“十三五”时期哈尔滨空气质量变化特征及影响因素分析

戚嘉卓,李亚男,张志浩,周锡琨,王晓丹,马 骏

1.黑龙江省哈尔滨生态环境监测中心,黑龙江 哈尔滨 150076 2.黑龙江省生态安全与事故调查中心,黑龙江 哈尔滨 150096 3.中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室,北京 100012

哈尔滨市的地理坐标为125°42′～130°10′E、44°04′～46°40′N,地处中国东北平原东北部,黑龙江省南部,辖区东临牡丹江市、七台河市,南连吉林省长春市[1]、吉林市、延边朝鲜族自治州,西接绥化市、大庆市,北毗伊春市、佳木斯市[2]。哈尔滨市属温带半湿润大陆性季风气候,冬长夏短,四季分明。冬季在极地大陆气团控制下,气候寒冷、干燥;夏季降水充沛,气候温热;春秋为冬夏季风交替季节,气候多变,春季多西南大风,气温回暖快,秋季降温急剧,降水变率较大。2020年哈尔滨市GDP为5 351.7亿元,占黑龙江省地区GDP的39.6%[3]。当前,已有部分学者对哈尔滨市环境空气质量变化特征及其影响因素开展研究,包括采暖季PM2.5污染特征研究[4-5]、污染传输特征及潜在源区分[6]、PM2.5与气象要素研究[7]、空气质量与气象条件关联分析[8]以及哈尔滨市PM10污染与气象条件分析[9]等。但大多仅考虑供暖季或个别年,对6项污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)长时间变化研究较少,对环境空气质量影响因素的研究多为气象条件,对秸秆焚烧等因素研究较少。

基于哈尔滨市12个国控监测点位监测结果,对2013—2020年哈尔滨市环境空气质量优良天数及6项污染物进行分析,总结环境空气质量变化特征,结合气象条件、秸秆焚烧等相关污染因素对哈尔滨市环境空气质量影响因素进行研究。

1 研究方法

1.1 数据来源

该研究涉及的数据来源于国家生态环境质量监测网和政府公开发布材料,选取哈尔滨市2013—2020年6项空气污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)的日均浓度和市区监测站点空气污染物浓度为研究指标,开展哈尔滨市环境空气质量变化特征分析,其中2013—2015年为“十二五”时期数据,2016—2020年为“十三五”时期数据。PM2.5源解析结果为黑龙江省生态环境监测中心与中国环境科学研究院研究结果,火点数据在中国科学院遥感与数字地球研究所提供的近实时地表高温异常点查询服务系统查询获得,冬季供暖面积数据来自哈尔滨市公开发布的统计年鉴。

点位布设情况见图1。

图1 哈尔滨市环境空气自动监测点位Fig.1 Automatic monitoring points of ambient air in Harbin

1.2 研究方法

空气质量评价方法依据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)、《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012),使用SPSS 22.0软件分析空气污染物浓度特征,通过WPS Office软件展示污染物时间变化特征,使用ArcGIS软件分析空气污染物空间变化特征,采用统计与相关分析的方法,综合分析了哈尔滨市能源结构、污染物源解析结果和气象条件等影响因素,其中利用皮尔逊相关系数统计方法,对2013—2020年哈尔滨市冬季各月污染物浓度和气象要素任意变量之间的相关程度进行分析。

2 结果与讨论

2.1 环境空气质量现状

2020年哈尔滨市环境空气质量有效监测天数为366 d,达标天数为303 d,达标率为82.8%。其中空气质量为优的天数为148 d,良为155 d,超标天数为63 d。超标天数中,轻度、中度、重度和严重污染分别为27、16、14、6 d。超标天数中首要污染物有55 d为PM2.5,7 d为O3,1 d为PM10与PM2.5(图2)。空气质量综合指数为4.44。

图2 2020年哈尔滨市环境空气质量级别比例分布Fig.2 Distribution of ambient air quality levels in Harbin in 2020

6项污染物日评价中,PM2.5、PM10、NO2、O3出现超标情况,达标率分别为84.7%、93.4%、98.1%、98.1%。年均值评价中,PM2.5超过国家二级标准0.34倍,PM10、NO2、SO2达到国家二级标准。年百分位数评价中,PM2.5第95百分位数超二级标准1.09倍,PM10第95百分位数超二级标准(日)0.19倍,其他4项污染物达标(表1)。

表1 2020年环境空气6项污染物情况Table 1 Six pollutants of ambient air in 2020

2.2 时间变化趋势

2.2.1 空气质量级别

2013—2020年,哈尔滨市环境空气质量优良天数比例总体呈明显增加趋势,污染天数总体呈波动下降趋势。与“十二五”期间相比,“十三五”期间哈尔滨市环境空气质量优良天数明显增加,重度及以上污染天数明显减少。优良比例从“十二五”期间的65.0%上升至“十三五”期间的80.5%,上升15.5百分点。重度及以上污染天数比例从12.6%下降至4.6%,下降8.0百分点(表2)。

表2 2013—2020年哈尔滨市环境空气质量各级别天数统计Table 2 Statistics of days of ambient air quality at various levels in Harbin from 2013 to 2020

2.2.2 主要污染物浓度

与“十二五”期间平均值相比,“十三五”期间哈尔滨市PM2.5平均质量浓度下降26 μg/m3,降幅为35.1%,2013—2020年哈尔滨市PM2.5浓度呈波动下降趋势,各年年均值均超过国家二级标准;PM10平均质量浓度下降40 μg/m3,降幅为36.0%,2013—2020年哈尔滨市PM10浓度呈波动下降趋势,2018—2020年年均值达到国家二级标准;NO2平均质量浓度下降15 μg/m3,降幅为28.3%,2013—2020年哈尔滨市NO2质量浓度呈波动下降趋势,2018—2020年年均值达到国家二级标准;SO2平均质量浓度下降25 μg/m3,降幅为53.2%,2013—2020年哈尔滨市SO2浓度呈下降趋势,各年年均值达到国家二级标准;CO第95百分位数平均值下降0.3 mg/m3,降幅为15.8%,2013—2020年哈尔滨市CO第95百分位数呈波动下降趋势,各年百分位数达到国家二级标准;O3日最大8 h平均第90百分位数上升26 μg/m3,升幅为27.1%,2013—2020年哈尔滨市O3日最大8 h平均第90百分位数呈上升趋势,各年百分位数达到国家二级标准(表3和图3)。

表3 哈尔滨市环境空气“十三五”与“十二五”期间6项污染物浓度对比Table 3 Comparison of concentrations of six pollutants in Harbin’s ambient air during the 13th and the 12th Five-Year Plans μg/m3

图3 2013—2020年哈尔滨市环境空气6项污染物浓度值变化Fig.3 Changes of six pollutants concentration values of ambient air quality in Harbin from 2013 to 2020

2.3 空间分布特征

使用ArcGIS 软件插值图(图4)对哈尔滨市“十二五”与“十三五”时期环境空气质量空间分布特征比较显著的污染物空间变化特征进行分析。受哈尔滨市主要风向为西南风等因素影响,哈尔滨市城区PM2.5浓度整体呈西南方向低、东南方向高的特征。O3受排放源集中在工业区影响,空间变化呈现中部高、四周低的特征。与“十二五”时期相比,PM2.5浓度显著降低。

2.4 影响因素和关联分析

近年来已有学者对中国其他区域环境空气质量影响因素进行了研究,结合乌鲁木齐市地理位置和经济发展等相关因素,对乌鲁木齐市“十三五”期间环境空气质量变化及污染原因分析[10]得出,沙尘天气对乌鲁木齐市环境空气质量影响较大,燃煤排放物[11]仍是冬季重污染期间PM2.5的重要组成部分。结合烟台市污染防治政策与污染防治措施、产业结构因素、能源结构因素,对烟台市环境空气质量影响因素相关性分析[12]得出,“十三五”期间烟台市能源结构仍以煤炭为主,重工业比重居高不下,机动车保有量持续增加,污染逐步由煤烟型污染向复合型污染转变。不同区域的空气质量影响因素成因研究均考虑本地区地理位置和经济发展等相关因素,该研究也结合哈尔滨市能源结构、污染物源解析和气象条件等因素对环境空气质量影响因素进行了分析。

2.4.1 供暖期污染物排放超环境承载能力为主要污染原因

哈尔滨市冬季时间长,供暖期长达180 d以上(10月20日至次年4月20日),取暖方式以燃煤为主,近年来供热面积维持在30 000万m2以上[2,13-14]。2013—2020年重污染天气出现在供暖期的有209 d,占总重污染天数的95%。从2015年颗粒物源解析结果来看,在本地排放源中,对PM2.5贡献最大的污染源为燃煤源,非采暖季占17.94%,采暖季占40.61%;机动车排放源仅次于燃煤源,占16.42%～18.21%。由于气象原因,秋冬季大气环境容量小,燃煤污染物排放量叠加机动车排放量超出环境自净能力,成为污染的主要原因(图5)。

图5 哈尔滨市本地排放源对PM2.5的贡献Fig.5 Contribution of local emission sources to fine particles in Harbin

2.4.2 秋冬季气象条件总体不利导致重污染天气频现

秋冬季哈尔滨市整体气象扩散条件不利[15-16]。哈尔滨冬季近地面空气层结稳定,常有逆温情况出现。同时由于地理位置因素,哈尔滨市冬季易出现均压场及静稳天气。若叠加湿度大、风速小等不利气象条件,污染物易累加,导致出现重污染天气。

利用皮尔逊相关系数统计方法对2013—2020年冬季各月污染物浓度和气象要素任意变量之间的相关程度进行分析,得出颗粒物浓度与逆温厚度、逆温强度有很好的正相关性,与地面温度和地面风速有很好的负相关性,即在静稳天气下逆温强度越大、逆温厚度越厚及地面风速越小、气温越低,越不利于污染物的扩散,使颗粒物的浓度不断积聚升高;SO2、NO2与地面温度和地面风速有一定的相关性,CO与各气象要素均无相关性(表4)。

表4 冬季环境空气污染物浓度与气象要素皮尔逊相关性统计Table 4 Pearson correlation statistics of ambient air pollutant concentration and meteorological elements in winter

2.4.3 秋季秸秆焚烧及春季清除秸秆根茬产生一定影响

哈尔滨市周边农作物秸秆主要以水稻、玉米为主,秸秆焚烧时段主要集中在每年播种前的春季4月中下旬和秋收后10月中下旬至11月上中旬,且秸秆焚烧时段内火点数量与空气质量状况呈线性相关[17]。“十三五”期间,哈尔滨市出现由焚烧秸秆及清除秸秆根茬引起的重污染天气过程共8次,共造成重度及以上污染天数24 d,其中重度污染为14 d,严重污染为10 d,对环境空气造成较大影响。2017年重污染发生后,黑龙江省实施严格管控,实现全域、全时段、全面禁烧,2018年起,秋季大面积秸秆焚烧现象得到极大改善,10—11月未再出现由本地秸秆焚烧产生的重污染天气。

2017年10月18—20日是较为典型的由秸秆焚烧导致的重污染天气过程,10月17日哈尔滨市周边秸秆焚烧火点数为0,环境空气质量为良,18—21日火点数分别为94、216、142、44个,环境空气AQI指数变化趋势与火点数量变化一致,分别为252、465、324、43。10月21日随着火点数减少,全市退出重污染天气过程,PM2.5浓度峰值均出现在夜间,变化规律符合由秸秆焚烧导致的污染偶然性强、污染物浓度上升快、污染物浓度高、污染物清除困难等特点。李树岭等学者利用气象数据、环境空气质量数据及秸秆焚烧火点卫星监测数据,对此次重污染天气过程进行了分析研究,研究表明该次污染过程中秸秆焚烧排放为主要因素[18](图6)。

注:疑似火点数在中国科学院遥感与数字地球研究所提供的近实时地表高温异常点查询服务系统中查询获得。图6 2017年10月17—22日哈尔滨市AQI、PM2.5浓度值及疑似火点数Fig.6 The AQI,the concentration value of fine particles and the number of suspected fires in Harbin on October 17-22,2017

2.4.4 春夏季O3污染逐渐显现

“十三五”期间,哈尔滨市O3第90百分位数、O3超标天数、O3作为首要污染物天数、达到良以下级别天数均有升高趋势,其中超标天数由“十二五”期间年均值3 d,增加到9 d,由O3导致的环境空气质量良及以下天数明显增加,2017、2018年均达到110 d。2020年与2015年相比,O3第90百分位数升高15 μg/m3,超标天数增加1 d,O3作为首要污染物天数增加33 d,达到良及以下级别天数增加43 d。O3污染情况“十三五”末期略有改善,但总体污染形势不容乐观(图7)。

图7 2013—2020年O3污染状况统计Fig.7 Statistics of ozone pollution from 2013 to 2020

基于2013—2020年O3浓度与气象要素指标,使用皮尔逊相关系数法和斯皮尔曼相关系数法进行关联分析。结果表明,O3浓度和降水量呈现中度正相关,和气温呈现显著正相关,和气压呈现显著负相关。2016—2020年,哈尔滨市O3浓度、气温、降水量呈波动上升趋势,湿度和气压总体平稳,无明显变化趋势(表5和图8)。

表5 O3浓度与气象要素相关系数(r)统计Table 5 Statistics of correlation coefficients between ozone concentration and meteorological elements

图8 哈尔滨市O3浓度与气象要素变化情况Fig.8 Changes of ozone concentration and meteorological elements in Harbin

3 结论与建议

3.1 结论

“十三五”期间,哈尔滨市环境空气质量呈现波动向好趋势,较“十二五”期间大幅改善。2018—2020年环境空气质量优良天数达到300 d以上,比例达到80%以上。环境空气质量超标天数呈线性下降趋势。2020年重污染天数仍为20 d,其中重度污染为14 d,严重污染为6 d。2013—2020年,哈尔滨市PM2.5年均浓度均未达到国家二级标准,2020年超国家标准0.34倍。

“十三五”期间,哈尔滨市O3第90百分位数、O3超标天数、O3作为首要污染物天数、达到良及以下级别天数均有升高趋势,其中超标天数由“十二五”期间年均值3 d,增加到9 d,由O3导致的环境空气质量良及以下天数明显增加,2017、2018年均达到110 d,2020年哈尔滨市有61 d首要污染物为O3,占全年可评价首要污染物天数的28.0%,其中超标天数为7 d,仅次于PM2.5。

3.2 建议

按照产业规划和布局,推进重点行业污染治理,严控“两高”指标,淘汰落后产能,削减非电力用煤;将重点行业涉气污染源全部纳入减排清单,严格抓好减排措施落实;持续推进大气污染物达标排放和“散乱污”企业等专项整治。

严格控制煤炭消费总量,积极发展清洁能源,持续推进清洁取暖,推进燃煤锅炉整治、工业炉窑清洁能源替代。深化散煤治理“三重一改”攻坚行动,优先实施城市主导上风向城中村、棚户区、城乡接合部、农村和国控大气自动监测点周边5 km范围内散煤污染治理。

以石化、化工、工业涂装、包装印刷、油品储运销为重点,强化VOCs治理,积极推进含VOCs原辅材料和产品源头替代,加强无组织排放管控,持续推进钢铁等超低排放改造。

深化扬尘综合治理,加强秸秆综合利用和禁烧管理,稳步推进大气氨污染防控,强化消耗臭氧层物质管理,着力解决恶臭、油烟等群众身边的大气环境问题。

构建“市-县”污染天气应对预案体系,完善重污染天气预警应急的启动、响应、解除机制。探索轻、中度污染天气应急响应的应对机制。完善减排清单,实施“一厂一策”差异化管控。推进区域联防联控机制落实。完善应急减排信息公开和公众监督渠道。非采暖期开展大气污染防治措施,缓解采暖期大气污染防治压力;采暖期强化联防联控,打好重污染天气应对战役。预测有重度及以上污染天气时,降低应急门槛,提出启动响应,落实应急减排措施,实施区域应急联动,切实起到“削峰降频”作用。