吳曉蘭, 姜世中, 鄭月蓉, 何秋霞, 汪美宏

(四川師范大學 地理與資源學院, 四川 成都 610101)

成都平原是位于中國四川盆地西部的一處沖積平原,總面積1.881萬km2,包括四川省成都市各區(qū)縣及綿陽、德陽、樂山、眉山、遂寧、資陽、雅安地區(qū)的部分區(qū)域(如圖1).

由于成都平原位于四川盆地,大氣污染物不易擴散,大氣環(huán)境容量相對較小.根據(jù)2021年制定的《成都平原經濟區(qū)“十四五”一體化發(fā)展規(guī)劃》,到2025年,成都平原經濟區(qū)經濟保持穩(wěn)定增長,經濟結構持續(xù)優(yōu)化,經濟總量將突破4萬億元,隨著經濟區(qū)的快速發(fā)展,大氣污染物排放總量不斷增加,空氣污染問題日益凸顯.而近年來,不少學者對我國不同時空尺度空氣污染進行了大量研究,揭示了區(qū)域空氣質量時空變化規(guī)律,促進了社會經濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展.如張向敏等[1]對全國343個地區(qū)空氣質量指數(shù)(AQI)數(shù)據(jù)的時空變化研究;郭雯雯等[2]對長江中游城市群空氣質量時空變化特征,以及影響空氣質量的因素的研究;陳優(yōu)良等[3]對長三角PM2.5時空變化特征及其影響因子分析;韓立建[4]還研究總結了在城市化與PM2.5時空格局演變及其影響因素方面的主要研究進展;Fang等[5]以及史海琪等[6]研究表明在2015—2020年期間四川盆地CO、SO2、PM2.5和PM10的年平均質量濃度均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,其中,在2015—2018年間PM2.5和PM10在德陽、成都、眉山、內江、自貢一帶污染較重,并且污染物質量濃度均與氣壓、氣溫、相對濕度、10 m風速等高度顯著相關;肖丹華等[7]指出四川南部經濟區(qū)大氣污染程度最高,川東北經濟區(qū)污染最輕,成都平原經濟區(qū)污染程度居中;甘茂林等[8]也指出成都平原城市群、川南城市群和少部分川東北城市群的城市PM2.5污染情況較嚴重, 且呈現(xiàn)空間聚集狀態(tài);雷雨等[9]分析了2015—2018年川南城市群6種污染物的年、月、日變化特征及其與氣象要素的相關性;盧寧生等[10]對成都平原城市群春季臭氧污染天氣進行客觀分型與典型過程分析;白雪琴等[11]以2015—2020年成都市PM2.5質量濃度的時空分布為研究對象,得到成都市PM2.5的時空分布情況及其影響因素;杜鵑等[12]分析了2016—2020年綿陽市春節(jié)期間煙花爆竹燃放對綿陽市城區(qū)環(huán)境空氣質量的影響.但對成都平原經濟區(qū)整體空氣質量時空變化規(guī)律研究十分鮮見,本文利用成都平原經濟區(qū)8個城市(成都、綿陽、德陽、樂山、眉山、遂寧、資陽、雅安)2016—2020年6種大氣污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù),采用綜合指數(shù)評價法、相關分析法,探討成都平原經濟區(qū)城市空氣質量時間、空間分布特征,成都市污染物變化特征及其影響因素,確定成都平原經濟區(qū)空氣質量變化特征,為成都平原經濟區(qū)大氣污染管理及防治提供參考.

圖 1 研究區(qū)域區(qū)位圖

1 研究方法

1.1 單因子評價指數(shù)單因子評價指數(shù)計算式為

I

(1)

其中,Ii為第i種污染物的環(huán)境質量指數(shù),Ci為第i種污染物在環(huán)境中的質量濃度值(單位mg/m3),Si為第i種污染物的評價標準(單位mg/m3).

1.2 多因子評價綜合指數(shù)根據(jù)2012年國家環(huán)保部頒布實施的《環(huán)境空氣質量指數(shù)技術規(guī)定》(HJ633-2012)標準,均值型多因子評價綜合指數(shù)的計算為

(2)

其中,n為參與評價的因子數(shù)目.

1.3 空氣質量指數(shù)(AQI)根據(jù)2012年國家環(huán)保部頒布實施的《環(huán)境空氣質量指數(shù)技術規(guī)定》(HJ633-2012)標準,計入空氣質量指數(shù)的項目共有6個:PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO.空氣質量指數(shù)分兩步計算.

第一步 計算第k種污染物的空氣質量分指數(shù),計算公式為:

I

(3)

其中,Ik為第k種污染物的空氣質量分指數(shù),Ck為第k種污染物平均質量濃度的監(jiān)測值(單位μg/m3),Ck,j為標準中與Ck相近的污染物質量濃度限值的低位值(對應于Ik,j)(單位μg/m3),Ck,j+1為標準中與Ck相近的污染物質量濃度限值的高位值(對應于Ik,j+1)(單位μg/m3),Ik,j為Ck,j對應的空氣質量分指數(shù),Ik,j+1為Ck,j+1對應的空氣質量分指數(shù).

第二步 計算城市空氣質量指數(shù).當所有空氣質量分指數(shù)都計算出來之后,取最大者為空氣質量指數(shù)(AQI),該種污染物即為首要污染物.當AQI<50時,則不報告首要污染物.

1.4 Pearson相關分析法成都市PM2.5與氣溫、降水、風速、能見度氣象要素之間的相關關系計算公式為[13]

(4)

圖 2 成都平原經濟區(qū)2016—2020年空氣質量綜合指數(shù)

樣本之間呈正相關,r<0表示2個樣本之間呈負相關,絕對值越大表明相關程度越大.

2 結果與分析

研究區(qū)域為成都平原經濟區(qū)8個城市(成都、綿陽、德陽、樂山、眉山、遂寧、資陽、雅安);研究時段為2016—2020年;污染物質量濃度數(shù)據(jù)來源于全國空氣質量環(huán)境監(jiān)測平臺實時發(fā)布的6種污染物(PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO)的日均質量濃度,以及AQI值;城市人口和經濟指標數(shù)據(jù)來源于《四川省統(tǒng)計年鑒》;逐日降水量、逐日平均氣溫、逐日平均能見度、逐日平均風速氣象數(shù)據(jù)來源于National Centers for Environmental Information (NCEI) (noaa.gov).

2.1 成都平原經濟區(qū)空氣質量時間變化

2.1.1空氣質量綜合指數(shù)年變化特征 根據(jù)6種污染物的監(jiān)測質量濃度,采用公式(1)和(2)計算出了2016—2020年成都平原經濟區(qū)的空氣質量綜合指數(shù)(圖2).由圖2可知,2016—2020年,成都平原經濟區(qū)8個城市的空氣質量綜合指數(shù)除雅安外均呈逐年遞減的趨勢;而雅安空氣質量綜合指數(shù)2016—2017年遞增,在2017年達到峰值,2017—2020年逐年遞減.在研究時段內,成都的空氣質量綜合指數(shù)主要集中在0.5～0.9之間,綿陽、德陽、眉山、樂山在0.5～0.8之間,資陽、遂寧在0.4～0.7之間,雅安在0.3～0.7之間.因此,在2016—2020年,成都平原經濟區(qū)8個城市中,雅安的空氣質量最優(yōu),其次為遂寧、資陽、樂山、綿陽、德陽以及眉山,成都的空氣質量相對較差,但沒超過國家環(huán)境空氣質量二級標準.

2.1.2空氣質量綜合指數(shù)月變化特征 圖3是成都平原經濟區(qū)2016—2020年空氣質量綜合指數(shù)月變化曲線.由圖3可見,在成都平原經濟區(qū)8個城市中,1—12月,成都市空氣質量綜合指數(shù)最大,雅安市空氣質量綜合指數(shù)最小;1—12月,成都平原經濟區(qū)8個城市的空氣質量綜合指數(shù)呈U字型變化,即成都平原經濟區(qū)空氣質量6—10月較好,11—次年2月較差.2016—2018年冬季空氣質量綜合指數(shù)大于1,超過了國家環(huán)境空氣質量二級標準;2019年之后全年各月空氣質量綜合指數(shù)均小于1,低于國家環(huán)境空氣質量二級標準.

2.2 成都平原經濟區(qū)空氣質量(AQI)空間分布特征圖4是成都平原經濟區(qū)冬季(12月—次年2月)空氣質量指數(shù)AQI空間分布圖.由圖4可知,成都平原經濟區(qū)除了中部地區(qū)在1月和12月份AQI值超過了100,空氣質量處于三級(輕度污染)外,其他地區(qū)AQI值都小于100,空氣質量處于二級(良好).

12月份,成都平原經濟區(qū)AQI值中部地區(qū)(綿陽中南部、德陽、成都、樂山、眉山北部)高,東部和西部地區(qū)低.高值中心出現(xiàn)在成都、德陽,低值中心出現(xiàn)在遂寧.成都、德陽、綿陽南部AQI在101～112.1之間,空氣質量處于三級(輕度污染).樂山、綿陽中部AQI在96～100之間,雅安、眉山、資陽、遂寧、綿陽北部AQI在78.1～96之間,空氣質量處于二級(良好).1月份,成都平原經濟區(qū)AQI值中部地區(qū)(綿陽、德陽、成都、眉山、樂山)高,東部和西部地區(qū)低.在成都、德陽出現(xiàn)了高值中心,樂山出現(xiàn)了一個次高值中心,低值中心出現(xiàn)在遂寧.中部地區(qū)(綿陽、德陽、成都、眉山、樂山)AQI在101～114.1之間,處于三級(輕度污染),1月份是一年中空氣質量最差、污染范圍最大的月份.東部的雅安和西部的資陽、遂寧AQI在86.34～100之間,處于二級(良好).2月份,成都平原經濟區(qū)AQI值在77～95.96之間,都處于二級(良好),空氣質量指數(shù)仍呈現(xiàn)出中部高,東部和西部低的分布特征.高值中心出現(xiàn)在成都、德陽,并且出現(xiàn)了2個低值中心,分別為西部的雅安和東部的遂寧.

2.3 成都市污染物時間變化特征成都市是成都平原經濟區(qū)8個城市中AQI高值中心,下面進一步分析成都市2016—2020年6種污染物(O3、CO、PM2.5、NO2、PM10、SO2)的時間變化特征.

2.3.1污染物年變化 圖5給出了成都市2016—2020年6種污染物的年變化曲線.由圖5可知,在研究時段,成都市6種污染物年均質量濃度都呈下降趨勢.O3、CO、SO2年均質量濃度在2016—2020年都未超標,均低于國家二級標準質量濃度限值;PM2.5年均質量濃度在2016—2020年超過了國家二級標準質量濃度限值,引起了空氣污染;NO2、PM10年均質量濃度在2016—2018年超過了國家二級標準質量濃度限值,但在2019—2020年有所改善,年均質量濃度低于國家二級標準質量濃度限值.

圖 5 成都市6種污染物年均質量濃度2016—2020年變化曲線

2.3.2首要污染物季節(jié)變化 利用公式(3)計算出了成都市2016—2020年各月首要污染物,并計算出了首要污染物各月份出現(xiàn)頻率(5年當月出現(xiàn)天數(shù)/5年當月總天數(shù))以及首要污染物5年內出現(xiàn)頻率(5年中出現(xiàn)天數(shù)/5年總天數(shù)),結果如表1所示.

由表1可以看出,2016—2020年,成都市PM2.5為首要污染物出現(xiàn)頻率(41.75%)>無首要污染物(空氣質量為優(yōu))出現(xiàn)的頻率(26.7%)>PM10為首要污染物出現(xiàn)頻率(17.4%)>NO2為首要污染物出現(xiàn)頻率(11.5%)>O3為首要污染物出現(xiàn)頻率(2.7%).若按月統(tǒng)計,無首要污染物夏半年出現(xiàn)頻率最高,4—10月達21.1%～56.4%,冬半年發(fā)生頻率較低,1—3月及11—12月為3.8%～13.3%;以PM2.5為首要污染物冬季出現(xiàn)頻率最高,1—2月及11—12月高達60.7%～88.4%,夏季出現(xiàn)頻率最低,6—9月為5.5%～19.5%;以PM10為首要污染物出現(xiàn)頻率各月相差不大,介于6.5%～30.8%之間,1、12月最小(6.5%和7.4%);以NO2為首要污染物出現(xiàn)頻率冬季出現(xiàn)頻率最低,1—2月及11—12月為1.3%～8.7%,夏半年出現(xiàn)頻率各月相差不大,介于11.6%～21.9%之間;以O3為首要污染物僅出現(xiàn)于夏半年(4—8月),且發(fā)生頻率較低,在0.7%～11.2%之間.

表 1 2016—2020年成都市各月及5年內首要污染物出現(xiàn)頻率

可見,引起成都市空氣污染的污染物主要有PM2.5、PM10、NO2,主要污染源是化石燃料,尤其是汽車尾氣.雖然成都市城市人口不斷擴大,汽車保有量迅速增加,但國家實施了系列生態(tài)發(fā)展戰(zhàn)略,電動汽車推廣、汽車尾氣治理、產業(yè)不斷升級換代,尤其是高精尖電子產業(yè)高速發(fā)展,致使2016—2020年成都市6種污染物年均質量濃度呈逐年下降趨勢,大氣環(huán)境質量不斷提高.

成都市空氣污染冬季比夏季嚴重,有明顯的季節(jié)變化特征,而出現(xiàn)這種季節(jié)性變化的原因有人為因素和氣象因素.PM2.5污染主要集中在冬季,成都屬于亞熱帶濕潤季風氣候,冬季盛行偏北風,干燥少雨,地面有效輻射強,易形成輻射逆溫,又處于盆地,污染物擴散條件差[14],另一方面是由于冬季人們用于供暖的煤炭燃燒和生物質燃燒增加了大氣中PM2.5[15].而夏季盛行偏南風,且山谷風環(huán)流引起盆地上空大氣層結不穩(wěn)定,對流強,多云雨,在降雨的沖刷及對流擴散至高空,導致PM2.5減少.

近地面NO2、O3主要來自以石油為燃料的汽車尾氣和工業(yè)廢氣.成都市人口多、私家車也多,有“世界第九堵”城市之稱,所以大量汽車尾氣排放,導致NO2在成都近5年皆有以NO2為主要污染物的月份,其中,在冬季NO2較少,在春季NO2增加,其主要原因是因為春季天氣回暖,人們的出行大幅度增加,汽車尾氣排放突然增加,加上3月大氣降水較少,導致NO2增多.汽車尾氣中的氮氧化物與碳氫化合物等在太陽光紫外線照射下會發(fā)生光化學反應,從而形成光化學煙霧,O3是其主要污染物.四川盆地多云,陰天多,是全國太陽輻射最少的地區(qū),因此,以O3為首要污染物僅出現(xiàn)于夏半年,且發(fā)生頻率較低.

2.3.3PM2.5與氣象要素的相關性分析 采用公式(4)計算出成都市2016—2020年PM2.5質量濃度與降水、氣溫、能見度和風速之間的各月(某月內當天的PM2.5質量濃度值與當天氣象要素相關系數(shù))、季(某季節(jié)內當天的PM2.5質量濃度值與當天的氣象要素相關系數(shù))、年(5年內當天的PM2.5質量濃度值與當天的氣象要素相關系數(shù))的相關系數(shù),并進行顯著性檢驗,結果如表2所示,不同時間尺度PM2.5質量濃度與4種氣象要素的相關性存在著較大的差異.

年尺度上,成都市PM2.5質量濃度與4種氣象要素呈負相關,均通過顯著水平為0.01的顯著性檢驗.其中與能見度相關性最高(顯著相關),其次是平均氣溫(低度相關),與風速、降水量呈弱相關.

表 2 2016—2020年成都市月、季、年PM2.5與氣象要素的相關性

季尺度上,除氣溫在春、夏、冬季節(jié)與PM2.5質量濃度呈弱正相關外,其余氣象要素與PM2.5質量濃度為負相關,并且4個季節(jié)中PM2.5質量濃度皆與能見度相關性最高(顯著相關),與其余氣象要素呈弱相關.月尺度上,能見度各月份皆與PM2.5質量濃度均呈顯著負相關.氣溫除6月以及9月外,其余月份與PM2.5質量濃度為低度正相關.風速僅在1月、4月、9月、10月以及12月與PM2.5質量濃度呈弱負相關.主要由于成都市在2016—2020年風速約89%的樣本分布在地面風速0～2 m/s(小風對大氣污染物的水平輸送、擴散、稀釋不利,4 m/s以上風速對污染物稀釋、擴散能力增強明顯),并且沒有4 m/s以上的風速樣本[16].降水量也僅在3月、7月、10月、11月與PM2.5質量濃度呈弱負相關.主要由于PM2.5初始質量濃度較低時(小于50 μg·m-3),存在較多負清除過程,而成都夏季有94%的時間PM2.5質量濃度小于50 μg·m-3,并且冬季降水量較少且時空分布不均,對PM2.5的清除過程較少發(fā)生[17].

2.3.4PM2.5與社會經濟發(fā)展的相關分析 在前面分析已知成都市PM2.5質量濃度呈逐年降低趨勢(圖5),為了分析成都市PM2.5的社會經濟影響因素,計算出了2016—2020年成都市社會經濟指標與PM2.5相關系數(shù)(表3).由表3可知,隨著成都市的經濟快速發(fā)展,機動車保有量、工業(yè)增加值、地區(qū)生產總值、能源消耗總量呈逐年增加的趨勢,工業(yè)煙(粉)塵排放量呈逐年遞減的趨勢.PM2.5與機動車保有量、工業(yè)增加值以及地區(qū)生產總值呈高度負相關,與工業(yè)煙(粉)塵排放量呈高度正相關.PM2.5與地區(qū)生產總值相關性最高,其次是工業(yè)增加值、機動車保有量、工業(yè)煙(粉)塵排放量.而PM2.5與能源消費量的相關關系沒有通過顯著水平為0.05的顯著性檢驗.可見,成都市PM2.5主要來源于汽車尾氣、工業(yè)煙(粉)塵排放.為了進一步改善成都市大氣環(huán)境質量,防止PM2.5污染,在經濟持續(xù)發(fā)展的同時,要大力推廣電能汽車,逐步減少燃油汽車,不斷優(yōu)化產業(yè)結構,加強工業(yè)煙(粉)塵的排放監(jiān)督和管控.

表3 2016—2020年成都社會經濟指標與PM2.5相關性

3 結論

1) 成都平原經濟區(qū)城市群的空氣質量在時空分布上存在明顯的差異性.在時間分布上,2016—2020年間成都平原經濟區(qū)城市群,雅安市和遂寧市的空氣質量最優(yōu),其次為樂山市、資陽市、綿陽市、德陽市、眉山市,成都市的空氣質量最差.成都平原經濟區(qū)的空氣質量綜合指數(shù)1—12月呈U型分布.在不同季節(jié),成都平原經濟區(qū)空氣質量總體為夏季最好,冬季最差.在空間分布上,2016—2020年,成都平原經濟區(qū)的空氣質量指數(shù)出現(xiàn)了2個高值和2個低值中心,高值中心分別位于成都市、德陽市,2個低值中心別位于雅安市、遂寧市.

2) 2016—2020年,成都市均以PM2.5為首要污染物出現(xiàn)頻率最高,并且6種污染物中除PM2.5的年均質量濃度值超過了國家二級標準限值,其余污染物均在國家二級標準限值內.在季節(jié)變化上,成都市夏半年空氣質量較好,無首要污染物出現(xiàn)頻率最高.以O3為首要污染物僅出現(xiàn)于夏半年,且出現(xiàn)頻率較低.在冬季,以PM2.5為首要污染物出現(xiàn)頻率最高,以NO2為首要污染物出現(xiàn)頻率最低.而PM10為首要污染物出現(xiàn)頻率各月相差不大.

3) 2016—2020年成都市主要氣象要素對PM2.5質量濃度的影響:年尺度上,成都市PM2.5質量濃度與能見度呈顯著負相關,與平均氣溫呈低度負相關,與風速、降水量呈弱相關;季尺度上,除氣溫在春、夏、冬季節(jié)與PM2.5質量濃度呈弱正相關外,4個季節(jié)中PM2.5質量濃度皆與能見度呈顯著負相關,與其余氣象要素呈弱負相關.

4) 2016—2020年成都市PM2.5質量濃度的社會經濟影響因子為汽車尾氣、工業(yè)煙(粉)塵排放.PM2.5與地區(qū)生產總值、工業(yè)增加值、機動車保有量呈高度負相關,與工業(yè)煙(粉)塵排放量呈高度正相關.