河北省2013—2017年大气颗粒污染物PM2.5和PM10变化特征

王英刚, 范欣雅

(1. 沈阳大学 环境学院, 辽宁 沈阳 110044; 2. 南华大学 资源环境与安全工程学院, 湖南 衡阳 421001)

近年来,随着我国经济的高速发展、城市化进程的加快、工业规模的扩大,空气污染问题日益严重,对人类健康造成极大危害[1].已有研究表明,心血管疾病、死亡率等与大气中PM2.5和PM10质量浓度呈现很强的正相关关系[2-3],而且PM2.5能显著降低大气能见度[4].京津冀地区作为国家政治、经济、文化的重要区域,近年来经济持续高速发展,然而密集的工业生产、交通运输[5]以及冬季燃煤[6]等活动和京津冀地区特殊的地形和气候特征[7]加剧了大气污染,引起普遍关注[8].国内外学者对京津冀区域大气污染物的时空分布特征及来源进行了研究.郝吉明等[9]利用GEOS-Chem全球大气化学传输模式模拟计算出2013年1次PM2.5排放量超出大气环境容量.王燕丽等[10]发现京津冀区域PM2.5以本地污染源贡献为主,在冬季尤其明显.赵晨曦等[11]对2012—2013年北京地区冬春 PM2.5和 PM10进行了污染水平时空分布及其与气象条件的关系的研究,得出PM2.5和PM10质量浓度之间具有较好的相关性,风速和相对湿度是影响污染物质量浓度分布主要因素.王未来等[12]根据空气质量指数(AQI)计算,对京津冀13个城市2014—2015年的空气质量排名,并查明了首要污染物.可悬浮颗粒物来源主要有二次气溶胶、燃煤、汽车尾气、工业生产、生物质燃烧等[13],而北京冬季细颗粒物金属元素主要来源为燃煤和生物质燃烧,贡献率为34.2%[14].吴文景等[15]分析得出京津冀地区PM2.5主要排放源减排改善效果贡献率从大到小依次为工业源、民用源、交通源和电厂源.

河北省正处于经济快速上升期,污染程度目前最严重,关于河北省大气中PM2.5和PM10污染物的时空分布研究较少.本文系统分析了河北省2013—2017年11个主要城市的PM2.5和PM10质量浓度变化趋势和空气质量地理分布特征.并初步探讨了造成大气颗粒污染物质量浓度分布的原因,以期为河北省大气污染的防治提供参考.

1 材料与方法

本文所采用的空气质量和气象数据来源于中国环境监测总站数据中心、河北省生态环境厅环境质量状况公报和河北省气象局公报.数据包括河北省11个地级市5年间(2013—2017)大气颗粒污染物PM2.5和PM10的质量浓度年均值、优良天数和降水量.数据统计有效性依据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[16]和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)[17].有关三次产业对河北省生产总值贡献率的数据来源于《中国统计年鉴》[18].

2 结果与讨论

2.1 PM2.5与PM10污染现状及变化趋势

河北省2013—2017年PM2.5和PM10的质量浓度年均值与年均降水量如表1所示.5年间,11个地级市PM2.5的年均值在65～108 μg·m-3之间,占PM10的比值大于50%,且基本稳定在55%～58%,说明PM2.5为PM10的主要组分.5年间大气颗粒质量浓度均呈下降趋势,其中PM2.5质量质量浓度从2013年的108 μg·m-3下降至2017年的65 μg·m-3,PM10质量浓度从2013年的190 μg·m-3下降至2017年的117 μg·m-3.基于质量浓度年降低率计算可发现,2014—2015年2种大气颗粒物的质量浓度下降速度最快,分别为18.9%和17.6%,此后下降速度逐年减小,2016—2017年PM2.5和PM10体积浓度的下降率分别达到最低值7.1%和4.9%.这一结果表明大气颗粒污染物质量浓度逐年得到控制,大气环境总体在改善,但改善幅度逐年减小.赵晨曦等[11]发现北京的大气质量与湿度相关.河北省年均降水量与大气颗粒污染物质量浓度变化的关系如表1所示,2016年为这5年中降水量最大年份(多于常年20.9%),2014年为降水量最少年份(少于常年22%),但该年份对应的PM2.5和PM10的质量浓度并未达到5年的极值,说明河北省的年均降水量与大气中PM2.5和PM10的质量浓度无明显相关关系.另一方面,2015年1月1日我国开始施行新的《环境保护法》,针对大气环境现状采取了产业结构调整和污染治理措施等有利于环境质量提升的措施,可能是造成2014—2015年大气颗粒污染物含量下降最明显的原因.2013—2017年河北省产业结构持续优化,虽然第二产业仍占据主导地位,但截至2017年,第三产业与第二产业仅相差2.4%,如图1所示.在2013—2017年期间,第一产业占GDP比重非常少,并且逐年下降,由12.4%下降到9.2%;第二产业所占比重最大,5年中也不断下降,由52.2%下降到 46.6%;第三产业发展迅速,比重稳步上升,由35.5%上升到42.2%.河北省的产业结构形成了第一、二产业不断下降,第三产业不断上升的变化趋势,正经历由低级向高级的演变发展过程,若按照此发展趋势,第三产业所占比重很快将超过第二产业.河北省已经进入以第二产业为主导,向第三产业主导转变的阶段,随着产业结构调整,大气颗粒污染物已呈现出急剧下降的趋势.2013—2017年河北省第二产业比重较大,这与河北省是重工业大省及京津的重工业转移政策有关,故工业占比同样是研究河北省产业结构的重点.河北产业结构优化过程中,工业比重也发生了相应的变化,2013年为46.62%,此后逐年下滑,到2017年降至40.44%.河北工业占GDP的比重总体趋势为持续下降,但目前工业比重仍较高,仍然是拉动河北省经济增长的主导力量.曹慧丰等[19]指出产业结构和工业占比都与大气污染有关,且产业结构的贡献度更大,产业结构升级长期来看会对大气污染产生积极影响,工业占比的下降也有利于大气环境的改善.2016年3月,河北省根据《中华人民共和国大气污染防治法》制定了《河北省大气污染防治条例》,从燃煤、工业、扬尘、机动车及其他污染5个方面提出了相应的治理措施.

表1 2013—2017年河北省PM2.5和PM10质量浓度和年均降水量Table 1 Mass concentration and annual precipitation of PM2.5 and PM10 in Hebei Province, 2013-2017

图1 2013—2017年河北省三次产业结构变化Fig.1 Three industrial structure changes in Hebei Province, 2013-2017

河北省11个地级城市2013—2017年PM2.5和PM10的质量浓度如图2所示.5年PM2.5、PM10质量浓度平均值最大的城市均为邢台市,分别为112.8、198.6 μg·m-3.区域内所有城市的PM2.5、PM10质量浓度年均值大致呈现出逐年下降的趋势.2013年邢台市的PM2.5质量浓度年均值最高,为160 μg·m-3,至2017年质量浓度年均值下降幅度最大,下降至80 μg·m-3.2013年石家庄市的PM10质量浓度年均值最高,为309 μg·m-3, 至2017年质量浓度年均值下降幅度最大, 下降至154 μg·m-3. 质量浓度下降幅度最小的沧州市从130 μg·m-3下降到105 μg·m-3. 石家庄市的PM2.5质量浓度在2015年达最小值89 μg·m-3,邯郸市的PM2.5质量浓度则在2016年达最小值82 μg/·m-3,于2017年质量浓度略有上升,其他城市均在2017年达到最小值.石家庄市的PM10质量浓度在2015年达最小值,为147 μg·m-3.邯郸市和邢台市的PM10质量浓度于2016年达最小值,分别为151、144 μg·m-3.其余城市PM10质量浓度均在2017年达最小值.2017年之前河北省11个城市的PM2.5和PM10质量浓度均未达《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中的2级标准.而截至2017年,张家口市和承德市的PM2.5质量浓度分别为31和35 μg·m-3,达2级标准(35 μg·m-3).PM10质量浓度达2级标准(70 μg·m-3)的仅有张家口市,PM10质量浓度为69 μg·m-3,秦皇岛市和承德市接近达标,PM10质量浓度均为82 μg·m-3.

对颗粒物PM2.5与PM10质量浓度的相关性分析如图3所示,二者之间存在很好的线性关系,拟合方程为

y=1.57919x+14.78709.

图3 PM2.5和PM10质量浓度年均值的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of the average annual value of PM2.5 and PM10 mass concentrationy=1.579 19x+14.787 09.

式中:x为PM2.5质量浓度的年均值;y为PM10质量浓度的年均值.

拟合性回归的确定性系数R2为0.936 88,表明2种颗粒物质量浓度间存在较强的相关性.

2.2 PM2.5、PM10与优良天数的关系

我国目前采用的空气质量指数为AQI,共分为6个等级,即1级优、2级良、3级轻度污染、4级中度污染、5级重度污染和6级严重污染,其对应的空气污染指数分别为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300.目前计入空气污染指数的项目定为PM10、SO2、NO2、CO和O3.

2013—2017年河北省PM2.5和PM10质量浓度年均值、日均值达标率及优良天数百分比的变化趋势见图4. 从图4中可以看出, 优良天数百分比从2013年的35.4%上升到2017年的55.3%. PM2.5日均值达标率从2013年的44.3%上升到2017年的73.2%, PM10日均值达标率从2013年的46.8%上升到2017年的76.7%. 5年中PM2.5日均值达标率始终低于PM10, 表明在大气颗粒污染控制中, 应更加关注PM2.5. 相关研究也表明PM2.5已成为河北省大气颗粒物污染的主要组分, 对人体健康和大气环境的危害更为突出[20]. 这一结果表明在《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中增设细颗粒物(PM2.5)质量浓度限值是十分必要的. 虽然PM2.5和PM10的日均值达标率逐年上升, 但2017年河北省的优良天数为202 d, 略低于2016年的207 d,说明虽然2017年河北省PM2.5、PM10的质量浓度处于下降趋势, 但大气环境总体质量还受到其他污染物的影响. 有关研究表明,SO2和NO2质量浓度变化趋势和PM2.5的质量浓度具有很强的相关性[21], 因此2017年河北省的优良天数的轻微下降可能与以O3为首要污染物的超标天数比例逐年增加有关[22-23]. PM2. 5与 O3污染受不同因素控制, 其内在并无必然联系. PM2.5以人为产生为主, 在污染物排放量大、气象条件也不利于扩散条件下, PM2.5容易成为首要污染物; 而O3主要来源于自然, 在高温、强光照环境下, O3质量浓度升高[24]. 因此,PM2.5与 O3质量浓度无明显相关关系,我们需对不同污染物采取不同的防治措施.

图4 2013—2017年河北省优良天数比例与PM2.5、PM10年均值及日均值达标率Fig.4 Percentage of days of good air quality, annual mean and daily mean compliance rate of PM2.5 and PM10, 2013-2017

2.3 河北省PM2.5、PM10污染区域空间特征

为评价河北省11个地级市的环境空气质量分布情况,统计了2013—2017年河北省11个地级市平均优良天数比例分布情况(见图5).同时结合区域PM2.5、PM10的年均质量浓度分布情况,可以将河北省11个城市按受污染程度分为:

1) 北部轻度污染城市,包括张家口、承德和秦皇岛;

2) 中部中度污染城市,包括唐山、沧州和廊坊;

3) 西南重度污染城市,包括衡水、邢台、邯郸和石家庄.

图5 2013—2017年河北省11个城市优良天数 比例空间分布Fig.5 The spatial distribution of the percentage of the days of good air qualityof the 11 cities of Hebei Province, 2013-2017

根据优良天数比例得出的环境空气质量明显呈现出 “北优南劣”的形势,与地形、经济发展方式及产业结构有紧密关系.河北省整体位于华北平原的西北部,其西部和北部山地丘陵居多,中部、东部为平原地区,地势呈现出西北部向东南部倾斜的趋势.山地丘陵自西部、北部的张家口市、承德市、秦皇岛市将河北东南部的平原区包围,河北省这一地形特征易形成山谷风,使得地势起伏变化较大处风速较周围地区明显偏大,有利于颗粒物及其他大气污染物的扩散,从而使得PM2.5和PM10质量浓度降低和大气环境改善;且北部地区因地处燕山、太行山脉以北,南部污染物在迁移过程中受到阻碍,与北部区域分隔,呈现出不同的污染特征.因此,河北省这一特殊的地形条件是南北地区大气环境质量存在差异的重要原因之一.此外,河北省南部的经济发展方式、产业结构导致PM2.5的污染排放量大,南部地区成为PM2.5主要污染区域.

3 结 论

1) 河北省2013—2017年大气中PM2.5和PM10质量浓度逐年下降,大气质量整体呈改善趋势.其中,张家口市2017年PM2.5和PM10质量浓度均达到2级标准,承德市2017 年PM2.5质量浓度达2级标准.

2) 2013—2017年间河北省大气颗粒污染物中,PM2.5是PM10的主要组分,每年所占比例基本稳定在57%左右,表明PM2.5与PM10质量浓度具有很强的相关性.相对而言,PM2.5污染问题比PM10更严重.

3) 2013—2017年河北省环境空气质量呈现出明显的“北优南劣”趋势,可能与河北的地形有关,其中西部、北部的山地丘陵包围着中部、东部的平原地区,地势高低起伏较大,这一地形特征极易形成山谷风,对大气污染物的扩散起到了促进作用,有利于PM2.5与PM10质量浓度的降低和环境质量的改善.

4) 河北省大气颗粒污染物质量浓度的变化与降水量之间无明显的相关性.2014—2015年颗粒污染物质量浓度下降率最大,可能与2015年新《环境保护法》的实施有关.

4 控制大气污染的建议

1) 河北省产业结构是以第二产业为主体、钢铁产业为主导的重工业体系, 钢铁、水泥、玻璃、石油化工等都是河北省的重点产业, 但这些产业能耗高、污染物排放量大,是PM2.5的主要污染源. 目前,由于河北省采取了一系列的治理措施, 已经缩小了此类产业的规模与数量, 今后可以利用劳动力的优势, 鼓励轻工业的发展, 进一步调整轻重工业比例,发展科技水平,促进第三产业的发展.

2) 京津冀区域作为国家重要政治经济中心, 可以发挥三者各自优势联合应对环境问题. 发展较为迅速的北京市和天津市可以为河北省的大气污染提供生态补偿, 即根据生态服务的价值量向生态建设者支付费用, 以激发保护环境的积极性.

3) 进一步加大对清洁能源的开发与使用,并运用技术降低经济成本.随着科技的发展,清洁能源已经开始投入使用,如新能源汽车等,加大这些能源的开发与利用,并尽可能降低经济成本,确保其投入市场的可能性.

4) 在确保全省PM2.5和PM10质量浓度达标的同时,需加强对O3这一污染物的关注.有研究表明[25-26],O3质量浓度与机动车保有量正相关,机动车排放出的 NOx在太阳紫外线照射下发生光化学反应, 形成氧化性极强的二次污染物O3等.因此,合理发展交通系统,控制机动车保有量对于河北省大气环境的改善非常重要.同时,在城市规划进程中,政府应对大气污染源和城市功能区合理布局,并分区分配恰当的环境容量.按照不同地区经济情况、现阶段污染情况以及该地区的环境容量等制定大气污染治理具体目标,确保空气质量数据信息公开透明化.