2013～2020年湖南省大气二氧化硫浓度变化特征分析

陈 阳，肖童觉，张 琴，周国治，吕 明，郭 卉，郭 倩，朱 颖，金红红，霍 洋，付慧媛

(1.湖南省生态环境监测中心，湖南 长沙 410019，2.国家环境保护重金属污染监测重点实验室，湖南 长沙 410019；3.河北先河环保股份有限公司，河北 石家庄 050035；4.湖南省株洲生态环境监测中心，湖南 株洲 412000)

1 引言

二氧化硫是主要的大气污染物之一，主要来源于化石燃料燃烧、矿物冶炼、火山喷发等过程[1～3]。二氧化硫不仅会形成酸雨腐蚀建筑，对人体和动植物也会造成严重危害，使人类社会发展面临危机[4～6]。党的“十八大”以来，大气污染治理工作全面提速，《中国空气质量改善报告(2013～2018)》中指出，2013年以来，中国经济持续增长、能源消费量持续增加，但多项大气污染物浓度实现了大幅下降。其中，首批实施《环境空气质量标准》的74个城市的二氧化硫平均浓度下降68%。本研究针对湖南省区域内14个城市环境空气中的二氧化硫浓度变化情况进行综合分析评价，以期客观反映全省的二氧化硫治理成效。

2 研究方法

2.1 数据来源

基于湖南省14个城市环境空气质量监测站的6项大气污染物(可吸入颗粒物、细颗粒物、臭氧、二氧化氮、二氧化硫和一氧化碳)监测数据及其他相关数据(数据来源参考湖南省环境空气质量检测数据管理系统)。

2.2 数据分析处理方法

二氧化硫浓度及相关数据采用Excel 2007软件建立数据库和进行分析。

2.3 空气环境质量指数计算及划分标准

本文最短研究时限为日平均值，其中日平均值是用各影响因子24 h内所监测数据的平均值表示。《环境空气质量标准(GB 3095-2012)》二氧化硫年平均浓度和24 h平均浓度标准如表1所示。

表1 二氧化硫浓度等级标准值

3 结果与分析

3.1 2013～2020年二氧化硫浓度变化

2013～2020年，全省14个城市环境空气的二氧化硫年均浓度值逐年下降，从2013年的40 μg/m3降至8 μg/m3，浓度下降了77.5%。其中，2014年较2013年下降17.3%，2015年较2014年下降25.8%，2016年较2015年下降20.1%，2017年较2016年下降25.6%，2018年较2017年下降18.6%，2019年较2018年下降17.8%，2020年较2019年下降12.4%，每年平均降幅为19.7%。期间，2018年下降幅度高于全国首批实施《环境空气质量标准》的74个城市的平均浓度2.4个百分点。如图1所示。

图1 2013～2019年湖南省二氧化硫的浓度变化趋势

2013～2020年，全省14个城市环境空气中的二氧化硫下降幅度从大到小依次为：张家界市(90.9%)、益阳市(90.2%)、湘西州(85.4%)、常德市(83.0%)、湘潭市(84.6%)、长沙市(78.8%)、娄底市(81.8%)、株洲市(81.3%)、怀化市(76.5%)、岳阳市(71.1%)、永州市(76.5%)、衡阳市(66.7%)、邵阳市(64.9%)和郴州市(57.7%)。如图2所示。

年份

从表2可以看出，2013年，全省14个城市环境空气中的二氧化硫浓度均未达到国家环境空气质量一级标准，2014年有1个城市达国家一级标准，2015年有5个城市达国家一级标准，2016年达一级标准的城市增至8个，2017年仅邵阳市未达一级标准，2018～2020年全省14个城市均达到国家一级标准。

表2 2013～2020年14城市二氧化硫达到一级标准情况

2020年，全省14个城市二氧化硫年均浓度均达到国家一级标准，浓度最低的是张家界市，仅为3 μg/m3。浓度最高的是邵阳市和衡阳市，为13 μg/m3。邵阳市自2015～2019年，二氧化硫浓度始终保持全省最高，2018年较2017年年均浓度同比下降了37.9%，由2017年未达一级标准下降至2018年在一级标准范围内。

2013～2020年，全省14个城市二氧化硫日均浓度超过国家一级标准的天数分别为：1325 d、744 d、368 d、137 d、66 d、16 d、0 d和0 d。超过一级标准天数较多的城市为：益阳市329 d、娄底市317 d、邵阳市295 d、株洲市278 d和湘潭市272 d。较少的城市为：张家界市63 d、长沙市77 d、郴州市96 d和湘西州102 d。

2020年日均最高值出现在怀化市，为40 μg/m3。最低值为2μg/m3，全省14市州共出现97 d。年均值中，二氧化硫单项指数最高的为邵阳市和衡阳市，为0.22。从空气质量综合指数中的二氧化硫单项指数占比来看，邵阳市的二氧化硫单项指数占比最高，为5.6%。如表3所示。

表3 2020年14城市环境空气的二氧化硫情况

3.2 2013～2020年二氧化硫浓度时空变化

3.2.1 二氧化硫时间变化

2013～2020年全省二氧化硫逐日变化趋势如图3所示，可以看出整体趋势呈“U”字型。 1、2、3和11、12月份浓度较高为两个“波峰”，6～8月份浓度较低为“波谷”。虽然2018年全省的二氧化硫浓度均达国家一级标准，但可以看出，1、2月份仍有较高的浓度波峰。这可能与冬季燃煤采暖有关。

图3 2013～2020年二氧化硫日浓度叠加面积示意

2013～2020年全省二氧化硫月季变换趋势如图4所示，全省二氧化硫浓度的季节性变化较为明显，冬春两季浓度明显高于夏秋两季。冬季浓度最高，平均值为26.9 μg/m3，春季浓度次之，平均值为22.1 μg/m3，秋季平均浓度为20.9 μg/m3，夏季平均浓度为17.3 μg/m3，即冬>春>秋>夏。湖南省位于全国的中南部，季节分明，冬春两季气候明显不同于夏秋两季，冬春两季受冷高压影响，大气结构较为稳定，近地面温度较低，容易形成逆温辐射、静风等天气现象，不利于二氧化硫的扩散[[7～9]。夏秋两季雨水充沛，常伴有强对流天气，气温较高，有利于扩散，且降水有利于二氧化硫的湿沉降[10,11]。

图4 2013～2020年二氧化硫的月、季变化趋势

通过对每一年季节均值与年均值进行比较，发现不同季节二氧化硫浓度对年均值的贡献有明显差异，且随着产业结构逐年调整，季节差异也不断减小。图5为季节均值与年度均值的比较，可以看出2013～2020年冬季浓度均高于年均浓度，夏秋季浓度均低于年均浓度，春季浓度在2014年、2017年、2019年和2020年低于年均浓度，2013年、2015年、2016年和2018年略高于年均浓度。2013～2020年，冬季均值相较年均值分别高28.9%、29.2%、28.7%、16.4%、31.7%、6.8%、-4.1%和-9.4%；夏季均值相较年均值分别低30.7%、21.6%、16.8%、17.4%、21.4%、9.3%和10.3%。

图5 2013～2018年二氧化硫的季节贡献

2013年，二氧化硫的冬季和夏季的季累加浓度占全年累加浓度的比重分别为32.6%和16.9%，冬季比夏季高15.7%。到2016年，冬季和夏季的季累加浓度值占全年累加浓度的比重分别为29.0%和20.7%，冬季比夏季高8.3%。2020年，冬季和夏季的季平均值在全年中的占比分别为22.5%和25.0%，冬季比夏季低2.5个百分点。与2013年同期相比，2020年春季的浓度下降了76.2%，夏季下降了67.7%，秋季下降了78.2%，冬季的下降幅度最大，降幅为84.9%(表4)。

表4 2013～2020年14城市二氧化硫浓度变化 μg/m3

3.2.2 二氧化硫空间变化

2013～2020年，全省二氧化硫浓度整体呈现出湘中南部较高，而湘西、湘北较低的特点。二氧化硫是典型的人类活动导致的大气污染现象，能源结构不一样，城市间的污染水平明显不同[12～14]。如图6所示，全省14个城市的二氧化硫年均浓度在2013年，以湘中地区的益阳市、湘潭市最高，湘南区域的郴州市为全省最低；2014年，湘西地区的湘西州、张家界市，湘北区域的岳阳市，湘中地区长沙市的二氧化硫浓度较低；2015年，张家界市、湘西州、长沙市、衡阳市和郴州市率先达到国家一级标准，均低于20 μg/m3；2016年，除湘潭市二氧化硫浓度同比上升4.2%以外，其他城市都有所降低；2017年，除邵阳市的二氧化硫浓度为29 μg/m3以外，其他城市均低于国家一级标准20 μg/m3；2018年，全省14个城市的二氧化硫浓度均达到国家一级标准。

图6 2018年较2017年14城市二氧化硫排放下降幅度

3.3 2016～2020年二氧化硫浓度与排放量关系

二氧化硫的来源主要包括两个方面：工业污染源和生活污染源[15,16]。以工业源数据为基础，统计分析相关数据，近年来全省二氧化硫的排放量明显下降，2017年较2016年下降19.3%，2018年较2017年下降32.3%，2019年较2018年下降27.5%，2020年较2019年下降25.0%。2020年与2015年相比，下降最高的城市是张家界市，下降95.2%，最低的城市是湘潭市，下降29.5%。全省二氧化硫工业排放量下降最高的年份是2018年，所有城市逐年都呈下降趋势。

如图7所示，2016～2020年，全省14个城市的二氧化硫浓度与排放量相关性从高到低依次为：郴州市(0.95)、怀化市(0.92)、永州市(0.76)、邵阳市(0.49)、长沙市(0.95)、益阳市(0.93)、娄底市(0.93)、常德市(0.55)、岳阳市(0.94)、株洲市(0.99)、湘潭市(0.99)、张家界市(0.99)、衡阳市(0.94)、湘西州(0.43)。各城市二氧化硫浓度与排放量的相关性差异可能与当地地形地貌、气象条件、主要排放源与监测点的相对位置等条件有关。

图7 2016～2020年14城市的二氧化硫浓度与排放量对比

3.4 2017～2018年典型城市二氧化硫浓度下降原因分析

3.4.1 典型城市二氧化硫浓度变化

在全省14个城市中，邵阳市连续4年二氧化硫年均浓度均为全省最高，因此挑选其作为典型城市开展分析。邵阳市2017年和2018年的二氧化硫污染形势相对严峻，尤其是2017年，二氧化硫年均浓度更是达到全省均值的2倍以上，但2018年二氧化硫年均浓度同比下降13μg/m3，降幅为37.9%，降幅排全省第1。

对邵阳市2017～2018年二氧化硫浓度进行逐月对比分析，发现其2018年二氧化硫各月的浓度均较2017年同期有所下降，尤以春、冬季下降幅度较大，其次为秋季。二氧化硫浓度下降幅度较大月份为：12月(60.5%)、11月(57.5%)、8月(49.5%)、4月(47.4%)、3月(45.5%)和9月(42.1%)。下降幅度较小的月份为：5月(3.6%)、6月(17.6%)、7月(17.7%)(图8)。

图8 2017～2018年邵阳市的二氧化硫月变化

3.4.2 浓度下降原因分析

统计数据显示，2018年全省二氧化硫的工业排放总量为118262.9 t，相比2017年全省排放总量174714.3 t，下降了32.3%，是5年中下降幅度最高的一年。全省二氧化硫排放总量的下降与城市空气质量中的二氧化硫浓度下降密切相关，各地均采取持续有效的治理措施，使得城市环境空气中的二氧化硫浓度明显降低。以邵阳市为例，根据“邵阳市2018年全年污染防治攻坚战工作情况”报告显示，2018年邵阳市完成大气结构减排项目62个，削减二氧化硫为1252 t。国电湖南宝庆煤电有限公司一号机组、二号机组超低排放改造完成，预计2018年二氧化硫削减量为900 t。通过以上减排措施，邵阳市2018年的二氧化硫削减量为2152 t。自2018年起，邵阳市委市政府成立邵阳市蓝天保卫战指挥部，严厉打击大气污染环境违法行为，采取了多项二氧化硫污染控制措施，使得二氧化硫浓度显著下降。一是有关部门对全市燃煤锅炉进行取缔；二是对全市大小砖瓦厂全面检查，不符合规定生产排放的严厉查处；三是对全市水泥行业脱硫除尘设备进行优化升级。通过综合施策，邵阳市的二氧化硫浓度由2017年的29 μg/m3，下降到2018年的18 μg/m3，下降率达37.9%，其环境效益非常显著。

4 结论

(1)2020年湖南省14个城市环境空气中的二氧化硫浓度比2013年下降77.5%，下降幅度高于全国首批实施《环境空气质量标准》的74个城市的平均浓度2.4%。在2013～2020年，城市环境空气中的二氧化硫浓度逐年降低，平均每年下降19.7%。从2013年14个城市的二氧化硫年均浓度均超过《环境空气质量标准》中一级标准(20 μg/m3)，到2018年均达到一级标准，二氧化硫已改善成效显著。

(2)2013～2020年，全省14个城市中环境空气中的二氧化硫年均浓度下降幅度最大的3个城市是张家界市、湘西州和益阳市，下降幅度分别为90.9%、90.2%和85.4%；下降幅度最小的3个城市是郴州市、邵阳市和衡阳市，下降幅度分别为57.7%、64.9%和66.7%。

(3)从区域分布特征看，全省14个城市的二氧化硫浓度整体呈现出湘中南部较高，而湘西、湘北和湘南南部较低的特点。在长株潭城市群中，长沙市的二氧化硫浓度最低，株洲市和湘潭市基本一致。

(4)2013～2020年，全省14个城市冬季的二氧化硫平均浓度为25 μg/m3，夏季二氧化硫平均浓度为16 μg/m3。冬季对年均浓度值均为正贡献，夏季对年均浓度值均为负贡献。但冬季浓度占全年浓度比重与夏季浓度占全年比重之差，已逐年减小。说明二氧化硫排放虽有非常明显的采暖与非采暖的季节差异，但随着社会经济的发展以及防控措施力度的加大，传统的冬季燃煤采暖方式正逐年被其他方式取代。

(5)选取邵阳作为典型城市分析，2018年邵阳市采取了一系列的减排与治理全省二氧化硫排放总量的下降与全省城市空气质量中二氧化硫的浓度下降密切相关。措施，二氧化硫污染改善明显，2018年年均浓度较上年下降37.9%，其中有6个月的二氧化硫浓度较上年同期的下降幅度大于40%。由于各地均采取了如火电厂超低排放改造、取缔燃煤锅炉、禁用小煤炉、能源和产业结构调整等有效的防治措施，使得全省二氧化硫污染控制成效显著。