合肥市大气污染物时空变化与来源分析研究

潘 红 赵华东 叶林茂

(合肥市新站高新技术产业开发区管委会环保局，合肥 230012)

改革开放后，伴随着经济的飞速发展，越来越多的环境污染问题摆在我们面前。尤其是在近年，中国城市空气质量日益下降，大范围持续的雾霾天气和沙尘暴天气等不仅严重影响了经济社会的正常秩序，而且危害了公众健康安全[1]。

维持区域经济稳定和社会的可持续发展必然需要良好的生态环境。目前来看，环境保护和资源利用之间的矛盾已成为我国城市发展阻力，因此研究如何有效的保护环境以及科学利用资源成为促进区域全面协调可持续发展的难点。2017年3月5日，在中华人民共和国第十二届全国人民代表大会第五次会议上，李克强总理首次提出了蓝天保卫战。为了全面建成小康社会，加快补齐大气环境的短板，党中央、国务院进一步强化顶层设计，于2018年7月3日出台了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，这一计划及时准确地响应了人民群众的诉求，旨在为中国经济增长提供新动能。

安徽省作为全国打赢蓝天保卫战的重点地区，于2018年9月27日出台了符合该省省情的《安徽省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》。在此背景下，深入分析区域空气污染的时空分布状况及影响空气污染程度的主要因素，对于针对性的解决区域空气污染与经济发展之间的矛盾，打赢蓝天保卫战至关重要。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

合肥市作为安徽省省会，是国家和安徽省重点扶持和发展的城市。合肥市域经济发展以第二产业为支撑、第三产业发展相对不足，总体上合肥市整体空间结构呈现重心南移趋势，由原来以老城区为核心的单中心模式趋向于老城区和滨湖新区的双中心结构的变化，主要新兴产业大部分集中在三大开发区，老城区产业结构主要以第三产业为主。合肥能源资源相对匮乏，域内无油无气、缺电少煤，属于能源输入城市，其气候特征为季风气候特征，11-1月以偏北风为主、2-3月以偏东风为主、4-7月以偏南风为主、8-10月以偏东风为主，一年四季的降水量占全年降水总量的比例分别为25%、44%、18%、13%，降水主要集中在7月份，全年中12月降水量最低[2]。合肥自身的能源资源相对匮乏，可再生能源可商品化的规模非常少，因此，合肥市的能源消耗以高碳化石能源为主，高碳化石的消耗被认为是导致雾霾蔓延的主要原因，因此合肥属于大气颗粒物(PM2.5/PM10)污染较重的区域。再则，合肥的产业结构主要以第二产业为主，尤其是战略新兴产业发达，其中新型平板显示、新能源汽车、太阳能光伏等产业在全国范围内具有显著优势，这些工业排放的挥发性有机化合物(VOCs)是对流层光化学反应产生臭氧的前体物[3]。随着工业、能源和交通的飞速发展，城市人口的持续增长，工业污染、机动车污染和扬尘等大气污染已经成为合肥发展所面临的严重污染问题之一。为此该市也在积极探索大气治理新技术，不断推进监测站的建设。截止到2018年11月30日，全市已有国控站点10个，省控站点10个，微观子站241个，见表1、图1。

图1 合肥市主要监测站点分布情况

1.2 研究方法

1.2.1 分析方法

本文以合肥市为案例城市，收集各环境监测站点在2016年1月至2018年11月期间PM2.5、PM10等大气污染物数据，运用统计分析、Arcgis等手段，分析各污染物的时间特征、空间分布特征。基于以上结论，尝试提出今后合肥市大气污染的防控方向，以期为该市之后的整体规划与环境保护提供参考。

为得到各大气污染因子在空间层次上的分布特征，本文借助空间动态分析手段，以各个站点的监测值为离散数据，依据Kriging插值法，利用ArcCIS 10.2软件的半变异函数/协方差函数建模工具对数据进行处理，调整数据搜索方向和范围，可得区域内不同的变化模型，继续向导式建模过程则可得到整个区域内的预测分布图，从而分析不同区域空气污染指数的差异[4]。

1.2.2 数据处理方法

空气质量指数(Air Quality Index)简称AQI，是定量描述空气质量状况的无量纲指数，其数值越大，级别和类别就越高，说明空气污染状况越严重，对身体危害越大。AQI的计算基于单项污染物的空气质量分指数，参与空气质量评价的主要污染物为细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和一氧化碳，共六项[5]。

污染项目P的空气质量分指数的计算方式如下：

(1)

式中：IAQIP为污染项目P的空气质量分指数；

CP为污染项目P的质量浓度值；

BPHi为与CP相近的污染物浓度限值的高位值；

BPLo为与CP相近的污染物浓度限值的低位值；

IAQIHi为与BPHi对应的空气质量分指数；

IAQILo为与BPLo对应的空气质量分指数。

空气质量指数AQI按下式计算：

AQI=max{IAQI1,IAQI2,IAQI3,···,IAQIn}

(2)

式中：IAQI为空气质量分指数；n为污染物项目。

2 结果与讨论

2.1 总体概况

表2是2016年1月至2018年11月合肥市持续1059天的空气质量状况，可以看出空气质量总体良好，平均污染指数(日平均值)为79，其中良好空气质量有621天，占总天数的58.64%，重度污染日为16天，占极少比例。总体上空气质量级别主要集中在I、Ⅱ和Ⅲ级别，较差的V级别仅占1.5%。

注：原始数据源于安徽省生态环境厅官方网站(http://www.aepb.gov.cn/pages/XXGKL ist.aspx?MenuID=250202)

2.2 合肥市空气质量年、月变化分析

2.2.1 合肥市空气质量年变化情况

经计算，2016、2017和2018年(三年全取1—11月)的AQI年均值分别81、79和71。2016年与2017年合肥市的空气质量较为接近，2018年空气质量较前两年有些许改善。空气质量指数可以反映地区性大气环境质量，2018年空气质量的改善得益于2017年10月份十九大报告中打赢蓝天保卫战的提出，从“打好”到“打赢”，是党中央治理大气污染的坚定决心，为此合肥市积极响应党中央的决策部署，在安徽省2017年蓝天行动实施方案的基础上制定了围绕实施“控煤、控气、控车、控尘、控烧”等措施的蓝天行动方案。

2.2.2 合肥市空气质量月变化情况

图2是合肥市2016年1月至2018年11月三年AQI月均值变化情况。横向来看，十二月、一月和二月的空气污染指数均高于其他月份，一月达到高峰值，其他月份相差不大。同时，由图3可以看出，近三年中重度污染天数最多的月份是一月，中重度以上污染天数超过9天，占比接近三分之一，其次是十二月和一月，这说明合肥的大气污染呈明显的季节差异，一方面这可能与合肥的季风性气候有关，春季采样期间受到降雨的影响，空气质量开始好转，夏季降雨量最大，空气质量最好，秋季部分时段受秸秆焚烧影响，空气质量有所下降，华北地区的污染对合肥市的污染传输贡献明显，冬季可能受到北风的影响，空气质量较差[6]；另一方面，研究表明主要由前体物在一定的光照条件下发生光化学反应生成的大气污染物，例如大气颗粒物(PM2.5/PM10)、O3等具有明显的季节性差异[7]。

图2 合肥市2016—2018 AQI月均值变化情况

纵向来看(图3)，2016年空气污染呈双峰特征，峰值主要集中在1-3月，2017与2018年污染趋势较为接近，均呈单峰特征，峰值主要集中在12-1月，分析2016-2018年AQI的年变化和季变化，可以得出2016-2017年之间空气质量最差的季节存在着从冬季向春季发展的趋势。“十一五”至今，合肥市在诸多领域出台了促进低碳发展的政策和措施，形成政策合理、“十三五”开局就将低碳发展提到前所未有的高度，充分利用“西气东输”“川气东送”工程和“十三五”建成中海油气源，在能源领域有序推进煤改气、油改气，增加了天然气的使用[8]，2016年是“十三五”的开局之年，2016-2017年空气最差季节的转移可能与各种天然气、化石燃料大量使用导致的光化学反应增加有关[9]。

图3 合肥市2016.1—2018.11各月份中度以上污染天数

2.3 合肥市空气污染指数的空间分布

2.3.1 合肥市2017年AQI指数空间分布

以各监测站点的经纬度数据、各站点2017年AQI年均值以及各站点2017年所有污染物浓度年均值(见表1与表3)为基础数据，对合肥市的AQI指标进行了克里金插值处理，结果见图4。由图可知，瑶海区空气质量最差，新站区、蜀山区、经开区污染程度较轻，整体上的空气污染分布不均，总体上是中央重、周边轻，具有一定的周边效应。周边效应能发挥疏散空气污染物的能力，进入到21世纪，合肥市的城市规划基本完成，合肥市决定建立以集约化农业为基础，现代大工业为支柱，第三产业发达的现代产业体系，自此合肥工业进入快速发展阶段，因此在外来污染团入侵之前，合肥市的区域空气质量主要跟当地是否有污染企业直接相关。如瑶海区附近污染程度明显高于其它地方，甚至超过市中心；其次是合肥市高新技术产业开发区远离市中心，位于大小蜀山之间，理应空气污染指数较好，实际上不尽如此。2016—2018年的空气测定结果表明，合肥空气质量较好的区域依次是新站区以北、董铺水库、滨湖新区。最主要原因是这些区域不在合肥市中心，表现出一定的周边效应[10]。

图4 合肥市辖区年均AQI空间分布图

以上结果说明城市交通和工业布局对空气质量有很大影响，空气质量在区域上存在较大的差异性。在市中心的三里街和长江中路，由于人口和交通流量较大，建筑行业也比其他地区更为发达，易造成粉尘污染，且绿化覆盖面积较小，城市生态系统的还原功能也相对较弱，瑶海区因有煤炭为主的能源工业和钢铁企业，落后的生产工艺造成了大量的大气污染源，所以空气质量较差。相反，新站区人口基数小、工业住宅面积相对较小，空气湿度也较高，因此空气质量污染指数要低得多。

表3 合肥市2017年各主要监测点平均污染物浓度及空气质量指数

注：原始数据源于安徽省生态环境厅官方网站(http://www. aepb.gov.cn/pages/XXGKList.aspx?MenuID=250202)

2.3.2 合肥市2017年各项污染物浓度空间分布

由表3可得合肥市对AQI贡献最大的三项污染物分别是O3和大气颗粒物(PM10/PM2.5)，接下来我们将重点讨论这三种大气污染物的分布特征以及相互之间的关系。应用上述方法得到了合肥市辖区各污染物的空间分布图(见图5)。由数据分析可得，明珠广场、董铺水库以及滨湖新区是三个O3含量最高的点位，但该三处点位的AQI值却是全市最低，可见，虽然O3对AQI的贡献最大，但是彼此之间却呈负相关性，由两者分布图亦可看出，O3的分布与全市AQI分布图存在明显的差异，这表明合肥AQI值较低的地方，例如合肥西部高新区、蜀山区、经开区等，对O3进行控制，空气质量便会明显好转，但对于AQI值较高的地方，例如瑶海区、庐阳区、新站区等地，需要对O3以及大气颗粒物等其他污染物同时实施控制才能起到较好的控制效果。

图5 合肥市辖区各污染物年均浓度空间分布图

对于臭氧这类典型的光化学污染物的防控，需要把二次污染物的控制转化为对一次污染物的控制，减少生成臭氧前体物的量，分析对比各项污染物分布图，与O3分布最为接近的污染物为NO2，据报道，汽车尾气及工业排放所产生的NOx和挥发性有机化合物(VOCs)是对流层光化学反应产生臭氧的前体物[11]，因此对于AQI值较低的地区，如高新区、蜀山区、经开区等地的大气污染防治措施应以控制汽车尾气和VOCs排放为主，VOCs的排放源分为人为源和自然源两类，合肥市VOCs人为源排放总量占到总排放量的94%，其中工业源占61%，生活源占25%，工业源的排放重点集中在石油炼化、化工、表面涂装、塑料制品制造等行业，因此在高新区等地一方面需加快旧车的淘汰，加大公共交通的发展，另一方面对涉及VOCs排放的企业开展专项执法检查，提高相关行业的环评验收标准，对未落实安装净化措施的企业从严处罚势必会提高区域空气质量[6]。

对于AQI值较大地区，如瑶海区、新站区，除了控制汽车尾气与VOCs的排放外，还需控制大气污染颗粒(PM10/PM2.5)的排放，才能对区域空气质量进行有效控制。研究表明合肥市大气颗粒物主要来自燃煤尘、机动车尾气尘和地壳尘(含扬尘、建筑尘和钢铁尘)，其中燃煤尘贡献率>地壳尘贡献率>汽车尾气尘贡献率[12]，主要原因在于：(1)城市能源结构不合理。污染能源煤炭仍占据着城市能源消费的主导地位。市中心供热能力有限，管网不配套，分散锅炉普遍存在，太阳能在范围和规模上的使用有限。少数工业废气污染相当严重，比如以燃煤为燃料的火力发电厂普遍存在大气污染现象，烟尘排放量虽然可以达标，但排放量较大；(2)二次施工现场扬尘污染没有得到有效控制。部分建筑工地尘土飞扬，施工沙石、水泥堆场等几乎露天堆放，各种细小尘埃颗粒在风中被吹走，形成区域性面源污染；(3)道路清扫方式落后。城市道路使用人工清扫，泥沙容易在路面上扬起灰尘，飘入大气环境，相当多的浮尘长期悬浮在空气中，形成二次扬尘污染。因此对于瑶海区、新站区等区急需转变能源结构，实施锅炉改造，加大清洁能源利用；严格控制施工清扫扬尘、建筑工地扬尘、渣土运输和弃土扬尘，开展各类搅拌站和砂石堆场综合整治。

3 结论与建议

3.1 结论

本文以合肥市为案例城市，收集各环境监测站点在2016年1月至2018年11月期间内AQI、PM2.5、PM10等数据，运用统计分析、Arcgis等手段，分析污染物的时间特征、空间分布特征，得到主要结论如下：

(1)分析2016年1月至2018年11月共1059天的合肥市各监测点的监测数据，可得近几年合肥市空气质量总体良好，平均污染指数为79，2018年合肥市空气质量较前两年有些许改善，2016、2017和2018(三年全取1—11月)的AQI年均值分别为81、79和71。合肥的空气质量呈明显的季节差异，冬季是合肥市的主要污染季节，做好秋冬季的节能减排工作对控制合肥空气质量尤为重要。

(2)2016年空气污染呈双峰特征，峰值主要集中在1-3月，2017年与2018年污染趋势较为接近，均呈单峰特征，峰值主要集中在12-1月，分析2016-2018年AQI的年变化和季变化，可以得出2016-2017年之间空气质量最差的季节存在着从冬季向春季发展的趋势。2016-2017年空气最差季节的转移可能与各种天然气、石油燃料大量使用导致的光化学反应增加有关。

(3)合肥市对AQI贡献最大的三项污染物分别是O3、大气颗粒物(PM10/PM2.5)，虽然O3对AQI的贡献最大，但是彼此之间却呈负相关性，因此对于AQI值较低的地区，如高新区、蜀山区、经开区等地的大气污染防治措施应以控制汽车尾气和VOCs排放为主；对于AQI值较大地区，如瑶海区、新站区，除了控制汽车尾气与VOCs的排放外，还需控制大气颗粒物(PM10/PM2.5)的排放，才能对区域空气质量进行有效控制。

3.2 相关建议

空气污染的治理是一场持久战，它既是积极响应改善空气环境的根本需要，又是对绿色发展方式经济结构优化、体制机制改革以及科技水平创新等的进一步深化和突破，空气污染的治理应结合区域空气污染的实际情况来开展[13]，笔者结合本文调研的结论尝试提出了合肥市空气治理的策略，主要有：

(1)做好秋冬季节的大气污染防控工作。①控制外来污染。秋冬季以偏北风为主，华北地区的污染对合肥市的污染传输贡献明显，建议城市建设主管部门委托有经验的单位做一项有针对性的城市环境规划，合理布局新区，适当改造老区，让建筑物和道路规划有利疏散空气污染；②做好秋冬季节的节能减排工作。严控秸秆焚烧，实施分级重污染天气预警，及时启动相应级别的应急预案，要求涉气的重点应急减排企业严格落实限产、停产等减排措施。

(2)进一步优化能源结构，扩大清洁能源规模。进一步推进煤改气、油改气，增加天然气发电、天然气化工、天然气工业燃料利用；积极推动可再生能源规模化发展，进一步挖掘光伏、风电、生物质能、浅层地能。

(3)不同区域以各自污染特点实施重点控制。对于AQI值分布较低区域，例如高新区、经开区,大气污染防治措施应以控制汽车尾气和VOCs排放为主；而对于AQI值分布较高区域，例如瑶海区、新站区，要对空气的重污染因子O3、PM10/PM2.5三管齐下，尤其需要注意施工清扫扬尘、建筑工地扬尘、渣土运输和弃土扬尘、各类搅拌站和砂石堆场的污染问题。