2001—2020年天津市大气污染特征的演变与防治历程

2022-04-25王雪涵张文慧毕晓辉戴启立吴建会肖致美张裕芬冯银厂

环境科学研究 2022年4期

王雪涵，张文慧，毕晓辉*，戴启立，吴建会，肖致美，张裕芬，冯银厂

1. 南开大学环境科学与工程学院，中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室，国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津 300350

2. 天津市生态环境监测中心，天津 300191

大气污染可对气候变化[1]、能见度[2]、人类健康[3]等造成一定的负面影响. 根据世界卫生组织调查，仍有92%的人口居住在没有达到世界卫生组织空气质量标准的地方[4]. 人为因素对城市污染影响显著，城市化率、人口、GDP、能源消耗和车辆数量的增加通常导致空气污染物排放量增加，引起城市空气质量下降[5-7]. 近几十年来，多个国家和地区都制定与实施了多种大气污染防治措施，实现了空气质量不同程度的改善[8-10]. 近年来，我国开展了强有力的大气污染防治工作，通过《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》《空气污染防治行动计划》《京津冀及周边地区大气污染防治行动计划实施细则》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等实施综合治理，以及调整产业结构、优化产业布局等一系列举措，环境空气质量改善明显[11-13]，引起全球关注.

天津市是我国北方最大的沿海城市，长期以来遭受着较为严重的空气污染. 近20年来，天津市及周边区域采取众多的大气污染防治措施，环境空气质量取得显著改善，京津冀地区2007-2016年SO2浓度下降47.6%[14]，2013-2018年PM10浓度下降44.8%[15]，2014-2018年PM2.5浓度下降40.3%[16]. 该文分析了天津市2001-2020年长时间序列大气污染特征的演变规律，梳理了天津市大气污染的防治历程，识别空气质量改善的关键驱动因素，总结其中的成功经验，以期为制定未来的大气污染防治政策、进一步改善区域空气质量提供科学依据.

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

天津市位于华北平原北部，进入21世纪以来，天津市经济社会发展迅速，其变化趋势如图1所示. 根据历年《天津统计年鉴》数据，2018年天津市的城市面积为11 966 km2，其中建筑竣工面积为2 119 km2.人口从2002年的856×104人增至2019年的1 328×104人. 2019年GDP为14 104×108元，约为2002年的7倍，相当于年均GDP增长率为11%，均高于美国(1870-1913年，4%)和日本(1950-1973年，9%)快速增长期的年均增长水平[17]. 能源消耗量从2002年的3 022×104t(以标准煤当量计)增至2019年的8 241×104t，煤炭消耗量以及水泥产量增长缓慢，生铁和粗钢产量分别从2002年的248×104和483×104t增至2019年的2 074×104和2 195×104t. 天津市产业结构从第二产业(从2002年的49%降至2019年的35%)主导向第三产业(从47%升至64%)主导转变.

1.2 数据来源

基于天津市环境空气质量国控点监测的大气污染物(SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3)质量浓度数据，分析天津市近20年空气质量的变化；人口、产业结构、GDP、燃料用量、能源消耗、机动车数量、建筑施工面积、建筑建成面积等社会经济数据来自2002-2020年《天津统计年鉴》；2011年、2016年、2017年、2018年、2020年分别采集了天津市环境空气中的颗粒物(PM2.5)进行分析，样品采集及分析方法详见文献[18-19].

1.3 研究方法

1.3.1Daniel趋势检验

使用基于Spearman相关系数的Daniel检验法分析天津市空气质量的变化趋势. Daniel检验法一般用在时间序列分析中，利用非参数方法Spearman相关系数检验两变量是否相关的原理来检验污染物浓度与时间是否存在同时增加或减少的趋势. 式(1)适用于样本量(n)＜30的趋势检验，目前该方法在大气环境领域已被广泛应用[17,20]，可减弱短期波动对趋势判断的影响，多用于验证长时间序列下污染物浓度变化趋势是否显著.

图 1 天津市GDP及主要工业产品产量年变化率Fig.1 Annual rate of change of gross domestic product and output of major industrial products in Tianjin

式中，rs为秩相关系数，n为样本量，xi为第i个样本污染物浓度数值按递增排列的序数，yi为第i个样本按时间递增排列的序数.

rs为正值(负值)代表在统计周期内处于上升(下降)的趋势. 若|rs|≥Wp(临界值)，代表变化趋势具有显著意义；若|rs|＜Wp，则代表变化趋势不具有显著意义，而是处于平稳状态.

1.3.2偏相关性分析

采用偏相关系数分析天津市污染物与社会经济因素的相关性. 在多个社会经济因素影响的情况下，变量之间的相关关系复杂，直接研究两个变量间的相关系数不能准确说明其真实关系，偏相关性分析法可减弱其他变量影响后再计算相关系数，能够较为客观地反映变量之间的相关关系[17].

式中，Rxy,z表示在控制z的条件下x、y间的偏相关系数，Rxy表示变量x、y间的简单相关系数，Rxz表示变量x、z间的简单相关系数，Ryz表示变量y、z间的简单相关系数.

Rxy,z越接近1，表示相关性越大；Rxy,z=1，表示一个变量的变化肯定会引起另一个变量的变化；Rxy,z越接近0，表示二者相关性越低.

2 结果与讨论

2.1 空气质量时间变化特征

2.1.1年变化特征

分析2001-2020年天津市常规6项污染物的变化趋势(见图2)发现，SO2和PM10浓度分别从2001年的76和167 μg/m3降至2020年的8和68 μg/m3，SO2浓度达到GB 3095-2012《环境空气质量标准》一级标准(20 μg/m3)，PM10浓度达到二级标准(70 μg/m3). PM2.5和CO浓度分别从2013年的96和3.7 mg/m3降至2020年的48和1.7 mg/m3，PM2.5浓度仍未达到二级标准(35 μg/m3).

如图3所示，天津市过去20年GDP、天然气消耗量和机动车数量均处于上升趋势，煤炭消耗量处于下降趋势. 从表1可以看到，对于SO2和PM10，均表现为rs＜0、|rs|＞Wp，说明2001-2020年SO2、PM10浓度均呈显著下降趋势；对于NO2，|rs|＜Wp，说明2001-2020年NO2浓度呈现平稳状态. NO2浓度减少不明显，可能是因为机动车污染物排放量的增加和燃煤排放量的减少相互抵消[11]. 如图4所示，2013年之后天津市煤炭消耗量减少，机动车数量增加，NO2浓度保持在46 μg/m3左右.

图 2 2001—2020年天津市大气污染物浓度的变化趋势Fig.2 Evolution trends of air pollutants concentration from 2001 to 2020 in Tianjin

图 3 天津市大气污染物浓度与社会经济指标的变化趋势Fig.3 Change trends of social-economic indicators and ambient pollutants concentration in Tianjin

表 1 天津市大气污染物浓度的秩相关系数(rs)分析结果Table 1 Results of coefficient of rank correlation analysis for air pollutants concentration in Tianjin

对于PM2.5和CO，均表现为rs＜0、|rs|＞Wp，说明2013-2020年PM2.5和CO浓度均呈显著下降趋势；对于O3，rs＞0、|rs|＜Wp，说明2013-2020年O3浓度上升趋势不显著，但是|rs|与Wp接近，仍有潜在的上升趋势，具体表现在2013-2015年O3浓度呈下降趋势[21]，2015-2020年呈上升趋势，其中2015-2017年增幅较大，达到25 μg/(m3·a). CO浓度呈下降趋势，民用燃煤的减少[22]和油品的升级[23]都有利于CO浓度的降低. 如图5所示，燃料消耗量降低，天然气消耗量上升，CO浓度下降. O3浓度从2001年的151 μg/m3升至2020年的190 μg/m3，是GB 3095-2012二级标准限值(160 μg/m3)的1.2倍. O3的生成水平与区域前体物质(VOCs和NOx)排放、烟气传输、光化学反应以及大气边界层有关[24-27].

2.1.2月变化特征

图 4 2002—2019年天津市煤炭消耗量、机动车数量和NO2浓度的变化趋势Fig.4 Change trends of coal consumption, vehicles and NO2 concentration from 2002 to 2019 in Tianjin

图 5 2013—2019年天津市燃料消耗量和CO浓度的变化趋势Fig.5 Change trends of consumption of fuel and CO concentration from 2013 to 2019 in Tianjin

2001-2020年天津市各月份6项污染物浓度月均值变化趋势如图6所示. CO月均浓度呈现“U”型模式；NO2月均浓度呈现“V”型模式；PM10和PM2.5月均浓度呈现冬季(12-2月)高、夏季(6-8月)低的特征. 2013年之前SO2月均浓度也呈现“U”型模式，之后没有非常明显的季节性变化特征，这与近年来推行湿法脱硫技术、控制燃煤含硫量、加强燃煤锅炉脱硫建设、实施电厂烟气脱硫工程等一系列高效措施有密切关系. Song等[28]研究了2014-2015年我国大气污染物的时空变化特征，各污染物浓度也呈现出明显的季节性分布特征. 我国冬季5种污染物浓度升高是因为北方常以燃煤和生物质燃烧来供暖，增加了污染物排放量，并且相对静稳的气象条件也限制了空气污染物的稀释和扩散[28-30]. 而天津市O3月均浓度则呈现倒“U”型模式，有夏季高、冬季低的分布特征. 夏季高温和强辐射天气易促进O3生成[31].

2.2 化学组分时间变化特征

图 6 天津市大气污染物浓度的月变化特征Fig.6 Monthly variation characteristics of ambient pollutants concentration in Tianjin

天津市2011年、2016年、2017年、2018年和2020年秋冬季PM2.5中主要化学组分占比如图7所示，结果显示，PM2.5中碳组分和水溶性离子的占比较大，元素占比较小. 有研究表明，SO42-、NO3-、EC和OC等组分主要富集在PM2.5中[32]，而Na、Mg、Al、Si、Ca和Fe等元素主要富集在PM10中[33]. 2011年天津市PM2.5中OC(12.5%)、SO42-(17.0%)和NO3-(14.6%)的占比较高，2016年OC(10.6%)、SO42-(6.1%)和NO3-(7.5%)的占比较高，2018年OC(8.0%)、SO42-(15.3%)和NO3-(10.2%)的占比较高. 2017年OC(16.9%)、NO3-(16.5%)、SO42-(8.8%)和NH4+(8.3%)的占比较高，而2020年NO3-(17.1%)、NH4+(10.3%)、OC(9.9%)的占比较高.2011-2020年，SO42-占比逐渐降低，而NO3-和NH4+占比逐渐增加，OC占比先上升后下降，EC占比趋于平稳.

如图8所示，SO42-/NO3-(浓度比)从2011年的1.6降至2020年的0.6，表明煤烟型污染贡献减弱，机动车尾气污染贡献增强，即固定源污染影响减小，移动源污染影响增大. OC/EC (浓度比)从2011年的2.5增至2020年的2.9，可能是因为机动车、工厂等污染源排放的氮氧化物和碳氢化合物等污染物增加，在阳光照射下发生光化学反应形成二次污染，同时也与燃煤、生物质燃烧等EC排放源减少有关.

图 7 2011—2020年天津市秋冬季PM2.5中主要化学组分的占比Fig.7 Percentage of main chemical compositions in PM2.5 of autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

图 8 2011—2020年天津市秋冬季SO42-/NO3-与OC/EC的变化Fig.8 Change of OC/EC and SO42-/NO3- in autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

Si等地壳元素是扬尘的标识性组分，Ca是建筑水泥尘的标识性元素. 天津市环境空气PM2.5中的Si占比减少，从2011年的5.6%降至2020年的1.9%，Ca占比增加，从2011年的1.7%升至2020年的3.9%(见图9)，表明扬尘受到土壤风沙尘的影响减小，受到建筑施工的影响增大. 随着城市化的推进，天津市城区绿化覆盖率一直增加，从2011年的34.5%增至2019年的37.5%，在一定程度上抑制了土壤扬尘污染. 天津市施工面积从2002年的2 817.8×104m2增至2019年的15 616.9×104m2，建筑施工活动较多，对扬尘的贡献较大. Cu和Zn的变化趋势相似，除2011年占比较高外，其他年份趋于平稳.

2.3 PM2.5来源的变化特征

图 9 2011-2020年天津市秋冬季PM2.5中Si和Ca占比的变化Fig.9 Change of percentage of Si and Ca in PM2.5 of autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

运用CMB模型[34-36]对2011年、2016年、2017年、2018年和2020年天津市秋冬季PM2.5进行来源解析，结果如图10所示. 其中，2011年天津市秋冬季PM2.5来源为燃煤，贡献率为24.7%；其次为机动车尾气尘，贡献率为19.9%；二次粒子(二次有机碳、二次硝酸盐、二次硫酸盐)贡献率为33.1%. 2016年PM2.5的主要来源是燃煤，贡献率为27.1%；其次是机动车尾气尘和扬尘，贡献率分别为21.5%和18.2%；二次粒子贡献率为28.5%. 2017年天津市PM2.5的主要来源是燃煤(17.8%)、扬尘(15.9%)和机动车尾气尘(15.2%)，二次粒子的贡献率(30.3%)有所上升. 2018年PM2.5的主要来源依然是燃煤(19.0%)、机动车尾气尘(18.0%)和扬尘(14.7%)，二次粒子贡献率比2017年同期减少了5.3%. 2020年PM2.5的主要来源是机动车尾气尘(18.2%)、燃煤(16.9%)和扬尘(15.8%)，二次粒子贡献率比2018年同期增长了10.5%.

如图11所示，天津市秋冬季PM2.5中二次硫酸盐贡献率有所下降，与2011年同期相比，2020年贡献率减少了74.1%，燃煤贡献率则下降了31.6%；扬尘和机动车尾气尘贡献率分别从2011年的17.7%和19.9%降至2020年的15.8%和18.2%；而二次硝酸盐贡献率有所增加，2020年比2011年同期增长了63.3%.

2.4 大气污染防治历程与有效性评价

根据2.1.1节的污染物浓度趋势分析可见，2001-2020年天津市SO2、PM10、PM2.5浓度总体呈下降趋势. 研究污染物和社会经济因素关系时，利用偏相关分析控制其他社会经济因素，可减弱其对所研究相关关系的影响. 如图12所示，控制天然气消耗量和用电量因素的影响后，PM2.5浓度下降与煤炭消耗量减少呈显著相关(R=0.879，P＜0.05)；控制煤炭消耗量和天然气消耗量后，PM2.5浓度下降与用电量增加呈显著相关(R=-0.841，P＜0.05). 控制煤炭消耗量后，SO2浓度降低与天然气使用的推广呈显著相关(R=-0.965，P＜0.05). 控制建筑施工面积后，粗颗粒(PM2.5～10)浓度下降与绿化覆盖率增加呈显著相关(R=-0.859，P＜0.05).

图 10 2011—2020年天津市各源类对环境空气中秋冬季PM2.5的贡献率Fig.10 Sources percentage contribution in PM2.5 of autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

综上，该研究从产业能源结构调整、“双散”管控和末端治理3个方面对天津市大气污染防治措施进行梳理，对其有效性进行评估.

图 11 2011—2020年天津市秋冬季PM2.5主要源贡献率的变化Fig.11 Change of main Sources percentage contribution to ambient PM2.5 of autumn and winter from 2011 to 2020 in Tianjin

2.4.1产业与能源结构调整初见成效

图 12 天津市污染物浓度与社会经济指标之间的关系Fig.12 Relationship between ambient pollutants concentration and social-economic indicators

图 13 2001—2020年天津市PM10、SO2、PM2.5年均浓度阶段变化趋势Fig.13 The trend of phase changes of PM10, SO2, PM2.5 concentration from 2001 to 2020 in Tianjin

2001-2020年天津市产业结构重心由第二产业向第三产业转移，能源结构由煤炭为主向清洁能源转变. 分阶段来看：①2001-2005年天津市产业结构对GDP的贡献主要以第二产业为主，贡献率在50%左右. 该阶段煤炭消耗量不断增加，天然气消耗量较少，SO2浓度超过GB 3095-2012二级标准(见图13).2010年《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》提出了坚持优化区域产业结构和布局、加强能源的清洁利用等原则. ②2010-2013年天津市产业结构中第二产业贡献率下降了1.8%，依旧为主导产业；煤炭消耗量在此期间持于上升阶段，并在2013年达到最高消耗量，天然气消耗量和用电量增加，SO2浓度先降后升，总体已达到GB 3095-2012二级标准. ③2013-2017年天津市产业结构中第二产业贡献率逐渐下降，第三产业贡献率逐渐上升，且煤炭消耗量大幅减少，天然气消耗量迅速增加. 该阶段天津市SO2浓度下降了72.9%，取得了显著效果. 在同一时期，我国人为污染排放减少了59%的SO2、21%的NOx、23%的CO、36%的PM10、33%的PM2.5及32%的OC[22]. 2018年《打赢蓝天保卫战三年行动计划》要求有效推进北方地区清洁取暖，实现“增气减煤”. ④2017-2020年天津市产业结构转变第三产业为主导产业. 2019年天津市煤炭消耗量比2015年下降了17.0%，天然气消耗量上升了70.5%；2020年PM2.5浓度比2015年下降了31.4%，SO2浓度下降了72.4%；2020年燃煤的贡献率比2016年减少了37.6%，二次硫酸盐的贡献率减少了32.2%. 可见，产业结构与能源结构的有序良性调整使天津市大气污染防治初见成效.

2.4.2散煤、“散乱污”治理效果明显

推动散煤清洁化治理和“散乱污”企业整治，实施清洁能源替代和清洁化治理并重措施. 2013年《空气污染防治行动计划》和《京津冀及周边地区大气污染防治行动计划实施细则》中规定：小型燃煤锅炉退役、重点行业污染控制、城市车辆总量控制、燃料质量改善、控制煤炭消耗量、清洁能源供应、煤炭清洁使用等. 实施的一系列大气污染防治措施使集中供热排放的PM2.5得到有效控制[37-38]. 但农村地区散煤燃烧问题依然严峻，散煤污染物排放量约占采暖季污染物排放量的50%[39]. 2015年天津市修订了《工业和民用煤质量》煤质地方标准，进一步加严煤质指标，在全市域严禁使用民用烟煤，并印发《2015年散煤清洁化治理工作方案》持续推进民用散煤污染治理.2013-2017年天津市PM10与PM2.5浓度呈下降趋势，分别减少了37.3%和35.4%，但仍超过各自相应的GB 3095-2012二级标准. 2017年后天津市整治了约2万家“散乱污”企业，并推广天然气、电力等清洁能源替代，促使散煤加快退出市场，农村生活散煤治理以清洁无烟型煤替代，提高燃煤质量和燃烧效率，减少污染排放. 2017-2020年PM2.5浓度下降了22.6%，PM10浓度下降了27.6%，SO2浓度下降了50.0%. 2020年机动车尾气尘的贡献率比2017年下降了19.7%，扬尘的贡献率下降了0.6%，二次硫酸盐的贡献率下降了6.6%.

2.4.3末端治理的管控

2006年我国逐步淘汰中小型发电机组并全面推行高效的烟气脱硫技术，大气中SO2浓度有所下降，但也超过GB 3095-2012二级标准. 2014年“美丽天津·一号工程”项目中石化烟气脱硫除尘每年可减少1 400 t SO2和470 t粉尘的排放. 2015年天津市全面推进洁净空气计划，对22家企业进行脱硫除尘改造；对84座燃煤工业锅炉进行改燃并更换了24万台农村无烟煤炉具. 与2013年相比，2015年SO2与PM2.5浓度分别下降了50.8%和27.1%，且2016年二次硫酸盐贡献率比2011年减少了61.8%.

2003年天津市实施“蓝天工程”，对扬尘污染提出防治措施，PM10浓度有所下降，但是仍超过GB 3095-2012二级标准，可能是因为“十五”期间天津市进行大规模的市政工程建设，城区快速路和地铁建设全面展开，施工造成扬尘严重[40]. 天津市建筑施工面积从2010年的7 564.3×104m2升至2013年的12 791.0×104m2，增加了69.1%，PM10浓度上升了56.3%.2013年后天津市实施建筑工地、渣土运输、房屋拆迁和道路扬尘精细化管理，严格实施封闭、高栏围挡、喷淋等工程措施，消除建成区裸露地面. 2013-2020年建成区绿化覆盖率从34.9%增至37.5%，PM10浓度降低了54.7%，且2020年扬尘的贡献率比2011年下降了10.7%.