荆州市环境空气质量变化及其影响因素分析

李江丽

（湖北荆州环境保护科学技术有限公司，湖北 荆州 434000）

0 引言

随着荆州市经济的快速发展和城市化进程的不断加快，空气污染已成为目前突出的环境问题之一。虽然通过大力开展大气污染防治行动，环境空气质量总体改善[1]，但雾霾天气仍时有发生[2]，给居民健康、生活等带来不利影响，因此环境空气质量仍需进一步改善。荆州市经济发展迅速，地区生产总值从2010年的837.1 亿元增加到2019 年的2516.48 亿元，能源总消耗量由708.36 万t 标准煤增加到952.61 万t 标准煤，机动车保有量增长了2.34 倍，给荆州市生态环境带来了较大压力。荆州的环境空气质量与湖北省部分城市相比较差[3]，因此研究荆州市环境空气质量变化特征及其影响因素对控制空气污染有重要意义。本文根据荆州市环境空气质量监测资料，探讨荆州市空气质量变化趋势及其影响因素，以期得出其环境空气演变规律，为荆州市空气污染控制提供科学的依据。

1 研究方法和数据来源

1.1 数据来源

本文采用2010—2019 年荆州市环境空气质量长期定点监测数据，以 SO2、NOx、PM10、PM2.5、CO、O3等污染物浓度进行年度和年内污染趋势分析，文中数据来源于荆州市环境质量公报、荆州市环境统计年报和荆州统计年鉴。

1.2 分析方法

使用Daniel 趋势检验方法（又名Spearman 秩相关系数法）分析空气污染物的变化趋势及其统计学显著特征，见式（1）。

式中：rs——秩的相关系数；n——时间周期数；xi——年均值从小道大排列的序数；yi——年先后排列序数。

rs值的正负分别表示污染的增长和下降，其绝对值的大小表示变化的强度。将秩相关系数rs的绝对值与Spearman 秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较，如果则表明变化趋势有显著意义。n 为10 年，单侧检验的显著水平为0.05。

根据荆州市大气污染物浓度总体变化趋势，本文采用Daniel 趋势检验分别分析各污染物近10 年的总体变化趋势。

2 结果

2.1 空气污染趋势分析

2.1.1 空气总体变化趋势分析

荆州市环境空气质量变化分为两个阶段：2010—2014 年环境空气质量总体下降；2015—2019 年环境空气质量有所改善。

用Daniel 趋势检验分析各污染物变化的趋势，结果表明，不同污染物呈现出不同的变化趋势（图1）。2010—2019 年，SO2浓度呈现先上升、后下降的趋势，2013 年达到峰值，总体显著下降趋势［图 1（a）］，尤其是 2015 年后，下降趋势显著（P＜0.05）；NO2浓度为上升趋势，但趋势不显著［图 1（b）］，2014 年达到峰值；PM10 浓度呈现先上升，后下降的趋势，2014 年达到峰值，总体下降趋势不显著［图 1（c）］；PM2.5 和CO 浓度为显著下降趋势［图 1（d）］；O3浓度为下降趋势，但趋势不显著［图 1（d）］。

图1 荆州市空气污染物浓度的年际变化趋势

2.1.2 污染物浓度季节变化特征

由图 2 可见，SO2、NO2、PM10、PM2.5 和 CO 月均浓度值变化趋势基本一致，呈“U”型变化特征，总体表现为冬季最高、春秋次之、夏季最低的特征，浓度高值主要出现在冬季的1 月、12 月，其中1 月的PM10、PM2.5、CO 月均值浓度最高，12 月的 SO2、NO2月均值浓度最高，PM2.5 月均值除6—10 月外其他月份均超过国家二级标准，污染月份持续最久。O3浓度3—11 月较高，超标主要发生在夏季、初秋，冬季最低。

图2 2019 年荆州市大气污染物月均值变化

空气污染物浓度季节变化特征明显，主要受地形、气象条件和人类生产及生活活动影响[1，4]。夏季气温高，对流强烈，大气边界层高度较高，扩散条件较好，有利于5 种污染物浓度降低。冬季气温较低，大气层易出现逆温现象，大气边界层高度较低，不利于大气中污染的扩散，外源输入与本地污染物叠加易形成污染天气[1，5-6]。

根据2005—2014 年荆州市PM10 月均值分析，10 月PM10 浓度出现小高峰可能是受秸秆燃烧影响[6]，而 2019 年 9 月、10 月的 PM10 月均值较 7 月、8 月仅略有上升（图2），并未形成明显小高峰。荆州市持续推进秸秆垃圾禁烧与综合利用，露天焚烧火点数及黑斑数逐年下降，秸秆综合利用率稳步达到96%以上，说明秸秆禁烧工作对降低颗粒物浓度有一定的贡献，在后续污染防治攻坚过程中，仍需强化秸秆综合利用和禁烧管控，建立秸秆禁烧长效机制。

2.1.3 空气污染特征

2010—2014 年，荆州市3 项大气污染物中以PM10 影响程度最大，为城市大气首要污染物。2015—2019 年，荆州市6 项大气污染物中以PM2.5 影响程度最大，其次为O3和PM10，首要污染物为PM2.5、O3、PM10。

NO2和SO2浓度表现出不同的消长趋势，表明荆州市空气污染总体特征在发生改变。如图3 所示，2010—2014 年，NO2/SO2浓度比值为 0.51~0.91，之后逐年上升，2019 年达到3.56，NO2浓度的相对比例逐渐增加，这表明荆州市城市空气污染特征逐渐从传统煤烟型污染转变为机动车尾气型污染。

图3 2010—2019 年荆州市城市NO2/SO2 浓度比值变化趋势

2.2 环境空气质量变化的影响因素

荆州市社会经济快速发展，能源使用量与机动车数量高速增长，为环境空气质量带来巨大压力。同时，2013 年“大气十条”发布以来，荆州市采取了一系列大气污染防治措施，主要包括产业结构优化、能源结构优化、重点污染源整治、机动车尾气控制、扬尘污染治理等以及秸秆禁烧、餐饮油烟污染整治等其他环境保护措施，大气污染物增加的压力与大气污染防治措施的相互作用是驱动荆州市近10 年环境空气质量变化的主要因素。

2.2.1 产业结构升级和能源结构优化

产业结构优化调整是改善环境空气质量的重要措施[1，7]。2010—2019 年，荆州市产业结构已由第二产业为主转变为第三产业为主，三大产业结构由2010 年的 27.6:38.9:33.5 调整为 2019 年的 17.3:37.1:45.6，其中工业的比例由35.03%下降至33.54%，产业结构优化调整升级是驱动荆州市空气质量好转的因素之一。

同时，能源利用效率逐年提升，2019 年荆州市万元GDP 能耗为0.378 t 标准煤，比2010 年下降62.7%，全市总能耗2019 年相比2010 年增加了34.5%，说明荆州市节能降耗工作成效明显，在保障经济发展的同时减少了污染物排放。此外，能源消费结构不断优化，天然气等清洁能源使用比例上升，原煤消耗量（折标准煤计）占总能耗的比例由2010 年的64.43%下降到2019 年的54.65%，天然气消耗量占总能耗的比例由2010 年的1.27%上升到2019 年的3.53%，同期 SO2年均浓度由 35 μg/m3下降到 9 μg/m3，2010—2019 年，天然气供应量与SO2年均浓度有较显著相关关系（图 4，r=-0.7256，P＜0.05）。

图4 荆州市天然气供应量与SO2 浓度关系

2.2.2 重点污染源整治

燃煤锅炉排放大量的SO2、NOx和烟粉尘，2013年开始荆州市开展燃煤锅炉淘汰，据统计，截至2017年共淘汰20 蒸吨以下燃煤锅炉800 余台，燃煤电厂、钢铁企业实施超低排放改造，更加严格的相关大气污染物排放标准颁布施行，以及新上污染源实行总量控制、限制达标，对减少污染物排放起到了重要作用。与2013 年相比，2019 年荆州市工业SO2、烟粉尘的排放量分别减少了约88%、42%，荆州市SO2浓度从 2014 年开始降低［图 1（a）］，PM10 浓度从 2015 年开始降低［图1（c）］，表明燃煤锅炉综合整治、重点行业超低排放改造等行动对减轻荆州市空气污染有较大贡献。

2.2.3 机动车尾气控制

机动车尾气是城市中PM10 和NO2的重要贡献源[8]，荆州市机动车保有量由2010 年的1.61 万辆增加到2019 年的5.38 万辆，平均每年增加约12.8%，机动车尾气排放为荆州市大气污染物重要来源之一。2010—2019 年间荆州市机动车保有量与NO2年均浓度相关性不显著（图5，P＞0.05），虽然机动车保有量快速增长，但机动车尾气排放标准提高、推行“检验—维修—复检”闭环管理、严格油品质量监管等措施对控制机动车大气污染源起到了一定作用，截至2017 年年底，荆州市共淘汰2.5 万辆黄标车。NO2浓度并没有随着机动车保有量增加而显著上升，说明上述机动车尾气控制措施对减轻机动车污染源有一定效果。

图5 荆州市机动车保有量与NO2 浓度关系

2.2.4 扬尘污染治理

扬尘是荆州市颗粒物污染物来源之一，其中建筑扬尘等开放源造成的污染对城市环境空气质量影响显著[8]。荆州市建筑业生产总值由2010 年的32.06 亿元增加到2019 年的90.41 亿元，平均每年增加约10.9%。根据研究，建筑业增加值增长，城市环境空气质量总体下降[9]，而2010—2019 年，荆州市建筑业生产总值与PM10 年均浓度相关性不显著（图6，P＞0.05），说明建筑扬尘不是颗粒物的最主要来源，同时，荆州市出台了《荆州市扬尘污染防治条例》，建筑拆迁施工场地实施抑尘防尘“六化”标准，对渣土车辆实施智能监控，加强道路洒水降尘，城市管理水平不断提升，在一定程度上减少了扬尘的产生。

图6 荆州市建筑业生产总值与PM10 浓度关系

2.2.5 自然影响因素

除人为因素，大气污染物浓度时空变化还受地形、气象条件、沙尘等自然因素影响[1]。荆州市处于“两山夹一沟”的特殊地理位置，在东北风作用下受西部荆山山脉阻挡影响，风速降低并产生污染物回流，不利于污染物扩散。气压、气温、水汽压、湿度、云量、风速、降水和光照等气象因素与大气污染浓度有相关关系，如2014 年1 月荆州气温异常偏高，冷空气活动弱，降水偏少，日照时数异常偏多，导致2014年1 月出现6 d 严重污染，而2015 年和2016年没有出现严重污染日[2]。冬季北方沙尘暴及供暖外来污染物南下影响沿途空气质量[1，10]，如 2017 年5 月、12 月荆州市环境空气质量遭受北方沙尘天气影响，颗粒物浓度急剧升高，出现重度污染天气。在冬季，北方污染干冷气团在向南的过程中湿度增大，导致气态污染物发生二次反应转化为细颗粒物的程度显著增强。

2.2.6 其他

近年来，O3超标情况逐渐突出，2015 年首要污染物为O3的有40 d（占27.4%），2019 年首要污染物为O3的有34 d（占39.5%），O3超标主要发生在夏季、初秋的午后至傍晚时段，夏季、初秋午后，气温高、日照强，为氮氧化物和挥发性有机物发生大气光化学反应提供了有利条件[5]，从而生成近地面臭氧等强氧化剂，导致臭氧超标。

3 结语

（1）荆州市环境空气质量变化分为两个阶段：2010—2014 年环境空气质量总体下降；2015—2019年环境空气质量有所改善，其中SO2、PM2.5、CO 浓度总体显著下降，NO2浓度不显著上升，PM10 浓度总体不显著下降，O3浓度不显著下降。NO2/SO2浓度比值呈显著上升趋势，荆州市空气污染由传统煤烟型转变为机动车尾气型，表现出典型的复合污染特征，夏季臭氧、冬季细颗粒物季节性污染问题突出。

（2）产业结构升级、能源结构优化、重点污染源整治、机动车尾气控制、扬尘污染治理等对荆州市环境空气质量改善起到了重要作用。地形、气象条件、沙尘等自然因素是大气污染物浓度时空变化的外因。

（3）O3超标情况逐渐突出，在下一阶段的污染防治攻坚战中，荆州市应重点关注夏秋季节的臭氧污染，协同推进氮氧化物和挥发性有机物减排，实现细颗粒物和臭氧协同控制。