河南省空气污染物构成特征与空间关联关系研究

秦建辉，王素仙

(1.河南理工大学 工商管理学院，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 理工教育中心，河南 焦作 454000)

0 引 言

当前，随着我国经济的快速发展，区域环境空气质量不断恶化，人民健康和国家生态安全受到威胁，空气污染问题已成为亟须解决的重大民生问题[1-3]。空气污染主要表现为空气中颗粒物、硫氧化合物、氮氧化合物、臭氧等超标。其中，颗粒物易于吸附环境中的重金属、有害细菌等有毒物质，且能够随空气进入人的肺部，引起呼吸系统、血液系统等各类疾病[4-7]，而空气中的氮氧化物能够促使光化学烟雾形成[8]，其和硫氧化合物又是酸雨形成的重要基础[9]。因此，探讨空气污染物构成特征与时空变化过程是关系民生的重大课题[10-11]。

河南省是国家实施中部崛起和中原经济区建设战略的核心区域，经济发展迅速，但空气污染形势不容乐观，曾一度出现污染指数持续上升、污染程度在全国排位持续靠前的严峻局面。空气污染已经成为影响全省经济社会发展的重大瓶颈和潜在风险隐患。近年来，学者针对河南省空气污染时空格局与影响因素[12-13]、空气污染输送通道及来源[14-15]开展了一些研究，并取得了丰硕成果，也有学者开始初步探讨污染物构成及其变化，但基于数据限制，研究涉及污染物组分过于单一，难以揭示空气污染物整体构成及演变特征[16-17]。2014年，依照中国环境保护部与国家质量监督检验检疫总局发布的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，河南省城市开始逐步实施并系统发布6种首要污染物及空气质量指数(AQI)数据。本文借助其发布的最新空气质量数据探讨河南省城市空气污染物的演变过程及空间关联特征，以期为我省空气污染防治提供借鉴。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

河南省地处我国中部，界于31°23′～36°22′N，110°21′～116°39′E间，总面积约16.7万km2，现辖郑州、开封、洛阳、平顶山等17个省辖市和1个省直管市济源(图1)。河南省大部分地处暖温带，南部跨亚热带，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，四季分明、雨热同期，年均温度12.7～16.2 ℃，年均降水量477.8～1 167.3 mm。近年来，随着城镇化和区域经济的快速发展，河南省空气质量不容乐观，省会郑州市成为首个被约谈的省会城市,而且郑州、开封、安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳等7个城市也被列入京津冀大气污染传输通道城市，是京津冀地区的大气污染防治攻坚的重点区域。

图1 河南省城市分布

1.2 数据与方法

空气质量指数(air quality index，AQI)与首要污染物数据源于国家环保部(http://www.zhb.gov.cn/)和河南省环境保护厅(http://www.hnep.gov.cn/)发布的河南省各城市2015年3月1日—2017年2月28日日尺度数据。该数据依据我国环境保护部与国家质量监督检验检疫总局2012年底发布的最新环境空气质量标准(GB3095-2012)。为保持不同年份监测天数的一致性，剔除缺测日对应的所有监测数据。依照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)，本文涉及的空气污染是指空气质量为轻度及其以上的空气污染。

基于2015年和2016年河南省城市空气污染首要污染物出现天数数据，借助ArcGIS全局自相关(global moran’s I)和局部自相关(local moran’s I)分析模块，分别从季节(气象划分法)及全年尺度对比探讨河南省城市首要污染物的空间集聚特征及城市首要污染物与邻近城市首要污染物的关联程度。最后，根据年均首要污染物出现天数，采用SPSS系统聚类分析方法，选择欧氏距离平方测度距离和离差平方和法初步探讨河南省城市空气首要污染的相似性与差异性。

2 结果与讨论

2.1 首要污染物构成变化特征

由图2可知，2015—2016年河南省春季空气污染天数有所减少，减少约8天，全省首要污染物构成比例也出现较大变化。其中，PM2.5出现天数占比由2015年的67.11%下降至2016年的41.30%，而PM10和O3出现天数占比分别由21.89%和10.89%增至41.30%和17.25%。就城市而言，2015年仅鹤壁以首要污染物PM10出现天数占比最高，其他17个城市均以首要污染物PM2.5出现天数占比最高，其中周口达82.35%。全省除漯河、商丘、信阳、驻马店和济源外，其他城市首要污染物PM10出现天数仅次于PM2.5。相比而言，2016年郑州、安阳、濮阳、许昌、三门峡、南阳、驻马店和济源等8个城市出现天数占比最高的首要污染物为PM10。

图2 河南省春季各市首要污染物出现天数构成特征

2015—2016年河南省夏季空气污染天数也有所减少，但首要污染物O3出现天数占比激增。具体而言，2015—2016年首要污染物PM2.5，PM10和O3出现天数占比分别由51.93%，11.15%和36.09%变为14.15%，1.21%和84.64%。城市间首要污染物构成变化差异较大，2015年郑州、漯河、商丘、驻马店和济源市等地出现天数占比最高的首要污染物为O3，其他13个城市出现天数占比最高的首要污染物为PM2.5。然而，2016年全省除商丘以PM2.5为首要污染物外，其他所有城市出现天数占比最高的首要污染物为O3，多在80%以上，且多数城市无首要污染PM10出现(图3)。

图3 河南省夏季各市首要污染物出现天数构成特征

由图4可见，2015—2016年河南省秋季空气污染天数略有增加，但首要污染物PM2.5出现天数占比下降，由85.80%下降为60.45%，而首要污染物PM10和O3出现天数占比增大，尤其是O3，增加至27.14%。2015年全省所有城市均以首要污染物PM2.5出现天数占比最高，尤其是周口，达97.83%，平顶山、漯河、三门峡、南阳、商丘、信阳等城市首要污染物O3出现天数占比较PM10占比高，而洛阳首要污染物NO2出现天数占比较高，且无首要污染O3出现。相比而言，2016年除周口和南阳出现天数占比最高的首要污染物为O3，其余所有城市最常见的首要污染物均为PM2.5。

2015—2016年河南省冬季空气污染天数基本一致，但首要污染物构成差异明显。首要污染物PM2.5出现天数占比增加，由86.97%增至96.53%，而首要污染物PM10出现天数占比由12.42%降低至3.47%，首要污染物构成趋于单一。就城市而言，2015全省所有城市均以首要污染物PM2.5出现天数占比最高，达73%以上，而2016年首要污染物PM2.5出现天数占比均超过87%(图5)。

图4 河南省秋季各市首要污染物出现天数构成特征

图5 河南省冬季各市首要污染物出现天数构成特征

从年尺度上，2015—2016年河南省空气污染天数有所减少，减少约11天。PM2.5是河南省最常见的首要污染物，但出现天数占比降低，由2015年的75.01%下降为2016年的62.49%。相比而言，首要污染物PM10的出现天数差别不大，基本在24.5天(约14%)，但以O3为首要污染物的污染天数增加迅速，超过了首要污染物PM10的出现天数，约占总污染天数的22.58%(图6)。

图6 河南省全年各市首要污染物出现天数构成特征

从城市角度看，2015年全省所有城市最常见的首要污染物是PM2.5，其中周口首要污染物PM2.5出现天数占比最高，为91.51%，而郑州占比最低，为66.20%。全省除商丘、信阳、驻马店、济源、平顶山以及漯河等市以O3为第二首要污染物，其余12个城市第二首要污染物为PM10(图6)。相比而言，2016年PM2.5依然是所有城市中最常见的首要污染物，但出现天数明显减少，出现天数占比最高为74.25%(商丘)。此外，全省城市中仅安阳、鹤壁、开封以及三门峡等4个城市以PM10为第二首要污染物，其余城市首要污染O3的出现天数占比仅次于PM2.5(图6)。PM2.5是影响我国空气质量的主要污染物，尤其在每年10月份至次年3月份[18]。然而，随着能源结构调整、小型燃煤火电厂关停以及集中供暖等控制措施的实施，PM2.5质量浓度不断降低[19]。夏季温度较高，光化学反应强烈，O3成为我国夏季最重要的污染物，且随着气候不断变暖，O3质量浓度呈现逐渐增长的态势[20]。

2.2 首要污染物空间关联特征

由全局自相关分析发现，2015年河南省四季首要污染物PM2.5，PM10以及O3出现天数具有一定的随机分布特征，但2016年秋季PM2.5(Z=2.85，P<0.01)、PM10(Z=2.63，P<0.01)以及冬季PM2.5(Z=2.00，P<0.05)表现出显著的空间集聚现象。就局部空间自相关而言，2015年河南省全年空气污染天数呈现以平顶山为中心的高-高型集聚特征和以开封市为中心的低-高型异常区域，而2016年南阳和信阳空气污染天数与周边城市呈现显著的低-低型集聚特征，新乡呈现高-高型集聚特征(图7)。首要污染物空间自相关关系差异较大，2015年全省仅首要污染物O3呈现低-高型分布，而2016年首要污染物PM2.5存在高-高型集聚现象(图8)。由于大气传输及地形等因素，城市空气污染程度与周边空气污染状况关系密切，空气污染具有一定的空间聚集特征，而这种集聚特征可能会促使污染物相互作用，加剧空气质量恶化[21]。这意味着空气污染防治应加强区域联防联控力度，也应因时制宜及时调整。

图7 河南省2015年和2016年城市空气污染天数局部空间自相关图

图8 河南省城市空气污染首要污染物局部空间自相关图

2.3 首要污染物分类特征

由图9可见，河南省城市空气污染首要污染物可划分为5类。第1类以首要污染物PM2.5为主导，但其出现天数少于其他类型，由开封和鹤壁组成。三门峡、南阳、驻马店、济源、信阳、许昌和漯河等7城市属于第2类，该类首要污染物O3出现天数较多，约30天，而首要污染物PM2.5和PM10出现天数较少，分别为104天和23天。第3类由郑州、濮阳和洛阳等3个城市组成，该类首要污染物PM10和O3出现天数最多。第4类城市首要污染物PM2.5出现天数较多，但是PM10和O3出现天数较少，由焦作、商丘和安阳组成。平顶山、新乡和周口等属于第5类，该类城市首要污染物PM2.5出现天数最多，但PM10天数最少，O3出现天数仅高于第1类和第4类。总体而言，第3，4类城市内部首要污染物PM2.5和O3出现天数一致性较强，预示着该两类城市内PM2.5和O3来源或形成机理方面可能存在很大的共性。

图9 2015—2016年河南省城市首要污染物出现天数聚类特征

3 结 论

本文基于河南省城市最新的空气质量指数(AQI)及首要污染物数据，分析探讨了河南省城市空气污染首要污染物构成变化与空间关联，结论如下。

(1)PM2.5是河南省最常见的首要污染物，但2015—2016年首要污染物构成比例发生显著变化，首要污染物PM2.5出现天数占比下降，而O3占比急剧上升。

(2)2015—2016年河南省春季首要污染物PM2.5出现天数占比下降，而PM10和O3占比上升，夏季首要污染物O3出现天数占比超过PM2.5，而冬季首要污染物PM2.5出现天数占比上升。

(3)河南省空气污染天数及首要污染物呈现一定的空间自相关特征，但集聚区域随时间变化明显。受城市社会经济、自然条件等因素的影响，河南省城市空气污染首要污染物可划为5类。