内蒙古自治区臭氧污染特征及时空重点管控区段研究*

米 敬 程宇飞

(1.内蒙古自治区生态环境科学研究院,内蒙古 呼和浩特 010011;2.海口经济学院,海南 海口 571132;3.内蒙古自治区环境监测总站,内蒙古 呼和浩特 010011)

近地面臭氧(O3)是造成慢性呼吸道疾病和导致雾霾的主要大气环境污染物[1-2]。近年,我国许多地区O3已反超细颗粒物成为影响城市环境空气质量的首要污染物[3-4]。“十三五”以来,随着工业化程度显著提升,内蒙古自治区的O3污染问题也日益突出[5],但全区O3浓度分布在工业分布、气流等因素影响下,存在显著的空间不均匀性。

乌海及其周边地区是重工业基地,是内蒙古自治区O3浓度高值区[6-8]。河套灌区是我国最大的引黄灌区,对于国家粮食生产至关重要。O3超标将导致小麦等主要经济作物光合作用受限、叶片受损、产量下降[9-10],因此河套灌区也是O3防治典型区。“一湖两海”(包括呼伦湖、乌梁素海和岱海)也正面临着严重的O3污染威胁[11-13]。

另外,O3污染存在显著的时间差异。周海军等[14]研究发现,包头市O3污染主要出现在6—8月。曹星辉[15]研究表明,O3浓度夏季高、冬季低。江靖等[16]指出,呼和浩特市O3浓度随温度和日照时长增加而增加。由此可见,O3污染会因季节、温度等因素的变化而变化。

因此,本研究以河套灌区、“一湖两海”、乌海及周边地区为O3防治典型区对内蒙古自治区进行O3污染特征研究,提出O3污染重点管控时段和区域,为因地制宜地治理内蒙古自治区O3污染提供理论和实践支撑。

1 数据与方法

1.1 O3防治典型区界定

乌海及周边地区、“一湖两海”和河套灌区包含的内蒙古自治区O3防治典型区主要包括呼伦贝尔市、巴彦淖尔市、乌海市、包头市、乌兰察布市、呼和浩特市、鄂尔多斯市和阿拉善盟。其中,河套灌区包括呼和浩特市、包头市、乌兰察布市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、乌海市和阿拉善盟;“一湖两海”包括呼伦贝尔市、巴彦淖尔市和乌兰察布市;乌海及周边地区包括乌海市、鄂尔多斯市和阿拉善盟。

1.2 数据来源

2015—2021年内蒙古自治区O3数据由内蒙古自治区环境监测总站提供,包括全区12个盟市103个旗(县、区)。2019—2021年O3防治典型区的PM2.5数据也由内蒙古自治区环境监测总站提供。包头市的气象数据、挥发性有机物(VOCs)排放量、氮氧化物(NOx)排放量、机动车保有量、污染源等有关数据来自包头市生态环境局。

1.3 评价方法

根据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)和《环境空气质量指数(AQI)技术规范(试行)》(HJ 633—2012),本研究中O3日评价以日最大8 h平均计,月评价与年评价以日最大8 h平均的第90百分位数计,为方便起见若无歧义统称为O3浓度(有特殊说明除外)。O3污染级别根据HJ 633—2012评价。

2 结果与讨论

2.1 内蒙古自治区O3污染特征

2.1.1 2015—2021年内蒙古自治区O3浓度年变化特征

内蒙古自治区O3质量浓度年变化特征如表1所示。虽然O3浓度通常以日最大8 h平均的第90百分位数计,但为了更加全面地刻画2015—2021年内蒙古自治区O3浓度年变化,分别用第90、50、10百分位数作为高、中、低浓度进行分析。由表1可见,中、高O3浓度在2019年前总体逐年增加,2019年达到峰值后,2020、2021年有所降低。低O3浓度在2019年前增长较慢,但2020、2021年增长较快,始终处于增长状态。由此可见,2020、2021年中、高O3浓度较2019年降低,而低O3浓度显著升高,说明2020、2021年O3污染程度出现下降趋势,2019—2021年基本反映了内蒙古自治区O3污染的现状。

表1 2015—2021年内蒙古自治区O3质量浓度Table 1 O3 mass concentrations in Inner Mongolia Autonomous Region from 2015 to 2021 μg/m3

由表2可见,2019—2021年内蒙古自治区12个盟市的O3质量浓度均未超过GB 3095—2012二级标准限值(160 μg/m3),3年全区O3质量浓度分别为137、129、131 μg/m3;全区日浓度超标天数分别为160、93、129 d;以O3为首要污染物的超标天数分别占当年总超标天数的40.0%、22.4%、26.1%。进一步分析发现,2019—2021年全区O3轻度污染天数分别为159、91、127 d,中度污染分别为1、2、2 d,未出现重度污染和严重污染。

表2 2019—2021年12个盟市O3质量浓度及超标情况Table 2 The mass concentrations and exceeding status of O3 in 12 municipalities from 2019 to 2021

2.1.2 内蒙古自治区O3浓度空间分布特征

在SuperMap iDesktop10.1软件中选用距离反比法进行空间插值分析内蒙古自治区2019—2021年的O3浓度变化,发现3年的O3浓度空间分布规律相似,总体呈西部和东南部高,中部和东北部低的特点,图1给出了2019年典型的空间分布图。西部O3浓度特别高是因为西部煤炭资源丰富,煤化工产业发达,还分布着化工、焦化、建材、火电等众多企业,排放大量O3前体物VOCs和NOx[17-18]。由此可见,内蒙古自治区的O3污染防治重点区域应在西部和东南部地区,这些区域大多属于内蒙古自治区O3防治典型区,在后续环境管理中应重点在这些地区实施分区管控及区域联防联控。

图1 内蒙古自治区2019年O3质量浓度空间分布Fig.1 Spatial distribution of O3 mass oncentration in Inner Mongolia Autonomous Region in 2019

全区每年O3质量浓度前三的盟市统计结果如表3所示,其中呼和浩特市、鄂尔多斯市、通辽市出现次数最多,均出现了5次,另外赤峰市出现了3次,包头市和乌兰察布市均出现了2次,乌海市出现了1次,说明呼和浩特市、鄂尔多斯市、通辽市O3污染比较严重,集中发生的时间在5—8月。

表3 2015—2021年全区O3质量浓度前三的盟市Table 3 Top three municipalities of O3 mass concentrations in the region from 2015 to 2021

2.2 O3防治典型区污染特征

2019—2021年内蒙古自治区O3防治典型区的O3质量浓度月变化见图2(a),最大值均出现在7月,5—8月O3浓度较高,最小值均出现在12月,1、11—12月O3浓度较低,这是因为NOx、VOCs等O3前体物受光照条件的季节变化影响比较显著[19-20]。2019—2021年,乌海及周边地区O3质量浓度平均值为127 μg/m3,河套灌区为121 μg/m3,“一湖两海”为108 μg/m3。可见,乌海及周边地区的O3浓度最高,这可能与乌海及周边地区化工园区数量多,排放大量O3前体物有关[21]。

图2 2019—2021年O3防治典型区的O3和PM2.5质量浓度月变化Fig.2 Monthly changes of O3 and PM2.5 mass concentrations in O3 prevention and control typical regions from 2019 to 2021

比较3个O3防治典型区中O3和PM2.5质量浓度月变化(见图2)发现,O3呈“凸线”趋势,而PM2.5呈“凹线”趋势,分析每月两者间的关系发现1、10两月两者呈显著负相关(p<0.01),这是因为较高浓度的PM2.5可降低消光系数和大气辐射强度,不利于O3生成[22-23]。

2.3 污染原因初探

包头市属于O3防治典型区,又位于全区的中间位置,因此以包头市为例初步探究内蒙古自治区的O3污染原因。

2.3.1 产业结构及机动车尾气方面

包头市是内蒙古自治区最大的工业城市,拥有全区最大的钢铁、铝业、装备制造和稀土加工企业,是国家和内蒙古自治区重要的能源、原材料、稀土、新型煤化工和装备制造基地,形成了东部铝业,西部钢铁、煤化工和稀土产业,南部高新技术产业,北部装备制造业等多种产业聚集分布的特征。这些产业在生产过程中排放大量的O3前体物NOx[24]、VOCs[25-26],造成包头市O3污染。

包头市近年机动车数量也逐年增加,由此导致机动车尾气排放量逐年增加,特别是NOx[27],成为包头市O3污染的重要原因之一。

包头市及周边主要的火电、黑色及有色金属冶炼等行业涉及重要的燃烧源。2015年包头市电力行业等燃烧源的VOCs和NOx排放量分别为2 647.01、52 036.89 t/a;钢铁、有色金属冶炼、焦化及煤化工、水泥等建筑工业燃烧源的VOCs和NOx排放量分别为14 330.40、41 718.81 t/a;生活源的VOCs和NOx排放量分别为15 390.98、3 499.52 t/a;移动源的VOCs和NOx排放量分别为12 573.65、21 969.75 t/a。O3由VOCs和NOx等物质在紫外光照和高温等条件的作用下发生光化学反应生成。VOCs除加速O3生成并增加大气氧化性外,还会促进SO2、NOx等污染气体转化成硫酸盐和硝酸盐气溶胶,进而形成PM2.5。

2.3.2 气象因素对O3的影响

近地面O3浓度还与气象条件有密切关系[28]。2021年包头市年平均气温为8.4 ℃,年平均风速为2.9 m/s,年总降水量为240.4 mm,年日照时数为2 978.9 h,年平均相对湿度为58%。2020—2021年包头市O3浓度与温度、风速的Pearson相关系数如表4所示。O3浓度与气温、风速均呈正相关关系,这是因为温度越高越有利于光化学反应生成O3。O3浓度与风速呈正相关关系可能是因为风对污染物的混合作用大于扩散作用[29]。具体分析发现,包头市O3小时浓度在温度处于超过25 ℃时就开始超过GB 3095—2012二级标准限值。2020—2021年包头市O3浓度随风速增大而升高主要发生在风速低于5 m/s时。由此可见,包头市在温度大于25 ℃且风速小于5 m/s时最易促使O3浓度升高。

表4 2020—2021年包头市O3和气象因素相关关系Table 4 Correlation between O3 and meteorological factors in Baotou City from 2020 to 2021

3 结 论

(1) 内蒙古自治区2020、2021年相比2019年O3污染程度出现下降趋势。2019—2021年基本反映了内蒙古自治区的O3污染现状,12个盟市的O3质量浓度均未超过GB 3095—2012二级标准限值(160 μg/m3)。空间分布上呈西部和东南部高,中部和东北部低的特点,建议对乌海及周边地区、河套灌区和“一湖两海”O3防治典型区进行重点管控,5—8月应为重点管控时段。

(2) 以包头市为例初步探究内蒙古自治区的O3污染原因发现,产业结构和机动车尾气是包头市O3污染的重要原因,温度大于25 ℃且风速小于5 m/s时温度和风速增大易促进O3浓度升高。