苏州市空气质量现状及其影响因素评析

刘林瑶，牟子平*，秦惠平，陈重军

（1.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州215009；2吴中区环境保护局，江苏 苏州 215104）

21世纪以来，大气污染作为一种气象及环境灾害性现象，已经带来不可忽视的影响，空气质量的优劣程度已经成为影响人们幸福指数的重要因素[1－2]。空气质量是当前城市面临的一个十分突出的环境问题，与人们的健康息息相关，受到城市居民的普遍关注[3]。相关科学研究表明：当大气中污染物的浓度达到一定的程度，会引起人类呼吸系统和循环系统的不适，另外如果长时间处于污染的大气环境中，相应疾病的死亡率也会不断上升[4－7]。大气污染还能抑制农作物的生长，破坏它们的生长机理，降低农产品的质量并且使农产品的产量大幅度减少[8－9]。大气环境质量现状及影响因素是当前空气污染领域的一个重要研究内容[10－13]。

笔者以国家环境保护部网站发布的苏州市2014年1月1日至12月31日的逐日空气质量日报数据，苏州市环保局发布的环境状况公报统计的2005至2014年苏州市空气质量的数据为基础，分析苏州市空气质量现状，探讨城市发展过程中空气质量变化趋势及影响因素，为后期改善大气环境质量制定有效的措施提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

苏州作为苏南地区的工业中心，被污染的大气环境和快速增长的经济之间的矛盾日益尖锐。随着苏州市社会经济快速发展，能源需求大幅增长，机动车保有量的不断增加，复合型大气污染特征日益凸显。

1.2 数据来源

苏州市2005到2014年的AQI均值及优良率均来源于苏州市环境状况公报。2014年1月至12月的每日的PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO浓度数据来源于国家环境保护部网站。

1.3 评价方法

目前，国内外学者已提出多种环境空气质量评价方法，主要包括模糊评价法、灰色聚类法、物元分析法和人工神经网络法等[14－17]。不过这些方法仍存在各自的不足，评价结果大多只能给出一些离散的分级值，而且分辨精度不高，评价过程复杂，不便使用。针对上述缺点，李祚泳借鉴了空气污染损害率评价法，提出了一个基于污染损害指数的普适公式，并采用遗传算法对公式中的参数进行优化，使其具有普遍适用性，能应用于多种污染物的空气质量评价。文中采用李祚泳提出的污染损害指数的普适公式[18－19]，对苏州市的空气质量现状进行评价。

2 空气质量评价

2.1 近十年苏州市年空气质量状况

2005至2012年，苏州市空气质量优良的日数总体上呈现逐年增加的趋势，空气质量良好以上的天数比例由87.7%上升到92.6%；而2013年和2014年，每年仅有三分之二的天数空气质量达到良好（见表1）。从表1可以看出，到2013年，空气质量良好天数的比例相对于2012年下降了35.7%；2014年，空气质量良好天数相比于2013年有所增加，但是空气质量良好以上的天数却仍只达到227 d。

表1 苏州市2005-2014年空气质量指数统计分析

2.2 空气综合污染损害指数

采用李祚泳提出的污染损害指数普适公式，对苏州的空气质量进行评价。选用的大气污染评价因子分别为 PM10、CO、SO2和 NO2。计算结果见表 2。

表2 苏州市环境空气监测值与污染损害指数评价

由表2可见，苏州市综合污染损害指数值为11.725，达到环境空气质量二级标准范围，属于轻污染。在四种评价因子中，PM10的污染损害指数最大，达到7.969；其次是 NO2为6.135，CO和SO2的污染损害指数相对较小，分别为4.124和3.385。因此，PM10是苏州市环境空气的首要污染物。

从季节变化来看，苏州市空气质量存在显著的季节变化特征，春季和冬季污染损害指数明显高于夏、秋两季，分别达到12.145和13.114。另外，PM10、NO2和SO2这三种主要空气污染物的季节变化也比较明显，尤其是PM10，污染损害指数最大值出现在冬季或春季，最小值出现在夏季，这与气象条件有关。有研究表明夏季降水多，气温高，大气相对处于不稳定状态，逆温天气少而混合层高，有利于污染物的扩散；而在冬季，气候比较干燥，雨水较少，逆温天气出现的频率较大，污染物容易沉积在低空局部区域，不利于空气中污染物的清除，尤其是空气中的颗粒物，它们将很长时间的浮在空气中，很难散去[20－22]。

2.3 空气质量指数与污染物相关分析

通过单因子评价法，分析苏州市AQI的日均值与PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2的相关性，进一步阐明影响苏州市空气质量的主要大气成分。如图1所示。

由图1可知，PM2.5与AQI呈显著性相关，PM10与AQI呈中度相关，其相关模型分别为

式中：Y分别为PM2.5和PM10的浓度，X为AQI。

CO与AQI为低度线性相关，其相关方程式为

式中：Y为CO的浓度，X为AQI。

NO2和SO2与AQI呈低度相关，其相关方程式为

式中：Y分别为NO2和SO2的浓度，X为AQI。

由此可得，影响苏州市空气质量的主要污染物是PM2.5和PM10，其次是CO、NO2和SO2这三种污染物虽然对苏州空气的质量有一定的影响，但是相比前面二种污染物的影响而言，作用力是相对小的。

图1 苏州市空气污染指数与影响因子相关性分析

3 影响空气环境质量的主要污染物分析

3.1 苏州市的地理区位和气象条件

3.1.1 地理区位因素

大气污染物的跨城市输送已成为国内外众多学者的研究热点[23-25]，伍复胜等人通过建立VAR模型，探究城市间大气污染的相互影响，研究表明大气污染具有明显的区域性特征，相邻的城市之间存在相互影响效应[26]。而苏州市地势平坦，处于长三角区域的城市群中部，受到区域大气污染传输影响较为明显。为了更好的研究苏州及其邻近城市之间空气质量的相关关系，以苏州及邻近城市2014年的全年逐日空气质量指数为基础进行相关性分析（表3）。根据结果可知，苏州与无锡的相关性最为明显，达到0.91；其次是上海，为0.87；与常州、南通的相关性系数分别为0.86和0.84；苏州市与杭州和宁波的相关性也均达到0.01显著性水平。以上数据说明苏州市的空气污染不是独自存在的，邻近城市的空气污染特征具有相似性，空气污染变化具有同步性。

表3 苏州市与其邻近城市之间AQI的相关性分析

3.1.2 气象条件

据研究表明，大气污染的浓度易受气象条件的影响[27-29]。不同的气象条件对于污染物的稀释以及扩散的影响是不同的。下面对苏州市AQI与气象条件的相关性进行分析。

将苏州AQI月平均值与平均气温、降水量、相对湿度和平均风速等气象因素（表4）进行综合分析。利用SPSS计算得苏州AQI与各气象因素的相关系数（表5）。从表5可以看出，苏州AQI和温度呈负相关，且相关性达到0.676 39，说明平均气温对空气质量的影响非常显著；AQI和降水量的相关性在-0.605 80，说明降水量对AQI的影响也比较显著；AQI和相对湿度的相关性在-0.715 63，说明了相对湿度在很大程度上影响了苏州的AQI；但平均风速的大小对AQI的影响并不是特别显著，AQI和平均风速的相关系数为-0.105 75。综上可以看出，苏州作为一个典型的南方城市，随着季节的变化，其平均气温、降水量以及湿度会相应的变化，但是平均风速在全年的变化是不显著的，因此，风力对空气质量的影响最不明显。

表4 2014年苏州市分月气象情况

表5 苏州AQI与气象条件的相关性分析

3.2 苏州市的能源结构

空气质量的下降和能源的消耗及其燃烧过程中污染的排放是存在一定的关系的，近五年原煤、焦炭、天然气和煤气的消耗量以一定的比例逐年增加，而汽油、燃料油、液化石油气的消耗量显示出逐渐下降的趋势（表 6）。

燃料在燃烧的过程中会产生大量的废气。根据燃料的使用量及不同燃料的大气污染物排放系数计算出的大气污染物排放量见表7。由表6可知，NOx、SO2、CO是燃料燃烧最主要的排放物。

表6 苏州2010-2014年能源消费情况

表7 燃料燃烧产生的大气污染排放量统计

3.3 城市交通汽车尾气废气排放

2010年至2014年是苏州市机动车发展的“井喷期”，机动车保有量以年平均17.3%的速度增加。2010年苏州市只有各类机动车204.644 7万辆，到2014年底苏州市机动车保有量突破271.29万辆。其中2010年汽车保有量为124.96万辆，截止2014年底汽车保有量更是达240.3694万辆，是2010年2倍。在各类车辆中，私家车的发展最为迅速，由2010年的94.62万辆增长到2014年的197.897万辆，其保有量占到机动车保有量的73%（图2）。

图2 2010-2014年苏州汽车保有量的变化趋势

研究表明，在车辆的行驶过程中，发动机内部的燃烧条件基本上很难达到理想状态，因此，汽油和柴油等不能完全燃烧转化为水和二氧化碳，在不完全燃烧的状态下，容易产生大量的有害物质，包括碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物以及颗粒物等，尤其是在上下班的高峰，各种车辆混行，车辆减速、怠速运行的时间长，导致油耗增多，废气排放量大。

3.4 工业企业废气的排放

虽然苏州市对工业废气的排放采取了控制措施，但是废气的排放情况依旧很严重（表8）。相当一部分的老的工业企业在生产过程中并没有添加废气处理装置，在尾气处理未达标的情况下就对外排放，造成了大气污染的加剧[30－31]。工业废气中含大量SO2、NOX、烟尘以及生产性粉尘。

表8 2011-2014年苏州工业废气排放情况

3.5 城市建筑扬尘、灰尘等悬浮物的沉积

随着我国经济的快速发展、城市化进程的推进，房地产及公共设施等基础建设正不断加快。根据苏州市统计年鉴的统计数据，苏州地区近十年建成区面积就由432.8 km2增加到735.15 km2，增长率为70%（图3）。同时，苏州市人均城市道路面积也由21.5 m2增长到了32.4 m2（图4）。研究表明建筑施工扬尘是最重要的扬尘污染源之一[32－33]。

图3 苏州2005-2014建成区面积变化趋势

图4 苏州2005-2014人均城市道路面积增长趋势

在苏州近年来建设发展过程中，城市高架的建造、地铁的修建、旧城区的改造等建设施工并没有按照规定对施工现场进行处理，许多工地破路或者挖开地面以后，并没有采取相应的措施，裸露的地面，在车辆开过的时候就会产生大量的扬尘，很难散去。另外，各种建筑施工所需要的原材料以及建筑过程中产生的垃圾都被无序的堆放并且没有采取覆盖措施，严重污染了大气环境。

4 结语

利用污染损害指数法和单因子评价方法有效地分析了苏州市空气质量的现状以及空气质量与各污染物的相关性，探讨了造成苏州市大气污染的主要因素，得到以下结论：

（1）近年来苏州市空气质量的优良率呈下降趋势，空气质量优良率均只达到60%；

（2）苏州市综合污染损害指数值为11.725，达到环境空气质量二级标准范围，属于轻污染。从季节变化来看，苏州市空气质量存在显著的季节变化特征，春季和冬季污染损害指数明显高于夏、秋两季，分别达到12.145和13.114。另外，PM10、NO2和SO2这三种主要空气污染物的季节变化也比较明显，尤其是PM10，污染损害指数最大值出现在冬季或春季，最小值出现在夏季，这与气象条件有关。

（3）空气质量指数与污染物相关分析表明PM2.5和PM10与AQI相关性显著，相关性达到0.98和0.80，其次是CO，相关性为0.54，因此，PM10和PM2.5是苏州市环境空气的首要污染物。

由于苏州市环境空气中的主要污染物是PM2.5和PM10，可通过控制煤炭的燃烧、加强清洁能源的使用、改进生产工艺、减少建筑扬尘和完善区域空气质量监测系统等措施改善空气环境质量。