面是由于PM2.5濃度下降，大氣中具有消光作用的成分減少[35-37]，使近地面輻射強度增大，為O3生成提供了便利條件，另一方面也說明石家莊市和邢臺市在O3及其前體物減排方面有待提升。

2.1.2 日變化規律分析

圖3顯示了石家莊市和邢臺市6項污染物日變化趨勢。

圖3 石家莊市、邢臺市6項污染物日變化趨勢Fig.3 Daily variation trend of six pollutants in Shijiazhuang and Xingtai

由圖3可知，石家莊市和邢臺市的污染物小時濃度均值變化規律在疫情前和疫情中趨勢基本一致，O3和PM10的小時濃度均值相比疫情前均呈現上升趨勢，NO2、CO、SO2和PM2.5的小時濃度均值相比疫情前均呈現下降趨勢，其中O3的上升趨勢和NO2的下降趨勢變化最為明顯。對比2個城市污染物濃度峰值和谷值的出現時間發現，石家莊市均早于邢臺市或兩者相近，其中石家莊市NO2出現谷值時間早于邢臺市4 h，CO、SO2出現谷值時間均早于邢臺市6 h，PM2.5出現谷值時間早于邢臺市3 h，PM10出現峰值時間早于邢臺3 h，O3出現峰值時間與邢臺市基本一致。結合氣象變化因素分析發現，同時段2個區域主導風向為偏北風，平均風速為1.7 m/s，平均溫度為-1.8 ℃，平均濕度為53%，氣象條件穩定，說明2個城市在疫情期間整體污染排放水平變化較大，主要受本地產業結構、地理環境、氣候特征等因素的控制，固定污染源排放特征受疫情影響相對較小。

2.1.3 特征污染物分析

采用“特征污染指數”分析法分析疫情期間特征污染物的變化規律，該方法參照《城市環境空氣質量排名技術規定》[38]中單項質量指數的計算方法，采用單因子指數法對研究地區PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3進行標準化處理，同時結合污染物分布的空間特性、專家打分法和層次分析法確定指標權重，兩者的乘積即研究地區6項污染指標的特征污染指數。將研究地區6項污染指標的特征污染指數平均值作為限定值，超過限定值的特征污染指數所對應的污染指標即為該地的特征污染物，通過數據可視化處理形成特征污染物變化圖。

冀南四市不同時期特征污染物變化情況見圖4。由圖4可見，疫情前冀南四市特征污染物均為PM10、PM2.5和NO2，而疫情期間石家莊市、邢臺市特征污染物發生明顯變化，NO2不再是特征污染物，說明疫情防控重點區域的防控舉措對NO2排放的影響最大；衡水市、邯鄲市因疫情管控措施相對寬松，污染貢獻率較大的仍然是NO2，特征污染物沒有變化。

圖4 冀南四市不同時期特征污染物變化Fig.4 Variation of characteristic pollutants in four citiesin Southern Hebei in different periods

2.1.4 PM2.5來源變化分析

利用PMF分析大氣超級站PM2.5源解析數據，疫情期間石家莊市、邢臺市PM2.5來源發生根本變化，燃煤源和生物質燃燒源占比大幅上升(占比為第一和第二)，機動車尾氣源占比大幅下降，由第二下降至第三。石家莊市PM2.5來源解析見圖5。

圖5 石家莊市PM2.5來源解析Fig.5 Sources apportionment of PM2.5 in Shijiazhuang

由圖5可知，石家莊市疫情期間燃煤源和生物質燃燒源占比較疫情前分別增加4.6個百分點和5.2個百分點，機動車尾氣源占比下降6.9個百分點，由此推測，污染來源此消彼長的主要原因是居民居家隔離期間對采暖需求大幅增加，同時居民出行大幅減少。工業工藝源占比變化幅度不大，推測主要受未停產的大型企業工藝排放的影響。

邢臺市PM2.5來源解析見圖6。由圖6可知，邢臺市情況與石家莊市類似，疫情期間PM2.5中燃煤源和生物質燃燒源占比較疫情前分別增加5.6個百分點和4.4個百分點，機動車尾氣源占比下降3.4個百分點，工業工藝源占比變化幅度不大。說明該市疫情防控有效降低了機動車尾氣排放，但疫情期間一些生產工序不可中斷的燃煤和生物質燃料廢氣排放依然存在，另外居民居家取暖造成的散煤、生物質燃燒現象也相對突出。

圖6 邢臺市PM2.5來源解析Fig.6 Sources apportionment of PM2.5 in Xingtai

2.2 疫情高風險區域空氣質量變化特征

2.2.1 空氣質量改善情況

石家莊市藁城區綜合指數及6項污染物變化情況見圖7和表1。

由圖7及表1可知，藁城區受疫情防控影響，本地空氣質量整體好轉。

圖7 藁城區綜合指數及6項污染物變化趨勢Fig.7 Change trend of the comprehensive indexand six pollutants in Gaocheng District

表1 藁城區綜合指數及6項污染物Table 1 List of the comprehensive index and six pollutants in Gaocheng District

疫情期間藁城區空氣質量綜合指數為4.23，與上一年同期相比下降57.23%，與疫情前相比下降29.38%。6項污染物中，NO2、CO、PM10、PM2.5、SO2較疫情前均有明顯下降，下降率分別達到48.21%、40.00%、17.95%、36.67%、14.29%，說明疫情防控舉措對藁城區空氣質量的影響顯著。O3濃度較疫情前明顯上升，上升幅度為28.57%，一方面與顆粒物濃度降低使區域內消光效應減弱有關[39-41]，另一方面人為排放的NOx大幅降低導致空氣中的O3滴定作用減弱，對O3濃度上升有一定貢獻[5,42-43]。此外，疫情期間全方位、高頻次消殺也可能是造成O3濃度不降反升的原因之一[44-45]。

2.2.2 特征污染物變化

藁城區與疫情低風險區域欒城區毗鄰，地域環境特征相近且產業結構相似，但疫情期間管控力度不同。藁城區與欒城區特征污染物變化情況見圖8。由圖8可見，疫情前藁城區與欒城區特征污染物均為PM10、PM2.5及NO2，疫情中欒城區特征污染物較疫情前沒有明顯變化，而藁城區特征污染物發生了明顯變化，PM2.5不再是特征污染物，O3變為特征污染物之一，表明疫情期間的各項管控措施改變了藁城區的污染構成，對PM2.5和O3影響最為明顯。

圖8 藁城區與欒城區特征污染物變化Fig.8 Variation of characteristic pollutants inGaocheng District and Luancheng District

2.3 疫情防控核心區域空氣質量變化趨勢

2.3.1 空氣質量改善情況

增村鎮綜合指數及6項污染物變化情況見圖9及表2。由圖9及表2可知，作為疫情防控核心區域的增村鎮受防疫舉措影響，本地空氣質量明顯提升。疫情期間增村鎮空氣質量綜合指數為4.21，同比下降60.43%，環比下降33.39%，在藁城區13個鄉鎮中排名第一，與上一年同期相比名次上升4名，與疫情前相比名次上升7名，主要原因為PM2.5、PM10、NO2、CO濃度明顯下降。增村鎮受防疫舉措影響，顆粒物和NOx排放源(如各類機動車、工業企業、建筑工地等)的排放被極大限制，實現了本地空氣質量的提升。

圖9 增村鎮綜合指數及6項污染物變化趨勢Fig.9 Change trend of the comprehensiveindex and six parameters of Zengcun Town

表2 增村鎮綜合指數及6項污染物Table 2 List of the comprehensive index and six parameters in Zengcun Town

2.3.2 特征污染物變化

增村鎮與疫情管控非核心區域南營鎮同屬藁城區且污染結構相似。增村鎮與南營鎮特征污染物變化情況見圖10。由圖10可知，增村鎮疫情前特征污染物與南營鎮相同，均為PM10、PM2.5、NO2，疫情期間南營鎮特征污染物沒有變化，增村鎮特征污染物變為NO2、SO2、O3。說明疫情防控舉措有效抑制了本地顆粒物的排放，但居民長時間居家隔離造成的散煤燃燒強度增加，導致了本地SO2濃度上升。且由表2可知，增村鎮受防疫消殺影響O3濃度同比、環比均有升高，同比升高46.15%，環比升高33.33%。根據新冠肺炎疫情期間藁城區疫情防控前線指揮部印發的《藁城區新冠肺炎疫情防控全域消毒工作方案》，藁城區新冠肺炎疫情期間所使用的消毒劑為500 mg/L二氧化氯或含有效氯1 000 mg/L消毒液。大量研究表明，消毒劑中有效氯消毒過程中產生的Cl-可以與N2O5反應轉化為ClNO2，ClNO2光解產生的氯自由基(Cl·)與大氣中其他有機氣體反應會對O3的產生造成一定影響，促進O3生成[46-48]。據調查核實，增村鎮從2021年1月5日開始每天11：00—15：00對20個行政村的主次干道等公共區域全覆蓋、無死角地噴灑消毒劑，局地高強度、高頻率消殺使ClNO2不斷光解，對氧化劑、O3和NOx分解產生顯著影響。

圖10 增村鎮與南營鎮特征污染物變化Fig.10 Variation of characteristic pollutantsin Zengcun Town and Nanying Town

2.4 疫情分級管控區域空氣質量對比分析

石家莊市、藁城區、增村鎮綜合指數對比情況見圖11。由圖11可知，疫情期間石家莊市、藁城區、增村鎮空氣質量較疫情前均有好轉，區域空氣質量變化情況是增村鎮好于藁城區，藁城區好于石家莊市。疫情期間石家莊市、藁城區、增村鎮綜合指數分別為4.89、4.23、4.21，較疫情前分別下降14.66%、29.38%、33.39%，下降幅度增村鎮大于藁城區，藁城區大于石家莊市，表明疫情管控力度不同對區域空氣質量改善的影響程度不同，增村鎮作為管控的重中之重，本地各類排放源幾乎全部停止排放，空氣質量大幅改善。

圖11 石家莊市、藁城區、增村鎮綜合指數對比Fig.11 Comparison of comprehensive indexesof Shijiazhuang City,GaochengDistrict and Zengcun Town

3 結論

1)疫情期間冀南四市空氣質量整體好轉，細顆粒物和一次排放氣態污染物濃度下降明顯。邯鄲市、衡水市特征污染物在疫情前后沒有變化，而石家莊市、邢臺市疫情期間特征污染物由PM10、PM2.5、NO2變為PM10和PM2.5，且PM2.5來源發生根本變化，這與疫情管控重點區域實施的居家隔離、交通管制和企業停產等舉措直接相關，而PM10環比上升主要是由疫情期間本地揚塵源管理缺失造成。

2)日變化規律研究表明，疫情防控重點區域石家莊市和邢臺市整體污染排放水平變化較大，但固定污染源排放特征受疫情影響相對較小，總體污染狀況主要受本地產業結構、地理環境、氣候特征等因素的控制。

3)疫情防控高風險區域藁城區空氣質量整體改善，防控舉措對該區空氣質量影響顯著，6項污染物中NO2、CO、PM10、PM2.5、SO2含量較疫情前均有明顯下降。說明一些防控舉措(如機動車限行、工業企業停產等)確實有利于本地一次排放污染物(以NO2最為典型)濃度的降低。

4)疫情防控核心區域增村鎮受防疫舉措影響，本地空氣質量明顯提升，在該區13個鄉鎮中排名躍居第一，各類機動車、工業企業、建筑工地等的排放被極大限制。疫情期間大量消毒劑的使用可能是導致O3濃度上升的原因之一，此問題需要進一步探討。

5)疫情防控核心區域、高風險區域、重點區域由于管控力度不同，污染源排放強度存在較大差異，3個區域的空氣質量改善程度呈遞減趨勢。