青岛空气质量变化特征及影响因素分析

郑秀苹, 姜澒月, 蒋 楠, 朱 磊

(青岛市环境保护科学研究院,山东 青岛 266003)

大气复合污染是我国生态环境面临的主要环境问题,特别是以颗粒物与臭氧为主的大气污染给城市生态环境带来了巨大的压力[1-2],对公众健康与生态环境安全造成了危害。 全球约91%的人口居住于超过世界卫生组织推荐的空气质量标准的地区[1],中国空气污染导致每年约有135 万人死亡,780 万人入院治疗[2]。 为应对随着社会经济发展而演化的空气污染,几十年来学者在大气污染物研究、大气污染控制、空气质量管理方面做了大量工作[2-3]。 研究表明,不同发展阶段的城市群,空气污染的改善程度存在差异[2-8]。

青岛作为我国华东地区重要的经济中心城市和沿海开放城市,其空气质量问题一直备受关注。近年来,学者对青岛市大气单一污染物特征、时空变化规律等进行了广泛的研究。 杨帆等[9]探究了夏季一次臭氧(O3)重污染过程的特征和成因,李瑞芃等[10]开展了重点行业挥发性有机物(VOCs)排放特征分析工作,邵锡浩[11]对青岛市细颗粒物(PM2.5)污染物时空变化特征进行了概述。 目前这些研究局限于单一污染物、短时间周期,及时空特征的描述,对多污染物、长周期的分析尚有空白,未涉及大气污染物与城市产业结构、能源结构、交通运输等分析及管控措施的演变过程。 通过研究青岛大气主要空气污染物浓度的变化特征,综合回顾城市尺度上空气质量的影响因素及行政机构对大气主要污染物的管控措施,以期为青岛及其他城市空气质量管控提出符合城市发展阶段特征、具有普适性及实用性的大气污染物管控建议。

1 研究区域与研究方法

1.1 青岛市概况

青岛市是中国北方海滨城市,位于119°30′～120°00′E,35°35′～37°09′N。 地处山东半岛南部,毗邻黄海,地势东高西低,为海滨丘陵城市。全市面积为11 293 km2, 2020 年常住人口1 007.2 万人。 青岛属温带季风气候,空气湿润,雨量充沛,常年平均气温12.7 ℃,年均降水量662 mm。

1.2 数据来源

青岛市大气主要污染物数据来源于《2001—2022 年青岛市生态环境状况公报》公布的全市年平均浓度,其中SO2、NO2、PM10统计时段为2001—2022 年；PM2.5、O3、空气质量优良率统计时段为2013—2022 年。

青岛市社会经济数据来源于《2002—2022 年青岛市统计年鉴》,包含了社会经济指标类别:工业污染源治理、产业结构、清洁能源、交通运输。以废气治理设施处理能力数据情况代表青岛工业污染源治理成果,选取第二产业增加值与第三产业增加值比重的变化表征青岛产业结构的调整情况,以天然气供应量来代表青岛清洁能源供应的基本特征,以货运车辆数量表征交通运输中机动车主要排污情况。

1.3 研究方法

通过SPSS26.0 对青岛市大气主要污染物浓度与各个社会经济指标进行回归曲线拟合,以双侧检验来评估拟合曲线的显著性水平。

通过梳理2001—2022 年青岛市大气污染防治的措施与行动,逐年整理各类污染源管控的重点工作内容,以讨论空气污染防控措施变化对空气质量改善的影响。

2 结果与分析

2.1 青岛市空气质量现状及变化趋势

2001—2022 年青岛市大气主要污染物浓度及空气质量优良率的变化趋势如图1 所示。 2022年青岛市空气质量情况良好, SO2、NO2、PM2.5、PM10、O3年平均浓度分别为8 μg/m3、28 μg/m3、26 μg/m3、49 μg/m3、154 μg/m3。 从变化趋势来看,青岛市SO2、PM10、PM2.5浓度整体呈下降趋势,NO2降幅不显著,O3呈现上升趋势,各污染物浓度变化与全国其他城市变化趋势相近。 2001—2013 年,SO2浓度稳定维持在50 ～57 μg/m3,2014—2022 年浓度持续下降至8 μg/m3；2001—2008 年NO2年均浓度处于23 ～28 μg/m3小幅波动,2009—2014 年间提升并维持在40 ～48 μg/m3,2015—2022 年逐年波动下降至28 μg/m3；2001—2010 年 PM10浓度稳定于96 ～99 μg/m3,2012 年降至73 μg/m3,2014 年可吸入颗粒物浓度达到峰值107 μg/m3,后逐年波动下降至49 μg/m3。2013 年青岛市正式实施国家新《环境空气质量标准》(GB 3095—2012),PM2.5与O3浓度纳入空气质量评价体系,空气质量优良率数据纳入统计范围。 细颗粒物浓度变化趋势与PM10基本一致,整体波动下降至26 μg/m3。 O3与PM2.5、PM10趋势相反,从115 μg/m3上升到154 μg/m3,期间于2017 年达到峰值172 μg/m3。 空气质量优良率整体处于波动上升趋势,部分年度出现波动,在2022 年达到最优值88.5%。

图1 2001—2022 年青岛大气主要污染物浓度及空气质量优良率

2.2 青岛空气质量影响因素分析

2.2.1 青岛市工业污染源治理与空气质量的关系

青岛大气主要污染物浓度与工业污染源治理的关系散点图如图2 所示。

图2 青岛大气主要污染物浓度与工业污染源泉治理的关系散点图

通过研究青岛大气主要空气污染物浓度与工业污染源治理的关系散点图发现,工业污染源治理与SO2、PM2.5、PM10、NO2浓度拟合回归曲线均通过P＜0.01 的显著性检验。 对于SO2、PM2.5、PM10污染物,随着工业污染源废气治理能力的提升,三者均呈现显著下降趋势,主要是由于工业污染源治理对控制工业制造燃烧源效果良好,部分工业企业通过煤炭、焦炭、汽油和柴油原料油等燃料供热供能所产生的SO2、颗粒物得到了有效控制。 NO2拟合曲线呈现随着工业污染源废气治理能力的提升,浓度呈上升的趋势,可能是因为对于NOX的排放,工业源并非占据主要排放源。 VOCs 是O3生成的重要前体物,虽然在VOCs 排放源中工艺过程源和溶剂使用源占据工业污染源约41%[12-13],但是O3与工业污染源治理拟合曲线未通过显著性检验,推测可能是由于工艺过程源、溶剂使用源排放产生的VOCs 未获得有效治理,后期-需要重点加强对该大气污染物的防治管控。

2.2.2 产业结构与空气质量的关系

图3 是青岛大气主要污染物浓度与产业结构的关系散点图。 由图3 可见,产业结构的优化调整对SO2、PM2.5、PM10、NO2浓度的影响作用显著,拟合曲线均通过P＜0.01 的检验,尤其是SO2、PM2.5,呈现了回归决定系数R2达到0.7 以上的较好拟合效果,说明通过产业结构的升级能够显著缓解SO2、PM2.5的污染问题。 NO2与产业结构呈现二次函数拟合趋势,存在产业结构调整对NO2浓度改善的临界点,其后NO2浓度控制需要从产业结构调整之外的影响因素入手。 O3与产业结构拟合曲线未通过显著性检验。

图3 青岛大气主要污染物浓度与产业结构的关系散点图

2.2.3 清洁能源供应与空气质量的关系

图4 是青岛大气主要污染物浓度与清洁能源供应的关系散点图。 由图4 可见,SO2浓度与清洁能源供应的二次函数拟合曲线呈现回归决定系数R2达到0.79,拟合效果较好,NO2、PM10同样呈现二次函数曲线,前述拟合曲线均通过P＜0.01 检验。 现阶段清洁能源供应已经超过SO2、PM10拟合二次函数曲线极值点,SO2、PM10浓度随着天然气供应量增加而持续降低,并且清洁能源可以替代减少燃煤供能,因此,对降低SO2浓度效果最为显著。 当超过7.3 亿m3的二次函数拟合曲线极值点后,NO2浓度也转为下降阶段。 随着清洁能源供应的增加,PM2.5浓度同样呈现下降趋势。 O3与清洁能源供应拟合曲线未通过显著性检验。

图4 青岛大气主要污染物浓度与清洁能源供应的关系散点图

2.2.4 载货汽车与空气质量的关系

图5 为青岛大气主要污染物与载货车辆散点图。 如图5 所示,随着载货汽车数量的增加,NO2浓度开始呈增加的趋势,但载货汽车数量达到约17 万辆之后,同PM2.5、PM10、SO2浓度均呈下降趋势。 自2014 年调整公路货运量统计口径以来,公路货运量与载货汽车数量保持同步增长趋势,公路货运量增幅每年达到3%～19%,二者皮尔逊相关系数达到0.986,呈现显著正相关,即载货汽车数量乃至公路货运量的增加并没有完全使得青岛空气质量持续恶化。 因此,单纯以控制柴油货车类高污染排放车辆数量或控制公路货运量并不能有效地实现大气主要污染物浓度大幅降低,且经济社会的发展以及人口规模的持续增大,货运量和载货汽车数量的增加实为必然。 O3与载货汽车拟合曲线未通过显著性检验。

图5 青岛大气主要污染物浓度与载货汽车的关系散点图

续图5

2.3 青岛空气污染防治的调控措施演变特征

在“十五”期间,青岛开展燃煤污染型控制与机动车排气监管,以淘汰燃煤锅炉为主进行控制燃煤污染,通过排气监测、执法检查控制机动车与摩托车尾气污染,该阶段监管内容及覆盖范围相对单一,对空气污染物浓度的控制效果较弱,SO2、NO2、PM10浓度基本维持不变。

“十一五”期间,青岛市大气污染特征为煤烟型污染,工业污染源调控措施集中于采取淘汰燃煤锅炉、安装烟气脱硫设施、电力行业脱硫。 探索推行能源审计,增加市区集中供热面积,开展风能发电项目建设。 针对交通运输中机动车尾气污染,以淘汰老旧公交车、实施机动车排气检测/维修制度为重点,并通过洒水车实现道路洒水抑尘,初步开展工业粉尘排污费核征。 未开展产业结构调整、VOCs 等方面调控。 该阶段青岛大气污染物调控仍处于初期探索阶段,有明确的管控措施要求。 但由于治理力度和技术水平的限制,SO2、PM10浓度下降趋势不明显,NO2浓度仍处于上升阶段。

“十二五”期间,随着国家新《环境空气质量标准》颁布实施,PM2.5与O3浓度纳入空气质量评价体系。 该阶段青岛空气污染同时呈现煤烟、扬尘、工业废气、机动车尾气复合型污染特征,相应污染物控制要求及措施内容明显增多,并逐步建立大气污染防治体制机制。 燃煤锅炉烟气的脱硫脱硝仍为大气污染防治的工作重点,禁售燃用劣质燃煤、禁止新上传统燃煤项目、禁燃高污染燃料区域扩大等管控要求更加严格,使得SO2污染明显改善。 随着企业堆场扬尘污染治理、建筑工地扬尘治理和裸露土地绿化等扬尘源治理,PM10与PM2.5浓度均持续降低。 青岛市全面供应国五车用燃油,实施第五阶段机动车排放标准,国Ⅰ排放标准黄标车提前淘汰,实施油气污染综合治理,但对于主要影响的NO2污染物浓度仍处于波动阶段。 重点行业开展VOCs 污染现状调查,在石化、表面涂装、有机化工等行业开展VOCs 废气治理工作,但此阶段仍未开展对O3前体物VOCs 的浓度监测。

“十三五”期间,青岛空气污染治理调控措施愈加精细化、系统化,涵盖污染源治理和产业结构、清洁能源、交通运输结构调整等。 污染源治理中实行煤炭总量控制,改造完成工业燃煤锅炉超低排放项目,并且重点进行民用散煤清洁化治理,实施严格的“秸秆禁烧”控制措施。 多式联运、运输网络建设、调整青岛港货物运输方式等交通结构调整内容出台,并且在机动车尾气排放管控中增强重型柴油车开展监督检查。 其他调控措施如老城区企业搬迁,钢铁、水泥、平板玻璃等高耗能高排放行业落后产能淘汰、加强裸土绿化工程、天然气清洁能源采暖等措施常规进行。 新增核发建筑废弃物准运证,实施建筑工地扬尘监测数字化和实时化管理。 至此,传统大气主要污染物已经得到控制,SO2稳定下降并且保持低于8 μg/m3水平,PM10、PM2.5取得了显著下降的治理效果,NO2浓度波动维持在30 μg/m3,达到国家空气质量一级标准。 VOCs 治理开始成为工业污染防治的关注点,首次制定以控制生成臭氧重要前体物为目标的VOCs 和氮氧化物精细化的综合减排清单,但是O3浓度保持在较高水平且上升的趋势尚未得到有效遏制,成为夏秋季空气首要污染物。

3 结论与建议

3.1 青岛大气污染物变化特征及污染物管控建议

在空气质量影响因素和调控措施的共同作用下,2001—2022 年青岛市大气污染物浓度在不同阶段呈现不同特点。 SO2、NO2、PM10整体变化趋势相近,2008 年前年均浓度基本稳定不变,其后均呈现整体波动下降的趋势。 SO2、PM10、PM2.5污染物浓度下降得益于各项严格的空气污染治理措施,但O3浓度上升趋势显著、NO2降幅不明显的问题仍然存在。 大气污染物之间存在一定的关联性,NOX、VOCs 在光照条件下生成O3,颗粒物浓度降低,大气能见度提高,光照强度加强,可能使得O3的生成反应得到增强,因此在下一阶段,O3污染需要对前体物NOX和 VOCs 浓度、相对组成和光化学反应条件的共同影响展开基础研究[14],分析不同年度O3浓度的规律性,从而解读污染成因、精准溯源。

综合青岛空气质量影响因素与调控措施分析,工业污染源治理、产业结构调整等调控措施对SO2污染的缓解成效显著,离不开脱硫治理技术研发起步早、技术已成熟应用的原因。 对于NO2污染,自“十五”期间,以柴油汽车为主的机动车尾气监管治理工作持续开展,但载货汽车数量的增加,并未直接使得NO2浓度线性递增,而是呈二次函数拟合曲线趋势,这可能是因为一方面青岛对以柴油载货汽车为主的机动车尾气管控已经取得阶段性成效,另一方面载货汽车数量与货运量有很强的协同性,该指标主要反映的是青岛社会经济发展的情况,另外产业结构与能源结构的调整,也可抑制NOX浓度的上升。 作为年吞吐量达到6.1 亿t、增速为4.7%的港口城市,集装箱船、渔船等船舶污染源对于SO2和NOX排放量的影响也需要进一步补充分析。 工业污染源治理、产业结构、清洁能源供应的指标与PM2.5、PM10浓度拟合曲线均通过P 检验,并且PM2.5曲线的拟合效果略优于PM10,即工业污染源治理、产业结构调整与清洁能源供应对控制颗粒物取得了良好的效果。 结合PM2.5、PM10污染源解析[15],扬尘污染源控制作为排放首位仍值得重点关注,施工工地及裸露土地存在精细化治理程度不高、防尘抑尘措施落实不到位等问题仍然存在,未来需要增强机械化保洁、硬化围挡喷淋改造、绿化等治理力度。 青岛市O3污染形势依旧严峻,除了常规性的空气质量调控措施外,急需提高前体物VOCs 的废气收集率和治理设施处理率,以钢铁、水泥、平板玻璃、化工、橡胶、工业涂装等行业为重点,采用低VOCs 含量原辅材料,推进技术升级改造,同时开展生活消费领域VOCs 排放治理。 解析VOCs和臭氧污染物来源,深化PM2.5、氮氧化物、臭氧协同控制研究。

3.2 结论

(1)2001—2022 年,青岛市以SO2、PM2.5、PM10为代表的大气污染物浓度降幅显著,但是O3浓度一直保持在较高水平且处于上升趋势,NO2污染物存在浓度降幅较小的问题。

(2)总结青岛空气质量影响因素,发现工业污染源治理、产业结构调整与清洁能源供应对SO2、PM2.5、PM10浓度控制成效显著,工业污染源治理、清洁能源供应对控制SO2污染效果显著。载货汽车数量的增加并没有完全使得NOX污染持续恶化。 随着各项污染物调控措施出台,涵盖污染源治理和产业结构、能源结构、交通运输结构调整等空气污染治理调控措施逐渐转向精细化、系统化治理,青岛市大气主要污染治理取得明显成效,但当下对于VOCs 及O3污染物的管控,仍需要进一步强化。

(3)青岛市未来空气污染物治理措施中,NO2污染控制仍需在道路机动车污染防治的基础上,进一步关注港口运输污染排放。 扬尘作为PM2.5、PM10的重要污染源仍值得重点关注。 O3污染需要深入解析VOCs 和臭氧形成机理,从源头控制VOCs 产生和排放,协同控制细颗粒物和O3污染。