2003—2011年太原市大气环境质量评价及污染特征分析

魏民秀，赵先贵

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)

太原市作为我国的能源重化工基地，大气污染比较严重.据2009年环境监测数据显示：2009年PM10、SO2、NO2空气污染负荷所占比例分别为41.09%、8.45%、10.85%[1]，与现行国家环境空气质量二级标准(GB3095—1996环境空气质量标准)相比，除NO2达到一级标准之外，PM10和SO2均超过现行国家环境空气质量二级标准，这种大气质量已直接危害到市民的身心健康[2].段永蕙等[3]采用上海大气质量指数法，对太原市1996—2000年的大气环境质量进行评价.2001年，赵宝新等[4]对太原市空气污染物对人群健康危害进行了研究，虽已有不少学者通过实际监测数据对太原市空气质量进行了研究.但大多限于太原市某一个或几个区，且监测年份较短，没有真正反映整个市区在持续稳定时间段内的空气质量[5].本文以整个市区，2003—2011近10年的监测数据为依据，采用API指数法来评价空气质量状况，并采用Spearman秩相关系数法对市区未来的空气质量进行预测.了解太原市空气质量现状，不仅可以为大气环境质量监管工作提供理论依据，而且能唤起人们的环保意识，防止太原市大气环境质量继续恶化.

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 大气污染物负荷法

运用大气污染物负荷法，首先计算出各污染物的分指数，然后根据各污染物的分指数计算出污染物的负荷系数.

计算公式为：

(1)

.

(2)

式中Fi为某污染物负荷系数；n为大气污染物的项目数；Pi为某污染物的分指数；Ci为某污染物的年均值浓度；Si为某污染物的标准浓度.

1.1.2 API指数法

方法原理：该方法是先根据各污染物的监测浓度值计算各污染物的分指数，分指数最大的污染物为

首要污染物，最大的分指数即为空气污染指数(API).污染物的分指数Ix由实测浓度值按照分段线性方程计算.

计算公式为：

(3)

式中Ix为污染物x的污染分指数；Cx为污染物x的监测浓度值；Ixj为第j转折点的污染分项指数；Ix,j+1为第j+1转折点的污染分项指数值；Cx,j为第j转折点的污染物的(对应于Ix,j)浓度限值；Cx,j+1为第j+1转折点的污染物的(对应于Ix,j+1)浓度限值.

3种污染物的污染分指数都计算出来以后，取最大者为该区域或城市的空气污染指数API，则该项污染物即为该区域或城市空气中的首要污染物 API =max(I1,I2,Ix,…,In).该法简洁、综合、直观，目前是我国城市环境空气质量评价中采用的最主要方法.

1.1.3 Spearman秩相关系数法

对3项主要污染物的浓度值进行Spearman秩相关系数分析，并对太原市大气主要污染物污染指数变化趋势进行定量分析，来预测未来市区大气质量变化趋势，采用Spss16.0输出结果.取置信度为95%、W0.05=0.90为参照标准，3项主要污染物的分析结果见表3.将相关系数Rs的绝对值同Spearman秩相关系数统计表中的Wp进行比较，如果Rs>Wp则表明变化趋势有显著意义；如果Rs是正值表明变化为上升趋势，反之Rs为负值是下降趋势.

1.2 数据来源

本文研究的基础数据来源于2003—2011年太原市环境监测中心站.现行国家环境空气质量二级标准(GB3095—1996环境空气质量标准)中常规监测项目有SO2、PM10、NO2、CO、降尘和硫酸盐化速率，根据我国空气污染特点和污染防治工作重点，目前计入空气污染指数的污染物项目暂定为：二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物.所以本文实际分析中选取了SO2、PM10、NO2作为大气环境质量评价因子.

2 结果与分析

2.1 市区污染物负荷分析

2003—2011年，太原市主要污染物指数呈波动下降趋势(图1).SO2污染指数从2003年的1.65下降到2011年的1.07，下降幅度为35.2%;NO2污染指数呈小幅下降趋势，由0.62下降到0.46；PM10由0.86下降到0.42，降幅为51.2%，太原市大气中的颗粒物明显减少.由图1可知：在所评价的33项污染物中，PM10的污染负荷总体呈明显下降趋势，由2004年的32%下降到2011年的22%，是三项污染物中污染负荷唯一下降的指标；SO2污染负荷远远高于其它2项，质量浓度始终大于0.5mg/m3，且呈稳步上升趋势，由53%上升到61%，预计即将成为太原市的首要污染物；NO2污染负荷在三项污染物中所占比例最小，且污染负荷值呈波动下降趋势.表1中PM10的污染指数以51.2%的幅度减少，与此同时图1中PM10的污染负荷也呈下降趋势，而SO2呈明显上升趋势，由此可见在未来几年太原市的首要污染物将从PM10向SO2过渡.

表1 2003—2011太原市污染负荷系数

2.2 市区大气质量评价

空气污染指数(API)是一种反映和评价大气质量的方法，利用此方法本文将常规监测的3种空气污染物的浓度简化成单一的概念性数值形式、并分级表征太原市空气质量状况与空气污染的程度(表2).由表可知：从2003—2012年，PM10一直作为太原市的首要污染物，这符合太原市作为能源重化工基地的污染特征，与前人研究结果一致[6].其次2003、2004年API指数较大，空气质量为Ⅲ(轻度污染)，接触一段时间后，易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状，应减少体力消耗和户外活动，2005年以后空气质量持续为Ⅱ(良好)，符合居住区、文化区、商业交通居民混合区的天气质量要求，市民可以正常活动[2].

由秩相关系数统计检验表(表3)可知：2003—2011年，PM10呈显著下降趋势，SO2不显著下降，而NO2呈不显著上升趋势，总体表明在此期间太原市大气环境质量保持基本稳定并有所好转.

表2 2003—2011年太原市大气污染物的年平均质量浓度 mg/m3

表3 2003—2011年太原市大气环境质量变化趋势 mg/m3

3 讨论

3.1 太原市大气环境质量成因分析

1) 能源结构不合理，煤炭比例过高.太原市作为全国的重化工业基地，煤炭消耗量居全国省会城市之首.主要能源有煤炭、电力、煤气、液化气、汽柴油等，其中煤炭消费比例占75%～80%，成为太原市最主要的能源；其次是电力，消费比例为12%～16%，且是以火电为主.这就表明，以煤炭为主的一次能源消费量占太原市整个能源消费结构的一半以上，这样的能源消费结构是不合理的，这也是使太原市成为典型污染城市的重要原因.据统计，全市PM10和SO2大部分来自于煤炭的直接燃烧，尤其是冬季采暖期，采暖设备比较分散，多为大型锅炉，污染十分严重.

2) 产业结构不合理，工业治理水平不高.太原市作为全国的能源重化工基地，高投入、高消耗、高污染和低效益曾是太原市传统经济的突出特征.高新技术比重低，企业自主创新能力和科研水平差，产品附加值低，单位GDP所耗资源高.2011年太原市3大产业比例分别为1.6∶45.6∶52.8，三大产值对经济增长的贡献率分别为0.5%，52.5%、47%.这种现状与“三、二、一”的产业结构不相符，不利于太原市经济的持续发展.

此外，太原市工业废物的治理水平也不高，不能长期稳定达标.据2011年太原市污染源普查，全市工业废气治理设施 1 200 套，其中脱硫设施仅150套；有的企业有脱硫设施，但SO2处理效率较低，全市工业SO2平均处理率为49%，不能长期稳定达标，超标的污染物长期排放，导致市区大气环境不能达到国家二级标准.氮氧化物根本不做任何处理，就直接排放.虽然目前符合国家空气质量二级标准，但如果不使用脱氮设施，进行污染物处理，氮氧化物的持续增加将加重空气污染.

3) 城市机动车增长迅速，尾气污染日益严重.随着我省经济快速发展，人均收入不断提高，太原市机动车保有量迅速增加.自2001年以来，太原市机动车以平均20%以上的速度递增，由2001年的28.52万辆增至2012年9月底的82万辆，与此同时，太原市平均每天新增约350辆汽车.相比之下，太原市公交系统发展不完善，交通结构不合理，道路面积增长缓慢，最主要的是，高架桥与地下通道稀少，行人大量的涌现在路上，导致城市交通拥堵，这样不仅浪费了资源，而且加重了大气污染.根据污染源普查数据，2009年全市机动车排放到大气中的污染物为25万t，其中，氮氧化物2.8万t，总颗粒物0.23万t.机动车尾气排放已经成为太原市空气的又一重要污染源，将给城市带来新的污染.

4) 城市基础设施落后，生态环境脆弱.交通拥堵，车速下降以及车况差，车辆技术性能低等使太原市处在世界十大空气污染最严重的城市之中.

5) 特殊地理条件使污染加重.太原市东、北、西三面环山，中南部为汾河冲积平原，整个地势北高南低，为封闭的盆地地形，使市区污染物难以扩散，空气自净能力较低.太原市地处黄土高原，属于暖温带大陆性季风气候，而且远离东南沿海，受暖湿气流影响小，降水比较少，所以水对污染物的净化作用小.市区平均风速为3.5 m/s，冬夏季逆温日数每月20天，逆温层厚度冬季为490 m,夏季为247 m,逆温强度为0.9 ℃/100 m，加上城市“热岛效应”的影响，出现空气强污染过程，会使污染物浓度大幅度升高.因此.地理环境是影响空气质量的重要因素.

3.2 防治对策

1) 改变能源结构,提高能源利用率.以煤炭为主的一次能源消费占太原市能源消费结果的一半以上，为改变这种能源结构，就要大力推广使用清洁能源，使用清洁生产工艺, 减少污染物排放; 强化节能减排, 提高城市气化率, 实行热电联产, 发展集中供热, 提高能源利用率.

2) 调整产业结构, 发展集约经济,严格科学管理.针对太原市三大产业比例严重不合理，给出以下对策：调整和巩固第一产业的基础地位，以市场需求为导向，以农业增产增效、农民增收为目标，大力发展特色农业，生态农业，建设一批规模型优质农产品基地；第二产业要以支柱产业群为龙头，以技术进步和提高技术能级、集聚度为动力，实现规模、质量、效益同步推进；第三产业要着力提高比重，提升层次，增强辐射能力，同时要积极引导, 统筹安排, 合理布局, 避免重复建设.

3) 完善城市公交系统，提倡使用公交车，严格控制机动车尾气排放.加大机动车尾气治理力度, 加强对在用车辆的检测, 对检测不合格的要按照规定安装尾气净化器.同时，合理规划城市道路，并做好城市绿化工作, 强化裸地的绿化管理.植物有过滤各种有毒有害大气污染物和净化空气的功能,可以降低粉尘量.

4 结语

1) 市区大气环境质量明显改善：2003—2011年来，太原市空气质量以Ⅱ良好为主，一年中空气质量为Ⅱ良好天数占78%.由Spearman秩相关系数法计算可知:NO2污染呈波动下降趋势，NO2的污染负荷在三项污染物中所占比例最小，但9年来年均值为0.023 mg/m3，远远低于国家规定环境空气质量一级标准(0.04 mg/m3)，且总体上呈波动下降趋势，未对太原市大气质量产生污染.所以过去9年、以及未来几年太原市区空气质量正在逐渐变好.

2) 市区首要污染物正由PM10向SO2过渡：根据API指数法计算发现，9年来PM10一直是太原市的首要污染物；但图1显示，SO2的负荷值在0.5以上，污染分担率居首位达49%，明显高于其他2项.与此同时PM10的秩相关系数呈大幅度显著下降趋势，而SO2下降趋势不显著.所以可以预测未来SO2将取代PM10作为太原市的首要污染物.通过以上2种综合评价结果可知：太原市首要污染物正从PM10向SO2过渡.

3) 太原市大气污染呈现煤烟与机动车尾气复合污染：对市区成因分析表明, 由燃煤引起的SO2与烟尘、粉尘及地面扬尘污染形成了长期以来影响太原市空气质量的主导因素, 并且随着机动车辆的迅速增加, 机动车燃料燃烧造成的尾气污染亦不可忽视.传统的煤烟型污染仍未得到有效控制的同时, 在机动车保有量继续增长和电力、钢铁、石化等行业污染物的共同排放作用下, 传统煤烟型大气污染已逐步向煤烟型与机动车尾气污染共存的大气复合污染转变, 呈现区域性大气复合污染特征.

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