中国北方地区采暖期颗粒物污染现状

解淑艳，王 帅，张 霞，宫正宇，张志辉

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.河北省邢台环境监测中心，河北 邢台 054000

中国北方地区冬季较为寒冷，人们为了正常生活而采取各种形式取暖，早期使用燃烧散煤的传统取暖方式，后来以秦岭淮河为界，北方地区采取集中供暖方式。随着城市供暖面积的快速增长，以煤炭为主要原料的取暖方式排放的烟尘、二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等污染物浓度也同步增加，特别是对细颗粒物和二氧化硫浓度的影响比较大[1]。

近几年冬季，中国北方地区空气质量较差，经常出现颗粒物严重超标现象，对人民生产生活产生较大影响。2016年公布的74个城市环境空气质量报告中，排名后十位的城市分别为衡水市、石家庄市、保定市、邢台市、邯郸市、唐山市、郑州市、西安市、济南市和太原市[2]，其中有6个城市位于京津冀地区。京津冀地区13个城市PM2.5年均质量浓度为71 μg/m3，PM10年均质量浓度为119 μg/m3，分别超标1.03、0.7倍；2016年，京津冀地区采暖期PM2.5和PM10平均浓度分别为113、170 μg/m3，是非采暖期的1.98、1.65倍。李岚等[3]运用气候倾向率及度日法分析了1961—2010年沈阳市每年采暖期的气象变化特征，结果表明在采暖期大气中总悬浮颗粒物的40%来自燃煤，采暖期燃煤已成为沈阳地区大气污染的主要原因之一。采暖期不利的气象条件在一定程度上加重了煤烟型污染，黄丽坤等[4]在研究哈尔滨市冬季采暖期颗粒物浓度变化时发现，采暖期TSP、PM10浓度在2008年12月至2009年1、3、4月均超标，采暖期以PM2.5污染为主，主要来源于人为活动；ALMOND等[5]运用断点回归模型对1982—1993年中国76个城市的日均TSP、SO2和NOx浓度进行分析，评估中国北方冬季供暖政策对空气质量的影响，结果表明供暖导致北方城市的空气污染程度显著增加，TSP浓度比南方高出300 mg/m3，是当时美国TSP浓度的5～8倍，同时，研究结果还表明，冬季气温每降低1华氏度，相对于没有供暖的南方，北方城市的TSP浓度上升约100 mg/m3。以上研究均表明冬季采暖期颗粒物浓度普遍升高，加上不利的气象条件导致冬季污染形势严峻。

笔者利用2013年3月16日—2017年3月15日国家环境空气质量监测网中实施环境空气质量新标准监测的北方地级及以上城市PM10、PM2.5监测结果(2013年北方开展新标准监测的城市为28个，2014年为80个，2015—2016年为175个)，分析中国北方地区采暖期与非采暖期污染现状及时空变化特征，并提出对策及建议。

1 数据来源与评价方法

2012年2月29日，《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)颁布，原环境保护部于2013年分3个阶段开展环境空气质量新标准监测能力建设，到2015年1月1日，全国338个地级及以上城市均按新标准开展监测，监测项目包括SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5，分析范围为开展新标准监测的城市。

为便于统计，研究中采暖期是指当年11月15日至次年3月15日，非采暖期是指当年3月16日—11月14日。城市环境空气中PM10、PM2.5浓度统计按照《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)有关要求进行，PM10、PM2.5在采暖期和非采暖期均值参照年均二级标准进行评价，限值分别为70、35 μg/m3。

2 结果与分析

2.1 中国北方地区空气质量总体状况

2013—2016年4个自然年内，中国北方地区优良天数比例呈明显的上升趋势(图1)，2016年有超过三分之二的天数空气质量达标，优良天数较2013年升高38.9个百分点；重度及以上污染天数呈逐年下降趋势，2016年较2013年下降9.0个百分点。表明近年来中国北方地区空气质量总体呈改善趋势。

图1 2013—2016年北方地区不同级别天数比例变化趋势Fig.1 Variation trend of percentage of different grade days from 2013 to 2016 in northern China

2013年1月—2017年3月，PM10、PM2.5年均浓度均呈下降趋势，有明显的季节变化特征(图2)，冬季采暖期颗粒物浓度高、夏季非采暖期颗粒物浓度低，月均浓度最大值主要出现在12月至次年1月，月均浓度最小值主要出现在7—9月。4 a以来PM10月均浓度最大值分别为195、177、140、146 μg/m3，PM2.5月均浓度最大值分别为178、114、94、94 μg/m3；PM10月均浓度最小值分别为87、88、70、58 μg/m3，PM2.5月均浓度最小值分别为57、46、37、30 μg/m3；表明北方地区PM10和PM2.5平均浓度、最大月均浓度和最小月均浓度均呈明显下降趋势，颗粒物污染总体呈改善趋势。

图2 2013—2017年北方地区颗粒物月均浓度变化趋势Fig.2 Variation trend of monthly concentration of PM10 and PM2.5 from 2013 to 2017

2.2 采暖期北方地区环境空气质量状况

2013—2016年北方地区不同级别天数比例见表1。

2016年采暖期，北方城市优良天数比例为56.2%，重度污染比例为9.0%，严重污染比例为2.7%；优良天数比例较非采暖期低22.8个百分点，重度及以上污染天数比例较非采暖期高10.1个百分点；与2015年采暖期相比，优良天数比例下降3.8个百分点，重度及以上污染天数比例升高0.9个百分点。表明2016年采暖期空气质量较非采暖期明显下降，出现污染的天数比例明显升高，优良天数比例明显下降；较2015年同期空气质量也有所下降，重度及以上污染天数有所增加。

表1 2013—2016年北方地区不同级别天数比例统计Table 1 Statistics of percentage of different grade days in 2013-2016

2013—2016年采暖期同期比较，优良天数比例总体呈升高趋势，2016年略有降低；2014年采暖期以来重度及以上污染天数比例呈升高趋势，从2014年的9.6%上升为2016年的11.7%，但明显低于2013年，较2013年降低9.0个百分点。表明空气质量极端化趋势明显，即优良天数和重度及以上污染天数都有所升高，中轻度污染天数比例下降。

2013—2016年非采暖期同期比较，优良天数比例呈逐年升高趋势，重度及以上污染天数比例呈逐年下降趋势，表明非采暖期空气质量总体呈改善趋势。

采暖期与非采暖期比较，2016年采暖期较非采暖期优良天数比例下降了22.8个百分点，是2013—2016年中下降比例最大的一年，重度及以上污染天数比例较非采暖期升高10.1个百分点，升高比例仅次于2013年；表明2016年采暖期空气质量形势是2013—2016年中最严峻的一年。

北方地区主要城市空气质量状况分析表明，2016年采暖期与2015年同期相比，北方城市中优良天数减少的城市数为119个，占62.8%，其中39个城市优良天数比例下降超过10个百分点；优良天数比例增加的城市为63个，占36%，其中18个城市优良天数比例增加超过10个百分点。主要城市中，北京市优良天数减少8 d，石家庄、西安、太原等城市优良天数减少20 d以上。

2016年采暖期与2015年同期相比，重度及以上污染天数比例增加的城市数为80个(占45.7%)，略高于下降的城市数(占43.4%)，其中18个城市重度及以上污染天数比例增加超过10个百分点，11个城市重度及以上污染天数比例下降超过10个百分点；主要城市中，北京市重度及以上污染天数增加2 d，石家庄、西安、太原等城市重度及以上污染天数增加超过20 d。2016年采暖期，济南、哈尔滨市空气质量较2015年采暖期有所改善，济南市优良天数增加4 d，重度及以上污染天数减少12 d；哈尔滨市优良天数增加8 d，重度及以上污染天数减少1 d(图3)。表明采暖期重点城市空气质量总体不容乐观，个别城市有所改善。

图3 2016年采暖期北方主要城市不同级别天数较2015年采暖期变化Fig.3 Comparison of different grade days in main cities in northern China during heating periods between 2016 and 2015

2.3 采暖期颗粒物浓度分析

2016年采暖期，北方地区PM10平均质量浓度为129 μg/m3，PM2.5平均质量浓度为80 μg/m3，超过年均二级标准0.84、1.28倍，较2016年非采暖期浓度分别偏高54%和95%，较2015年采暖期升高2%和5%(图4)。表明采暖期颗粒物浓度明显高于非采暖期，冬季采暖是造成冬季颗粒物污染严重的重要原因之一。

图4 2013—2016年北方地区颗粒物浓度统计Fig.4 Statistics of PM10 and PM2.5 concentration of northern China in 2013-2016

2013—2016年，采暖期PM10浓度总体呈下降趋势；2014年以来PM2.5浓度逐年升高，但明显低于2013年浓度。2013—2016年采暖期，PM2.5浓度占PM10浓度的比例呈逐年升高趋势，PM2.5与PM10比值分别为63.0%、56.8%、59.8%、62.0%；2013—2016年非采暖期，PM2.5浓度占PM10浓度的比例呈逐年下降趋势，比例分别为52.9%、50.9%、50.0%、48.8%。表明PM2.5在冬季颗粒物污染中所占比重逐年增加，在采暖期空气污染过程中贡献增加，在非采暖期颗粒物污染中所占比重呈下降趋势。

2016—2017年采暖期，全国发生了多次大范围区域性重污染过程，其中2016年12月2—5日、17—21日，2016年12月29日—2017年1月12日，2017年1月16—18日、24—28日，2017年2月3—5日、12—16日等7个污染过程较重(图5)。其中，2016年12月17—21日的重污染过程影响面积较大，除京津冀及周边地区外，还影响到江苏、安徽、湖北、四川、陕西等省份部分地区，石家庄、安阳、邯郸、焦作、许昌和郑州等6个城市PM2.5日均值有13天次超过500 μg/m3，PM2.5最大日均值为703 μg/m3，PM10最大日均值为884 μg/m3；2016年12月29日—2017年1月5日的跨年重污染过程持续时间较长，影响范围涵盖了中东部地区十几个省份，PM2.5最大日均值为596 μg/m3，PM10最大日均值为757 μg/m3；PM2.5日均值最高出现在2017年2月17日，为718 μg/m3。

图5 京津冀及周边地区2016—2017年采暖期重度污染、严重污染城市数及最大PM2.5日均值统计Fig.5 Statistic of heavy pollution, severe pollution and maximum daily PM2.5 concentration in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas during heating period from 2016 to 2017

2.4 空间变化趋势

2013年，中国北方地区28个城市开展新标准监测结果表明，采暖期颗粒物浓度明显高于非采暖期，京津冀及周边地区PM2.5浓度高于周边地区，邯郸、邢台、石家庄等城市采暖期浓度尤其高；2014年80个开展新标准监测的城市监测结果表明，京津冀及周边地区颗粒物浓度同比有所降低；2015—2016年，北方地区均有175个城市开展了新标准监测，结果表明采暖期颗粒物浓度明显高于非采暖期，颗粒物污染主要集中在新疆西北部、京津冀及周边等地区。新疆西部的喀什地区、阿克苏地区沙尘天气较频繁，导致空气中颗粒物浓度较高，据新疆维吾尔自治区环境监测总站的材料显示，在2016年喀什地区和阿克苏地区出现沙尘天气均超过180 d；乌鲁木齐市空气污染较重，2013—2016年采暖期，PM2.5质量浓度分别为105、113、157、160 μg/m3，非采暖期PM2.5质量浓度分别为55、42、39、34 μg/m3，表明乌鲁木齐市采暖期PM2.5浓度呈升高趋势，非采暖期呈降低趋势。京津冀地区颗粒物浓度普遍高于周边地区，2013—2016年采暖期PM2.5平均质量浓度分别为135、106、95、113 μg/m3，非采暖期PM2.5质量浓度分别为85、75、61、57 μg/m3，2016年采暖期PM2.5浓度明显高于2014—2015年，非采暖期PM2.5浓度呈逐年下降趋势；京津冀区域中石家庄、保定、衡水、邢台、邯郸、安阳PM2.5浓度明显较高，属于空气污染较重的区域中心(图6)。

2.5 采暖期酸雨状况

2016年采暖期，中国北方地区降雨pH均值为5.85，降水酸度明显高于非采暖期(pH均值为6.17)，酸雨频率为4.8%，是非采暖期的2.4倍，较重酸雨(降水pH低于5.0)频率为2.3%，重酸雨(降水pH低于4.5)频率为1.2%，均高于非采暖期，分别高1.4个百分点和1.0个百分点。2016年采暖期，降水中硫酸根、硝酸根、氯离子、钙离子等9种离子浓度均高于非采暖期，平均高于非采暖期31.3%，其中硫酸根、硝酸根等离子浓度是非采暖期的1.37、1.44倍(图7)。

注： 底图源自国家测绘地理信息局网站下载的1∶4 000政区版中华人民共和国底图，审图号为GS(2008)1400号，下载日期为2012-07-16；“▲”表示PM2.5监测城市。

图7 2016年北方地区采暖期与非采暖期降水中离子组分分析Fig.7 Statistic of ion concentration of precipitation during heating period and non-heating period in 2016 in northern China

3 建议

3.1 提高集中供暖节能技术，全面整治燃煤小锅炉

根据住建部《城乡建设统计公报》数据，1991—2015年间，中国城市集中供热面积年均增长率为14.5%，2010年以来仍以9.0%增长率持续增加。中国城市集中供热能力中热水供热能力呈逐年升高趋势，蒸汽供热能力总体呈稳中有降的趋势。表明中国近年来城市集中供热能力及面积均呈上升趋势。根据《中国统计年鉴2016》数据，2011年以来，中国能源消费总量持续增加，其中煤炭占能源消费总量的比重有下降趋势。研究表明，受到燃煤供暖影响，采暖期青岛[6]、西安[7]等地颗粒物和无机氮的浓度都有明显增加，其中青岛颗粒物浓度增加了82.2%。

因此，应加强对现有锅炉、发电机组等的技术改造，大力发展热电联产进行供暖，取缔分散取暖锅炉，在广大城镇、农村地区发展清洁能源供暖，停止高耗能、高排放工业锅炉，在集中供暖热力管网上解决补水量大、能源严重浪费、水质差和腐蚀严重等问题，加强对热力管网的升级和改造，减少煤炭使用量，以期进一步减少污染物排放。

3.2 采用清洁能源

中国集中供暖除了利用煤炭之外，还应根据各地区特色充分开发利用电能、汽油、天然气、地热和太阳能等资源。国家发展改革委、原国土资源部及国家能源局共同编制的《地热能开发利用“十三五”规划》明确要求到2020年，地热供暖(制冷)面积累积达到16亿m2，2020年底热能供暖年利用量为4 000万t标准煤，京津冀地区地热能年利用量达到约2 000万t标准煤。

3.3 严格控制秸秆焚烧，避免污染恶化

随着中国经济发展水平的提高及能源结构的改变，农作物秸秆逐渐失去了作为能源原料和牲畜饲料的作用，很多地区在秋冬季节出现了秸秆露天焚烧现象，往往会加重环境污染[8]。研究表明，秸秆焚烧会释放大量的颗粒物及CO、SO2、NOx、VOC等有毒有害气体[9]。近年来国内针对包括秸秆焚烧在内的生物质燃烧卫星遥感监测[10-11]及其造成的空气污染等环境效应展开了较多的研究[12-14]，也对其造成的污染输送和空气质量的影响进行了观测和评估。

3.4 密切关注气象条件，及时发布空气质量预报预警信息

不同天气状况和气象条件对颗粒物浓度水平与分布特征有较大影响。有研究表明[6]，青岛采暖期内晴朗天气一般受来自高纬西北气流控制，途经内蒙古、北京等燃煤采暖区域，气团沿途携带当地颗粒物，造成青岛地区颗粒物浓度升高，但增加并不显著；采暖期雾天颗粒物不断累积无法扩散，颗粒物浓度不断升高；采暖期强冷空气作用期间，大气层结处于不稳定状态，加剧了大气湍流扩散，颗粒物浓度明显降低。李凯等[15]研究表明，PM2.5质量浓度与辐射量、气压和能见度呈负相关，与相对湿度和总云量呈正相关。徐艳娴[16]利用断点回归和固定效应模型判断冬季供暖对中国北方空气质量的影响研究表明，在供暖期间空气质量的恶化是由供暖导致，天气状况有一定影响，最高温的值越大，颗粒物浓度越高，污染程度越重，最低温度的值越大，各类污染物浓度值越低；风速越小，污染值越高。为了能够更好应对采暖期空气污染状况，应密切关注气象条件对颗粒物累积的影响，及时发布空气质量预报预警信息，采取有效措施，避免空气污染持续加重。

4 结论

1)中国北方地区空气污染形势严峻，采暖期尤为突出。2016年，中国北方地区未达标天数比例为43.8%，其中重度及以上污染天数比例超过10%；采暖期较非采暖期，优良天数比例下降22.8%，重度及以上污染天数比例升高10.1个百分点。

2)北方地区颗粒物浓度整体较高，呈现明显的冬季高、夏季低的特点，最高值一般出现在12月至次年1月，最低值一般出现在7—9月。2016年采暖期PM10质量浓度为129 μg/m3，超过年均二级标准限值0.84倍，较非采暖期升高54%；PM2.5质量浓度为80 μg/m3，超标1.28倍，较非采暖期升高95%。

3)北方地区颗粒物浓度呈现明显的空间分布规律，以新疆西北部、京津冀区域污染最为严重，其中采暖期乌鲁木齐、石家庄、保定、衡水、邢台、邯郸、安阳等城市为区域污染最重的城市。

4)采暖期一般会出现多次重污染过程，呈现范围广、持续时间长、影响城市数量较多、次数多等特点，采暖期降水酸度及离子浓度污染较非采暖期更高。

5)2013—2016年4个自然年，北方地区空气质量呈较为明显的改善趋势，北方地区PM10和PM2.5浓度总体呈降低趋势，非采暖期颗粒物浓度下降明显；但2014年以来采暖期同期比较，PM2.5浓度有所升高，值得关注。

6)提高集中供暖节能技术、采用清洁能源、严格控制秸秆焚烧，同时密切关注气象条件能够有效缓解秋冬季北方地区空气质量污染状况。