王剛，吳春山，劉文偉，孫啟元

（福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州 350007）

隨著近幾十年來經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程加劇，大氣污染問題日益突出，嚴(yán)重影響到生態(tài)環(huán)境、氣候變化、人類健康和可持續(xù)發(fā)展[1-4].環(huán)境空氣中的常規(guī)污染物主要包括二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM10、PM2.5）、揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOCs）等[5-6].山西省是產(chǎn)煤、燃煤大省，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展偏重于化工、鋼鐵、煤炭等污染嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)的廢氣污染具有區(qū)域性、長期性、廢氣量大、含硫量高、污染面廣且分散、危害性大等特點(diǎn)[7-8].

大氣污染問題日益嚴(yán)峻，使得探索大氣污染的時間分布特點(diǎn)和成因分析，尋求污染治理的方法成為了政府、學(xué)者、公眾的關(guān)注熱點(diǎn)[9].鑒于此，很多知名學(xué)者對空氣質(zhì)量的污染問題進(jìn)行探索和研究，例如，陳衛(wèi)衛(wèi)等[10]對2013—2017年期間東北區(qū)域的大氣污染指標(biāo)進(jìn)行地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等信息的整合分析，探討中國東北地區(qū)空氣質(zhì)量時空分布特征與重度污染成因；黃小剛等[11]利用2015—2018 年期間的空氣質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析長江經(jīng)濟(jì)帶空氣質(zhì)量的時空變化趨勢，從大氣污染物的排放量、氣象因素考慮，確定評價指標(biāo)，采取地理探測器來探究長江經(jīng)濟(jì)帶空氣質(zhì)量的影響因素及其季節(jié)的變化特征；張金亭等[12]選擇 SO2、NOX、PM2.5、CO和VOCs作為大氣污染指標(biāo)，以武漢市為例，選擇氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)來表示顆粒物環(huán)境空氣質(zhì)量，綜合應(yīng)用耦合模型和空間錯位指數(shù)模型研究兩類指標(biāo)之間的空間非協(xié)同耦合規(guī)律，來探究區(qū)域大氣污染排放量和時空分布特點(diǎn).就山西省而言，張夏青[13]利用2015—2019年山西省11地市每日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過空間變化、時間變化兩個維度，分析了山西省各地市霧霾污染的現(xiàn)狀特點(diǎn).孫小燕等[14]對2015年山西省57個空氣質(zhì)量指數(shù)監(jiān)測站提供的PM2.5實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析.大部分學(xué)者對山西省空氣質(zhì)量的研究停留在特征污染現(xiàn)狀及趨勢分析上,缺少對空氣質(zhì)量綜合分析.

因此，選取 SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3-8h等大氣污染指標(biāo)，基于2017—2019年期間的空氣質(zhì)量，采用地面監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料等，系統(tǒng)分析山西省太原市、大同市以及運(yùn)城市的空氣質(zhì)量現(xiàn)狀、時空分布特征和污染成因，并在此基礎(chǔ)上對山西省的空氣環(huán)境治理提出針對性對策.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

山西省全境總面積為15.6萬km2，地勢東北高西南低，內(nèi)部起伏不平，河谷縱橫，有山地、丘陵、臺地、平原等地貌，是典型的黃土覆蓋的山地高原；海拔落差大，既有緯度地帶性氣候,又有明顯的垂直氣候變化的大陸性季風(fēng)氣候，氣候類型分別屬于中溫帶和暖溫帶兩個氣候帶；四季分明，12—2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，冬季較長且寒冷干燥；夏季炎熱，雨水集中；春季氣候多變,風(fēng)沙較多；秋季短暫，溫差較大.

圖1 山西省行政區(qū)地圖

山西省主要分為晉中、晉南、晉北三個部分，主要的代表城市分別為太原、運(yùn)城、大同，如圖1所示.太原市西、北、東三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，整個地形北高南低呈簸箕形，是山西省的省會城市，是政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通和國際交流中心，區(qū)域經(jīng)濟(jì)主要以工業(yè)、建筑業(yè)、能源為主.運(yùn)城市位于山西省西南部，地處黃河北干流中游以東，華北平原的丘陵區(qū)，黃土高原東沿第一臺階，具有平原、山地、丘陵、盆地、臺地等多種地貌類型，區(qū)域經(jīng)濟(jì)主要以農(nóng)耕、農(nóng)藥化肥等制造業(yè)為主.大同市位于山西省最北端，是中國最大的煤炭能源基地之一，國家重化工能源基地，位于神府、準(zhǔn)格爾新興能源區(qū)與京津唐發(fā)達(dá)工業(yè)區(qū)的中點(diǎn)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)主要以煤礦、貨運(yùn)業(yè)等工業(yè)為主，用電量巨大.

1.2 數(shù)據(jù)來源

山西省2017—2019年空氣質(zhì)量各污染指標(biāo)濃度值來源于山西省環(huán)境保護(hù)廳空氣環(huán)境質(zhì)量月報數(shù)據(jù)(https://sthjt.shanxi.gov.cn/kqyuebao/99827.jhtml).

1.3 數(shù)據(jù)處理

用origin2018對山西省空氣環(huán)境質(zhì)量月報數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 山西省空氣質(zhì)量時間分布特點(diǎn)

2.1.1 山西省空氣質(zhì)量概況

山西省各地區(qū)2017—2019年空氣質(zhì)量概況見表1、2.

從表1、2中可以看出，山西省各區(qū)域的 SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3-8h 平 均濃度均有下降趨勢.在2019年，SO2、PM10、PM2.5、CO污染指標(biāo)年平均濃度分別為24、93、48μg·m-3、2.2 mg·m-3， 與 2017 年 相比下降趨勢明顯，降低百分比分別為57%、15%、19%、27%.結(jié)果表明：SO2和CO濃度值呈顯著下降，這說明山西省在燃煤源和煙氣的控制上效果顯著；而NO2和O3-8h的略微下降，在2019年平均濃度為39、180 μg·m-3，相比2017年降低了7%、3%，表明山西省城市快速發(fā)展，人口增加和汽車數(shù)量的增加，以及山西省地貌氣候的原因，導(dǎo)致其污染防控較困難.2017—2019年太原市SO2、NO2、PM10的平均濃度均高于其他城市，運(yùn)城市PM2.5、CO、O3-8h的平均濃度均高于其他城市，說明了太原市和運(yùn)城市空氣污染水平相對較高，且存在地域化的差異.

表1 山西省2017—2019年空氣質(zhì)量概況

表2 山西省2017—2019年空氣質(zhì)量年平均濃度概況

山西省2017—2019年不同區(qū)域環(huán)境空氣污染指標(biāo)變化情況可見圖2、圖3、圖4.從圖中可以看出，在2017—2019年期間，山西省平均空氣質(zhì)量除了O3-8h存在超標(biāo)，NO2微小上浮的情況外，其他指標(biāo)的濃度均呈顯著下降趨勢.太原市SO2、NO2、PM10的月變化濃度均高于其他城市，其中SO2、PM10的超標(biāo)率分別為22%～63%、29%～88%，在2017年的1月和2月最為顯著；運(yùn)城市PM2.5、CO、O3-8h的月變化濃度均高于其他城市，其中PM2.5、O3-8h分別在1—2月、6—8月的超標(biāo)率最高，分別為6%～60%、11%～41%.結(jié)果表明，雖然山西省的平均環(huán)境空氣質(zhì)量有所改善，但地域不同的城市之間仍存在個別指標(biāo)的超標(biāo)現(xiàn)象.

圖2 2017年不同區(qū)域環(huán)境空氣污染指標(biāo)變化情況

圖3 2018年不同區(qū)域環(huán)境空氣污染指標(biāo)變化情況

圖4 2019年不同區(qū)域環(huán)境空氣污染指標(biāo)變化情況

2.1.2 山西省空氣質(zhì)量的分布特征

山西省2017—2019年不同區(qū)域的污染天數(shù)對比情況可見圖5.從圖中可以看出，2017—2019年，山西省的平均達(dá)標(biāo)天數(shù)比例穩(wěn)定在55%～60%，平均輕污染天數(shù)在39%上下波動，重污染天數(shù)除大同市為0天之外，其他城市均有1%～4%的浮動；各城市的達(dá)標(biāo)天數(shù)均有所增長，重污染天數(shù)有輕微下降；太原市做為省會城市，達(dá)標(biāo)天數(shù)顯著低于其他城市.結(jié)果說明，全省加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、加大環(huán)保督察處罰力度、機(jī)動車限行限號等措施效果顯著，這些措施減輕了空氣質(zhì)量繼續(xù)惡化的趨勢.

圖5 在2017—2019年期間不同區(qū)域的污染天數(shù)比例對比情況

2.2 山西省主要污染物的季節(jié)分布特點(diǎn)

2.2.1 山西省PM10和PM2.5的分布特點(diǎn)

山西省2017—2019年P(guān)M10和PM2.5四季變化趨勢如圖6、7所示.從圖中可以看出，PM10和PM2.5在2017—2019年期間冬季濃度最高，夏季濃度最低，逐年對比有較明顯的下降趨勢，但除夏季外，始終存在不同程度的空氣污染情況；2017—2019年，太原市在各季節(jié)中PM10的濃度基本都高于山西省的平均濃度，而相對于PM2.5而言，太原市的濃度時而較高于平均濃度，時而與山西省的平均濃度持平；而運(yùn)城市的變化最為復(fù)雜，冬季，PM10和PM2.5的濃度遠(yuǎn)高于山西省的平均濃度，夏季，均低于平均濃度，春秋季，除2018年秋季低于平均濃度，其他時間與平均濃度基本持平；大同市PM10和PM2.5的濃度在2017—2019年各季節(jié)始終低于山西省的平均濃度，在2017—2018年，大同市的PM10的濃度隨季節(jié)變化，呈波浪狀趨勢，在2019年呈煙斗狀趨勢，而PM2.5濃度隨季節(jié)的變化趨勢始終為鋸齒狀，夏季最低值21～29 μg·m-3，冬季最高值46～48 μg·m-3.結(jié)果表明，在冬季，山西省平均污染濃度顯著高于其他季節(jié)，可能與燃煤供暖，秸稈燃燒，降雨量稀少，寒冷干燥，逆溫現(xiàn)象等原因造成污染物在近地面的循環(huán)累積有一定的關(guān)系.

圖6 2017—2019年期間山西省PM2.5的季節(jié)變化趨勢

圖7 2017—2019年期間山西省PM10的季節(jié)變化趨勢

2.2.2 山西省O3-8h的分布特點(diǎn)

山西省2017—2019年O3-8h四季變化趨勢如圖8所示.從圖8中可以看出，2017—2019年全省的O3-8h變化呈現(xiàn)出倒“V”字型曲線，冬季處于最低值82～87 μg·m-3，夏季處于最高值199～210 μg·m-3，山西省全年大氣環(huán)境質(zhì)量始終存在不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象；運(yùn)城市每年各季節(jié)的O3-8h濃度均高于山西省的平均濃度，只有2018年與2019年夏季時期，太原市的O3-8h濃度高于運(yùn)城市；在2017—2019年，太原市各季節(jié)O3-8h的濃度與山西省的平均濃度基本接近；大同市除2017年冬季較高于山西省的平均濃度外，其他時期均低于山西省的平均濃度.結(jié)果表明，山西省的O3-8h濃度在春季和夏季時期存在嚴(yán)重污染問題，且南部地區(qū)的濃度普遍高于其他地區(qū)，其原因可能與南部地區(qū)的PM10和PM2.5的高濃度和大氣的通透性差有關(guān)；另外，山西省的經(jīng)濟(jì)主要偏向于煤礦開采等重工業(yè)，其中產(chǎn)生的氮氧化物，揮發(fā)性有機(jī)污染物等的廢氣排放到大氣中，在陽光的照射下，會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)反應(yīng)，在這種復(fù)雜的反應(yīng)過程中會產(chǎn)生以O(shè)3-8h為主的二次污染物，造成O3-8h濃度的升高，而O3-8h的嚴(yán)重污染在一定程度上又會加劇PM10和PM2.5的轉(zhuǎn)化和形成，進(jìn)一步惡化山西省的環(huán)境空氣質(zhì)量.

圖8 2017-2019年期間山西省O3-8h的季節(jié)變化趨勢

2.3 對策與建議

山西省顆粒物和O3-8h超標(biāo)的主要原因是人為污染——產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、煤礦能源二次利用不充分、汽車尾氣以及城市建設(shè).因此，政府要加強(qiáng)對企業(yè)的管理和引導(dǎo)，推進(jìn)企業(yè)的錯位發(fā)展，減輕能源經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)比例；改變居民冬季煤炭取暖現(xiàn)狀，積極推行“煤改電、煤改氣”的政策；大力發(fā)展新能源，有條件的地區(qū)可采取風(fēng)力發(fā)電；根據(jù)各季節(jié)污染情況，對機(jī)動車進(jìn)行限行限號.

3 結(jié)論

論文基于 2017—2019 年 SO2、NO2、PM2.5、CO、O3-8h等的大氣污染指標(biāo)數(shù)據(jù)作為研究依據(jù)，采用地面監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料等方法，對山西省、太原市、大同市、運(yùn)城市的空氣質(zhì)量時空分布進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論.

1）山西省平均達(dá)標(biāo)天數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，污染天數(shù)略有下降；在2017—2019年期間SO2、PM10、PM2.5、CO的濃度有顯著的下降趨勢，NO2、O3-8h只有微小波動，始終存在超標(biāo)現(xiàn)象；山西省從南到北，運(yùn)城市的空氣污染最嚴(yán)重，太原市次之，大同市的空氣質(zhì)量最好.

2）2017—2019 年，PM10和PM2.5的濃度雖有所下降，但春、冬季嚴(yán)重超標(biāo)；在夏季，O3-8h的濃度均高于200 μg·m-3.因此，政府應(yīng)加大企業(yè)的把控力度，強(qiáng)化無組織排放廢氣的收集，推廣使用低VOCs含量的涂料、油墨等有機(jī)原輔材料，推進(jìn)工業(yè)爐窯結(jié)構(gòu)升級和污染減排；加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，積極落實(shí)“煤改電、煤改氣”的政策；提高城市建成區(qū)綠化覆蓋率；提升城鄉(xiāng)居民的環(huán)保意識.