煤改气后天津市采暖期大气污染特征的时空分布研究

2019-04-09张晶朱兆洲李绪威杨鑫鑫

生态环境学报 2019年2期

张晶，朱兆洲 *，李绪威，杨鑫鑫

1. 天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387；2. 天津师范大学地理与环境科学学院，天津 300387

受经济发展和气候条件变化等因素的多重影响，大气污染已成为严重影响中国居民生活和社会经济发展的负面因素（Giorgi et al.，2007；Chan et al.，2008）。严重的空气污染不仅会影响空气质量和能见度，还对人体健康造成很大的危害，主要表现为易引起呼吸道疾病、心血管疾病、癌症等（张程等，2018；顾康康等，2018；Chen et al.，2017；Lu et al.，2017）。环境保护部公开的数据显示：2013－2015年中国重点持续监测的413个站点中，仅有74个站点空气质量年均值达标；监测到重污染空气质量的站点比平均高达83.1%（李沈鑫等，2017）。其中，京津冀地区的大气污染状况尤为严重。2013－2015年京津冀地区13个重点监测的城市空气质量平均超标天数比例高达54.1%，尤其是在冬季采暖期空气质量超标率更是高达66.0%（中华人民共和国环境保护部，2018）。

天津大气污染的主要来源有工业源、城镇生活源、机动车和烟（粉）尘排放，而进入采暖期后，燃煤源贡献相对增加（徐虹等，2017）。冬季燃煤采暖被认为是影响京津冀冬季大气质量的关键因素之一（Liu et al.，2016；Li et al.，2013；贺晋瑜等，2017），因此国家明确提出了要以清洁能源取代传统的燃煤以缓解京津冀地区的冬季大气污染问题。至 2016年，天津市提前完成了市内六区及环城四区所有与采暖相关的“煤改气”工程。采用传统燃煤方式供暖时期，京津冀地区空气污染的相关问题已有很多报道（郝建奇等，2017；Zhang et al.，2016），然而采用以清洁能源为主的供暖方式后城市大气污染状况的时空分布特征尚缺少相关研究。

本研究系统收集了2016年10月1日－2017年4月30日天津18个空气质量监测点中PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO和 O3等 6项常规污染物质量浓度数据，在划分不同功能区的基础上，着重分析采暖期与长时间变化、日变化特征以及采暖期工作日和周末的空气质量变化特征，以期对天津以及京津冀地区大气环境污染的联合防治提供科学依据。

1 监测点的选择与数据监测

天津市地处华北平原东北部，东临渤海，北依燕山，地势以平原和洼地为主，北部有低山丘陵，海拔由北向南逐渐下降。天津拥有中国第四大的工业基地，电子信息、汽车、化工、冶金、医药等是它的优势产业。天津主要受东亚季风季候影响，属温带季风气候，四季分明，年平均气温约为14 ℃，其中 1月最冷月平均气温为-2 ℃，冬季主要采用集中供暖方式取暖（姚青等，2017）。本研究中18个大气环境监测点（见图 1）均位于天津中南部，分属5个不同功能区（见表1），PM2.5、PM10、CO、NO2、O3和SO2质量浓度监测数据来源于天津市环境监测中心（http://www.air.tjemc.org.cn/），为实时记录数据。本研究区域均属于《环境空气质量标准》中环境空气功能区二类区域，相对应的研究参考标准为二级标准限值。

图1 大气环境质量监测点分布图Fig. 1 Distribution of ambient air quality monitoring sites

本研究中采暖期数据的收集时间为2016年11月5日－2017年3月15日，其中春节前后（2017年1月16日－2017年2月12日）环境空气质量受烟花爆竹燃放影响显著，因此剔除这段时间的数据。非采暖期数据的收集时间为2016年10月1日－11月4日以及2017年3月16日－4月30日两个阶段。

表1 天津市不同功能区监测站位Table 1 Monitoring sites of different functional areas in Tianjin

2 结果与讨论

2.1 采暖期与非采暖期主要污染物污染特征

由表2可知，天津市大气污染物主要有PM2.5、PM10和NO23种；CO在采暖期出现超标现象，在非采暖期未出现超标现象；SO2和O3在采暖期和非采暖期均未出现超标现象。采暖期 PM2.5日均浓度变化范围为 11－290 μg·m-3，平均为 100 μg·m-3；PM2.5指数超标天数占采暖期的 51%，重度及以上污染天数占比高达 21%。在非采暖期，PM2.5日均浓度变化范围为 15－202 μg·m-3，平均为 72 μg·m-3；PM2.5在非采暖期超标率为 40%，重度及以上污染天数占比为7%。采暖期PM2.5的平均质量浓度是非采暖期的 1.39倍，空气质量达标率比非采暖期低11%，重度及以上污染天数占比比非采暖期高14%。采暖期 PM10质量浓度变化范围为 20－357 μg·m-3，平均浓度为 140 μg·m-3；PM10超标天数占采暖期的39%，重度及以上污染天数占比为 2%。非采暖期PM10的日均浓度变化范围为 29－274 μg·m-3，平均为 114 μg·m-3；PM10的空气质量超标率为 21%，未出现重污染现象。采暖期 PM10的日均质量浓度是非采暖期的1.23倍，空气质量达标率比非采暖期低18%，重度及以上污染占比比非采暖期高2%。采暖期和非采暖期PM2.5对PM10的贡献率分别为71%和63%。采暖期 NO2日均质量浓度变化范围为 19－132 μg·m-3，平均为 69 μg·m-3，NO2超标率为 31%；非采暖期 NO2日均质量浓度变化范围为 26－119 μg·m-3，平均浓度为 57 μg·m-3，NO2超标率为 10%。采暖期NO2的日均质量浓度是非采暖期的1.21倍，空气质量达标率比非采暖期低21%。采暖期CO日均质量浓度变化范围为700－9000 μg·m-3，平均为2117 μg·m-3，超标率为6%；非采暖期CO日均质量浓度变化范围为 700－2900 μg·m-3，平均为 1359 μg·m-3。采暖期 CO的日均质量浓度是非采暖期的1.56倍，达标率比非采暖期低6%。NO2和CO在采暖期和非采暖期均未出现重度及以上污染现象。通过以上4种污染物在采暖期和非采暖期的质量浓度特征对比发现：煤改气后天津市采暖期 PM2.5、PM10、NO2和CO的质量浓度和超标天数占比仍明显高于非采暖期，这说明即使采用了相对清洁的天然气作为供热能源，采暖活动对空气污染仍然有着重要影响。

表2 采暖期与非采暖期主要污染物污染特征一览表Table 2 Characteristics of the main pollutant during heating and non-heating periods

SO2和O3的日均质量浓度在天津市的18个监测点中均未出现超标现象。采暖期SO2日均质量浓度变化范围为 6－89 μg·m-3，平均浓度为 30 μg·m-3；非采暖期SO2变化范围为5－54 μg·m-3，平均浓度为 20 μg·m-3。虽然采暖期 SO2的日均质量浓度仅比非采暖期高10 μg·m-3，但是采暖期日均质量浓度却比非采暖期高1.50倍。采暖期SO2和CO的质量浓度与非采暖期质量浓度比值明显高于 PM2.5（1.39倍）、PM10（1.23倍）、NO2（1.21倍）。这说明冬季采暖活动对空气中SO2和CO的影响相对较大的，对PM2.5、NO2和PM10的影响相对较小。采暖期 O3变化范围为 6－101 μg·m-3，平均值为 51 μg·m-3，非采暖期 O3变化范围为 10－186 μg·m-3，平均为91 μg·m-3。采暖期是非采暖期的0.56倍，明显低于非采暖期。城市底层大气 O3主要是由氮氧化物（NOx）、挥发性有机物（VOCs）在太阳光的作用下经过一系列复杂的光化学反应生成的二次污染物。O3浓度主要受温度和太阳辐射的影响，光照越强，浓度越高（张玥莹等，2018）。采暖期天津市光照强度弱，因此O3浓度整体较低。从O3的质量浓度特征无法判断采暖活动是否对 O3污染产生直接影响。

由表2还可知，采暖期居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2和O3的平均质量浓度变化范围范围为 96－102、133－146、67－73、1846－2749、26－35 和 45－53 μg·m-3。PM2.5、PM10、NO2和 O34种污染物在不同功能区的平均浓度较为接近，与天津市平均值相比浓度偏差均未超过4%。CO和SO2在居住区、商业交通居民混合区、文化区和工业区的浓度差异不明显，而农村地区CO和SO2较天津市的平均浓度分别高30%和17%。这说明采暖期农村地区存在不同的CO和SO2污染源。在数据采集期间，农村地区尚未完成采暖的“煤改气”工程，因此采暖期农村地区的散煤燃烧是造成这两个污染指数明显偏高的主要原因。

由表3可知，在置信度为0.01的水平上，PM2.5、PM10、NO2、CO之间的相关系数处于0.8－1之间，它们存在极显著正相关关系，这说明了PM2.5、PM10、NO2和CO这4种污染可能具有相同的污染源。SO2与PM2.5、PM10和NO2呈中等程度显著相关，与CO与SO2呈弱的相关关系，这说明SO2的来源与上述4种污染物来源具有一定的差异。O3与PM2.5、PM10、NO2、CO均呈中等程度的负相关关系，这可能与雾霾天气对大气能见度的影响有关。

表3 采暖期污染物间的相关系数Table 3 Correlation coefficient among atmospheric pollutants during heating period

图2 采暖期使用清洁能源前后污染物浓度变化Fig. 2 Changes of pollutants concentration before and after using clean energy during the heating period

图2 比较了天津2013－2015年3个采暖期（使用燃煤作为供暖能源）和2016年、2017年2个采暖期（使用天然气作为供暖能源）6种污染物日均质量浓度的分布特征。通过与使用燃煤供暖时期的污染物浓度进行对比，发现当使用天然气作为供暖能源时天津空气达标率上升了14%，重污染天数比例下降了5%。6种污染物的日均质量浓度呈现出“5降（SO2、CO、PM10、PM2.5、NO2）1 升（O3）”特征。其中，“煤改气”工程对空气中SO2污染的治理最为显著。使用燃煤供暖时，SO2的日均质量浓度为72 μg·m-3，改为天然气供暖后SO2的日均质量浓度为23 μg·m-3，日均质量浓度降幅高达70%。使用燃煤的3个采暖期PM2.5、PM10和CO日均质量浓度分别为 97、155和 2035 μg·m-3，使用天然气采暖后PM2.5、PM10和CO的日均质量浓度分别为 81、117 和 1714 μg·m-3，这 3 种污染物的浓度分别下降了16%、25%和16%。NO2的日均质量浓度在使用燃煤的采暖期和使用天然气的采暖期分别为 63 μg·m-3和 62 μg·m-3，仅相差 2%。通过以上分析可以发现，“煤改气”工程有效减少了大气中SO2、PM2.5、PM10和 CO等污染物的浓度，但是对 NO2的减排效果不明显。与上述5种污染物的变化特征相反，采用天然气采暖后 O3的日均质量浓度出现了显著上升现象，其日均质量增长了 39%。PM2.5减少促进大气能见度的提高，光化学反应的加强是O3浓度增加的主要因素（Tiwari et al.，2015；Huang et al.，2013）。

2.2 污染物日变化特征

为进一步了解煤改气后天津大气污染物的日变化特征，图3列出了天津5个不同功能区采暖期与非采暖期大气污染物在 24 h之内的小时平均质量浓度变化特征。

从图3可知，采暖期PM2.5、PM10和CO 3种污染物在采暖期和非采暖期表现出不同的日变化规律。其中，PM2.5和PM10的峰值出现在夜间00:00左右，高浓度特征一直持续到清晨06:00左右。

图3 不同功能区污染物日变化特征Fig. 3 1-hour average concentration of pollutants in different functional areas

这是由于夜间到清晨出现逆温层，大气层结构相对稳定，阻挡了污染物的垂直扩散，使污染物沉积在近地面层，导致PM2.5和PM10浓度居高不下。PM2.5和PM10小时平均浓度在早高峰结束后开始下降，16:00左右出现最低值，这与下午扩散条件良好有关。与PM2.5和PM10不同，CO质量浓度的峰值出现在08:00左右，这与早高峰时期机动车尾气排放有关。非采暖期，PM2.5、PM10和 CO呈现出双峰型的变化特征。PM2.5（除工业区外）和 PM10在 12:00左右出现一个质量浓度峰值，后分别在18:00左右和20:00出现第二个质量浓度的峰值。相对于PM2.5，PM10质量浓度的峰值与谷值之间的差值更大，峰型更明显。与PM2.5和PM10不同，采暖期CO质量浓度的峰值出现在08:00左右，谷值出现在16:00左右，然后CO的浓度持续升高，这可能与晚上和夜间采暖锅炉在加强供热有关。非采暖期，CO质量浓度峰值分别出现在8:00和20:00左右，这可能与早、晚高峰时期机动车尾气排放有关。通过以上分析可以发现，供暖活动改变了污染物的日均分布。非采暖期，PM2.5、PM10和 CO呈现出双峰型的变化特征；采暖期，PM2.5、PM10和 CO日变化特征均呈现出单峰单谷型的变化规律。同时，由于受夜间加强供暖和大气逆温层双重因素的影响，采暖期晚间至清晨这一时段污染物的浓度远远高于非采暖期同一时段的污染物浓度。由于下午大气扩散条件较好，这3种污染物的质量浓度在采暖期与非采暖期相差不大。NO2、SO2和O33种污染物在采暖期与非采暖期日变化特征相似，NO2呈双峰型的变化特征，而 SO2和 O3呈单峰型的变化特征。采暖期NO2呈双峰型变化特征，由于受逆温影响、机动车尾气排放和夜间加强供暖的影响，NO2浓度最高值出现在晚上20:00左右。随着时间变晚机动车活动逐渐减少，NO2的质量浓度也逐渐缓慢降低，但整个夜间NO2质量浓度水平一直较高。上午 06:00左右 NO2降到一个相对较低的浓度值，08:00左右由于受交通早高峰的影响浓度有小幅度的上升，之后受空气对流作用和光化学作用影响，浓度开始迅速下降，至14:00左右降至最低。16:00之后，NO2浓度再次升高并于20:00左右达到全天的一个峰值。在采暖期，SO2具有单峰型日变化特征。SO2峰值浓度出现在10:00左右（农村地区12:00左右），这主要是由于供暖、工业上化石燃料的使用和机动车尾气排放共同作用的结果（鲍孟盈等，2017）。随着气温升高，大气对流作用加强，采暖活动减弱，污染物开始扩散，至18:00左右浓度达到最低值。随着晚间供暖活动加强和大气稳定度增加，SO2质量浓度再次累积上升并在夜间维持较高浓度。O3的质量浓度主要受光照因素影响，因此峰值出现在午后14:00左右，夜间浓度值始终处于较低水平，且采暖期与非采暖期 O3的小时变化特征保持完全一致。从以上分析可以发现，NO2、SO2和O3的日均分布特征未受到采暖活动的影响。

2.3 污染物的周末效应

从20世纪70年代起，在美国纽约、华盛顿、加利福尼亚、欧洲以及中国北京、上海等地先后发现了一种对流层底层臭氧的周循环效应（称之为“周末效应”），即相对于工作日，在周末，虽然臭氧前体物挥发性有机污染物、氮氧化物等浓度降低，但臭氧的浓度却又明显增加的现象（唐文苑等，2009；Atkinson et al.，2006；Blanchard et al.，2003；熊新竹等，2017）。沿袭前人方法，本研究将周一至周五污染物的平均浓度定义为工作日浓度，周六和周日污染物的平均浓度定义为周末浓度，以分析污染物在天津采暖期的周循环特征（见图4）。

从图4a可知，在非采暖期，天津PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2和O3的工作日与周末的质量浓度比值分别为1.36、1.15、1.10、1.27、0.99和0.89，即工作日PM2.5、PM10、NO2、CO4种污染物质量浓度明显高于周末，而工作日 O3的质量浓度却明显低于周末。可以看出，在非采暖期天津呈现出典型的“周末效应”现象。在采暖期，PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2和 O3的工作日与周末的质量浓度比值分别为 0.88、0.92、1.04、1.03、0.99和 0.99。PM2.5和PM10在采暖期周末的质量浓度明显高于工作日，而其他几种污染物工作日的日均质量浓度与周末相差不大，因此可以判断采暖期天津市污染物并未出现显著的“周末效应”（图4b）。

通过大气污染物的日变化特征发现，周末NO2、CO、SO2和O3的日变化特征与工作日大致相同，且与图3中采暖期的这4种污染物的日变化特征非常相似。而PM2.5和PM10的日变化特征在周末与工作日却有着较为明显的差异（见图5）。在22:00至第二天上午10:00左右这一时段，工作日和周末PM2.5和 PM10的质量浓度差异并不明显。但是，从上午10:00起工作日PM2.5和PM10的质量浓度明显降低，至下午16:00左右污染物浓度将至最低谷值，16:00以后污染物浓度再次逐渐升高。工作日PM2.5和PM10呈典型的单峰单谷型日变化特征。周末，PM2.5的质量浓度变化较为平稳；PM10在10:00－14:00有小的峰值出现，14:00以后质量浓度逐渐降低，22:00以后污染物浓度再次升高。采暖期，天津大气污染物的主要来源有工业源、城镇生活源、机动车、道路扬尘和供暖排放（姚青等，2008）。相对于工作日，周末工业来源污染排放是减少的。供暖产生的污染物排放相对固定。从NO2的日均浓度可以看出，机动车排放在工作日和周末相差也不大。由于采暖期北方城市气温较低，周末上午10:00气温升高以后，人为活动逐渐加剧，与之对应的城镇生活源可能是造成周末中午至下午时段PM2.5、PM10质量浓度相对较高及“周末效应”消失的主要原因（He et al.，2004；See et al.，2006，王占山等，2015）。

3 结论

（1）煤改气后，天津市采暖期主要大气污染物有PM2.5、PM10和NO2，CO日均质量浓度有超标现象发生，SO2和O3日均质量浓度均低于二级标准限值。与使用燃煤采暖时期相比，大气中SO2、PM2.5、PM10和CO的日均质量浓度均有不同程度的降低，尤其是SO2浓度降幅高达70%，但NO2质量浓度没有有效降低。