內(nèi)蒙古自治區(qū)臭氧污染特征及時空重點管控區(qū)段研究*

米 敬 程宇飛

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境科學研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011;2.海口經(jīng)濟學院,海南 海口 571132;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

近地面臭氧(O3)是造成慢性呼吸道疾病和導(dǎo)致霧霾的主要大氣環(huán)境污染物[1-2]。近年,我國許多地區(qū)O3已反超細顆粒物成為影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物[3-4]。“十三五”以來,隨著工業(yè)化程度顯著提升,內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染問題也日益突出[5],但全區(qū)O3濃度分布在工業(yè)分布、氣流等因素影響下,存在顯著的空間不均勻性。

烏海及其周邊地區(qū)是重工業(yè)基地,是內(nèi)蒙古自治區(qū)O3濃度高值區(qū)[6-8]。河套灌區(qū)是我國最大的引黃灌區(qū),對于國家糧食生產(chǎn)至關(guān)重要。O3超標將導(dǎo)致小麥等主要經(jīng)濟作物光合作用受限、葉片受損、產(chǎn)量下降[9-10],因此河套灌區(qū)也是O3防治典型區(qū)。“一湖兩海”(包括呼倫湖、烏梁素海和岱海)也正面臨著嚴重的O3污染威脅[11-13]。

另外,O3污染存在顯著的時間差異。周海軍等[14]研究發(fā)現(xiàn),包頭市O3污染主要出現(xiàn)在6—8月。曹星輝[15]研究表明,O3濃度夏季高、冬季低。江靖等[16]指出,呼和浩特市O3濃度隨溫度和日照時長增加而增加。由此可見,O3污染會因季節(jié)、溫度等因素的變化而變化。

因此,本研究以河套灌區(qū)、“一湖兩海”、烏海及周邊地區(qū)為O3防治典型區(qū)對內(nèi)蒙古自治區(qū)進行O3污染特征研究,提出O3污染重點管控時段和區(qū)域,為因地制宜地治理內(nèi)蒙古自治區(qū)O3污染提供理論和實踐支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 O3防治典型區(qū)界定

烏海及周邊地區(qū)、“一湖兩海”和河套灌區(qū)包含的內(nèi)蒙古自治區(qū)O3防治典型區(qū)主要包括呼倫貝爾市、巴彥淖爾市、烏海市、包頭市、烏蘭察布市、呼和浩特市、鄂爾多斯市和阿拉善盟。其中,河套灌區(qū)包括呼和浩特市、包頭市、烏蘭察布市、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、烏海市和阿拉善盟;“一湖兩海”包括呼倫貝爾市、巴彥淖爾市和烏蘭察布市;烏海及周邊地區(qū)包括烏海市、鄂爾多斯市和阿拉善盟。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2015—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3數(shù)據(jù)由內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站提供,包括全區(qū)12個盟市103個旗(縣、區(qū))。2019—2021年O3防治典型區(qū)的PM2.5數(shù)據(jù)也由內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站提供。包頭市的氣象數(shù)據(jù)、揮發(fā)性有機物(VOCs)排放量、氮氧化物(NOx)排放量、機動車保有量、污染源等有關(guān)數(shù)據(jù)來自包頭市生態(tài)環(huán)境局。

1.3 評價方法

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 633—2012),本研究中O3日評價以日最大8 h平均計,月評價與年評價以日最大8 h平均的第90百分位數(shù)計,為方便起見若無歧義統(tǒng)稱為O3濃度(有特殊說明除外)。O3污染級別根據(jù)HJ 633—2012評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)蒙古自治區(qū)O3污染特征

2.1.1 2015—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3濃度年變化特征

內(nèi)蒙古自治區(qū)O3質(zhì)量濃度年變化特征如表1所示。雖然O3濃度通常以日最大8 h平均的第90百分位數(shù)計,但為了更加全面地刻畫2015—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3濃度年變化,分別用第90、50、10百分位數(shù)作為高、中、低濃度進行分析。由表1可見,中、高O3濃度在2019年前總體逐年增加,2019年達到峰值后,2020、2021年有所降低。低O3濃度在2019年前增長較慢,但2020、2021年增長較快,始終處于增長狀態(tài)。由此可見,2020、2021年中、高O3濃度較2019年降低,而低O3濃度顯著升高,說明2020、2021年O3污染程度出現(xiàn)下降趨勢,2019—2021年基本反映了內(nèi)蒙古自治區(qū)O3污染的現(xiàn)狀。

表1 2015—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3質(zhì)量濃度Table 1 O3 mass concentrations in Inner Mongolia Autonomous Region from 2015 to 2021 μg/m3

由表2可見,2019—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)12個盟市的O3質(zhì)量濃度均未超過GB 3095—2012二級標準限值(160 μg/m3),3年全區(qū)O3質(zhì)量濃度分別為137、129、131 μg/m3;全區(qū)日濃度超標天數(shù)分別為160、93、129 d;以O(shè)3為首要污染物的超標天數(shù)分別占當年總超標天數(shù)的40.0%、22.4%、26.1%。進一步分析發(fā)現(xiàn),2019—2021年全區(qū)O3輕度污染天數(shù)分別為159、91、127 d,中度污染分別為1、2、2 d,未出現(xiàn)重度污染和嚴重污染。

表2 2019—2021年12個盟市O3質(zhì)量濃度及超標情況Table 2 The mass concentrations and exceeding status of O3 in 12 municipalities from 2019 to 2021

2.1.2 內(nèi)蒙古自治區(qū)O3濃度空間分布特征

在SuperMap iDesktop10.1軟件中選用距離反比法進行空間插值分析內(nèi)蒙古自治區(qū)2019—2021年的O3濃度變化,發(fā)現(xiàn)3年的O3濃度空間分布規(guī)律相似,總體呈西部和東南部高,中部和東北部低的特點,圖1給出了2019年典型的空間分布圖。西部O3濃度特別高是因為西部煤炭資源豐富,煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達,還分布著化工、焦化、建材、火電等眾多企業(yè),排放大量O3前體物VOCs和NOx[17-18]。由此可見,內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染防治重點區(qū)域應(yīng)在西部和東南部地區(qū),這些區(qū)域大多屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)O3防治典型區(qū),在后續(xù)環(huán)境管理中應(yīng)重點在這些地區(qū)實施分區(qū)管控及區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

圖1 內(nèi)蒙古自治區(qū)2019年O3質(zhì)量濃度空間分布Fig.1 Spatial distribution of O3 mass oncentration in Inner Mongolia Autonomous Region in 2019

全區(qū)每年O3質(zhì)量濃度前三的盟市統(tǒng)計結(jié)果如表3所示,其中呼和浩特市、鄂爾多斯市、通遼市出現(xiàn)次數(shù)最多,均出現(xiàn)了5次,另外赤峰市出現(xiàn)了3次,包頭市和烏蘭察布市均出現(xiàn)了2次,烏海市出現(xiàn)了1次,說明呼和浩特市、鄂爾多斯市、通遼市O3污染比較嚴重,集中發(fā)生的時間在5—8月。

表3 2015—2021年全區(qū)O3質(zhì)量濃度前三的盟市Table 3 Top three municipalities of O3 mass concentrations in the region from 2015 to 2021

2.2 O3防治典型區(qū)污染特征

2019—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)O3防治典型區(qū)的O3質(zhì)量濃度月變化見圖2(a),最大值均出現(xiàn)在7月,5—8月O3濃度較高,最小值均出現(xiàn)在12月,1、11—12月O3濃度較低,這是因為NOx、VOCs等O3前體物受光照條件的季節(jié)變化影響比較顯著[19-20]。2019—2021年,烏海及周邊地區(qū)O3質(zhì)量濃度平均值為127 μg/m3,河套灌區(qū)為121 μg/m3,“一湖兩海”為108 μg/m3。可見,烏海及周邊地區(qū)的O3濃度最高,這可能與烏海及周邊地區(qū)化工園區(qū)數(shù)量多,排放大量O3前體物有關(guān)[21]。

圖2 2019—2021年O3防治典型區(qū)的O3和PM2.5質(zhì)量濃度月變化Fig.2 Monthly changes of O3 and PM2.5 mass concentrations in O3 prevention and control typical regions from 2019 to 2021

比較3個O3防治典型區(qū)中O3和PM2.5質(zhì)量濃度月變化(見圖2)發(fā)現(xiàn),O3呈“凸線”趨勢,而PM2.5呈“凹線”趨勢,分析每月兩者間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)1、10兩月兩者呈顯著負相關(guān)(p<0.01),這是因為較高濃度的PM2.5可降低消光系數(shù)和大氣輻射強度,不利于O3生成[22-23]。

2.3 污染原因初探

包頭市屬于O3防治典型區(qū),又位于全區(qū)的中間位置,因此以包頭市為例初步探究內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染原因。

2.3.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及機動車尾氣方面

包頭市是內(nèi)蒙古自治區(qū)最大的工業(yè)城市,擁有全區(qū)最大的鋼鐵、鋁業(yè)、裝備制造和稀土加工企業(yè),是國家和內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的能源、原材料、稀土、新型煤化工和裝備制造基地,形成了東部鋁業(yè),西部鋼鐵、煤化工和稀土產(chǎn)業(yè),南部高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),北部裝備制造業(yè)等多種產(chǎn)業(yè)聚集分布的特征。這些產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)過程中排放大量的O3前體物NOx[24]、VOCs[25-26],造成包頭市O3污染。

包頭市近年機動車數(shù)量也逐年增加,由此導(dǎo)致機動車尾氣排放量逐年增加,特別是NOx[27],成為包頭市O3污染的重要原因之一。

包頭市及周邊主要的火電、黑色及有色金屬冶煉等行業(yè)涉及重要的燃燒源。2015年包頭市電力行業(yè)等燃燒源的VOCs和NOx排放量分別為2 647.01、52 036.89 t/a;鋼鐵、有色金屬冶煉、焦化及煤化工、水泥等建筑工業(yè)燃燒源的VOCs和NOx排放量分別為14 330.40、41 718.81 t/a;生活源的VOCs和NOx排放量分別為15 390.98、3 499.52 t/a;移動源的VOCs和NOx排放量分別為12 573.65、21 969.75 t/a。O3由VOCs和NOx等物質(zhì)在紫外光照和高溫等條件的作用下發(fā)生光化學反應(yīng)生成。VOCs除加速O3生成并增加大氣氧化性外,還會促進SO2、NOx等污染氣體轉(zhuǎn)化成硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠,進而形成PM2.5。

2.3.2 氣象因素對O3的影響

近地面O3濃度還與氣象條件有密切關(guān)系[28]。2021年包頭市年平均氣溫為8.4 ℃,年平均風速為2.9 m/s,年總降水量為240.4 mm,年日照時數(shù)為2 978.9 h,年平均相對濕度為58%。2020—2021年包頭市O3濃度與溫度、風速的Pearson相關(guān)系數(shù)如表4所示。O3濃度與氣溫、風速均呈正相關(guān)關(guān)系,這是因為溫度越高越有利于光化學反應(yīng)生成O3。O3濃度與風速呈正相關(guān)關(guān)系可能是因為風對污染物的混合作用大于擴散作用[29]。具體分析發(fā)現(xiàn),包頭市O3小時濃度在溫度處于超過25 ℃時就開始超過GB 3095—2012二級標準限值。2020—2021年包頭市O3濃度隨風速增大而升高主要發(fā)生在風速低于5 m/s時。由此可見,包頭市在溫度大于25 ℃且風速小于5 m/s時最易促使O3濃度升高。

表4 2020—2021年包頭市O3和氣象因素相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation between O3 and meteorological factors in Baotou City from 2020 to 2021

3 結(jié) 論

(1) 內(nèi)蒙古自治區(qū)2020、2021年相比2019年O3污染程度出現(xiàn)下降趨勢。2019—2021年基本反映了內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染現(xiàn)狀,12個盟市的O3質(zhì)量濃度均未超過GB 3095—2012二級標準限值(160 μg/m3)。空間分布上呈西部和東南部高,中部和東北部低的特點,建議對烏海及周邊地區(qū)、河套灌區(qū)和“一湖兩海”O(jiān)3防治典型區(qū)進行重點管控,5—8月應(yīng)為重點管控時段。

(2) 以包頭市為例初步探究內(nèi)蒙古自治區(qū)的O3污染原因發(fā)現(xiàn),產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和機動車尾氣是包頭市O3污染的重要原因,溫度大于25 ℃且風速小于5 m/s時溫度和風速增大易促進O3濃度升高。