南水北调中线核心水源区空气质量演化特征研究

李春杰

摘  要：南水北调中线核心水源区是调水工程最后一道生态屏障和水源保护最为敏感的区域，然而有关南水北调中线核心水源区空气质量演变特征的研究鲜见于报道。本文通过采集分析2014—2020年南水北调中线核心水源区空气质量数据资料，对PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3等大气污染物进行系统分析。研究结果表明：南水北调中线核心水源区空气质量整体上以良好和轻度污染为主，冬季是大气污染相对严重的季节。2014—2020年的监测中AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2均呈现波动下降趋势，空气质量正在得到持续改善。主要污染物PM2.5、PM10、SO2浓度12月至次年2月期间明显偏高。控制工业废气、机动车尾气排放，可提降低大气污染浓度从而提升南水北调中线核心水源区空气质量，本文可为南水北调中线核心水源区大气污染控制、水环境保护提供借鉴。

关键词：南水北调中线核心水源区;空气质量;大气污染物;演化特征

Study on the Evolution Characteristics of Air Quality in the Core Headwaters Area in Central Project of Water Adjustment from South to

North

LI Chunjie

（School of Geography and Tourism， Nanyang Normal University， Nanyang， Henan Province， 473061 China）

Abstract： The core headwaters area in central project of water adjustment from South to North is the ecological barrier and the most sensitive area for water source protection. In this study， the core headwaters area in central project of water adjustment from South to North from 2014 to 2020 were collected and analyzed， and the atmospheric pollutants such as PM2.5， PM10， CO， SO2， NO2 and O3 were systematically analyzed. The results showed that the air quality in the core headwaters area in central project of water adjustment from South to North were mainly good and slightly polluted， and winter is a relatively serious season of air pollution. During the monitoring period from 2014 to 2020， AQI， PM2.5， PM10， CO and SO2 all showed a trend of fluctuation and decline， and air quality is continuously improving. The concentration of major pollutants PM2.5， PM10 and SO2 were significantly higher from December to February of the next year. The control of industrial and motor vehicle exhaust emissions can reduce air pollution concentration and improve air quality in  the core headwaters area in central project of water adjustment from South to North. This study could provide reference for air pollution control and water environment protection in  the core headwaters area in central project of water adjustment from South to North.

Key Words： The core headwaters area in central project of water adjustment from South to North;Air quality; Air pollutants; Evolution characteristics

據统计，截止2020年末南水北调中线核心水源区常住人口超过了1200万，加之经济社会的快速迅速，使得该地区大气污染形势严峻[1-2]。同时，南水北调中线核心水源区特殊的盆地地形使得本地排放难以有效扩散，这些污染物在高湿环境中可以快速转化为二次污染，并显现出多污染物共存、多污染源叠加、多过程耦合、多尺度关联的特点[3-5]。当前南水北调中线核心水源区已经成为我国的重点灰霾区域，相比其他大气重污染地区，如京津冀、长三角和珠三角等地，当前对南水北调中线核心水源区的大气污染过程和演变的研究相对较少。虽然政府部门已经采取了许多严格有效的措施来减少污染，但目前的南水北调中线核心水源区污染水平与《国家环境空气质量标准》（GB3095-2012）允许的水平仍然存在着巨大的差距[6]。

南水北调中线工程是我国水资源调节的重大战略性工程，南水北调中线核心水源区也是调水工程最后一道生态屏障和水源保护最为敏感的区域，由于大气沉降的存在，大气颗粒物可能会对南水北调核心水源区水质产生影响，然而关于南水北调中线核心水源区空气质量的相关研究鲜见于报道。本文采用南水北调中线核心水源区国控点和省控点数据，通过数据统计的方法对大气主要污染物做长时间序列分析，旨在阐明空气污染物季节及年际的组成和演变规律，从而为南水北调中线核心水源区大气污染物来源解析和大气污染防控提供理论基础和决策依据。

1 研究方法

1.1研究区概况

南水北调中线核心水源区地处中国自然地理南北过渡带，气候属亚热带与暖温带的过渡地带，是长江、淮河两大水系支流上游发源地之一。年平均气温约16℃，1月平均气温约1.3℃，7月平均气温约27.6℃，气候温和，无霜期长，雨量丰沛，降水主要集中在6～9月，年降水量为900～1100mm。研究区主要地貌类型以山地、丘陵、洪积平原和河谷平原为主。土地利用现状主要有水浇地、旱地、林地和灌木林地。研究区喀斯特地质发育，成土母质由石灰岩、片麻岩等发育而成，质地疏松，土壤类型以黄棕壤和砂姜黑土为主，分别占研究区总面积的39.2%和30.7%。

1.2数据来源

南水北调中线核心水源区现有5个国控环境空气质量在线自动监测点，分别位于南阳市气象站、汉画馆、瓦房庄、南阳理工学院、南阳市环保局，10个省控点分别为新野县环保局自动站、新野县聋哑学校、涅阳中学、新野县人民政府、方城五高、淅川县监测站环保局、南召晏工业区、南召县思源实验学校、唐河沿河广场、社旗县委。本文所的细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和臭氧（O3）均来源于国控点和省控点15个站点数据。本文选用的数据时间范围为2014年1月1日到2020年12月31日期间，所用数据均为监测点的平均值。为了监测南水北调中线核心水源区的空气质量整体状况和变化趋势，参照标准《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ663-2012）、《环境空气质量标准》（GB3095-2012）。空气污染指数为51-100，空气质量二级属于良。空气污染指数为101～150，空气质量三级属于轻度污染。空气污染指数为151～200，空气质量四级属于中度污染。空气污染指数为201～300，空气质量五级属于重度污染。按照北半球气象研究惯例：3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～2月为冬季，据此进行数据处理。运用R语言和SPSS16.0、Origin2018软件等数理统计分析软件，对监测数据结果进行分析处理与评价。

2 结果与分析

2.1 南水北调中线核心水源区空气质量年内变化分析

通过对南水北调中线核心水源区2014—2020年各监测点AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3等污染物月均浓度值进行分析比较，月均AQI均未到达一级标准，月均AQI达到二级标准的有54个月，占比为64.3%，达到三级标准的月数为24个，占比28.6%，达到四级标准的月数为5个，占比5.9%，达到五级标准的月数为1个，占比1.2%，空气质量整体以良好和轻度污染为主（表1），以全球尺度对比，南水北调中线核心水源区空气质量也相对较低。PM2.5、PM10、SO2浓度12月至次年2月期间明显偏高[7-9]，CO浓度9月至次年3月期间明显偏高，NO2浓度10月至次年1月期间偏高，与静稳天气基本一致，大气污染物与大气运动可能存在协同现象（表2、表3、表4）。O3浓度在4月至9月期间明显偏高，与PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2变化趋势存在一定程度反转的现象。南水北调中线核心水源区环境空气质量在7～10月份空气质量最高，与夏季降雨期基本一致，大气降水和对流一定程度上消解了大气污染物提高了空气质量。AQI冬季最高为142.9μg/m3，春季次之，秋季最低。PM2.5冬季最高为108.0μg/m3，秋季次之，夏季最低。PM10冬季最高为160.0 μg/m3，春季次之，夏季最低。SO2冬季最高为21.1μg/m3，春季次之，夏季最低。NO2冬季最高为36.1μg/m3，秋季次之，夏季最低。O3夏季最高为141.3μg/m3，春季次之，冬季最低（表5）。冬季是大气污染相对严重的季节，与静稳天气基本一致。

2.2 南水北调中线核心水源区空气质量年际变化分析

2014—2020年南水北调中线核心水源区的空气质量监测中AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2均呈现波动下降趋势，其中SO2排放量大幅减少（表6），这与国务院2013年颁布《大气污染防治行动计划》的时间基本吻合，说明政策因素对于南水北调中线核心水源区大气环境保护的促进作用。2014年1月份AQI值超过200，达到重度污染水平。在2015、2016、2018、2019年的1月份AQI均值在151～200之间，达到中度污染水平。表5给出了2014—2020年南水北調中线核心水源区PM2.5质量浓度年均值变化。南水北调中线核心水源区的PM2.5质量浓度年均值整体呈现波动下降趋势，从2014年的82.5μg/m3降到2020年的51.1μg/m3，PM10也具有近似的规律，从2014年的138.5μg/m3降到2020年的84.0μg/m3（表2），这可能与“大气十条”中加强工业排放标准，淘汰落后产能，升级清洁燃烧技术和关停燃煤小锅炉等措施有关，证实了“大气十条”实施的有效性。颗粒物作为我国长期主要的大气污染物之一，是全国大气污染防控的重点[10-12]。NO2在2018年均浓度较高，达到32.8μg/。O3在2019年达到最大值为107.5μg/m3，达到二级标准。2014—2020年O3呈现波动上升趋势[13]，在2019年达到最高值为107.5μg/m3。说明二次污染物有所上升趋势，并且二次污染物正在成为主要的污染物类型。

2.3污染物相关性分析

运用Pearson相关系数法对6种主要污染物进行相关性分析，由表7可知，AQI与PM2.5、PM10、CO正相关系数较高，PM10跟一次大气污染物的排放有关，PM2.5跟二次大气污染物的显著相关，SO2、NO2与PM2.5、PM10、CO显著性正相关，污染物含量相关性显著，说明可能有相似的来源[14]，主要与南水北调中线核心水源区工业废气和机动车尾气排放有关[15]，空气中的SO2和NO2通过反应氧化形成酸性气溶胶，再与大气中NH3反应生成硫酸铵和硝酸铵气溶胶粒子，最终转化为硫酸盐及硝酸盐颗粒物，而硫酸盐和硝酸盐又是PM2.5和PM10中的重要组分[16-17]。O3与AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2均呈现显著负相关关系，SO2和NO2是形成颗粒物和 O3的重要前提物，O3形成过程比较复杂与太阳辐射及前体物光化学反应有关，且与二次污染物演变过程紧密相关，说明南水北调中线核心水源区大气二次污染物比重较大。氮氧化物和碳氢化合物在日光照射下也会发生光化学反应生成O3，因此主要污染物来源是工业排放的废气、机动车尾排放。控制机工业废气、动车尾气排放，使用清洁能源，可提降低大气污染浓度，提升南水北调中线核心水源区空气质量。

3 结论

本文从大气污染物AQI及PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3七大指标的角度，分析了南水北调中线核心水源区空气质量现状，研究发现南水北调中线核心水源区达到二级标准月份占比为64.3%，三级标准占比28.6%，四级标准占比5.9%，五级标准占比1.2%，空气质量整体以良好和轻度污染为主，空气质量整体以良好和轻度污染为主，冬季是大气污染相对严重的季节，与静稳天气基本一致。2014—2020年的监测中AQI、PM2.5、PM10、CO、SO2均呈现波动下降趋势，南水北调中线核心水源区空气质量的改善和“大气十条”出台的时间吻合，说明政策因素在南水北调中线核心水源区大气环境保护方面的重要意义。污染物主要以PM2.5、PM10、NO2和O3为主，PM2.5、PM10、NO2和O3在少数月份高于《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中的二级标准，二次污染物比重较大。国控点主要污染物PM2.5、PM10、NO2、SO2浓度12月至次年2月期间明显偏高，CO浓度9月至次年3月期间明显偏高，NO2浓度10月至次年1月期间偏高，O3浓度在4月至9月期间明显偏高控制工业废气、机动车尾气排放，使用清洁能源，可提降低大气污染浓度，提升南水北调中线核心水源区空气质量，本研究可为南水北调中线核心水源区大气污染控制、水环境保护提供借鉴。

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