重庆铜梁县空气质量历时演变与评价

周 彦，谭 伟，王书敏，杜 芬

1.铜梁县环境保护局，重庆 402560

2.重庆文理学院水环境修复重点实验室，重庆 402160

3.山东鲁润水务科技有限公司，山东 济南 250101

近年来，由于国内经济不断发展、能源消耗规模不断增加，机动车持有率迅速增长、城镇化水平快速提高等问题不断凸显，城市空气质量已成为直接威胁人类健康的主要环境问题之一［1］。由于各地气候条件、地形特征、能源结构不同，城市空气质量也多有区别。北京［2］、武汉［3］、厦门［4］、上海、成都、广州［5］等大城市先后进行了城市空气质量的监测与分析。重庆主城区也进行了城市空气质量的调查研究，如空气污染物空间分布［6］、时间分布［7］等，然而，对于偏远地区小城镇的空气质量问题则鲜有报道。

尽管近年来国内城市空气质量问题已有显著改善，但迫于能源消耗总量、城市交通车辆、极端气候条件发生几率等持续增加的巨大压力，城市空气质量仍不容乐观［8］，空气污染已呈现出由中心大城市向卫星城镇辐射扩散的态势。小城镇空气质量往往代表大城市空气质量的背景水平，其水平分布与演变规律对于中心城市空气质量有重要影响。以重庆铜梁县为研究对象，分析该地近3年的空气质量水平，旨在探讨快速城市化背景下小城镇空气质量的历时演变规律，分析影响空气质量的主要原因，并为城市空气质量管理决策提供依据。

1 实验部分

1.1 研究区域

铜梁位于重庆市西北部，四川盆地东南，川中丘陵与川东平行岭谷交接地带，地跨105°46'～106°16'E，29°31'～ 30°06'N，距离重庆主城区60 km;重庆地区全年主导风向是东北风和北风，铜梁处于重庆主城区上风向;铜梁属亚热带气候，气候温和，四季分明，雨量充沛，年平均气温17.8℃，历年平均降雨量1 075 mm，年平均空气相对温度82%，年平均无霜期225 d。

监测点位于铜梁县龙门街(106°2'59.7″E，29°50'3.5″N)，海拔高度 292 m，相对地面高度20 m。自2010年起，在该监测点进行了空气质量的逐日观测。

1.2 空气质量评价方法

用空气污染指数法对每日空气质量进行评价，计算方法分2步进行。首先按照公式(1)计算污染物分指数;然后选取最大的分指数作为最后评价结果，并根据表1给出空气质量状况。

式中，C大、C小分别为表1中距离污染物浓度C值最近的2个值;I大、I小分别为表1中距离污染指数最近的 2 个值［9］。

表1 污染物浓度-污染指数-空气质量表

2 结果与讨论

2.1 空气污染物浓度历时演变规律

统计分析了铜梁县2010年7月—2012年12月空气污染物浓度的时间分布特性，如图1所示。

图1 铜梁县空气污染物浓度时间分布

从图1(a)可以看出，铜梁县近3年污染物浓度呈波动性锯齿状分布。相对于《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)来说，SO2、NO2、O3的日均浓度基本上在标准值以内，而PM10的日均浓度近3年来约有10%的天数超出标准值。相对于世界卫生组织的推荐值来说(PM10和SO2的日均浓度分别为 50、20 μg/m3)［10］，PM10和 SO2的日均浓度超标天数则可分别达到43%和85%。

从图1(b)可以看出，尽管污染物浓度在不同季节有所波动，但整体上 PM10、SO2浓度呈下降趋势。冬季，PM10、SO2和NO2浓度较夏季高，可能是冬季静风率高，污染物不易扩散所致;而O3的浓度分布则呈现出夏季高、冬季低的特点，这可能是由夏季紫外线照射引发的光化学烟雾现象所致。曲晓黎等［11］对石家庄空气质量的分析也发现冬季空气质量劣于夏季，与该研究结果相似。

从图1(c)可以看出，NO2和 O3浓度有所增加，2012年年均浓度比2010年分别升高了14%和33%，这可能是交通车辆的快速增加引起汽车尾气排放量迅速增加所致;PM10和SO2的年均浓度则逐年下降，2012年比2010年分别下降了34%和19%。同时，除了2010年 PM10的年均浓度超出《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)标准值24%以外，其余监测指标近3年的年均浓度均满足该标准的要求。然而，相对于世界卫生组织提出的PM10年均浓度标准(20 μg/m3)来说，铜梁县空气质量水平仍然面临极大压力。

为比较小城镇与主城地区的空气质量状况，收集了重庆主城区空气质量的研究结果，见图2。

图2 重庆主城区历年空气污染物浓度［12］

由图2可知，这10余年来，重庆主城区污染物浓度整体上呈逐年下降趋势。2010年 PM10、SO2、NO2的年均浓度分别为 102、50、40 μg/m3，相对于1998年，分别下降了56%、73%和29%。尽管污染物浓度下降幅度很大，相对于小城镇来说，主城区的污染物浓度仍然处于相对较高的水平(2010年铜梁县PM10、NO2的年均浓度分别为87、29 μg/m3)。但是，2011、2012 年主城区 SO2、NO2的年均浓度已与小城镇无显著差异(主城区与铜梁县的 SO2、NO2平均浓度分别为 38、37、32、35 μg/m3)，然而，主城区 PM10的浓度水平(93、90 μg/m3)仍然显著高于小城镇。

2.2 空气污染物相关性分析

用SPSS18.0统计分析了铜梁县空气污染物浓度与气象参数之间的皮尔逊相关系数，见表2。

表2 空气污染物浓度与气象参数相关性分析(n=19 000)

由表2 可知，PM10、SO2、NO2浓度与温度、风速呈显著负相关性，而与大气压、相对湿度呈显著正相关性，可能是由于温度、风速的增加有利于提升低层空气的不稳定度，从而加剧了污染物的扩散和稀释。同时，高大气压可能引起空气体积压缩，从而使污染物浓度增加，较高的相对湿度也有利于空气微小颗粒的凝聚成核，进而引起颗粒污染物浓度的增加。与此相反，O3浓度则与温度、风速呈正相关关系，与气压、相对湿度呈负相关关系，可能是由于高O3浓度大多在晴朗高温天气出现的缘故。

2.3 空气质量评价

采用空气污染指数法评价了铜梁县近3年空气质量状况，如图3所示。

图3 铜梁县2010—2012年空气质量评价

由图3可知，近3年来铜梁县空气质量逐年提升，主要表现为轻度污染天数出现频率的降低和优、良空气质量天数出现频率的稳定提高。相对于2010年的空气质量状况，2012年空气质量等级为优和良的天数分别从36%、43%提高到41%、52%，而空气质量等级为轻度污染的天数则降低了9%。

空气质量状况与当地能源消耗总量和能源结构密切相关。据研究，90%的SO2来自工业生产和火力发电消耗的煤炭［13］，同时，城市交通消耗的液体燃料又是空气中氮氧化物的主要来源［14］。研究了铜梁县统计局提供的2010—2012年铜梁能源消耗结构(表3)。

表3 铜梁县2010—2012年能源消耗结构统计

由表3可知，2010—2012年以来，铜梁县固液态能源消耗总量逐年降低，由2010年能源消耗总量138万吨标准煤降低到了2012年的114万吨标准煤(降低了17%);同时，天然气、电力等清洁能源近3年的消耗量则呈上升趋势，分别上升了49%和4%，这可能是铜梁县近3年空气质量逐年提升的重要原因之一;值得注意的是，固液态能源中生物质燃料、液化石油气等较清洁能源的消耗逐渐增加，而煤矸石、原煤等污染强度较大的能源消耗量则逐年减少，这可能是铜梁县空气质量逐年提升的另一个重要原因。

为进一步说明能源消耗与小城镇空气质量的关系，分析了污染物浓度与能源消耗量的相关性，见表4。

表4 空气污染物浓度与能源消耗相关性分析(n=3)

由表4可知，SO2年均浓度与天然气消耗量、其他燃料消耗量(除煤炭类、石油类外)呈显著负相关，而NO2年均浓度则与其他焦化产品(焦炭除外)消耗量显著正相关，PM10年均浓度与煤制品消耗量呈显著正相关，这进一步说明了铜梁地区能源消耗结构对当地空气质量有一定程度的影响。

3 结论

1)空气污染物浓度与气象参数相关性分析表明，PM10、SO2、NO2浓度与温度、风速呈显著负相关性，而与大气压、相对湿度呈显著正相关性;O3浓度则与温度、风速呈正相关关系，与气压、相对湿度呈负相关关系。

2)空气污染物浓度时间分布分析和评价结果表明，NO2和O3浓度呈上升趋势，2012年年均浓度比2010年分别升高了14%和33%，PM10和SO2的年均浓度则呈下降趋势，2012年年均浓度比2010年分别下降了34%和19%。总体上看，小城镇空气污染物年均浓度基本能满足《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)的要求，空气质量状况逐年改善。

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