天津市津南區(qū)雙港鎮(zhèn)冬夏兩季空氣質(zhì)量影響因素的分析和比較

李培君，趙君彥，張伯年

(天津市津南區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300350)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人們生活水平日益提高,對空氣質(zhì)量的關(guān)注日益提高。近幾年的冬季,中國北方絕大部分城市空氣質(zhì)量有顯著提升，霧霾天氣明顯減少, 但冬季空氣質(zhì)量仍是人們關(guān)心的重要問題。大多數(shù)學(xué)者的解釋觀點(diǎn)主要集中在三方面：一是氣象條件；二是沙塵和揚(yáng)塵；三是燃煤[1]。這三點(diǎn)中，地理位置決定氣象條件，不可改變，沙塵和揚(yáng)塵全國各地情況不盡相同，但都可通過改變地表?xiàng)l件改善，而冬季燃煤是北方和南方所具有的本質(zhì)不同。

當(dāng)前，我國對于環(huán)境空氣質(zhì)量主要是通過自動環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來反映，天津市津南區(qū)在全區(qū)11個鎮(zhèn)(街、園區(qū))全部安置了空氣自動監(jiān)測站，率先在天津市做到了全區(qū)域空氣質(zhì)量立體式全覆蓋監(jiān)測，其中雙港鎮(zhèn)在鍋爐并網(wǎng)改造中保留了較大噸位的供熱鍋爐，本文采用雙港鎮(zhèn)空氣自動站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對雙港鎮(zhèn)冬季和夏季的空氣質(zhì)量進(jìn)行分析，找出冬夏兩季空氣質(zhì)量的影響因素的差異。

2 污染因子的選擇

由于供暖期與非供暖期存在較為明確的分界線，工廠生產(chǎn)及人類活動是一年四季都存在的,而且在中國春節(jié)長假期間,全國各地的絕大部分工廠是停產(chǎn)狀態(tài)，因此本文避開了1月份，選取了12月的數(shù)據(jù)作為冬季的代表，對應(yīng)半年時間，選取6月的數(shù)據(jù)作為夏季的代表。空氣自動監(jiān)測站的監(jiān)測因子PM10、PM2.5、SO2、CO、O3和NO2作為城市大氣污染的指標(biāo)，雙港鎮(zhèn)冬夏兩季的環(huán)境空氣指標(biāo)見如下。

3 污染物主成分分析

主成分分析法是研究多個變量之間相關(guān)性的多元統(tǒng)計方法。利用少數(shù)幾個主分量來解釋多個變量間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。主成分分析是運(yùn)用降維的方式，把涉及多因素的問題中的多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個特征指標(biāo)，在保證分析結(jié)果精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上提高了效率[2，3]。

本文采用主成分分析法。對6種大氣污染因子進(jìn)行主成分分析之前，先進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得出顯著性系數(shù)<0.05，表明數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，各變量之間有相關(guān)性。再通過SPSS對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,求出無量綱后數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣R與R的特征值、特征向量和貢獻(xiàn)率。

以下利用SPSS軟件對2020年6月份雙港鎮(zhèn)夏季的環(huán)境空氣各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[4，5]。

表1 2020年6月夏季雙港鎮(zhèn)環(huán)境空氣指標(biāo)主成分特征值和貢獻(xiàn)率

由表1結(jié)果可知，根據(jù)特征根大于1的條件可確定三個主成分，其累計率達(dá)85.880%，可充分保留原始信息。三個主成分對原信息的解釋能力分別為43.023%、24.392%和18.464%。所以選取這三個主成分作為綜合指標(biāo)，可以較全面地反應(yīng)出天津市雙港鎮(zhèn)夏季的空氣質(zhì)量。

為了研究夏季雙港鎮(zhèn)環(huán)境空氣中污染物的相關(guān)性，本文對PM10、PM2.5、SO2、CO、O3、NO2與選取的三個主成分進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表2。

表2 2020年6月夏季雙港鎮(zhèn)環(huán)境空氣指標(biāo)因子載荷

表2中數(shù)值表示該污染指標(biāo)因子作為主成分線性組合的系數(shù)，系數(shù)的絕對值越大，則主成分對該因子的代表性越大。

由表2可知：PM10、PM2.5、CO、NO2與第一主成分的絕對值相關(guān)性均超過60%，說明上述污染物均與第一主成分關(guān)系密切，表明雙港鎮(zhèn)夏季環(huán)境空氣中PM10、PM2.5、CO、NO2排放量相對較高，上述4種污染因子的來源與理化性質(zhì)有一定的相似性，并且性質(zhì)相對穩(wěn)定，在環(huán)境空氣中停留時間較長，從而影響了空氣質(zhì)量。

與第二主成分相關(guān)性大的是PM2.5、SO2、O3。其中，PM2.5、O3與第二主成分呈正相關(guān)，說明PM2.5、O3對空氣質(zhì)量的影響較大。SO2與第二主成分呈負(fù)相關(guān)，SO2數(shù)值越大，第二主成分越低，空氣質(zhì)量越好[6]。在夏季，雙港鎮(zhèn)的空氣質(zhì)量受SO2數(shù)值影響不大。

與第三主成分相關(guān)性超過60%的污染因子是CO，說明雙港鎮(zhèn)夏季環(huán)境空氣中CO的排放量較高。而CO為機(jī)動車源排放的標(biāo)識物。

綜上，雙港鎮(zhèn)夏季環(huán)境空氣中污染最嚴(yán)重的是第一主成分的PM10、PM2.5、CO、NO2，這表明雙港鎮(zhèn)夏季環(huán)境空氣污染的來源較多，包括：道路揚(yáng)塵、機(jī)動車尾氣以及工業(yè)排放的廢氣和粉塵等。

以下利用SPSS軟件對2020年12月份雙港鎮(zhèn)夏季的環(huán)境空氣各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[4，5]。

表3 2020年12月冬季雙港鎮(zhèn)環(huán)境空氣指標(biāo)主成分特征值和貢獻(xiàn)率

由表3結(jié)果可知，根據(jù)特征根大于1的條件可確定1個主成分，其累計率達(dá)80.741%，可充分保留原始信息。1個主成分F1對原信息的解釋能力為80.741%。因此，選取第一主成分作為綜合指標(biāo)，可以較全面地反應(yīng)出天津市雙港鎮(zhèn)冬季的空氣質(zhì)量。

為了研究冬季雙港鎮(zhèn)環(huán)境空氣中污染物的相關(guān)性，本文對PM10、PM2.5、SO2、CO、O3、NO2與選取的第一主成分進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表4。

表4 2020年12月冬季雙港鎮(zhèn)環(huán)境空氣指標(biāo)因子載荷

表4中數(shù)值表示該污染指標(biāo)因子作為主成分線性組合的系數(shù)，系數(shù)的絕對值越大，則主成分對該因子的代表性越大。

由表4可知：PM10、PM2.5、SO2、CO、O3、NO2與第一主成分的絕對值相關(guān)性均超過80%，說明上述污染物都與第一主成分關(guān)系非常密切。其中，PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2與第一主成分呈正相關(guān)，說明這5種污染因子對空氣質(zhì)量的影響較大，且來源與理化性質(zhì)有一定的相似性，是影響空氣質(zhì)量的主要因素。O3與第一主成分呈負(fù)相關(guān)，說明在冬季，受氣象因素影響雙港鎮(zhèn)的空氣質(zhì)量受O3數(shù)值影響不大。

綜上，雙港鎮(zhèn)冬季環(huán)境空氣中污染最嚴(yán)重的是第一主成分的PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2，主要影響因素依次為：NO2、CO、PM2.5、PM10、SO2。這表明雙港鎮(zhèn)冬季環(huán)境空氣污染的主要來源是燃煤燃?xì)夤帷?/p>

這與《2020年津南區(qū)大氣污染形勢、成因與防治建議報告》中津南區(qū)境內(nèi)氮氧化物和顆粒物主要來自于燃煤供熱站、燃?xì)夤嵴尽⒐I(yè)企業(yè)燃?xì)忮仩t，較小比例來自于工藝過程源的結(jié)論一致[7]。

4 分析與討論

(1)根據(jù)分析結(jié)果可以比較看出，雙港鎮(zhèn)冬季環(huán)境空氣的主要影響因素主要是NO2、CO、PM2.5、PM10、SO2，貢獻(xiàn)值為80.741%；雙港鎮(zhèn)夏季環(huán)境空氣的主要影響因素主要是PM10、PM2.5、CO、NO2，但貢獻(xiàn)值僅為43.023%，O3對夏季空氣質(zhì)量也有所影響。

(2)燃煤的主要污染物是SO2、NOx、粉塵(PM10、PM2.5)，通過冬夏兩季主要污染物的對比不難看出，冬季燃煤對空氣質(zhì)量有直接和決定性的影響[7]，夏季污染物來源組成復(fù)雜，包含：道路揚(yáng)塵、機(jī)動車尾氣以及工業(yè)排放的廢氣和粉塵等。臭氧是季節(jié)因素起了決定作用，而氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物是PM2.5和臭氧的共同前體物。因此需要強(qiáng)化氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物的減排，從而降低PM2.5和臭氧濃度，實(shí)現(xiàn)對PM2.5和臭氧污染的協(xié)同控制。

(3)近年來企業(yè)更加重視環(huán)境保護(hù)的社會效益，各種環(huán)保設(shè)施升級換代，重點(diǎn)針對主要污染物，如脫硫設(shè)備，除塵設(shè)備等，使主要污染物等到了有效的控制。通過分析，燃煤污染中最主要的SO2沒有成為雙港鎮(zhèn)冬季環(huán)境空氣污染的最主要因素，證明當(dāng)?shù)貙τ诃h(huán)境治理非常重視，有效抑制了主要污染物的產(chǎn)生，取得了良好的效果。

(4)針對北方燃煤供暖對環(huán)境造成的影響，本文給出幾點(diǎn)對應(yīng)的建議：第一,堅持煤改燃的改造升級，大力推廣利用效率更高，更加環(huán)保的清潔能源。第二，統(tǒng)籌供熱規(guī)劃，減并小鍋爐，進(jìn)一步擴(kuò)大集中供暖的覆蓋面,加快對現(xiàn)有鍋爐和發(fā)電機(jī)組等的技術(shù)改造。第三,加快工業(yè)污染物處理設(shè)備的更新?lián)Q代，在處理次級和三級污染物上下功夫，使工業(yè)排放符合生態(tài)循環(huán)的要求。