新冠疫情管控措施对环境空气污染物浓度变化的影响及启示

苏志华杨俊吴邦向田一琼

(1.贵州财经大学管理科学与工程学院,贵州 贵阳 550025；2.贵州财经大学新体育研究中心,贵州 贵阳 550025)

引言

2019年年底新型冠状病毒疫情暴发,给中国带来前所未有的社会影响。为阻断病毒在人与人之间传播,中国政府积极采取有效措施,国务院发布了《国家突发公共事件应急预案》。各省市先后启动重大突发公共卫生事件一级响应,采取一系列强制性措施制止集市集会,加强交通管制,限制居民旅行等[1,2]。多举并重之下,我国新冠疫情防控取得了显著成效,疫情于2020年3月底显著缓解,全国大部分地区陆续实现复工复产。在这场史无前例的疫情阻击战中,我国工业生产、商业运营和居民生活都有重大调整。除部分不可中断工序特殊项目和重大民生保障项目未停止生产外,其余各行业几乎停止生产和营业,生活源、交通源以及中小企业工业源的排放显著降低[1]。疫情管控措施导致人类活动水平下降,本质上类似于重大会议及体育赛事期间的污染源临时排放管制,不同的是疫情管控的力度更大,范围更广,持续时间更长。在疫情期间,人为活动及其污染物排放大幅减少,为评估空气质量对极限减排的响应建立了“天然实验室”[3]。疫情管控措施对环境空气污染物浓度的影响已成为当前环境空气研究领域关注的焦点,并取得了一系列成果。本文综述了当前疫情管控措施对PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等6项常规污染物浓度变化的影响机制,分析其对空气污染防治的指导意义,从而为未来的空气环境管理提供科学依据。

1 疫情管控对环境空气污染物浓度变化的影响

当前,学者们主要通过对比疫情前后不同阶段的环境空气污染物浓度,结合气象参数,研究疫情管控措施对空气污染物浓度变化的影响。PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等6项污染物的来源各不相同[4]。其中,颗粒物PM2.5和PM10来源既有燃料燃烧产生的烟尘,生产过程产生的粉尘,建筑和交通等一次性排放,同时也包含大气中SO2、NOx和碳氢化合物等前体物经过复杂的物理化学反应生成的二次颗粒物；SO2主要来源于含硫燃料的燃烧,涉及的工业企业主要为钢铁、火电和陶瓷等行业。此外,居民生活的散煤燃烧也是SO2的重要来源；NO2人为源主要来自于燃料的燃烧过程,其中以汽车等流动源的排放贡献最大；O3为二次污染物,由前体物NOx和挥发性有机物经过光化学反应生成,受控于太阳辐射强度变化的影响；CO是城市中数量最多的污染物,来源于碳氢化合物的不完全燃烧,如居民燃煤排放和机动车尾气等。

1.1 疫情管控对颗粒物(PM2.5和PM10)的影响

大量研究表明,PM2.5相比于一次污染物存在较大比例的二次来源贡献,疫情期间颗粒物PM2.5和PM10浓度的变化较为复杂。大多数城市PM2.5浓度在疫情期间并没有像NO2出现突然的大幅下降,其原因与颗粒物的二次生成有关。疫情管控大大降低了机动车的活动水平,从而使NOx浓度大幅下降,减少了对O3的“滴定”消耗,使得空气中的O3浓度升高,导致大气氧化性增强,进而促进了二次无机和有机颗粒物生成,一定程度上抵消污染减排的效果。由于生成的二次颗粒物主要为粒度较细的PM2.5,导致疫情“封锁”通常对PM2.5的影响不如PM10显著,表现为疫情期间PM2.5相比PM10下降幅度不大。如,长江三角洲在“封城”期间的PM2.5/PM10比值高于疫情前和疫情后,表明气溶胶二次生成对疫情期间仍出现的PM2.5污染有重要贡献[5]。

PM2.5浓度对疫情管控政策的响应存在明显的地区差异,疫情期间大部分地区的PM2.5浓度均存在一定程度的下降,但也有部分地区的PM2.5浓度反而增加,如伦敦和巴黎的PM2.5浓度在疫情期间出现上升[6]。在管控异常严格的一级“封锁”期间,京津冀及周边地区仍出现持续多日的区域性重污染天气[7]。在极限减排的背景下,仍然发生雾霾污染与不利气象条件有关。研究表明,除了污染源排放,气象条件是影响空气质量变化的重要因素[8]。相对湿度增加有利于各种气体前体物通过气相氧化和多相反应生成二次气溶胶,并进一步导致PM2.5浓度的爆发性增长[9]。Le等[3]基于地面观测和卫星遥感数据,估算疫情“封锁”对污染物浓度的减排高达90%,但疫情期间的高湿度天气,加上电厂和石化行业的持续排放是华北平原严重灰霾事件发生的本质原因。

1.2 疫情管控对气态污染物的影响

NOx的最大排放源为交通运输源,疫情期间由于异常严格和大范围的交通管制,对环境空气中NO2的影响最为显著,疫情期间的NO2浓度相比于疫情前期下降了20%～100%[10]。SO2主要来源于燃煤企业的排放,疫情期间下降幅度较小,甚至出现了不降反升的现象[3,11-13]。这是由于SO2主要来源于钢铁厂和电厂等燃煤企业,因生产和工艺设备的特殊性及保障民生的需要不能中断生产[14]。另外,疫情期间居民长期居家,需要更多的散煤燃烧取暖也会加大SO2的排放,从而使环境空气中的SO2浓度增加。大范围的交通管制大幅降低了NO的排放量,减少了对O3的“滴定”消耗,导致疫情期间环境空气中的O3浓度普遍上升[6,12,13]。疫情期间CO浓度的下降幅度通常大于SO2,但小于NO2,CO浓度的降低除了与机动车出行率显著减少外,还与其源贡献组成及自身化学稳定性有关。

2 启示

2.1 预防PM2.5的二次生成

在受人类活动影响的空气环境中,SO2和NOx可以通过多种物理化学途径分别生成硫酸盐和硝酸盐,颗粒物中的次生无机成分往往以硫酸盐和硝酸盐为主[15,16]。研究表明,硫酸盐和硝酸盐的二次气溶胶形成往往是PM2.5爆发性增长驱动因素[9]。疫情期间NO2浓度大幅下降,而PM2.5浓度下降幅度较小,两者的变化并不同步。疫情期间钢铁厂和电厂等燃煤企业,因生产和工艺设备的特殊性及保障民生的需要不能中断生产,导致环境空气中的SO2浓度变化不大,甚至出现不降反升的现象。因此,疫情期间PM2.5浓度降幅不大的原因可能是SO2与OH自由基反应生成更多的硫酸盐气溶胶,替代了硝酸盐气溶胶对PM2.5浓度的贡献[17]。以此为基础,环境管理部门在制定环保措施时,不能理所当然认为减排一定会减少环境空气中的PM2.5浓度,必须考虑气体-颗粒转换生成的二次气溶胶对PM2.5浓度的贡献。对于钢铁厂和电厂等不可中断生产的流程式企业,迫切需要改进生产工艺,推广更先进的过程减排技术。

2.2 预防减排导致O3污染

疫情管控导致机动车的出行率显著降低,大幅减少了NO的排放,使环境空气中的NO浓度大幅下降。从而削弱了对O3的“滴定”消耗,导致疫情期间O3浓度大幅增加。本次疫情发生在冬季,该季节全国在大部分时间太阳辐射较弱,不利于光化学反应生成O3,因此环境空气中的O3浓度并不高,但如果疫情发生在其它季节,O3污染必然会显著加重。因此,采取减排措施控制污染物排放时必须制定预防O3污染的方案,这对于交通型污染为主的城市尤其重要。另外,O3浓度的增加会导致大气氧化性增强,使更多的前体物经过氧化作用生成二次颗粒物PM2.5,从而加重细颗粒物污染。因此,需要制定科学性、针对性和操作性强的PM2.5和O3污染协同防控方案,因地制宜,一市一策,综合解决PM2.5和O3复合污染,以科技助力打好蓝天保卫战。

2.3 进一步认清减排和污染的关系

极少数地区尽管在极限减排的背景下仍出现雾霾天气,表明污染源减排与空气质量改善并不具有必然联系。各个地区不同的能源结构、产业组成、交通设施和气象条件,都会影响污染物浓度变化对管控措施的响应。其中气象条件对大气污染物浓度具有显著影响。风速持续降低和相对湿度逐渐增加通常是污染事件发生的导火索,风速逐渐降低使大气处于停滞状态,污染物不易扩散,相对湿度增加有利于各种气体前体物通过气相氧化和多相反应生成二次气溶胶。当大气处于停滞状态下,主要气态污染物向二次气溶胶的快速转化会促进PM2.5爆发性增长。