重慶銅梁縣空氣質量歷時演變與評價

周 彥，譚 偉，王書敏，杜 芬

1.銅梁縣環境保護局，重慶 402560

2.重慶文理學院水環境修復重點實驗室，重慶 402160

3.山東魯潤水務科技有限公司，山東 濟南 250101

近年來，由于國內經濟不斷發展、能源消耗規模不斷增加，機動車持有率迅速增長、城鎮化水平快速提高等問題不斷凸顯，城市空氣質量已成為直接威脅人類健康的主要環境問題之一［1］。由于各地氣候條件、地形特征、能源結構不同，城市空氣質量也多有區別。北京［2］、武漢［3］、廈門［4］、上海、成都、廣州［5］等大城市先后進行了城市空氣質量的監測與分析。重慶主城區也進行了城市空氣質量的調查研究，如空氣污染物空間分布［6］、時間分布［7］等，然而，對于偏遠地區小城鎮的空氣質量問題則鮮有報道。

盡管近年來國內城市空氣質量問題已有顯著改善，但迫于能源消耗總量、城市交通車輛、極端氣候條件發生幾率等持續增加的巨大壓力，城市空氣質量仍不容樂觀［8］，空氣污染已呈現出由中心大城市向衛星城鎮輻射擴散的態勢。小城鎮空氣質量往往代表大城市空氣質量的背景水平，其水平分布與演變規律對于中心城市空氣質量有重要影響。以重慶銅梁縣為研究對象，分析該地近3年的空氣質量水平，旨在探討快速城市化背景下小城鎮空氣質量的歷時演變規律，分析影響空氣質量的主要原因，并為城市空氣質量管理決策提供依據。

1 實驗部分

1.1 研究區域

銅梁位于重慶市西北部，四川盆地東南，川中丘陵與川東平行嶺谷交接地帶，地跨105°46'～106°16'E，29°31'～ 30°06'N，距離重慶主城區60 km;重慶地區全年主導風向是東北風和北風，銅梁處于重慶主城區上風向;銅梁屬亞熱帶氣候，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，年平均氣溫17.8℃，歷年平均降雨量1 075 mm，年平均空氣相對溫度82%，年平均無霜期225 d。

監測點位于銅梁縣龍門街(106°2'59.7″E，29°50'3.5″N)，海拔高度 292 m，相對地面高度20 m。自2010年起，在該監測點進行了空氣質量的逐日觀測。

1.2 空氣質量評價方法

用空氣污染指數法對每日空氣質量進行評價，計算方法分2步進行。首先按照公式(1)計算污染物分指數;然后選取最大的分指數作為最后評價結果，并根據表1給出空氣質量狀況。

式中，C大、C小分別為表1中距離污染物濃度C值最近的2個值;I大、I小分別為表1中距離污染指數最近的 2 個值［9］。

表1 污染物濃度-污染指數-空氣質量表

2 結果與討論

2.1 空氣污染物濃度歷時演變規律

統計分析了銅梁縣2010年7月—2012年12月空氣污染物濃度的時間分布特性，如圖1所示。

圖1 銅梁縣空氣污染物濃度時間分布

從圖1(a)可以看出，銅梁縣近3年污染物濃度呈波動性鋸齒狀分布。相對于《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)來說，SO2、NO2、O3的日均濃度基本上在標準值以內，而PM10的日均濃度近3年來約有10%的天數超出標準值。相對于世界衛生組織的推薦值來說(PM10和SO2的日均濃度分別為 50、20 μg/m3)［10］，PM10和 SO2的日均濃度超標天數則可分別達到43%和85%。

從圖1(b)可以看出，盡管污染物濃度在不同季節有所波動，但整體上 PM10、SO2濃度呈下降趨勢。冬季，PM10、SO2和NO2濃度較夏季高，可能是冬季靜風率高，污染物不易擴散所致;而O3的濃度分布則呈現出夏季高、冬季低的特點，這可能是由夏季紫外線照射引發的光化學煙霧現象所致。曲曉黎等［11］對石家莊空氣質量的分析也發現冬季空氣質量劣于夏季，與該研究結果相似。

從圖1(c)可以看出，NO2和 O3濃度有所增加，2012年年均濃度比2010年分別升高了14%和33%，這可能是交通車輛的快速增加引起汽車尾氣排放量迅速增加所致;PM10和SO2的年均濃度則逐年下降，2012年比2010年分別下降了34%和19%。同時，除了2010年 PM10的年均濃度超出《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)標準值24%以外，其余監測指標近3年的年均濃度均滿足該標準的要求。然而，相對于世界衛生組織提出的PM10年均濃度標準(20 μg/m3)來說，銅梁縣空氣質量水平仍然面臨極大壓力。

為比較小城鎮與主城地區的空氣質量狀況，收集了重慶主城區空氣質量的研究結果，見圖2。

圖2 重慶主城區歷年空氣污染物濃度［12］

由圖2可知，這10余年來，重慶主城區污染物濃度整體上呈逐年下降趨勢。2010年 PM10、SO2、NO2的年均濃度分別為 102、50、40 μg/m3，相對于1998年，分別下降了56%、73%和29%。盡管污染物濃度下降幅度很大，相對于小城鎮來說，主城區的污染物濃度仍然處于相對較高的水平(2010年銅梁縣PM10、NO2的年均濃度分別為87、29 μg/m3)。但是，2011、2012 年主城區 SO2、NO2的年均濃度已與小城鎮無顯著差異(主城區與銅梁縣的 SO2、NO2平均濃度分別為 38、37、32、35 μg/m3)，然而，主城區 PM10的濃度水平(93、90 μg/m3)仍然顯著高于小城鎮。

2.2 空氣污染物相關性分析

用SPSS18.0統計分析了銅梁縣空氣污染物濃度與氣象參數之間的皮爾遜相關系數，見表2。

表2 空氣污染物濃度與氣象參數相關性分析(n=19 000)

由表2 可知，PM10、SO2、NO2濃度與溫度、風速呈顯著負相關性，而與大氣壓、相對濕度呈顯著正相關性，可能是由于溫度、風速的增加有利于提升低層空氣的不穩定度，從而加劇了污染物的擴散和稀釋。同時，高大氣壓可能引起空氣體積壓縮，從而使污染物濃度增加，較高的相對濕度也有利于空氣微小顆粒的凝聚成核，進而引起顆粒污染物濃度的增加。與此相反，O3濃度則與溫度、風速呈正相關關系，與氣壓、相對濕度呈負相關關系，可能是由于高O3濃度大多在晴朗高溫天氣出現的緣故。

2.3 空氣質量評價

采用空氣污染指數法評價了銅梁縣近3年空氣質量狀況，如圖3所示。

圖3 銅梁縣2010—2012年空氣質量評價

由圖3可知，近3年來銅梁縣空氣質量逐年提升，主要表現為輕度污染天數出現頻率的降低和優、良空氣質量天數出現頻率的穩定提高。相對于2010年的空氣質量狀況，2012年空氣質量等級為優和良的天數分別從36%、43%提高到41%、52%，而空氣質量等級為輕度污染的天數則降低了9%。

空氣質量狀況與當地能源消耗總量和能源結構密切相關。據研究，90%的SO2來自工業生產和火力發電消耗的煤炭［13］，同時，城市交通消耗的液體燃料又是空氣中氮氧化物的主要來源［14］。研究了銅梁縣統計局提供的2010—2012年銅梁能源消耗結構(表3)。

表3 銅梁縣2010—2012年能源消耗結構統計

由表3可知，2010—2012年以來，銅梁縣固液態能源消耗總量逐年降低，由2010年能源消耗總量138萬噸標準煤降低到了2012年的114萬噸標準煤(降低了17%);同時，天然氣、電力等清潔能源近3年的消耗量則呈上升趨勢，分別上升了49%和4%，這可能是銅梁縣近3年空氣質量逐年提升的重要原因之一;值得注意的是，固液態能源中生物質燃料、液化石油氣等較清潔能源的消耗逐漸增加，而煤矸石、原煤等污染強度較大的能源消耗量則逐年減少，這可能是銅梁縣空氣質量逐年提升的另一個重要原因。

為進一步說明能源消耗與小城鎮空氣質量的關系，分析了污染物濃度與能源消耗量的相關性，見表4。

表4 空氣污染物濃度與能源消耗相關性分析(n=3)

由表4可知，SO2年均濃度與天然氣消耗量、其他燃料消耗量(除煤炭類、石油類外)呈顯著負相關，而NO2年均濃度則與其他焦化產品(焦炭除外)消耗量顯著正相關，PM10年均濃度與煤制品消耗量呈顯著正相關，這進一步說明了銅梁地區能源消耗結構對當地空氣質量有一定程度的影響。

3 結論

1)空氣污染物濃度與氣象參數相關性分析表明，PM10、SO2、NO2濃度與溫度、風速呈顯著負相關性，而與大氣壓、相對濕度呈顯著正相關性;O3濃度則與溫度、風速呈正相關關系，與氣壓、相對濕度呈負相關關系。

2)空氣污染物濃度時間分布分析和評價結果表明，NO2和O3濃度呈上升趨勢，2012年年均濃度比2010年分別升高了14%和33%，PM10和SO2的年均濃度則呈下降趨勢，2012年年均濃度比2010年分別下降了34%和19%。總體上看，小城鎮空氣污染物年均濃度基本能滿足《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)的要求，空氣質量狀況逐年改善。

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