济南市空气质量变化趋势及主要影响因子分析

徐改花，胡克宽，李大帅，钮小坤

(江苏三希科技股份有限公司，江苏 南京 210002)

1 引言

随着人们对身体健康需求的不断加强以及对周边环境的持续关注，城市空气质量已成为人们关注的热点[1～5]。目前有较多的学者从空气质量污染趋势、PM2.5特征谱分析、气象因素影响、主分量分析及关联分析等不同层面对城市空气质量做了研究[1～8]。结果表明城市空气质量由气象条件、地理环境、人类作用共同影响，尤其是在中国经济社会高速发展的过程中，人类的各种行为促使空气污染源增加给空气质量带来巨大的压力[1～8]。

空气质量影响人口健康和城市发展，对其研究具有重要意义。本文采用灰色系统理论分析济南市空气质量的关键影响因素，旨在为济南市空气质量改善提供依据。

2 材料与方法

2.1 数据来源

采用2013～2019年济南市环境状况简报中空气污染物指标(包含PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3)的年均值及年空气质量良好率作为分析对象，其相关影响因素年数据来源于《济南市统计年鉴》。

2.2 空气质量评价

根据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)规定，采用空气质量指数AQI及空气质量综合指数对近年来济南市空气质量现状评价。

2.3 影响因子分析

利用灰色关联度分析法分别将空气污染物指标(包含PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3)的年均值及年空气质量良好率作为参考序列X0，各影响因素序列记为Xi，将与参考序列呈负相关关系的影响因素序列进行倒数化算子变换，记为XiD，参考序列与影响因素序列在k时刻的关联系数为ε(k)，则第i列相关因素的关联度(γi)为：

(1)

式(1)中：m为时间点总数。根据关联度的排序，找出影响较大的因子[8]。

3 结果分析

3.1 近几年来空气质量变化评价

根据2013～2019年的空气污染物浓度数据统计分析来看(图1)，济南市空气质量整体呈现向好趋势。全市PM10和PM2.5均逐年下降，年均浓度分别为191～103 μg/m3和108～53 μg/m3，下降幅度分别为46.07%和50.93%，但近年来均未达到GB3095-2012二级标准。SO2逐年下降，年均浓度为93～15 μg/m3，下降幅度为83.87%，变化显著，2015～2017年每年均达到GB3095-2012二级标准，2017年以来达到GB3095-2012一级标准。NO2呈稳定下降趋势，变化幅度较小为30.51%。CO呈波动式小幅上升，总体变化不大，年均浓度为1.99 mg/m3，近几年均低于GB3095-2012二级标准中规定的4 mg/m3。而O3出现逐年上升趋势，年均浓度为136～203 μg/m3，上升幅度为49.26%，变化较大，2014～2019年均未达到GB3095-2012二级标准。

图1 济南市空气质量变化趋势

图2 AQI考核下各级别天数变化趋势

图3 空气质量综合指数分析结果

采用AQI空气质量指数评价济南市空气质量，结果见图2。每年全市空气质量达到或优于Ⅱ级的天数呈逐年递增，由2013年的61 d增加到2019年的182 d，增长幅度较大，约1.98倍。Ⅲ级空气质量天数呈波动式下降趋势，2014年出现一个高峰值为171 d，其余时间稳定在130 d左右。Ⅳ级空气质量天数总体呈下降趋势，由2013年的87 d降低到2019年的45 d，降低幅度为48.28%。Ⅴ和Ⅵ级空气质量天数呈逐年下降趋势，由2013年的81 d降低到2019年的9 d，降低幅度为88.89%，变化幅度较大。由AQI空气质量指数考核下各级别所占的天数变化趋势可看出，济南市空气质量正在向好的方向发展。

图3对济南市2013～2019年空气质量综合指数分析表明，济南市空气质量综合指数逐年降低且变化显著，由2013年的11.07降低到2019年的6.18，说明空气质量正在向好的方向发展，这与空气质量良好率的趋势相吻合，同时也印证了AQI空气质量指数评价空气质量可信度高且效果好。

3.2 影响因素分析

空气质量是多种因素共同作用的结果[1～8]，本研究重点考虑人类行为对济南市空气质量的影响，因此选取了《济南市统计年鉴》中5个类别的25项与空气质量相关的指标，包括：①工业污染排放类：工业废气中SO2排放量、机动车NOx排放量、烟(粉)尘排放量；②生活与经济发展能耗类：人均生活能源消费、原煤、人均生活煤炭消耗、地区生产总值煤耗、工业增加值、工业增加值能耗；③地区产值类：第一二三产业地区生产总值、轻重工业总产值；④城市绿化类：建成区绿化覆盖率、人均公共绿地面积、公园面积、城市绿地率；⑤其他相关因素类：全市汽车总数、城市集中供热面积、年末总人口、常住人口、房屋建筑施工面积、社会用电量、工业用电量。对所选取的指标采用灰色关联分析法进行关联度分析，计算每项指标2013～2019年与空气污染物指标(包含PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3)的年均值及年空气质量良好率的关联度，并分别提取出与空气污染物指标及年空气质量良好率关联度最大的5项指标见表1。CO未参与计算分析，因为其年均浓度均低于GB3095-2012二级标准且保持稳定,无分析必要。

表1 空气污染指标及年空气质量良好率关联度

由灰色关联分析可知，影响济南市城市空气质量的主要因素集中在工业污染和能源消耗方面，城市绿化、其他因素对城市空气质量也有一定影响[8]。

3.2.1 工业污染因素

随着机动车保有量迅猛增加和工业企业发展增速，污染物排放不容小觑，其机动车排放尾气中含有大量NOx、CO2、CO、HC，工业废气中含大量SO2、NOx、CO2、H2S、氯化物、氟化物、烟尘以及生产性粉尘[8]，其排放量直接影响济南市空气质量。由表1可知，与PM10相关性较大的工业污染排放指标分别为机动车NOx排放量、烟(粉)尘排放量，其关联度均为0.8804；与PM2.5相关性较大的工业污染排放指标为机动车NOx排放量，其关联度为0.8878；与SO2相关性最强的工业污染排放指标为工业废气中SO2排放量，其关联度可达0.8849，其次是机动车NOx排放量，其关联度为0.7709；与NO2相关性最强的工业污染排放指标为机动车NOx排放量，其关联度为0.9424。因此，在所选取的5个类别指标中，除O3和年空气质量良好率外，对其它污染物浓度贡献较大的为工业污染排放因素。事实上，济南市“十二五”期间以污染物减排为目标、“十三五”期间以空气质量改善为目标，采取了一系列控制工业污染排放的措施，如2017年实行火电厂大气污染物超低排放标准，2018年以来实行重污染天气/秋冬季企业错峰生产，减少了工业废气中烟尘排放量，使济南市SO2年均值由2013年的高峰93 μg/m3明显减至2019年的15 μg/m3，并逐年降低(图1)。而由于机动车保有量的迅猛增加，在实施工业污染控制的过程中，NO2年均值未出现明显下降。可见，工业废气排放控制措施对空气污染物SO2浓度的削减有很大的贡献，与灰色关联分析结果一致。

3.2.2 能源消耗因素

伴随济南社会经济的高速发展，必然拉动能源消耗的持续攀升，在济南市产业结构中，第一和第二产业在经济发展中一直处于支柱地位，能源总体消耗大，而煤炭占多数，是环境空气污染的重要来源。由灰色关联分析可知，与PM10相关性较强的为能源消耗因素位于前10位中的后5位，占5项指标；与PM2.5相关性较强的为能源消耗因素是工业增加值能耗和地区生产总值煤耗，关联度分别为0.9320和0.9140，而且在前10位中，能耗因素占5项；此外地区生产总值煤耗、工业增加值能耗与SO2相关性也较强，分为0.7877、0.7827；地区生产总值煤耗、工业增加值能耗与NO2有很强的关联性，其关联度分为可达0.9472、0.9448，且人均生活能源消费、人均生活煤炭消费、原煤与NO2关联度均在0.9以上，且排序前10位的因素中，能源消耗类占了5项；工业增加值对O3有很大的贡献率，相关性很强，为0.9341，而且表1未列出的原煤、人均生活能源消费指标与O3的关联度也均在0.9以上。由此可见，生活与经济发展带来的能源消耗，也是影响济南市空气质量的主要因素。

3.2.3 城市绿化因素

绿色植物对净化空气有独特的作用，它能吸滞空气中各种粉尘、二氧化碳、二氧化硫、颗粒及有毒气体，所以理论上讲，城市绿化率越高，空气质量越好[9]。由灰色关联分析可知，城市绿地率与PM10、PM2.5的关联度分别高达0.8671和0.8852。建成区绿化覆盖率、人均公共绿地面积、公园面积与PM2.5的关联度分别为0.8587、0.8556、0.8415；而城市绿地率与SO2的关联度较高，位于第9位；城市绿地率与NO2的关联度较高，位于第4位，关联度为0.9410；公园面积、人均公共绿地面积与O3的关联度分别为0.9330和0.9151，位于前10位；公园面积、人均公共绿地面积与年空气质量良好率的关联度分为位于第6位和第9位。从实际行动来看，济南市自从以打赢蓝天保卫战为目标以来，全面采取各种措施，如改善道路和城市景观、建设城市绿化带、开展园林绿化工作等，极大地提高了城市空气清晰度，有效降低了空气中颗粒物。所以，城市绿化环境建设对空气质量的影响较大。

3.2.4 其他相关因素

在选取的25项指标中，还有很多其他因素与污染浓度及年空气质量良好率有较大的关联度。城市集中供热面积的增加对消除烟(粉)尘作用极大，对提高整体空气质量也有很大贡献，与年空气质量良好率的关联度高达0.8893，排在第1位；房屋建筑施工面积的增加与O3的关联度高达0.9608、排在第1位，与空气质量良好率的关联度高达0.8471、排到第2位；工业用电量与PM10、PM2.5、SO2、NO2有很强的相关性，关联度分别为0.8765、0.8850、0.7605和0.9380；第一、二产业地区生产总值对PM10、O3、年空气质量良好率有较大的贡献，相关性均为0.8以上；城市汽车总量也是影响SO2、NO2的重要因素，济南市从2017年起实施机动车尾气遥感监测，实施“黄改绿、绿改绿”措施，淘汰高污染车辆，不断完善集中供热设施，全力推进冬季清洁采暖，在新建项目中要求环保高投入和行动强支持，这些措施的有力执行保障了济南市空气质量的不断改善，具有重要意义。

4 结论与建议

根据分析结果，AQI各级天数占比即每年全市空气质量达到或优于II级的天数呈逐年递增，其它级别天数整体呈下降趋势，以及空气质量综合指数逐年递减，两者均说明济南市空气质量整体上呈现向好趋势。

济南市空气质量是多种因素共同作用的结果，工业废气排放、机动车尾气排放及能源消耗为最主要的影响因素，集中供热面积与年空气质量良好率有很强的相关性，而城市绿化、房屋建筑施工面积、工业用电量等其他因素的作用也在一定程度上影响空气质量。

济南市空气质量改善应注意以下方面：控制工业废气排放，重污染天气对工业企业实施应急管控；加强对机动车尾气排放控制；大力调整产业结构，注重发展低耗能产业；积极调整能源结构，开发清洁能源；完善城市集中供热设施，全力推进冬季清洁采暖；加快城市绿色生态建设，种植可净化空气的物种；提高产业准入的能耗、物耗、环保和技术等标准；重视对环境保护方面的资金投入及流向管理。