庆阳市环境空气质量现状及分析

2022-03-18黄喜玲王凯杰任钰婷段保军

陇东学院学报 2022年2期

黄喜玲，王凯杰，任钰婷，段保军

(1.甘肃省庆阳生态环境监测中心，甘肃庆阳 745000；2.陇东学院化学化工学院，甘肃庆阳 745000)

全世界目前的能源结构依旧是以石油煤炭为主，中国也不例外，煤炭资源相对丰富，煤炭储量居世界第三位，在20世纪90年代已探明的煤炭储量高达1万亿吨，石油储量在150亿桶。改革开放以来，我国工业化进程飞速发展，随之而来的大气污染问题日益加剧。根据国际标准化组织ISO最新的定义[1]：大气污染一般指的是因人为活动和自然过程引起的某种物质进入大气中且表现出相当的浓度，存留足够的时间对人体的舒适、健康或者对环境产生了不良危害的现象。大气污染的成因分为自然过程和人为过程，自然过程例如沙尘暴、火山爆发等造成的空气中颗粒物的急剧增加；人为过程主要是由于人类活动对大气产生的影响，例如工业生产的未达标排放，汽车尾气排放、秸秆垃圾的焚烧等。权威数据显示，以2015—2016年为例，全国工业废气达到了685170亿立方米。根据公安部交通管理局最新消息[2]，截至2020年6月，全国私家车保有量为2.7亿辆，约占机动车总量的75%，而每年的机动车尾气排放量达到了4300多万吨，虽然这个数字有所下降，但由于我国私家车保有量的逐年增加，尾气排放量仍然不容乐观。除以上工业、汽车尾气产生的大气污染外，焚烧秸秆也是造成污染的一个重要来源。焚烧秸秆、垃圾产生的硫化物[3]、氮化物在对环境产生区域性污染的同时，对人体健康也产生了危害，全世界每年大约有12%的人死于空气污染[4]。因此，研究一个地区的空气质量成为环境污染防控的重要课题。

庆阳市位于甘肃省最东部、陕甘宁交汇处，石油煤炭资源丰富，煤炭储量达到2000多亿吨。中国第一大油田长庆油田和核桃峪煤矿便位于此。专家指出，未来很长一段时间内，我国将依然以石油煤炭为主要能源。根据我国现有的矿产资源开采利用方式，在引起生态地质灾害的同时，空气污染问题也不可小觑。因此，庆阳市区的空气质量监测分析研究将对庆阳市空气污染防治工作产生重要的意义。

美国最早于1970年推出了《美国的清洁空气法案》[5]，至此美国的空气质量评价进入了以空气质量指标与零污染策略为基础的时代，后面又对该法案进行了多达两次的修改，要求污染可能发生区域必须获得该州发放的许可证。

日本于20世纪60年代末推出了《大气污染防治法》，成为日本控制空气污染的主要法律，控制污染源的最低排放标准，使大气保持一定程度的良好状态。

我国于20世纪80年代末颁布了《大气污染防治法》[6]，1996年颁布了《环境空气质量标准》。该标准规定了包含二氧化硫、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化氮、臭氧、一氧化碳、铅、苯并[a]芘在内的数10项污染物。值得一提的是我国于21世纪初取消了氮氧化物的浓度最大限值。在2012年我国公布的新的空气质量监控标准中则是将SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5、O3用新的评价标准展现出来。采用空气质量指数(AQI)来定量描述空气质量状况[7]，空气质量指数分级为：优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染。但是与美国相比，我们国家的AQI等级浓度值存在较大的差异，尤其是在PM2.5-24h的值上面,我国假如是日均浓度30μg/m3，那么美国仅仅为10μg/m3，PM2.5依旧是制约我国空气质量转良的关键性指标。

表1 AQI各分级对人体的影响信息AQI分级信息

1 庆阳市空气质量监测站布局概况

1.1 监测点位

(1)自动监测点位

监测点位：全市共布设自动监测点位12个，其中国控点位3个，省控点位9个。具体点位布设情况见表2。

表2 环境空气质量自动监测点位一览表

(2)手动监测点位

监测点位：在西峰区布设降尘手工监测点位6个，其中，监控点5个(市监测站、粮贸总公司、二中、种子公司、市政府)，对照点1个(转播台)。

1.2 监测项目及分析方法

(1)自动监测点位

监测项目：二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)，均采用自动监测。

分析方法：二氧化硫和臭氧均采用紫外荧光法；二氧化氮采用气相化学发光法；可吸入颗粒物和细颗粒物采用β射线法；一氧化碳采用红外吸收法。

(2)手动监测点位

监测项目：自然降尘，采用手工监测。

分析方法：降尘采用重量法。

1.3 监测频次

二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和臭氧，每小时不得少于45分钟的采样时间；二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物、细颗粒物和一氧化碳每日不得少于20个小时平均浓度值或采样时间；二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物、细颗粒物和一氧化碳每年不得少于324个日平均浓度值，每月不得少于27个日平均浓度值(二月不得少于25个日平均浓度值)；臭氧8小时平均不得少于6小时平均浓度值。

自然降尘每月取样监测1次，每次取样时间为30±2天。

1.4 评价标准

环境空气质量六项污染物浓度采用《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中二级标准评价，各指标评价标准值见表3。降尘量标准为16.5t/km2·30d(在对照点的年均值基础上加7t/km2·30d)。

表3 《环境空气质量标准》(GB3095-2012)二级标准值(单位：μg/m3)

2 空气质量自动监测结果及现状评价

2.1 监测结果及评价

2019年庆阳市区环境空气中二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物、细颗粒物、一氧化碳、臭氧的监测结果统计情况见表4。

表4 2019年环境空气质量监测结果统计表

二氧化硫：市区日均值浓度范围为4～37μg/m3，日均值达标率为100%；年均值为11μg/m3，达标。

二氧化氮：市区日均值浓度范围为8～44μg/m3，日均值达标率为100%；年均值为18μg/m3，达标。

可吸入颗粒物：市区日均值浓度范围为10～770μg/m3，日均值超标天数为18天，日均值达标率为95.1%；年均值为66μg/m3，达标；剔除沙尘天气影响后年均值为58μg/m3，达标。

细颗粒物：市区日均值浓度范围为5～182μg/m3，日均值超标天数为21天，日均值达标率为94.2%；年均值为31μg/m3，达标；剔除沙尘天气影响后年均值为31μg/m3，达标。

一氧化碳：市区日均值浓度范围为0.3～1.6mg/m3，日均值达标率为100%；日均值第95百分位数为1.2mg/m3，达标。

臭氧：市区日最大8小时滑动平均的浓度范围为32～168μg/m3，日最大8小时滑动平均值超标天数为2天，日最大8小时滑动平均值达标率为99.5%；日最大8小时滑动平均的第90百分位数为132μg/m3，达标。

2.2 首要污染物

2019年庆阳市区首要污染物统计情况见表5。

表5 2019年庆阳市首要污染物统计表

由表5可知，2019年市区首要污染物以臭氧为主，出现132天，占45.2%；其次是可吸入颗粒物，出现106天，占36.3%；细颗粒物出现57天，占19.5%。

2.3 空气质量指数类别

2019年庆阳市区环境空气质量优良天数为330天，优良天数比例为90.4%，其中类别为优的71天，占19.5%；类别为良的259天，占71%；类别为轻度污染的28天，占7.7%；类别为中度污染的5天，占1.4%；类别为重度污染的1天，占0.3%；类别为严重污染的1天，占0.3%。空气质量污染指数占年总天数比例见图1。

图1 2019年庆阳市空气质量污染指数比例图

2.4 综合污染指数

2019年庆阳市区环境空气质量综合指数为3.58，六项污染物中，分担率占比较大的是可吸入颗粒物、细颗粒物和臭氧，分别为26.3%、24.9%和22.9%；二氧化氮、一氧化碳和二氧化硫相对较低，占比分别为12.6%、8.4%和5.0%。综合污染指数月均值见表6。

由表6可知，庆阳市区环境空气质量8月份最好，综合污染指数是2.28；1月份最差，综合污染指数是4.81。冬季主要污染物是细颗粒物；春季、秋季主要污染物是可吸入颗粒物；夏季主要污染物是臭氧。

表6 2019年庆阳市区综合污染指数月均值统计表

2.5 六项污染物时间、空间浓度变化分布规律

2019年庆阳市区环境空气质量监测结果月均值统计情况见表7。

2019年庆阳市区环境空气质量各站点六项污染物月均值对比图见图2至图8。

图2 2019年不同点位年平均浓度对比图

图3 2019年不同点位SO2月平均浓度变化图

图4 2019年不同点位NO2月平均浓度变化图

图5 2019年不同点位可吸入颗粒物月平均浓度变化图

图6 2019年不同点位细颗粒物月平均浓度变化图

图7 2019年不同点位CO月平均浓度变化图

图8 2019年不同点位O3月平均浓度变化图

表7 2019年庆阳市区环境空气质量监测结果月均值统计表

由图2可知，粮贸总公司站点污染物浓度年均值除可吸入颗粒物浓度与区环保局站点持平外，其余污染物浓度均高于其他站点，尤其是二氧化氮、一氧化碳等气态污染物较为突出。二氧化硫、二氧化碳、可吸入颗粒物、细颗粒物、一氧化碳及臭氧六项污染物不同站点月变化情况具体分析见表7。

综合表7和图3可知，二氧化硫1-3月份、11-12月份月平均浓度明显高于4-10月，1月、12月污染浓度最高，这是受冬季供暖期煤质燃烧影响。粮贸总公司站点供暖期高于其他站点，这是由于该站点周围为棚户区，居民较为集中，供暖需求较大，但集中供热不足，散烧小煤炉排污所致。

综合表7和图4可知，二氧化氮1月份、11-12月份月均浓度相对较高，粮贸总公司站点除8-9月份外，其他月份较另外两个站点高出许多，主要由于该站点在主城区内，人为活动干扰因素较多。

综合表7和图5可知，可吸入颗粒物6-9月份月均浓度相对较低，1-5月份、12月份月均浓度较高，其中5月份浓度最高，主要原因为6-9月份受夏季季风性气候影响，雨水较多，浓度下降明显，冬季受沙尘和供暖双重影响，浓度较高，5月份沙尘天气频繁，对颗粒物上升起到决定性作用。

综合表7和图6可知，细颗粒物1-2月份、11-12月份月均浓度相对较高，主要是受冬季供暖影响较大，供暖期结束后下降明显，夏季雨水较多，对细颗粒物浓度的降低也有一定成效。

综合表7和图7可知，一氧化碳1-2月份、11-12月份月均浓度相对较高，主要是受冬季供暖期燃煤影响，粮贸总公司站点供暖期高于其他站点，因为该站点集中供暖未全面普及，散煤用户较多。

综合表7和图8可看出，臭氧随温度、光照变化较大，7月份温度较高，光照时间足，臭氧污染更易发生，市环保局站点臭氧浓度低于其他站点。

2019年六项污染物小时浓度变化见图9。

图9 2019年污染物小时浓度变化图

由图9可知，可吸入颗粒物每日9-10时浓度最高，16-17时浓度最低。0-7时浓度变化较为稳定，8时开始上升，9-10时达到峰值，11时开始下降，16-17时降到最低，随后又开始上升，21时达到每天的亚峰值，最后缓慢下降。

细颗粒物最高值出现在9-10时和21时，15-17时浓度值最低，0-7时浓度变化较为稳定，8时开始上升，9-10时达到峰值，11时缓慢下降，15-17时降到最低，随后迅速上升，21时达到又一个峰值，随后缓慢下降。

二氧化硫0-5时缓慢下降，6时开始上升，8-9时达到峰值，随后缓慢下降，16-17时下降到最低值，之后又开始上升，20时达到每天的亚峰值，最后缓慢下降。

二氧化氮0-6时缓慢下降，7时开始上升，9时达到每天的亚峰值，随后开始下降，14-16时下降到最低值，之后又开始上升，20时达到每天的峰值，最后缓慢下降。

一氧化碳每日8-9时浓度最高，随后开始下降，14-17时降到最低值，其他时段变化较为平稳。

臭氧0-8时缓慢下降，8时降到最低值，随后开始上升，16-17时达到峰值，之后开始下降。

根据以上分析可判断出，庆阳市每天除臭氧外，其他污染物有两个峰值，会出现在8-10时和20-21时，这段时间的污染最为严重，14-17时除臭氧以外的其他污染物浓度最低，这段时间空气质量最好。

2.6 年度对比分析

庆阳市区2019年空气质量各项主要指标年均浓度与上年对比情况见表8与图10。

图10 2019年六项污染物年均值与上年同期比较柱形图

表8 庆阳市区2019年环境空气质量各项主要指标年均浓度与上年比较一览表

综合表8和图10可知，庆阳市区2019年扣除沙尘后综合污染指数为3.44，与上年相比增长3.3%；优良天数为330天，与上年相比减少7天；优良天数比例为90.4%，与上年相比减少2.2%；细颗粒物和二氧化氮浓度与上年相比持平，可吸入颗粒物和二氧化硫浓度与上年相比下降，降幅分别为13.2%、15.4%；一氧化碳第95百分位数和臭氧8小时第90百分位数与上年相比上升，升幅分别为9.1%、6.5%；沙尘天数较上年减少36天，剔除沙尘天影响后可吸入颗粒物年均值为58μg/m3与上年相比持平；细颗粒物年均值为31μg/m3与上年相比上升11.1%。剔除沙尘天气影响后，可吸入颗粒物浓度与上年相比持平，细颗粒物浓度反而上升，造成这种结果的主要因素是庆阳市属于温带大陆性季风气候，冬季供暖期会受到中原地区雾霾输入影响，致使细颗粒物随之升高。

3 县城环境空气质量情况

3.1 庆城县空气质量概况

环境空气中可吸入颗粒物年均值为63μg/m3，细颗粒物年均值为30μg/m3，二氧化硫年均值为9μg/m3，二氧化氮年均值为21μg/m3，一氧化碳第95百分位数为1.4mg/m3，臭氧8小时第90百分位数为118μg/m3，均达到《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准，优良天数比例为91.5%，综合污染指数为3.63。

3.2 环县空气质量概况

环境空气中可吸入颗粒物年均值为99μg/m3，未达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准；细颗粒物年均值为31μg/m3，二氧化硫年均值为14μg/m3，二氧化氮年均值为39μg/m3，一氧化碳第95百分位数为1.4mg/m3，臭氧8小时第90百分位数为123μg/m3，均达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准，优良天数比例为81.0%，综合污染指数为4.93。

3.3 华池县空气质量概况

环境空气中可吸入颗粒物年均值为36μg/m3，细颗粒物年均值为17μg/m3，二氧化硫年均值为11μg/m3，二氧化氮年均值为9μg/m3，一氧化碳第95百分位数为0.9mg/m3，臭氧8小时第90百分位数为150μg/m3，均达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准，优良天数比例为92.5%，综合污染指数为2.70。

3.4 合水县空气质量概况

环境空气中可吸入颗粒物年均值为60μg/m3，细颗粒物年均值为18μg/m3，二氧化硫年均值为9μg/m3，二氧化氮年均值为11μg/m3，一氧化碳第95百分位数为1.3mg/m3，臭氧8小时第90百分位数为138μg/m3，均达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准，优良天数比例为93.7%，综合污染指数为3.06。

3.5 正宁县空气质量概况

环境空气中可吸入颗粒物年均值为53μg/m3，细颗粒物年均值为26μg/m3，二氧化硫年均值为7μg/m3，二氧化氮年均值为9μg/m3，一氧化碳第95百分位数为1.2mg/m3，臭氧8小时第90百分位数为145μg/m3，均达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准，优良天数比例为89.1%，综合污染指数为3.21。

3.6 宁县空气质量概况

环境空气中可吸入颗粒物年均值为88μg/m3，未达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准；细颗粒物年均值为33μg/m3，二氧化硫年均值为11μg/m3，二氧化氮年均值为15μg/m3，一氧化碳第95百分位数为1.1mg/m3，臭氧8小时第90百分位数为132μg/m3，均达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准，优良天数比例为84.6%，综合污染指数为4.02。

3.7 镇原县空气质量概况

环境空气中可吸入颗粒物年均值为69μg/m3，细颗粒物年均值为35μg/m3，二氧化硫年均值为8μg/m3，二氧化氮年均值为17μg/m3，一氧化碳第95百分位数为1.2mg/m3，臭氧8小时第90百分位数为128μg/m3，均达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准，优良天数比例为91.5%，综合污染指数为3.74。具体情况见表9、表10。

表9 2019年全市环境空气质量污染物浓度表

表10 2019年全市空气质量状况

4 空气质量自然降尘手工监测结果及评价

4.1 自然降尘监测结果及评价

2019年庆阳市区月平均降尘量为25.0t/km2·30d，与上年相比减少0.9t/km2·30d，月平均降尘量范围为21.8～28.6t/km2·30d，达标。清洁对照点月平均降尘量为23.7t/km2·30d，较上年减少5.5t/km2·30d，月平均降尘量范围为21.1～35.2t/km2·30d。自然降尘每月监测结果见表11。

表11 庆阳市区2019年自然降尘1-12月监测结果表单位：T/KM2.Y

4.2 自然降尘年内时空变化

2019年庆阳市区自然降尘量1月、12月较高，7-9月较低，5月受沙尘影响稍有上升，上半年变化平稳，后半年变化幅度较大。其中监测站点位的降尘量最大，种子公司点位次之，粮贸降尘量最小。具体情况分别见图11、图12。

图11 2019年自然降尘监测结果月变化图

图12 2019年自然降尘各监测点结果图

5 庆阳市区沙尘天气监测分析

2019年庆阳市区共发生11次输入性沙尘天气，影响天数共18天，其中2月1次，3月2次，4月2次，5月3次，7月1次，10月1次，11月1次，5月12日出现的沙尘强度最强，可吸入颗粒物最高浓度达2238μg/m3，具体情况见表12。

表12 庆阳市区沙尘天气发生次数及影响天数统计表

6 庆阳市区空气质量综合分析

6.1 市区空气质量总体情况

(1)庆阳市区2019年优良天数为330天，与上年相比减少7天；优良天数比例为90.4%，较2018年同期减少了2.2%。6项污染物年均浓度值均低于《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中的二级标准。与上年相比(扣除沙尘后)，细颗粒物、一氧化碳、臭氧年均浓度分别上升11.1%、9.1%、6.5%，二氧化硫年均浓度下降了15.4%，可吸入颗粒物年均浓度持平。

(2)庆阳市区首要污染物所占天数由多到少依次为：臭氧，出现132天，占45.2%；可吸入颗粒物出现106天，占36.3%；细颗粒物出现57天，占19.5%。其中，可吸入颗粒物日均超标天数为18天，细颗粒物日均超标天数为21天，臭氧日最大8小时滑动，平均值超标天数为2天。

(3)庆阳市区环境空气质量8月份最好，综合污染指数是2.28；1月份最差，综合污染指数是4.81。冬季主要污染物是细颗粒物；春季、秋季主要污染物是可吸入颗粒物；夏季主要污染物是臭氧。

(4)沙尘天气多发生在春季。2019年共发生沙尘天气18天，与上年相比减少了36天，扣除沙尘天气影响后综合污染指数为3.44，较2018年同期增长3.3%。

(5)从点位空间分布看，粮贸总公司站点区域气态污染物较其他站点较高，主要原因为该区域为老城区内的棚户区，人为干扰因素较多。从时间分布看，庆阳市区每天8-10时和20-21时污染最为严重；14-17时污染物浓度最低，空气质量最好。

6.2 市区臭氧(O3)污染处于高位的原因

(1)庆阳石油炼化企业氮氧化物(NOX)和可挥发性有机物(VOCS)的排放。这些炼化企业生产过程中不可避免的会产生氮氧化物(NOX)，这些废气进入大气，经过光解形成臭氧。

(2)机动车数量的逐年增加，尾气排放超标。随着人们经济水平的提高，一户一车或者一户多车已成为现实，但尾气中可挥发性有机物(VOCS)超标排放的问题也随之而来。这也是臭氧污染浓度长期处于高位且逐年有增无减的原因之一。

(3)夏季高温日照时间长。庆阳处于北纬35度，夏季日照时间长，太阳辐射能量强排放在空气中的氮氧化物(NOX)以及可挥发性有机物(VOCS)经过光解，发生反应产生臭氧。

(4)风速影响。庆阳位于黄土高原，年均风速较大，风速与O3浓度正相关性，表明在气象条件的影响下，区域外源污染的输入对O3浓度也能够产生影响[8]。

7 庆阳市县城空气质量综合分析

(1)庆阳市县城环境空气中可吸入颗粒物中环县最高，年均值达到了99μg/m3，但未达到《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准；华池县的可吸入颗粒物均值最低，年均值为36μg/m3。镇原县细颗粒物数值最高达到了35μg/m3，华池县的细颗粒物监测均值依旧最低，达到了17μg/m3。

(2)环县的二氧化硫含量达到了14μg/m3，二氧化氮依旧以39μg/m3的年均值位居第一。环县的一氧化氮年均值为1.4mg/m3，为各县城该监测项最高值。臭氧年均含量华池县最高，达到了150mg/m3。臭氧也成为华池县的主要污染物。环县的全年污染天数最多，约占全年总天数的18%。除华池县外，其余各县区的主要污染物均为PM10。

8 庆阳市空气质量存在的问题及改善措施

(1)庆阳市区首要污染物以臭氧为主，约占全年的45%左右，且主要集中在6月、7月、8月和9月，换句话说，主要集中在夏季。其原因是夏季近地面在高温长时间日照的情况下，工厂、锅炉、机动车等排放出的氮氧化物和有机溶剂发生催化反应，从而造成空气中臭氧含量超标。与其他污染物一样，臭氧的超标可导致人体中枢神经产生不可逆损伤。其症状表现为视力下降，皮肤损伤，胸闷气短，头痛难忍，同时臭氧含量超标亦造成甲状腺功能的受损。另有研究表明，臭氧浓度大于50ppb即可导致粮食减产。

措施：臭氧污染的成因较为复杂，但从一般意义上讲，严格控制氮氧化物的排放，加大石油化工企业的氮氧化物排放的监管力度。在夏季期间实行机动车辆单双号限行制度，对相关企业的易挥发溶剂的排放监管应更加严格。

(2)市区的第二种污染物为可吸入颗粒物，出现106天，占全年的36%左右，主要集中在春秋季。5月份浓度最高，原因是5月份沙尘天气频繁，而冬季可吸入颗粒物浓度相对偏高主要是由冬季沙尘供暖造成的。

措施：治理沙尘暴，推进植树造林工程，在市区周边建造防沙林；加快推进市内天然气的普及，对垃圾进行回收处理，禁止随意焚烧垃圾。

(3)粮贸总公司除可吸入颗粒物含量与区环保局持平外，其余各项污染物均高于其他监测站点。原因是粮贸总公司区域尚未纳入集中供暖计划，以及该区域供暖时间较长，散煤燃烧任意排污，从而造成细颗粒物、硫氧化物、氮氧化物和一氧化氮的监测值均高于其他监测点。

措施：尽快将粮贸总公司纳入集中供暖区域，实施集中供暖策略，关闭私人锅炉，禁止散煤零售，禁止散煤燃烧等[9]。

(4)庆阳各县以环县为例，可吸入颗粒物、细颗粒物、硫化物、一氧化碳、氮化物含量均高于其他县区，这与环县农村人口基数巨大，长久以来焚烧秸秆的生活方式不无关系。

措施：大力推进农村农业方式的转变，加速推进城市化进程，加快天然气等清洁能源的普及，禁止秸秆的随意焚烧[10]，实施沼气池入户工程，将秸秆等垃圾放入沼气池发酵，沼气便可作为清洁能源加以利用，从而减少空气污染。