石家莊市大氣污染特征分析

石家莊市大氣污染特征分析

城市污染與當?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市布局、地理環(huán)境、氣象條件和汽車數(shù)量密切相關(guān)。中國的快速增長、工業(yè)化和城市化的發(fā)展使中國的國內(nèi)生產(chǎn)總值保持在8.1%9%左右。石家莊市作為一個北方典型的工業(yè)城市,城市化發(fā)展異常迅猛,經(jīng)濟一直保持較快的增長?！笆晃濉逼陂g全市GDP由226億元增長至300億元以上,年均增長率約為13%,尤其是實施三年大變樣以來,城市的市政建設(shè)發(fā)生了很大改觀。近年來,隨著交通設(shè)施的完善和人民生活水平的提高,機動車保有量超過162萬輛。工業(yè)規(guī)模和機動車出行需求的不斷擴大,使石家莊市亦面臨空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境惡化的巨大壓力。隨著石家莊市提出的建設(shè)生態(tài)石家莊的要求,今年又相繼開展創(chuàng)建“環(huán)保模范城市”和“藍天碧水”工程,要求大力改善城市的環(huán)境空氣質(zhì)量及水環(huán)境質(zhì)量。本研究以石家莊市近10年的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析石家莊市區(qū)環(huán)境空氣中可吸入顆粒物、二氧化硫和二氧化氮(PM10,SO2和NO2)的年際變化趨勢、季節(jié)性變化規(guī)律、日變化規(guī)律和空間分布特征,探討城市發(fā)展過程中空氣質(zhì)量變化趨勢及影響因素,為石家莊市改善空氣質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。1分析石家莊環(huán)境治理1.1污染物排放情況到2011年底,石家莊市區(qū)環(huán)境空氣中PM10,SO2和NO2的年日均值分別為0.099,0.051,0.041mg/m3,3項污染物年日均值均達到了國家二級標準。全年二級及優(yōu)于二級的天數(shù)達到320天,占總天數(shù)的87.7%。其中:一級天數(shù)為36天,占總天數(shù)的9.8%;二級天數(shù)為284天,占總天數(shù)的77.8%;三級天數(shù)為45天,占總天數(shù)的12.3%。3項污染物中PM10質(zhì)量濃度呈逐年下降趨勢:2002年為0.179mg/m3,2011年達到0.099mg/m3,下降44.7%。SO2改善幅度明顯:2002年為0.155mg/m3,2011年達到0.051mg/m3。NO2指標在10年中呈起伏變化趨勢,在2008年達到最小值0.031mg/m3后逐年呈上升趨勢,2011年猛增到0.069mg/m3,比上年度升高64.3%,比2002年升高12.5%。1.2各季節(jié)污染物排放特征3項污染物(PM10,SO2和NO2)季節(jié)性變化非常明顯,將石家莊市區(qū)2002~2011年所有監(jiān)測子站3項污染物的日平均濃度按冬(1月)、春(4月)、夏(7月)和秋(10月)分別計算均值列于表1。從表1可知,各污染物質(zhì)量濃度存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律,即冬季最高,春季次之;SO2的變化最明顯,冬季明顯高于其他季節(jié);PM10規(guī)律類似,春季數(shù)據(jù)高于夏秋兩季,春季沙塵天氣出現(xiàn)較多;NO2全年變化不明顯,冬季略高于其他季節(jié)。2002—2011年石家莊市API指數(shù)大于三級天數(shù)各季度分布情況如圖2如示。由圖2可以看出,冬季污染明顯多于其他季節(jié),特別是采暖期期間的1,11,12月份;夏季空氣質(zhì)量較好。統(tǒng)計過去5年出現(xiàn)的污染天數(shù)可以看出,API指數(shù)大于三級的天數(shù)大都分布在一、四季度,占所有污染天數(shù)的73.1%。1.3大氣污染物的變化規(guī)律匯總2002~2011年3項污染物小時濃度數(shù)據(jù),分別對采暖期和非采暖期的污染物日變化特征進行分析,得到趨勢圖,如圖3所示。3項污染物中PM10,SO2的24h趨勢大至相同,大氣中主要污染物24h濃度峰值多出現(xiàn)于上午9:00~10:00時段,午后污染物濃度值逐漸下降至一天中的最低,20:00后又逐漸上揚,呈周期性變化。采暖期期間SO2變化更為明顯些,非采暖期SO2濃度較低,一天內(nèi)的變化特征主要與石家莊市的地理位置、氣象條件、污染物排放及人類生活有關(guān)。首先,石家莊市大氣輻射逆溫變化通常從夜間開始,清晨達到最大,上午開始逐步減退,至中午左右消失,這種污染氣象特征是造成空氣中污染物在一日內(nèi)出現(xiàn)規(guī)律變化的主要因素。另外,每天清晨,人與車集中出行、交通流量大等導(dǎo)致的尾氣排放和揚塵污染較重等因素作用,午后隨大氣對流混合的增加,近地污染物快速擴散稀釋,NO2與空氣中O3的光化學(xué)反應(yīng)消耗使其濃度降低,決定了市區(qū)環(huán)境空氣中污染物濃度呈現(xiàn)“早峰午谷”的日變化特征。1.4石家莊空氣的空間特征1.4.1蘇屬園區(qū)主要立地條件及區(qū)域分布以石家莊市大氣常規(guī)自動監(jiān)測點位化工學(xué)校子站、職工醫(yī)院子站、平安電站子站、高新區(qū)子站、西北水源子站、西南高教子站和監(jiān)測中心子站分別代表市區(qū)內(nèi)東北工業(yè)區(qū)、居民文教區(qū)、商業(yè)交通區(qū)的污染情況。各子站是幾年來隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展陸續(xù)建成的,利用監(jiān)測點位各項污染物2002—2011年平均濃度的分布情況,分析城市空氣污染物的空間變化。結(jié)果表明,主要大氣污染物在城市區(qū)域有不同的分布特征。石家莊市各自動監(jiān)測點位均按國家標準監(jiān)測距地面3~15m高度、方圓10km2范圍內(nèi)環(huán)境空氣狀況,結(jié)果見圖4~圖6。由圖4可知,石家莊市區(qū)PM10污染普遍較重,各監(jiān)測點位2002—2011年平均濃度均不能達到標準要求,在主城區(qū)內(nèi)的不同區(qū)域濃度值差別比較明顯,平安電站、西北水源、西南高教監(jiān)測點區(qū)域PM10污染明顯偏高。這說明塵污染是一個大區(qū)域的環(huán)境問題,貢獻源種類多,分布散,影響范圍相應(yīng)較大。從區(qū)域方位角度講,PM10污染受塵污染源分布及氣象條件特別是風(fēng)向影響較大,位于主導(dǎo)風(fēng)向上的西北水源、平安電站濃度明顯高于其他點位。由圖5可知,從各點位監(jiān)測數(shù)據(jù)看,2002—2011年市區(qū)SO2的污染水平存在一定差異,分布規(guī)律與PM10不同。具體表現(xiàn)如下:中心市區(qū)內(nèi)的測點明顯高于主城區(qū)外的測點,西北水源和高新區(qū)的污染質(zhì)量濃度均值為0.046mg/m3和0.052mg/m3,主城區(qū)內(nèi)其余5個點位質(zhì)量濃度范圍為0.068~0.090mg/m3,市區(qū)外側(cè)SO2污染水平較輕。這主要是因為SO2污染源主要是工業(yè)和燃煤排放,污染分布受工業(yè)污染源和生活污染源的局部燃煤污染影響較大,而主城區(qū)內(nèi)人口相對密集,熱電廠、供熱站以及居民生活的燃煤污染源分布比較集中,污染物排放量大,直接造成了市區(qū)二環(huán)路范圍內(nèi)SO2污染比較嚴重。由圖6可知,近10年石家莊市各點位NO2污染濃度范圍為0.030~0.043mg/m3,區(qū)域差異不太明顯。比較各點位濃度的高低來看,NO2污染的區(qū)域分布與工業(yè)源及機動車行駛密度分布關(guān)系密切。NO2污染濃度最高的3個測點均位于市區(qū)東北工業(yè)區(qū)及主要交通干線兩側(cè),西南高教點位濃度最高,位于二環(huán)路和紅旗大街交匯處;其次為位于中山路且靠近大型公交停車場的化工學(xué)校點位和位于體育大街及槐安路附近的監(jiān)測中心點位,這些測點毗鄰交通干線,機動車行駛密度較大,受機動車排放的NO2污染影響相對較重。1.4.2垂直分布特性石家莊市的大氣梯度監(jiān)測分為距地20,86,116,200m共4個層級,分別取1月、4月、7月、10月月均數(shù)據(jù)代表4個季節(jié),如圖7—圖10所示。由圖7—圖10可知,PM10在7月份平均濃度較低,各層面均好于國家年均標準值,其他季節(jié)都超過標準值,這個同地面站監(jiān)測規(guī)律一致,其垂直分布除春季20m平均濃度最高外,其他季節(jié)86m和116m均高于20m和200m。這與秋冬季逆溫層及低空風(fēng)有關(guān),城市300m以下風(fēng)速隨高度升高逐漸增大,20m平均風(fēng)速為1.8m/s,按高度向上依次為2.0,2.1,3.1m/s,200m高度風(fēng)速最大。春季干燥多風(fēng),近地塵污染較重,20m平均質(zhì)量濃度最高達到0.112mg/m3。SO2濃度除冬季平均濃度超標外,其他季節(jié)均達到國家年均標準,說明燃煤仍然是SO2濃度不達標的主要原因,其垂直分布規(guī)律和PM10正相反,平均濃度兩頭高,中間略低,呈U形分布。NO2趨勢按垂直分布夏季略高于20m和200m,其他季節(jié)越接近地面濃度越高,冬季近地20m和86m平均濃度超過國家年均標準值6%和28%,明顯與汽車尾氣及燃煤污染有關(guān)。1.5灰病:一種新的污染源霾的形成與污染物的排放密切相關(guān),城市中機動車尾氣以及其他煙塵排放源排出粒徑在微米級的細小顆粒物,停留在大氣中,當逆溫、靜風(fēng)等不利于擴散的天氣出現(xiàn)時,就形成霾。氣象局統(tǒng)計石家莊市2001—2010年的灰霾天數(shù)如圖11所示。由圖11可以看出:2005年以前石家莊市霾天數(shù)呈下降趨勢;2005年后開始逐年增多,特別是2007年,達到91天;2008年由于氣象條件改善和政府加大減排力度,灰霾天數(shù)大幅減少了68天;2009年后又略有上升。霾污染形勢依然嚴峻且越來越引起社會廣泛關(guān)注。霾主要是細粒子污染,跟本地排放及區(qū)域長距離輸送有關(guān)。所以控制本地減排的同時,加強區(qū)域的聯(lián)防聯(lián)控是防治霾污染的有效手段。2污染防治難度隨著石家莊市經(jīng)濟的高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進程的日益加快,給城市大氣污染控制帶來了巨大的挑戰(zhàn),尤其是機動車數(shù)量的劇增。從2001—2010年來看,石家莊市空氣質(zhì)量呈現(xiàn)逐步改善的變化過程,整體空氣質(zhì)量有一定好轉(zhuǎn),PM10,SO2濃度下降明顯,但NO2下降趨勢不顯著,如果控制不好則可能上升,甚至成為首要污染物,機動車快速增長使