西安市大氣污染時(shí)空分布特征及其與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)性

程博

摘要 在過(guò)去的幾十年間，空氣質(zhì)量已成為發(fā)展中國(guó)家城市環(huán)境問(wèn)題的重中之重。大氣污染是中國(guó)北方普遍面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)，探討了2013—2021年西安市13個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站6種大氣污染物濃度的時(shí)空變化規(guī)律，以及大氣污染對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的響應(yīng)特征。結(jié)果表明：大氣污染濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，O3在春季和夏季占主導(dǎo)地位，PM10在秋季和冬季占主導(dǎo)地位。除NO2外，其余大氣污染物濃度與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)，工業(yè)SO2和煙塵排放強(qiáng)度（EI）均呈下降趨勢(shì)，環(huán)境規(guī)制強(qiáng)度（ERI）整體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，表明西安市的環(huán)境管理取得了一定的成效。

關(guān)鍵詞 西安市；大氣污染物；時(shí)空分布；經(jīng)濟(jì)發(fā)展

中圖分類號(hào)：X515 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）07–0186-03

隨著中國(guó)大中型企業(yè)的快速發(fā)展，大氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，空氣質(zhì)量已成為發(fā)展中國(guó)家環(huán)境問(wèn)題的重中之重。研究發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)采取的一系列大氣污染防治措施成效較為顯著，京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等中國(guó)重點(diǎn)區(qū)域大氣污染物濃度逐年降低。但西安市目前大氣污染問(wèn)題仍不容忽視，并在一定程度上影響社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。目前，西安市大氣污染研究主要集中于氣象因素方面，而針對(duì)大氣污染的時(shí)空格局和經(jīng)濟(jì)相關(guān)性的研究較少。

鑒于此，應(yīng)對(duì)西安市大氣污染物濃度進(jìn)行時(shí)空分布調(diào)查，并探究空氣污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)性，可為大氣污染治理和城市經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

西安是陜西省的省會(huì)，位于黃河流域中部（107°40′～109°49′E，33°39′～34°45′N），面積約為10 108 km2，人口稠密，約1 300萬(wàn)人口，主要集中在城市地區(qū)，因此交通密度較高。同時(shí)，西安市屬半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，春天溫暖、干燥多風(fēng)，而夏天炎熱，雷雨發(fā)生頻繁，秋季氣溫宜人，以多雨為主，冬季寒冷，降雪少，西安被黃土高原和秦嶺環(huán)抱，區(qū)域性大氣污染普遍嚴(yán)重，無(wú)法有效消除[1]。

1.2 環(huán)境空氣污染數(shù)據(jù)獲取

西安市大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)由13個(gè)國(guó)家空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)組成：草灘、紡織城、高新西區(qū)、高壓開(kāi)關(guān)廠、廣運(yùn)潭、經(jīng)開(kāi)區(qū)、臨潼區(qū)、曲江、市人民體育場(chǎng)、小寨、長(zhǎng)安區(qū)、興慶區(qū)和閻良區(qū)，分別收集上述13個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站2013—2021年臭氧（O3）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、PM2.5、PM10濃度的月平均值。這些數(shù)據(jù)可在西安市生態(tài)環(huán)境局公開(kāi)查閱（http：//xaepb.xa.gov.cn/）。西安市2013—2021年國(guó)民生產(chǎn)總值GDP、環(huán)境保護(hù)投資和廢氣治理費(fèi)用數(shù)據(jù)來(lái)源于《西安統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 環(huán)境管理

本研究中，環(huán)境管理是指計(jì)算出的排放強(qiáng)度（EI）、環(huán)境規(guī)制強(qiáng)度（ERI）。EI是指西安市工業(yè)SO2、煙塵排放量占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的比例。ERI以單位大氣污染物排放的環(huán)境治理投入進(jìn)行衡量，計(jì)算公式為：

ERI=Invest/Polluti

式中，Investi是城市i的環(huán)境治理投資強(qiáng)度，Polluti為城市i的大氣污染物排放量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)確定數(shù)據(jù)集服從正態(tài)分布，分析方法依賴于K-S檢驗(yàn)的結(jié)果。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用Microsoft Excel 2021進(jìn)行，Pearson相關(guān)性采用IBM SPSS Statistics 26軟件分析，采用Origin 2021軟件繪制圖來(lái)。

2 結(jié)果與分析

2.1 西安市大氣污染時(shí)空分布特征

2.1.1 西安市大氣污染變化趨勢(shì) 本研究計(jì)算了西安市2013—2021年空氣污染物濃度的月平均值，分析了西安市空氣污染物濃度的時(shí)間變化趨勢(shì)（圖1）。所有污染物濃度在年內(nèi)均出現(xiàn)一定幅度的波動(dòng)，其中，O3在年內(nèi)濃度表現(xiàn)為先升高后下降；CO、NO2、SO2、PM2.5、PM10在年內(nèi)濃度均表現(xiàn)為先下降后升高。整體來(lái)看，2013—2021年，O3濃度呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，CO、NO2、SO2、PM2.5、PM10濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，CO的下降速度在所有被調(diào)查的空氣污染物中最高。這一結(jié)果表明現(xiàn)有大氣污染控制措施的高效性[2]。

研究表明，黃土高原植被恢復(fù)和城市揚(yáng)塵的控制促進(jìn)了西安市PM10濃度的降低，對(duì)高污染行業(yè)進(jìn)行管理、技術(shù)改進(jìn)和新能源的使用均有助于降低PM2.5濃度。同時(shí)，居民對(duì)煤炭使用的依賴性逐漸減少促使SO2和CO濃度降低。

此外，為應(yīng)對(duì)西安市日益嚴(yán)重的空氣污染，于2016年底開(kāi)始實(shí)施機(jī)動(dòng)車限行政策，減少了NO2濃度，改善了空氣質(zhì)量[3]。因此，環(huán)境保護(hù)政策的落實(shí)、區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善、技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型均在改善空氣質(zhì)量上發(fā)揮著重要作用。2013—2021年，年平均空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖2），其中，AQI最大值為114.3（2013年），最小值為70.3（2020年）。AQI的持續(xù)下降進(jìn)一步證實(shí)了近年來(lái)空氣質(zhì)量得到了明顯的改善。

2.1.2 西安市大氣污染物的季節(jié)特征 西安市主要大氣污染物的比例在不同季節(jié)存在差異（圖3）。O3在春季和夏季占主導(dǎo)地位，其比例分別30.4%和52.4%。研究表明，O3與太陽(yáng)輻射密切相關(guān)，表明春、夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)，進(jìn)而有利于形成高濃度O3污染[4]。PM10在秋季和冬季占主導(dǎo)地位，其比例分別為35.1%和40.2%。研究表明，隨著西北地區(qū)的快速發(fā)展，城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的灰塵，從而導(dǎo)致PM10濃度持續(xù)偏高。

此外，研究表明，秋冬季降雨量少，靜穩(wěn)天氣頻繁，不利于污染物擴(kuò)散，再加上北方秋冬季節(jié)天氣寒冷，居民對(duì)煤炭需求量的增加，導(dǎo)致主要污染物中顆粒物（PM10、PM2.5）所占比例較高[5]。

2.2 不同空氣污染物之間的相關(guān)性分析

表1為2013—2021年西安市不同空氣污染物月平均濃度之間的Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，各大氣污染物之間存在顯著相關(guān)性（P< 0.01）。CO、NO2、SO2、PM2.5和PM10相互之間呈顯著正相關(guān)，且均與O3呈顯著負(fù)相關(guān)。隨著空氣質(zhì)量的改善，太陽(yáng)輻射增加。相關(guān)研究表明，空氣污染物濃度與太陽(yáng)輻射之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，然而O3的形成需要太陽(yáng)輻射的一定積累，O3濃度與太陽(yáng)輻射呈正相關(guān)。因此，O3與其他空氣污染物之間呈顯著負(fù)相關(guān)。

2.3 空氣污染與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系研究

2.3.1 空氣污染與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的相關(guān)性 圖4為2013—2021年西安市生產(chǎn)總值GDP與環(huán)境保護(hù)投資金額變化趨勢(shì)圖。結(jié)果顯示，2013—2021年，國(guó)民生產(chǎn)總值GDP呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，從4 366.1億元增至10 020.39億元，表明人民生活水平在不斷提高。環(huán)境保護(hù)投資呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，其中，2017年投資費(fèi)用達(dá)到最大值，為53.69億元。這可能由于在2017年之前，我國(guó)為了根治環(huán)境污染問(wèn)題，花費(fèi)大量資金，呈現(xiàn)出升高趨勢(shì)，而2017—2021年，環(huán)境污染問(wèn)題得到一定程度的改善，相關(guān)投資費(fèi)用呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

表2為2013—2021年西安市不同大氣污染物與GDP、環(huán)境保護(hù)投資和廢氣治理費(fèi)用之間的Pearson相關(guān)性分析，國(guó)民生產(chǎn)總值GDP與CO、SO2、PM2.5和PM10呈顯著負(fù)相關(guān)（P < 0.01），相關(guān)系數(shù)分別為-0.984、-0.903、-0.831和-0.919，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展越好，大氣污染治理得越好，空氣質(zhì)量越好。而NO2與環(huán)境保護(hù)投資和廢氣治理費(fèi)用呈正相關(guān)關(guān)系（P < 0.05），相關(guān)系數(shù)分別為0.743、0.674。造成這一現(xiàn)象的主要原因與西安市交通因素有關(guān)。近年來(lái)，西安市機(jī)動(dòng)車輛數(shù)量急劇增加，使得機(jī)動(dòng)車輛尾氣排放量增大，從而造成NO2污染嚴(yán)重，從而表現(xiàn)出與環(huán)境保護(hù)投資和廢氣治理費(fèi)用呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3.2 大氣污染物對(duì)環(huán)境管理的響應(yīng) 大氣污染物排放量與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)有著密切的關(guān)系，不適當(dāng)?shù)沫h(huán)境管理政策和低效的工業(yè)技術(shù)往往會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)期間空氣污染物排放量增加。2013—2021年，工業(yè)SO2（圖5a）和煙塵（圖5b）排放強(qiáng)度（EI）均呈下降趨勢(shì)。2016—2017年下降趨勢(shì)最強(qiáng)，工業(yè)二氧化硫排放強(qiáng)度從6.67 t/億元下降至0.78 t/億元，工業(yè)煙塵排放強(qiáng)度從2.83 t/億元下降至0.45 t/億元。環(huán)境規(guī)制強(qiáng)度（ERI）呈現(xiàn)出一定波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)（圖6）。

具體而言，2013—2018年期間，ERI從0.28增至8.82，2019年和2020年出現(xiàn)一定程度的下降，2021年ERI達(dá)到最大值，為9.79。該結(jié)果表明西安地區(qū)大氣污染改善已取得一定的成效。研究表明，污染產(chǎn)業(yè)的調(diào)整優(yōu)化有利于空氣質(zhì)量的改善。例如，2017—2019年，我國(guó)北方數(shù)百家污染行業(yè)關(guān)閉，大氣污染顯著減少。此外，大氣污染是區(qū)域性問(wèn)題，在今后的治理方面，需要多個(gè)省市的行政部門協(xié)調(diào)管理，以期形成區(qū)域環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善和社會(huì)資本有效配置的雙贏局面。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)西安市大氣污染物時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析，并揭示了空氣污染與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的相關(guān)性。總體來(lái)看，2013—2021年，西安市大氣環(huán)境質(zhì)量在逐年變好。除NO2外，其余大氣污染物濃度與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)，且西安市的環(huán)境管理也取得了一定的成效。鑒于此，西安市在未來(lái)的發(fā)展中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車的管理，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的和諧發(fā)展。

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Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Air Pollution and Its Correlation with Economic Development in Xian

Cheng Bo （Xian Peihua University， Xian， Shaanxi 710125）

Abstract Over the past few decades， air quality has become a top priority for urban environmental issues in developing countries. Air pollution is a common environmental challenge in northern China， In this study， the temporal and spatial variations of 6 kinds of air pollutants in 13 air monitoring stations in Xian from 2013 to 2021 were discussed， as well as the response characteristics of air pollution to economic development. The results showed that the overall atmospheric pollution concentration presented a downward trend， with O3 dominating in spring and summer， and PM10 dominating in autumn and winter. Except for NO2， the concentration of other air pollutants is significantly negatively correlated with economic growth. The industrial SO2 and soot emission intensity （EI） both show a downward trend， while the environmental regulation intensity （ERI） shows an overall increasing trend， which indicates that the environmental management of Xian has achieved certain results.

Key words Xian; Air pollutants; Spatial and temporal distribution; Economic development