董有為 ,李名升,張文具,李 茜,夏 新,張建輝,呂 欣
1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083
2.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012
3.天津市環(huán)境監(jiān)測中心,天津 300191
環(huán)境空氣質(zhì)量直接影響生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)是環(huán)境管理的重點(diǎn)工作之一,也是環(huán)境科學(xué)研究的基礎(chǔ)和熱點(diǎn)內(nèi)容[1-2]。國外在多指標(biāo)綜合評價(jià)、單因子變化對環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)的影響[3]、構(gòu)建空氣質(zhì)量數(shù)學(xué)模型評價(jià)[4]、空氣質(zhì)量預(yù)測[5]以及對污染強(qiáng)度分層次模擬評價(jià)區(qū)域環(huán)境[6]等方面有較為深入的研究;國內(nèi)較為關(guān)注環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)方法的研究[7](如灰色聚類法、物元分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等),探討評價(jià)的綜合指數(shù)[8]和空氣質(zhì)量時(shí)空分布狀況[9],分析氣象條件對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響[10]等。
我國自2000年開展環(huán)境空氣質(zhì)量日報(bào)以來,環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)體系主要可以分為2個(gè)階段:第一階段是2000—2012年,以《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—1996)(以下簡稱“舊標(biāo)準(zhǔn)”)、《環(huán)境空氣質(zhì)量日報(bào)技術(shù)規(guī)定》(總站辦字[2000]26號)和相關(guān)規(guī)范為評價(jià)依據(jù)(以下簡稱“舊評價(jià)體系”);第二階段以《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)(以下簡稱“新標(biāo)準(zhǔn)”)的發(fā)布和試點(diǎn)實(shí)施為起點(diǎn),以新標(biāo)準(zhǔn)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(試行)(HJ 633—2012)為評價(jià)基礎(chǔ)(以下簡稱“新評價(jià)體系”),并將隨著《環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(以下簡稱“《技術(shù)規(guī)范》”)的頒布得到進(jìn)一步完善。
新評價(jià)體系適應(yīng)我國城市空氣復(fù)合型污染的特征,標(biāo)志著我國環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)開始從污染物排放總量控制向環(huán)境質(zhì)量全面達(dá)標(biāo)、從控制局部地區(qū)污染向區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控、從控制一次污染物向控制二次污染物、從單獨(dú)控制個(gè)別污染物向多污染物協(xié)同控制轉(zhuǎn)變,是我國與世界標(biāo)準(zhǔn)接軌的重要里程碑。該文在分析我國環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)體系變化的基礎(chǔ)上,通過分析實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)說明評價(jià)體系變化對評價(jià)結(jié)果帶來的影響,探討新評價(jià)體系的特點(diǎn),以期為進(jìn)一步完善評價(jià)體系提供可借鑒的參考。
1.1.1 調(diào)整了環(huán)境空氣功能區(qū)分類
新標(biāo)準(zhǔn)取消了原來的三類區(qū)“特定工業(yè)區(qū)”,將其與二類區(qū)中的“一般工業(yè)區(qū)”合并,統(tǒng)稱為工業(yè)區(qū),執(zhí)行二級濃度限值標(biāo)準(zhǔn)。
1.1.2 調(diào)整了污染物濃度限值
新標(biāo)準(zhǔn)取消了各污染物的三級濃度限值,同時(shí)收緊NO2、PM10、Pb和 BaP等污染物的濃度限值,增加O38 h平均濃度限值、BaP年平均濃度限值、PM2.5年平均濃度和24 h平均濃度限值以及Cd、Hg、As、Cr(VI)4 項(xiàng)污染物的參考濃度限值,詳見表1。
表1 新舊標(biāo)準(zhǔn)中污染物濃度限值變化
1.1.3 提高了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有效性要求
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有效性的最低要求大幅度提高,平均時(shí)間內(nèi)有效數(shù)據(jù)的要求由原來的16%~75%增至75% ~90%,詳見表2。
1.1.4 增加了分析方法
新標(biāo)準(zhǔn)中將各污染物的指定分析方法劃分為手工分析方法和自動(dòng)分析方法。其中SO2、NO2、O3和NOx增加了差分吸收光譜分析法;PM10和PM2.5增加了微量振蕩天平法和 β射線法;CO增加了氣體濾波相關(guān)紅外吸收法;Pb增加了石墨爐原子吸收分光光度法。
1.2.1 統(tǒng)計(jì)時(shí)段
監(jiān)測日報(bào)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間由原來的當(dāng)日12:00至次日12:00修改為當(dāng)日0:00—24:00,與自然天 的計(jì)時(shí)方法相一致。
表2 新舊標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有效性變化
1.2.2 綜合指數(shù)評價(jià)方法
用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)取代空氣污染指數(shù)(API)。AQI和API都是分級表征空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù),可以直觀、簡明、定量地描述和比較環(huán)境污染的程度。API分級計(jì)算參考的標(biāo)準(zhǔn)是舊標(biāo)準(zhǔn),評價(jià)的污染物僅為SO2、NO2和PM103項(xiàng);而AQI分級計(jì)算參考的標(biāo)準(zhǔn)是新標(biāo)準(zhǔn),參與評價(jià)的污染物為 PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO 6項(xiàng)。AQI采用的標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)、污染物指標(biāo)更多,其評價(jià)結(jié)果也更接近公眾的真實(shí)感受。
1.2.3 評價(jià)限值和表征方法
修改了各級別空氣質(zhì)量分指數(shù)相對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值,并增加了空氣質(zhì)量分指數(shù)為150時(shí)所對應(yīng)的污染物濃度限值。規(guī)定當(dāng)SO2的1 h平均質(zhì)量濃度高于800 μg/m3或O3的8 h平均質(zhì)量濃度高于800 μg/m3時(shí),不再進(jìn)行其空氣質(zhì)量分指數(shù)的計(jì)算。另外,還調(diào)整了空氣質(zhì)量指數(shù)類別和表征顏色的規(guī)定。
1.2.4 信息發(fā)布
AQI與API信息發(fā)布的主要區(qū)別表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先,AQI中增加了空氣質(zhì)量信息的實(shí)時(shí)發(fā)布,發(fā)布頻次更高,給予公眾更加及時(shí)、準(zhǔn)確的健康提示。實(shí)時(shí)報(bào)的指標(biāo)包括SO2、NO2、O3、CO、PM10和 PM2.5的1 h平均濃度值及 O3的8 h滑動(dòng)平均濃度值和 PM10、PM2.5的24 h滑動(dòng)平均濃度值,共計(jì)9項(xiàng)。其次,與 API相比,AQI中增加了環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)的污染物因子,日報(bào)指標(biāo)包括 SO2、NO2、PM10、PM2.5和 CO 的 24 h 平均濃度值及O3的日最大1 h平均濃度值和O3的日最大8 h滑動(dòng)平均濃度值,共計(jì)7項(xiàng)。另外,實(shí)時(shí)報(bào)和日報(bào)的發(fā)布內(nèi)容均包括評價(jià)時(shí)段、監(jiān)測點(diǎn)位置、各污染物的濃度及空氣質(zhì)量分指數(shù)、空氣質(zhì)量指數(shù)、首要污染物和空氣質(zhì)量級別。
為配合新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施并提供必要的技術(shù)支持,環(huán)境保護(hù)部正在組織起草《技術(shù)規(guī)范》,據(jù)2013年2月的征求意見稿,《技術(shù)規(guī)范》將在如下2個(gè)方面進(jìn)行完善:
1)達(dá)標(biāo)判斷依據(jù)更為嚴(yán)格。改變過去單純以污染物年平均濃度作為達(dá)標(biāo)與否的判斷依據(jù),以年平均濃度和特定的日均值百分位數(shù)進(jìn)行達(dá)標(biāo)情況判斷。
2)變化程度定量化。將原來的“基本穩(wěn)定”和“有所變化”等定性表述改為定量判斷,以污染物變化率3%為界限,對“基本穩(wěn)定”和“有所變化”進(jìn)行了定量化規(guī)定。
受如下2個(gè)方面因素影響,城市環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)情況將發(fā)生較大變化:
1)NO2和PM10的年平均二級濃度限值收嚴(yán),使一些城市的評價(jià)結(jié)果由達(dá)標(biāo)變?yōu)椴贿_(dá)標(biāo)。對全國325個(gè)地級以上城市2012年監(jiān)測的NO2、SO2和PM103項(xiàng)污染物進(jìn)行評價(jià),用舊標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)達(dá)標(biāo)率為91.4%,用新標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)達(dá)標(biāo)率為40.9%,將有164個(gè)城市由達(dá)標(biāo)變?yōu)椴贿_(dá)標(biāo),達(dá)標(biāo)率下降了50.5個(gè)百分點(diǎn)。
2)日均值百分位數(shù)的引入會出現(xiàn)年平均濃度達(dá)標(biāo)、但由于超標(biāo)天數(shù)較多致使評價(jià)結(jié)果不達(dá)標(biāo)的情況。若依據(jù)《技術(shù)規(guī)范》中對于年度評價(jià)的規(guī)定,除要求年平均濃度達(dá)標(biāo)外,還要求特定的日均值百分位數(shù)小于或等于日均值標(biāo)準(zhǔn)。參照《技術(shù)規(guī)范》按舊標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)全國325個(gè)地級以上城市的2012年度達(dá)標(biāo)情況,將有161個(gè)城市由達(dá)標(biāo)變?yōu)椴贿_(dá)標(biāo),達(dá)標(biāo)率由91.4%降為41.8%;若按新標(biāo)準(zhǔn)評價(jià),城市達(dá)標(biāo)比例會更低,達(dá)標(biāo)率由40.9%降為32.6%。
1)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段變?yōu)?:00—24:00雖然對年平均濃度不會產(chǎn)生影響,但引起24 h平均濃度值發(fā)生變化,進(jìn)而影響日達(dá)標(biāo)率。以北方某城市2013年第一季度某監(jiān)測點(diǎn)位的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)(見表3),平均超標(biāo)率變化結(jié)果:SO2、PM10和 PM2.5分別上升5.6、2.3、7.9個(gè)百分點(diǎn),NO2和 CO均下降2.2個(gè)百分點(diǎn)。
表3 最大日均值和平均超標(biāo)率變化
2)評價(jià)項(xiàng)目由3項(xiàng)增加到6項(xiàng)且PM2.5超標(biāo)情況較為普遍,會使整體達(dá)標(biāo)情況下降。以北方某城市2013年第一季度某監(jiān)測點(diǎn)位為例,若按舊標(biāo)準(zhǔn) 3項(xiàng)評價(jià),達(dá)標(biāo)天數(shù)為 43 d,達(dá)標(biāo)率為47.8%;若按新標(biāo)準(zhǔn) 6項(xiàng)評價(jià),達(dá)標(biāo)天數(shù)減少13 d,達(dá)標(biāo)率降為33.3%。
由于空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中日平均濃度限值大于年平均濃度限值,對評價(jià)城市而言,可能出現(xiàn)一年中優(yōu)良天數(shù)比例較高、但年平均濃度評價(jià)結(jié)果為超標(biāo)的現(xiàn)象,甚至?xí)霈F(xiàn)日平均濃度全部達(dá)到二級濃度標(biāo)準(zhǔn)限值而年平均濃度超標(biāo)的情況。而新標(biāo)準(zhǔn)中又收嚴(yán)了NO2和PM10的年平均濃度限值,但日平均濃度限值并未變化,對評價(jià)整體而言,達(dá)標(biāo)率降低,會使日評價(jià)結(jié)果與年評價(jià)結(jié)果之間的差異更加明顯。如2012年,分別按照新舊標(biāo)準(zhǔn)對NO2、SO2和 PM103項(xiàng)污染物進(jìn)行評價(jià),全國325個(gè)地級以上城市的空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例均為94.0%。但使用新標(biāo)準(zhǔn)后,年平均濃度達(dá)標(biāo)的城市比例將由91.4%降低為40.9%,日評價(jià)結(jié)果與年評價(jià)結(jié)果的差異將加大。
由于《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(試行)(HJ 633—2012)中日報(bào)統(tǒng)計(jì)時(shí)段的規(guī)定,1:00—7:00沒有O3的8 h滑動(dòng)平均濃度值,此期間的1 h平均濃度值在8:00—14:00的8 h滑動(dòng)平均濃度值計(jì)算中分別被使用1~7次;同理,18:00—24:00的1 h平均濃度值分別被使用1~7次。而8:00—17:00的1 h平均濃度值在計(jì)算中均被使用8次。由于1 h平均濃度值對計(jì)算O38 h滑動(dòng)平均濃度值的貢獻(xiàn)不同,可能引起計(jì)算結(jié)果和變化趨勢的差異。
北方某城市某監(jiān)測點(diǎn)位2013年1月9日和2月15日的O3的1 h平均濃度值和8 h滑動(dòng)平均濃度值分別如圖1和圖2所示。
圖1 1月9日O3濃度變化趨勢圖
圖2 2月15日O3濃度變化趨勢圖
1月9日和2月15日均有9個(gè)1 h平均質(zhì)量濃度超過 100 μg/m3,9 日出現(xiàn)在 11:00—19:00,15日出現(xiàn)在1:00—9:00。圖1中,11:00—19:00的O31 h平均濃度值在計(jì)算8 h滑動(dòng)平均濃度值時(shí)均會使用8次,使得該日的8 h滑動(dòng)平均濃度值整體偏高,呈上凸?fàn)罘植肌6鴪D2中,較高的O31 h平均濃度值出現(xiàn)在1:00—9:00,計(jì)算8 h滑動(dòng)平均濃度值時(shí)僅會使用1~8次,使得當(dāng)日8 h滑動(dòng)平均濃度值呈下凹狀分布,達(dá)標(biāo)情況良好??梢?,雖然1月9日和2月15日都有9個(gè)1 h平均濃度值偏高,但由于出現(xiàn)時(shí)段不同,被使用的次數(shù)不等,使得8 h滑動(dòng)平均濃度值的計(jì)算結(jié)果明顯不同。
新標(biāo)準(zhǔn)中沒有PM10和 PM2.5的1 h平均濃度限值,在計(jì)算實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)時(shí),使用的是24 h滑動(dòng)平均濃度值。因此,若 PM10或PM2.5的1 h平均濃度值在短時(shí)間內(nèi)急劇升高,而計(jì)算實(shí)時(shí)IAQI時(shí)使用的24 h滑動(dòng)平均濃度值較低,會導(dǎo)致出現(xiàn)1 h平均濃度值較高、但實(shí)時(shí)IAQI相對較低的情況。
以北方某城市某監(jiān)測點(diǎn)位2013年2月25—28日PM10的1 h平均濃度值和實(shí)時(shí) IAQI變化為例進(jìn)行分析,其趨勢如圖3所示。
圖3 2月25—28日PM101小時(shí)平均濃度值和實(shí)時(shí)IAQI變化趨勢圖
從圖3可以看出:①25日1:00至26日6:00該城市PM10的1 h平均濃度值維持在100 μg/m3左右,變化幅度不大,相應(yīng)的實(shí)時(shí)IAQI平穩(wěn)變化,兩者基本吻合。②26日7:00 PM10的1 h平均濃度值突增,升高81.9%,但由于計(jì)算實(shí)時(shí)IAQI時(shí)使用的24 h滑動(dòng)平均濃度值,實(shí)時(shí)IAQI僅升高2.9%。③從26日7:00開始,PM10的1 h平均濃度值呈上升趨勢,相應(yīng)的實(shí)時(shí)IAQI緩慢增大,但明顯滯后于1 h平均濃度值的上升幅度。④26日10:00 PM10的1 h平均質(zhì)量濃度出現(xiàn)小幅回落,由203 μg/m3降至 188 μg/m3,而實(shí)時(shí) IAQI卻由 76升至78,出現(xiàn)短暫的倒掛現(xiàn)象;同樣的倒掛現(xiàn)象還出現(xiàn)在26日的17:00、23:00和28日的4:00、6:00、17:00等時(shí)段。⑤27日23:00出現(xiàn)短暫的陡降,并于28日7:00起開始突增,于11:00達(dá)到最大(1 h平均質(zhì)量濃度為531 μg/m3),較高濃度持續(xù)約9 h,而此時(shí)的實(shí)時(shí)IAQI變化趨勢為一條平緩的曲線,即7:00—17:00 PM10濃度的急劇升高并沒有引起實(shí)時(shí)IAQI的明顯變化,實(shí)時(shí)IAQI一直維持在210左右。上述現(xiàn)象的出現(xiàn)正是因?yàn)橛?jì)算實(shí)時(shí)IAQI時(shí)使用的24 h滑動(dòng)平均濃度值具有滯后性,沒有及時(shí)反映突變時(shí)的空氣質(zhì)量,導(dǎo)致人為感官與評價(jià)結(jié)果的差異和人為誤解。而且,突變時(shí)間持續(xù)越短,兩者的差異越明顯。若持續(xù)高污染時(shí)間在24 h以上,結(jié)果將有所不同,如3月27—29日72 h內(nèi)該城市某監(jiān)測點(diǎn)位PM10的1 h平均濃度值和實(shí)時(shí)IAQI變化趨勢如圖4所示。
圖4 3月27—29日PM10 1 h平均質(zhì)量濃度和實(shí)時(shí)IAQI變化趨勢圖
可以看出,PM10的1 h平均質(zhì)量濃度從27日18:00起開始突增,1 h平均質(zhì)量濃度達(dá)到265 μg/m3之后保持300 μg/m3以上約38 h。在這種情況下,實(shí)時(shí)IAQI隨著1 h平均質(zhì)量濃度的上升而上升,其變化趨勢為一條緩慢上升的曲線,兩者變化幅度基本一致,于29日6:00達(dá)到最大值(實(shí)時(shí)IAQI為263)。由此可知,持續(xù)高污染時(shí)間較長時(shí),實(shí)時(shí)IAQI在一定程度上可以反映突變時(shí)的空氣質(zhì)量,但仍有一定的滯后性。
1)新評價(jià)體系在環(huán)境空氣功能區(qū)分類、污染物濃度限值、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有效性、分析方法、綜合評價(jià)方法、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)段和信息發(fā)布等方面提出了新規(guī)定。
2)NO2和PM10的年平均二級濃度限值收嚴(yán),使一些城市的評價(jià)結(jié)果由達(dá)標(biāo)變?yōu)椴贿_(dá)標(biāo)。用新標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)全國325個(gè)地級以上城市2012年的達(dá)標(biāo)情況,將有164個(gè)城市由達(dá)標(biāo)變?yōu)椴贿_(dá)標(biāo),達(dá)標(biāo)率由91.4%降為40.9%。
3)日均值百分位數(shù)的引入會出現(xiàn)年平均濃度達(dá)標(biāo)、但由于超標(biāo)天數(shù)較多致使評價(jià)結(jié)果不達(dá)標(biāo)的情況。參照《技術(shù)規(guī)范》按舊標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)2012年度全國325個(gè)地級以上城市的達(dá)標(biāo)情況,將有161個(gè)城市由達(dá)標(biāo)變?yōu)椴贿_(dá)標(biāo),達(dá)標(biāo)率由91.4%降為41.8%。
4)不同時(shí)段O3的1 h平均濃度值對計(jì)算其8 h滑動(dòng)平均濃度值的貢獻(xiàn)不同,當(dāng)較高的1 h平均濃度值出現(xiàn)在不同時(shí)段,會引起8 h滑動(dòng)平均濃度值計(jì)算結(jié)果的差異。
5)新標(biāo)準(zhǔn)中沒有 PM10和 PM2.5小時(shí)濃度限值,在計(jì)算點(diǎn)位實(shí)時(shí)IAQI時(shí),需要使用24 h滑動(dòng)平均濃度值,因此,在空氣質(zhì)量發(fā)生短時(shí)間突變時(shí),會出現(xiàn)實(shí)時(shí)IAQI評價(jià)結(jié)果與實(shí)際污染狀況不符的情況。
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