上海市近年来大气环境质量变化趋势分析

马民涛,韩昀峰,宋凌艳

(北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124)

1 引 言

环境保护与经济发展都与人类的生存和发展息息相关,保护环境,实现经济与环境的协调发展,已经成为各国以及各地区的共识。大气环境质量对于评价城市的环境水平乃至综合竞争力具有非常重要的意义。大气污染是一个复杂的现象,是自然和人为环境条件复杂相互作用的结果;在特定时间空间的大气污染物浓度受到很多因素的影响。

近几年,上海市在主要污染物的控制方面取得了显著效果,城市大气环境质量逐渐得到改善。随着经济和人民生活水平的不断提高,同时为迎接2010年上海世博会的召开,如何重新审视上海市的大气环境质量,分析与总结上海近年来与社会进步、经济发展相关的大气环境变化情况,探索大气环境变化的主要控制因素,对上海的社会、经济、环境可持续协调发展具有重要意义。本文通过对相关资料的大量调查与研究,对上海市大气环境质量现状、变化趋势进行了总结,对这种变化的主要控制因素进行了初步的探索分析。

2 上海市大气环境质量监测情况与变化趋势定量分析

2.1 大气环境质量监测情况

我国目前规定空气质量中的主要污染物有三项：二氧化硫 (SO2)、二氧化氮 (NO2)、可吸入悬浮颗粒物 (PM10)。为更清楚地了解上海市大气环境主要状况及其近年有变化情况,本文在查阅大量文献资料基础上,主要从中华人民共和国环境保护部(www.mep.gov.cn)、上海环境(www.sepb.gov.cn)、上海环境热线 (www.envir.gov.cn)、上海统计(www.stats-sh.gov.cn)、《中国统计年鉴》、《中国环境年鉴》、上海环境状况公报、上海市国民经济和社会发展统计公报等资源得到并总结了上海市自2000年至 2007年共 8年的大气主要污染物 (SO2、NO2、P M10)年平均浓度数据,经统计结果作图,如图 1所示：

图1 主要污染物浓度变化示意图Fig.1 Concentration variation of key pollutants

2000年到 2007年的 8年时间,SO2浓度的变化曲线总体呈现降低的趋势,NO2、PM10浓度的变化曲线经历了先降低,后逐渐增大,又逐渐降低的变化过程。其中 SO2的浓度变化从 2000年到 2005年一直处于上升趋势,2005之后出现了下降趋势;除 2005年以外,其余年份的浓度均好于国家环境空气质量二级标准浓度限制。NO2的浓度值 2001年较 2000年下降了 21.4%,从 2001年到 2004年呈现了缓慢的上升趋势,2004年到 2007年开始平稳下降。PM10的浓度 2000年到 2001年出现了陡降,降幅达到了35.5%,之后从2001年到2007年一直处于平缓的下降趋势,在 2002年和 2004年出现了小幅度的波动。

上海市整体的大气环境质量稳步改善,这样的变化从图 2所示的历年空气质量优良率中也能看出,从 2003年开始,上海环境空气质量优良率连续 5年保持在 85%以上。可以看出上海市连续 3轮“环保三年行动计划”成果是卓越的,这对于一个经济快速发展的大型城市取得的大气环境治理成果,是难能可贵的。

图2 空气质量优良率变化曲线Fig.2 The curve of air quality variation

上海市大气环境质量的变化也可以用城市空气污染指数来表征。空气综合污染指数是各项空气污染物的单项因子的指数加和,可用于评价城市空气质量总体状况、年际变化以及城市间空气污染程度的比较。空气综合污染指数数值越大,表示空气污染程度越严重,空气质量越差。本文根据《中国环境年鉴》、上海环境状况公报、上海市国民经济和社会发展统计公报等资源的资料数据,以 2000到 2007年的空气综合指数进一步作图,参见图 3,可以看出上海市的城市空气污染指数从 2000年到2003年持续下降,2004年和 2005年出现了上升的状况,2006年和 2007年以平均每年 10%的降幅下降。空气污染程度得到了明显的缓解,空气质量逐渐变好。

图3 城市空气污染指数变化图Fig.3 Change of air pollution index of the City

2.2 主要污染物排放情况

图4 主要污染物排放变化示意图Fig.4 Emissions of key pollutants

图4所示是主要污染物排放量的变化趋势,包括二氧化硫总排放量、烟尘总排放量、工业粉尘排放量、市区月降尘量平均值。其中,工业粉尘排放量的变化趋势最为平稳,呈现了持续的较平稳下降趋势,2007年相对 2000年下降了 65.8%。市区月降尘量年均值 8年的下降幅度为 18.5%,2003年和 2004年有小幅度的上升,其他年份均稳定下降。烟尘总排放量 2000年到 2003年处于较明显的下降趋势,2004年略有回升,之后呈现小幅度的稳定的下降趋势,8年的下降幅度为 25.0%。二氧化硫总排放量的变化曲线比较不规则,2000年到 2001年是处于上升趋势,2002年有 5%的下降幅度, 2003年到 2005年一直处于攀升趋势,2005年相对于 2002年出现了 14.9%的增幅,之后 2006年、2007年以平均每年 1.5%的幅度下降。以上主要污染物浓度波动的变化趋势与污染源的排放、环境保护经费的投入、气象条件、环境管理措施及力度,还有机动车数量的急剧增长都是有密切的关系的,出现了波动的趋势是非常正常的,但同时我们也可喜的看到从 2005年之后主要污染物的排放量均处于下降的趋势中。

2.3 酸雨情况

酸雨是上海市面临的更为显著的空气质量问题之一。酸雨是指被大气中存在的酸性气体污染、pH值小于 5.65的降水。酸雨主要是人为地向大气中排放大量酸性物质造成的。我国的酸雨主要是因大量燃烧含硫量高的煤而形成的,此外,各种机动车排放的尾气也是形成酸雨的重要原因。

图5 SO2,NO2浓度变化与酸雨频率的关系Fig.5 Relationship be tween the changes of SO2,NO2and frequency of acid rain

图5所示是 SO2,NO2浓度变化与酸雨频率的关系,可以看出酸雨发生的频率整体呈现升高的趋势,2007年较 2000年酸雨发生频率增加了 1.91倍,酸雨情况非常严重。2000年到 2005年酸雨频率的增大主要是由于 SO2、NO2浓度总体的持续升高;2005年后,SO2、NO2浓度逐渐降低,但酸雨频率却没有随之下降,主要原因是由于上海市机动拥有量大量增加,交通流量、道路扬尘密度、尾气排放量随之剧增,同时也导致了车速下降,阻塞严重等不良现象[1]。随着机动车速度减慢,车辆尾气排放量会越来越高,从而导致了酸雨频率持续攀升。另外,由图 6所示的酸雨 pH值 2007年已经达到了 4.55,这将产生严重的危害,例如使大片森林死亡,农作物枯萎;会抑制土壤中有机物的分解和氮的固定,淋洗与土壤离子结合的钙、镁、钾等营养元素,使土壤贫瘠化;还可使湖泊、河流酸化,并溶解土壤和水体底泥中的重金属进入水中,毒害鱼类;加速建筑物和文物古迹的腐蚀和风化过程;可能危及人体健康。

图6 酸雨pH值变化示意图Fig.6 The pH Change of the acid rain

上海市应继续加强推广低硫燃料,开发和使用节煤清洁剂及致酸物质控制技术,加强绿化,大量栽种可以吸收二氧化硫的植物,提高机动车尾气排放标准、改善交通拥堵状况等措施,以缓解酸雨的严重情况。

3 主要污染物变化趋势定量分析

为了能更好的表征上海市大气环境质量的变化趋势,本文利用了 Spearman秩相关系数法对大气环境质量中三种主要污染进行定量分析。

国家环保总局在《环境质量报告书编写技术规定》中推荐使用 Spear man秩相关系数法对污染变化趋势进行定量分析[2]。这种方法适用于单因素小样本数的相关检验[3,4]。方法简明扼要,精确性高。本方法要求样本数应大于 4。秩相关系数 Rs的绝对值大小表示变化的强度,将秩相关系数 Rs的绝对值与秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较,如果∣Rs∣ ＞Wp则表明变化趋势有显著性意义。Rs值的正负分别表示污染的增长和下降,当 Rs为正值表明为上升趋势,Rs为负值时则表明为下降趋势。公式为：

式中：RS—秩相关系数;

n—时间周期数,即样本数;

xi—浓度值从小到大的排列序号;

yi—时间序列排列的序号。

表1为主要污染物浓度变化排序。根据秩相关系数法计算查表,在 0.5可信度水平下,n=8时, Wp=0.6430,其结果见表 2。

表1 主要污染物浓度变化排序Tab.1 Sequence of concentration formain pollutants

表2 秩相关系数分析结果Tab.2 Analysis of corelation coefficient

2000年到 2008年,SO2浓度呈现显著的上升趋势,NO2浓度呈现不显著上升趋势,PM10浓度呈现显著下降趋势。用上述方法依次计算了 2001年到 2007年、2002年到 2007年、2003年到 2007年、2004年到 2007年主要污染物浓度的变化趋势,其结果见表 3。

表3 秩相关系数分析结果Tab.3 Analysis of rank corelation coefficient

由表 3所示的秩相关系数计算结果可以明显的看出,SO2浓度在 8年间上升趋势由显著逐渐变成了不显著,2004年之后出现了显著的下降趋势; NO2的浓度上升趋势逐渐下降,2003年后出现了显著的下降趋势;P M10在 2000年到 2007年一直处于显著的下降趋势。

4 大气环境污染物变化的影响因素

大气环境质量是一个复杂的现象,在特定时间和地点空气污染物浓度受到许多因素影响。包括污染源的排放、环境保护经费的投入、气象条件、地理位置和地形特点、环境管理措施及力度、公众参与等。为保证上海市的社会、经济、环境的全面协调可持续发展,上海市政府以大气污染治理为核心,全面推进了各项污染治理工作。

4.1 产业结构的调整

近几年来,上海金融业、现代物流、高新技术产业及文化产业等的飞速发展,从客观上要求对产业结构进行调整,上海由生产型经济向服务型经济转变,形成服务经济为主的产业格局已成为必然的趋势。进入 20世纪 90年代后,上海市政府进一步明确上海按照三、二、一顺序调整产业结构,优先发展第三产业,经济调整第二产业,稳定提高第一产业[5,6]。本文整理了上海统计 (www.statssh.gov.cn)、上海市国民经济和社会发展统计公报等资源的资料数据：2000年和 2007年第一产业、第二产业、第三产业分别占上海地区的国内生产总值 (Gross DomesticProduct,GDP)的 1.7%、45.4%、48.3%和 0.8%、46.6%、52.6%。2007年的第一、二、三产业较 2000年分别增长了 0.33倍、1.57倍、1.58倍。

如图 7所示的每万元 GDP能源消耗量的持续降低也可以说明：产业结构的调整推动了以自主创新技术为主的产业升级,提高了经济增长的质量和效益,切实降低了资源消耗,减少了污染物的排放。

图7 产业能耗示意图Fig.7 Specific industrial energy consumption

4.2 能源结构的调整

在连续的“环保三年行动计划”中,上海市加快了清洁能源替代,积极推动城市能源结构调整。对 5952台燃煤设施实施了清洁能源替代,中心城区拔除了内环线以内所有的燃煤锅炉,积极推进工业园区集中供热。目前燃煤占全市能源的比例已经低于 45%,天然气占全市能源比重从零提高到 2007年的 3.1%,清洁能源的大力推广,使得燃烧释放的污染物浓度降低。图 8所示是天然气供应量与 SO2排放量的关系,可以看出,虽然随着天然气供应量的不断增加,SO2的年平均浓度处于上升趋势,但除 2005年外其他年份的年平均浓度均好于国家环境空气质量二级标准浓度限值,2005年的 SO2的年平均浓度也好于三级标准浓度限值。在上海市产业结构不断调整、第二产业产值增长了1.57倍的情况下,仍严格控制住了 SO2的增长幅度和趋势。

4.3 城市绿化覆盖率的增加

图8 天然气供应量与 SO2排放量关系Fig.8 Relationship between natural gas supply and SO2emission

随着城市化进程的不断加快,城市环境受到了不同程度的破坏,已有的研究也表明：增加城市植被可以在一定程度上改善城市环境、显著减低区域温度[7,8]、改变臭氧浓度[9]、抑制空气污染物的扩散[10],因此在城市的建设中,城市绿化受到了相当大的重视。本文通过对《中国环境年鉴》、上海环境状况公报、上海市国民经济和社会发展统计公报等资源的资料数据进一步统计上海市市近几年城市绿化情况,现将结果由图 9给出。

图9 城市绿化覆盖率示意图Fig.9 Afforestation coverage in the city

由图 9可以看出,上海市的绿化覆盖率一直处于显著的上升趋势。城市绿化覆盖率从 2000年的22.2%达到了 2007年的 37.6%,上海人均公共绿地面积从 2000年的 4.6m2提高到 2007年的12.5m2,建成了国家园林城市,陆续建立了崇明东滩鸟类、九段沙湿地等国家级自然保护区以及长江口中华鲟、金山三岛等自然保护区,受保护的湿地面积占全市面积的 8%左右。这充分证明了上海市生态环境质量不断的加强,也是上海市大气环境质量好转的重要因素之一。

4.4 环保投资

通过对《中国环境年鉴》、上海环境状况公报、上海市国民经济和社会发展统计公报等资源的资料数据进一步统计,整理出图 10所示的环保污染治理投资总额及占 GDP比重。

图10 环保污染治理投资总额及占 GDP比重示意图Fig.10 Total inves tment for environmental protection and percentage accounting for in GDP

从图 10可以看出,2000年以来,在连续 3轮“环保三年行动计划”中,上海市环保投入占当年GDP的比例已连续 8年稳定在 3%以上,总投资达1830多亿元,总计完成了 650多个项目,环境基础设施不断完善,环境质量稳步提升,有力促进了经济、社会、环境的协调发展。同时也说明了社会对环境保护的需求和政府的重视程度。为更好的改善城市环境质量,确保上海市的社会、经济、环境的可持续发展,应继续保持环保投资总额在 G DP中的比重。

5 结 论

5.1 上海市连续三轮的“环保三年行动计划”的实施、产业结构和能源结构的调整,城市绿化覆盖率的增加、环保投资总额的不断增加等因素使上海市大气环境质量逐渐好转,大气污染情况逐步减轻。大气中主要污染物(SO2、NO2、PM10)浓度从 2004年起出现了下降趋势,主要污染物的排放从 2005年也出现了下降趋势。

5.2 但由于产业结构调整带来的大气环境压力,以及机动车数量的快速增长等社会压力使得上海市治理大气环境污染的任务仍然艰巨。酸雨已经成为上海市大气环境的突出重要问题之一。

[1] 熊慕慕 .机动车尾气排放与大气污染[J].南阳师范学院学报,2007,6(3)：43-54.

[2] 国家环保局.环境质量报告书编写技术规定[Z].北京,1990.

[3] 张 军,耿亚妮.宝鸡市大气环境质量变化趋势 Spearman法分析研究[J].牡丹江大学学报,2007,16(4)：113-114.

[4] 孙敬慧.用秩相关系数分析我省主要城市大气环境变化趋势[J].福建环境,1995,12(1)：11-12.

[5] 史代胜.上海产业结构调整浅析[J].决策与信息 (财经观察),2008,38(2)：39-41.

[6] 陈晓萍.关于上海地区的经济发展与环境质量状况分析[J].环境研究与监测,2007,20(3)：3-6.

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[10] 范丽雅,刘树华,刘辉志,等.绿化带对城市大气环境及空气质量的影响[J].气候与环境研究,2006,11(1)：85-93.