天津市津南区双港镇冬夏两季空气质量影响因素的分析和比较

李培君，赵君彦，张伯年

(天津市津南区生态环境监测中心，天津 300350)

1 引言

随着我国经济的飞速发展,人们生活水平日益提高,对空气质量的关注日益提高。近几年的冬季,中国北方绝大部分城市空气质量有显著提升，雾霾天气明显减少, 但冬季空气质量仍是人们关心的重要问题。大多数学者的解释观点主要集中在三方面：一是气象条件；二是沙尘和扬尘；三是燃煤[1]。这三点中，地理位置决定气象条件，不可改变，沙尘和扬尘全国各地情况不尽相同，但都可通过改变地表条件改善，而冬季燃煤是北方和南方所具有的本质不同。

当前，我国对于环境空气质量主要是通过自动环境监测数据来反映，天津市津南区在全区11个镇(街、园区)全部安置了空气自动监测站，率先在天津市做到了全区域空气质量立体式全覆盖监测，其中双港镇在锅炉并网改造中保留了较大吨位的供热锅炉，本文采用双港镇空气自动站的监测数据，对双港镇冬季和夏季的空气质量进行分析，找出冬夏两季空气质量的影响因素的差异。

2 污染因子的选择

由于供暖期与非供暖期存在较为明确的分界线，工厂生产及人类活动是一年四季都存在的,而且在中国春节长假期间,全国各地的绝大部分工厂是停产状态，因此本文避开了1月份，选取了12月的数据作为冬季的代表，对应半年时间，选取6月的数据作为夏季的代表。空气自动监测站的监测因子PM10、PM2.5、SO2、CO、O3和NO2作为城市大气污染的指标，双港镇冬夏两季的环境空气指标见如下。

3 污染物主成分分析

主成分分析法是研究多个变量之间相关性的多元统计方法。利用少数几个主分量来解释多个变量间的内部结构。主成分分析是运用降维的方式，把涉及多因素的问题中的多个指标转化为少数几个特征指标，在保证分析结果精准度的基础上提高了效率[2，3]。

本文采用主成分分析法。对6种大气污染因子进行主成分分析之前，先进行显著性检验，得出显著性系数<0.05，表明数据服从正态分布，各变量之间有相关性。再通过SPSS对相关数据进行标准化处理,求出无量纲后数据的相关系数矩阵R与R的特征值、特征向量和贡献率。

以下利用SPSS软件对2020年6月份双港镇夏季的环境空气各指标数据进行分析[4，5]。

表1 2020年6月夏季双港镇环境空气指标主成分特征值和贡献率

由表1结果可知，根据特征根大于1的条件可确定三个主成分，其累计率达85.880%，可充分保留原始信息。三个主成分对原信息的解释能力分别为43.023%、24.392%和18.464%。所以选取这三个主成分作为综合指标，可以较全面地反应出天津市双港镇夏季的空气质量。

为了研究夏季双港镇环境空气中污染物的相关性，本文对PM10、PM2.5、SO2、CO、O3、NO2与选取的三个主成分进行相关性分析，分析结果见表2。

表2 2020年6月夏季双港镇环境空气指标因子载荷

表2中数值表示该污染指标因子作为主成分线性组合的系数，系数的绝对值越大，则主成分对该因子的代表性越大。

由表2可知：PM10、PM2.5、CO、NO2与第一主成分的绝对值相关性均超过60%，说明上述污染物均与第一主成分关系密切，表明双港镇夏季环境空气中PM10、PM2.5、CO、NO2排放量相对较高，上述4种污染因子的来源与理化性质有一定的相似性，并且性质相对稳定，在环境空气中停留时间较长，从而影响了空气质量。

与第二主成分相关性大的是PM2.5、SO2、O3。其中，PM2.5、O3与第二主成分呈正相关，说明PM2.5、O3对空气质量的影响较大。SO2与第二主成分呈负相关，SO2数值越大，第二主成分越低，空气质量越好[6]。在夏季，双港镇的空气质量受SO2数值影响不大。

与第三主成分相关性超过60%的污染因子是CO，说明双港镇夏季环境空气中CO的排放量较高。而CO为机动车源排放的标识物。

综上，双港镇夏季环境空气中污染最严重的是第一主成分的PM10、PM2.5、CO、NO2，这表明双港镇夏季环境空气污染的来源较多，包括：道路扬尘、机动车尾气以及工业排放的废气和粉尘等。

以下利用SPSS软件对2020年12月份双港镇夏季的环境空气各指标数据进行分析[4，5]。

表3 2020年12月冬季双港镇环境空气指标主成分特征值和贡献率

由表3结果可知，根据特征根大于1的条件可确定1个主成分，其累计率达80.741%，可充分保留原始信息。1个主成分F1对原信息的解释能力为80.741%。因此，选取第一主成分作为综合指标，可以较全面地反应出天津市双港镇冬季的空气质量。

为了研究冬季双港镇环境空气中污染物的相关性，本文对PM10、PM2.5、SO2、CO、O3、NO2与选取的第一主成分进行相关性分析，分析结果见表4。

表4 2020年12月冬季双港镇环境空气指标因子载荷

表4中数值表示该污染指标因子作为主成分线性组合的系数，系数的绝对值越大，则主成分对该因子的代表性越大。

由表4可知：PM10、PM2.5、SO2、CO、O3、NO2与第一主成分的绝对值相关性均超过80%，说明上述污染物都与第一主成分关系非常密切。其中，PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2与第一主成分呈正相关，说明这5种污染因子对空气质量的影响较大，且来源与理化性质有一定的相似性，是影响空气质量的主要因素。O3与第一主成分呈负相关，说明在冬季，受气象因素影响双港镇的空气质量受O3数值影响不大。

综上，双港镇冬季环境空气中污染最严重的是第一主成分的PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2，主要影响因素依次为：NO2、CO、PM2.5、PM10、SO2。这表明双港镇冬季环境空气污染的主要来源是燃煤燃气供热。

这与《2020年津南区大气污染形势、成因与防治建议报告》中津南区境内氮氧化物和颗粒物主要来自于燃煤供热站、燃气供热站、工业企业燃气锅炉，较小比例来自于工艺过程源的结论一致[7]。

4 分析与讨论

(1)根据分析结果可以比较看出，双港镇冬季环境空气的主要影响因素主要是NO2、CO、PM2.5、PM10、SO2，贡献值为80.741%；双港镇夏季环境空气的主要影响因素主要是PM10、PM2.5、CO、NO2，但贡献值仅为43.023%，O3对夏季空气质量也有所影响。

(2)燃煤的主要污染物是SO2、NOx、粉尘(PM10、PM2.5)，通过冬夏两季主要污染物的对比不难看出，冬季燃煤对空气质量有直接和决定性的影响[7]，夏季污染物来源组成复杂，包含：道路扬尘、机动车尾气以及工业排放的废气和粉尘等。臭氧是季节因素起了决定作用，而氮氧化物、挥发性有机物是PM2.5和臭氧的共同前体物。因此需要强化氮氧化物、挥发性有机物的减排，从而降低PM2.5和臭氧浓度，实现对PM2.5和臭氧污染的协同控制。

(3)近年来企业更加重视环境保护的社会效益，各种环保设施升级换代，重点针对主要污染物，如脱硫设备，除尘设备等，使主要污染物等到了有效的控制。通过分析，燃煤污染中最主要的SO2没有成为双港镇冬季环境空气污染的最主要因素，证明当地对于环境治理非常重视，有效抑制了主要污染物的产生，取得了良好的效果。

(4)针对北方燃煤供暖对环境造成的影响，本文给出几点对应的建议：第一,坚持煤改燃的改造升级，大力推广利用效率更高，更加环保的清洁能源。第二，统筹供热规划，减并小锅炉，进一步扩大集中供暖的覆盖面,加快对现有锅炉和发电机组等的技术改造。第三,加快工业污染物处理设备的更新换代，在处理次级和三级污染物上下功夫，使工业排放符合生态循环的要求。