空气污染时空分布特点及成因——以山西省为例

王刚，吴春山，刘文伟，孙启元

（福建师范大学环境科学与工程学院，福建福州 350007）

随着近几十年来经济的飞速发展，城市化进程加剧，大气污染问题日益突出，严重影响到生态环境、气候变化、人类健康和可持续发展[1-4].环境空气中的常规污染物主要包括二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM10、PM2.5）、挥发性有机污染物（VOCs）等[5-6].山西省是产煤、燃煤大省，其经济发展偏重于化工、钢铁、煤炭等污染严重的产业，这些产业的废气污染具有区域性、长期性、废气量大、含硫量高、污染面广且分散、危害性大等特点[7-8].

大气污染问题日益严峻，使得探索大气污染的时间分布特点和成因分析，寻求污染治理的方法成为了政府、学者、公众的关注热点[9].鉴于此，很多知名学者对空气质量的污染问题进行探索和研究，例如，陈卫卫等[10]对2013—2017年期间东北区域的大气污染指标进行地面监测数据、卫星数据和气象数据等信息的整合分析，探讨中国东北地区空气质量时空分布特征与重度污染成因；黄小刚等[11]利用2015—2018 年期间的空气质量实时监测数据，分析长江经济带空气质量的时空变化趋势，从大气污染物的排放量、气象因素考虑，确定评价指标，采取地理探测器来探究长江经济带空气质量的影响因素及其季节的变化特征；张金亭等[12]选择 SO2、NOX、PM2.5、CO和VOCs作为大气污染指标，以武汉市为例，选择气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)来表示颗粒物环境空气质量，综合应用耦合模型和空间错位指数模型研究两类指标之间的空间非协同耦合规律，来探究区域大气污染排放量和时空分布特点.就山西省而言，张夏青[13]利用2015—2019年山西省11地市每日空气质量数据，通过空间变化、时间变化两个维度，分析了山西省各地市雾霾污染的现状特点.孙小燕等[14]对2015年山西省57个空气质量指数监测站提供的PM2.5实时数据进行处理分析.大部分学者对山西省空气质量的研究停留在特征污染现状及趋势分析上,缺少对空气质量综合分析.

因此，选取 SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3-8h等大气污染指标，基于2017—2019年期间的空气质量，采用地面监测数据和统计资料等，系统分析山西省太原市、大同市以及运城市的空气质量现状、时空分布特征和污染成因，并在此基础上对山西省的空气环境治理提出针对性对策.

1 材料与方法

1.1 研究区域

山西省全境总面积为15.6万km2，地势东北高西南低，内部起伏不平，河谷纵横，有山地、丘陵、台地、平原等地貌，是典型的黄土覆盖的山地高原；海拔落差大，既有纬度地带性气候,又有明显的垂直气候变化的大陆性季风气候，气候类型分别属于中温带和暖温带两个气候带；四季分明，12—2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，冬季较长且寒冷干燥；夏季炎热，雨水集中；春季气候多变,风沙较多；秋季短暂，温差较大.

图1 山西省行政区地图

山西省主要分为晋中、晋南、晋北三个部分，主要的代表城市分别为太原、运城、大同，如图1所示.太原市西、北、东三面环山，中、南部为河谷平原，整个地形北高南低呈簸箕形，是山西省的省会城市，是政治、经济、文化、交通和国际交流中心，区域经济主要以工业、建筑业、能源为主.运城市位于山西省西南部，地处黄河北干流中游以东，华北平原的丘陵区，黄土高原东沿第一台阶，具有平原、山地、丘陵、盆地、台地等多种地貌类型，区域经济主要以农耕、农药化肥等制造业为主.大同市位于山西省最北端，是中国最大的煤炭能源基地之一，国家重化工能源基地，位于神府、准格尔新兴能源区与京津唐发达工业区的中点，区域经济主要以煤矿、货运业等工业为主，用电量巨大.

1.2 数据来源

山西省2017—2019年空气质量各污染指标浓度值来源于山西省环境保护厅空气环境质量月报数据(https://sthjt.shanxi.gov.cn/kqyuebao/99827.jhtml).

1.3 数据处理

用origin2018对山西省空气环境质量月报数据进行处理.

2 结果与讨论

2.1 山西省空气质量时间分布特点

2.1.1 山西省空气质量概况

山西省各地区2017—2019年空气质量概况见表1、2.

从表1、2中可以看出，山西省各区域的 SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3-8h 平 均浓度均有下降趋势.在2019年，SO2、PM10、PM2.5、CO污染指标年平均浓度分别为24、93、48μg·m-3、2.2 mg·m-3， 与 2017 年 相比下降趋势明显，降低百分比分别为57%、15%、19%、27%.结果表明：SO2和CO浓度值呈显著下降，这说明山西省在燃煤源和烟气的控制上效果显著；而NO2和O3-8h的略微下降，在2019年平均浓度为39、180 μg·m-3，相比2017年降低了7%、3%，表明山西省城市快速发展，人口增加和汽车数量的增加，以及山西省地貌气候的原因，导致其污染防控较困难.2017—2019年太原市SO2、NO2、PM10的平均浓度均高于其他城市，运城市PM2.5、CO、O3-8h的平均浓度均高于其他城市，说明了太原市和运城市空气污染水平相对较高，且存在地域化的差异.

表1 山西省2017—2019年空气质量概况

表2 山西省2017—2019年空气质量年平均浓度概况

山西省2017—2019年不同区域环境空气污染指标变化情况可见图2、图3、图4.从图中可以看出，在2017—2019年期间，山西省平均空气质量除了O3-8h存在超标，NO2微小上浮的情况外，其他指标的浓度均呈显著下降趋势.太原市SO2、NO2、PM10的月变化浓度均高于其他城市，其中SO2、PM10的超标率分别为22%～63%、29%～88%，在2017年的1月和2月最为显著；运城市PM2.5、CO、O3-8h的月变化浓度均高于其他城市，其中PM2.5、O3-8h分别在1—2月、6—8月的超标率最高，分别为6%～60%、11%～41%.结果表明，虽然山西省的平均环境空气质量有所改善，但地域不同的城市之间仍存在个别指标的超标现象.

图2 2017年不同区域环境空气污染指标变化情况

图3 2018年不同区域环境空气污染指标变化情况

图4 2019年不同区域环境空气污染指标变化情况

2.1.2 山西省空气质量的分布特征

山西省2017—2019年不同区域的污染天数对比情况可见图5.从图中可以看出，2017—2019年，山西省的平均达标天数比例稳定在55%～60%，平均轻污染天数在39%上下波动，重污染天数除大同市为0天之外，其他城市均有1%～4%的浮动；各城市的达标天数均有所增长，重污染天数有轻微下降；太原市做为省会城市，达标天数显著低于其他城市.结果说明，全省加快能源结构调整、加大环保督察处罚力度、机动车限行限号等措施效果显著，这些措施减轻了空气质量继续恶化的趋势.

图5 在2017—2019年期间不同区域的污染天数比例对比情况

2.2 山西省主要污染物的季节分布特点

2.2.1 山西省PM10和PM2.5的分布特点

山西省2017—2019年PM10和PM2.5四季变化趋势如图6、7所示.从图中可以看出，PM10和PM2.5在2017—2019年期间冬季浓度最高，夏季浓度最低，逐年对比有较明显的下降趋势，但除夏季外，始终存在不同程度的空气污染情况；2017—2019年，太原市在各季节中PM10的浓度基本都高于山西省的平均浓度，而相对于PM2.5而言，太原市的浓度时而较高于平均浓度，时而与山西省的平均浓度持平；而运城市的变化最为复杂，冬季，PM10和PM2.5的浓度远高于山西省的平均浓度，夏季，均低于平均浓度，春秋季，除2018年秋季低于平均浓度，其他时间与平均浓度基本持平；大同市PM10和PM2.5的浓度在2017—2019年各季节始终低于山西省的平均浓度，在2017—2018年，大同市的PM10的浓度随季节变化，呈波浪状趋势，在2019年呈烟斗状趋势，而PM2.5浓度随季节的变化趋势始终为锯齿状，夏季最低值21～29 μg·m-3，冬季最高值46～48 μg·m-3.结果表明，在冬季，山西省平均污染浓度显著高于其他季节，可能与燃煤供暖，秸秆燃烧，降雨量稀少，寒冷干燥，逆温现象等原因造成污染物在近地面的循环累积有一定的关系.

图6 2017—2019年期间山西省PM2.5的季节变化趋势

图7 2017—2019年期间山西省PM10的季节变化趋势

2.2.2 山西省O3-8h的分布特点

山西省2017—2019年O3-8h四季变化趋势如图8所示.从图8中可以看出，2017—2019年全省的O3-8h变化呈现出倒“V”字型曲线，冬季处于最低值82～87 μg·m-3，夏季处于最高值199～210 μg·m-3，山西省全年大气环境质量始终存在不同程度的超标现象；运城市每年各季节的O3-8h浓度均高于山西省的平均浓度，只有2018年与2019年夏季时期，太原市的O3-8h浓度高于运城市；在2017—2019年，太原市各季节O3-8h的浓度与山西省的平均浓度基本接近；大同市除2017年冬季较高于山西省的平均浓度外，其他时期均低于山西省的平均浓度.结果表明，山西省的O3-8h浓度在春季和夏季时期存在严重污染问题，且南部地区的浓度普遍高于其他地区，其原因可能与南部地区的PM10和PM2.5的高浓度和大气的通透性差有关；另外，山西省的经济主要偏向于煤矿开采等重工业，其中产生的氮氧化物，挥发性有机污染物等的废气排放到大气中，在阳光的照射下，会发生光化学反应和热化学反应，在这种复杂的反应过程中会产生以O3-8h为主的二次污染物，造成O3-8h浓度的升高，而O3-8h的严重污染在一定程度上又会加剧PM10和PM2.5的转化和形成，进一步恶化山西省的环境空气质量.

图8 2017-2019年期间山西省O3-8h的季节变化趋势

2.3 对策与建议

山西省颗粒物和O3-8h超标的主要原因是人为污染——产业结构不合理、煤矿能源二次利用不充分、汽车尾气以及城市建设.因此，政府要加强对企业的管理和引导，推进企业的错位发展，减轻能源经济的贡献比例；改变居民冬季煤炭取暖现状，积极推行“煤改电、煤改气”的政策；大力发展新能源，有条件的地区可采取风力发电；根据各季节污染情况，对机动车进行限行限号.

3 结论

论文基于 2017—2019 年 SO2、NO2、PM2.5、CO、O3-8h等的大气污染指标数据作为研究依据，采用地面监测数据和统计资料等方法，对山西省、太原市、大同市、运城市的空气质量时空分布进行研究，得到如下结论.

1）山西省平均达标天数呈现上升趋势，污染天数略有下降；在2017—2019年期间SO2、PM10、PM2.5、CO的浓度有显著的下降趋势，NO2、O3-8h只有微小波动，始终存在超标现象；山西省从南到北，运城市的空气污染最严重，太原市次之，大同市的空气质量最好.

2）2017—2019 年，PM10和PM2.5的浓度虽有所下降，但春、冬季严重超标；在夏季，O3-8h的浓度均高于200 μg·m-3.因此，政府应加大企业的把控力度，强化无组织排放废气的收集，推广使用低VOCs含量的涂料、油墨等有机原辅材料，推进工业炉窑结构升级和污染减排；加快调整能源结构，积极落实“煤改电、煤改气”的政策；提高城市建成区绿化覆盖率；提升城乡居民的环保意识.