青島空氣質量變化特征及影響因素分析

鄭秀蘋, 姜澒月, 蔣 楠, 朱 磊

(青島市環境保護科學研究院,山東 青島 266003)

大氣復合污染是我國生態環境面臨的主要環境問題,特別是以顆粒物與臭氧為主的大氣污染給城市生態環境帶來了巨大的壓力[1-2],對公眾健康與生態環境安全造成了危害。 全球約91%的人口居住于超過世界衛生組織推薦的空氣質量標準的地區[1],中國空氣污染導致每年約有135 萬人死亡,780 萬人入院治療[2]。 為應對隨著社會經濟發展而演化的空氣污染,幾十年來學者在大氣污染物研究、大氣污染控制、空氣質量管理方面做了大量工作[2-3]。 研究表明,不同發展階段的城市群,空氣污染的改善程度存在差異[2-8]。

青島作為我國華東地區重要的經濟中心城市和沿海開放城市,其空氣質量問題一直備受關注。近年來,學者對青島市大氣單一污染物特征、時空變化規律等進行了廣泛的研究。 楊帆等[9]探究了夏季一次臭氧(O3)重污染過程的特征和成因,李瑞芃等[10]開展了重點行業揮發性有機物(VOCs)排放特征分析工作,邵錫浩[11]對青島市細顆粒物(PM2.5)污染物時空變化特征進行了概述。 目前這些研究局限于單一污染物、短時間周期,及時空特征的描述,對多污染物、長周期的分析尚有空白,未涉及大氣污染物與城市產業結構、能源結構、交通運輸等分析及管控措施的演變過程。 通過研究青島大氣主要空氣污染物濃度的變化特征,綜合回顧城市尺度上空氣質量的影響因素及行政機構對大氣主要污染物的管控措施,以期為青島及其他城市空氣質量管控提出符合城市發展階段特征、具有普適性及實用性的大氣污染物管控建議。

1 研究區域與研究方法

1.1 青島市概況

青島市是中國北方海濱城市,位于119°30′～120°00′E,35°35′～37°09′N。 地處山東半島南部,毗鄰黃海,地勢東高西低,為海濱丘陵城市。全市面積為11 293 km2, 2020 年常住人口1 007.2 萬人。 青島屬溫帶季風氣候,空氣濕潤,雨量充沛,常年平均氣溫12.7 ℃,年均降水量662 mm。

1.2 數據來源

青島市大氣主要污染物數據來源于《2001—2022 年青島市生態環境狀況公報》公布的全市年平均濃度,其中SO2、NO2、PM10統計時段為2001—2022 年；PM2.5、O3、空氣質量優良率統計時段為2013—2022 年。

青島市社會經濟數據來源于《2002—2022 年青島市統計年鑒》,包含了社會經濟指標類別:工業污染源治理、產業結構、清潔能源、交通運輸。以廢氣治理設施處理能力數據情況代表青島工業污染源治理成果,選取第二產業增加值與第三產業增加值比重的變化表征青島產業結構的調整情況,以天然氣供應量來代表青島清潔能源供應的基本特征,以貨運車輛數量表征交通運輸中機動車主要排污情況。

1.3 研究方法

通過SPSS26.0 對青島市大氣主要污染物濃度與各個社會經濟指標進行回歸曲線擬合,以雙側檢驗來評估擬合曲線的顯著性水平。

通過梳理2001—2022 年青島市大氣污染防治的措施與行動,逐年整理各類污染源管控的重點工作內容,以討論空氣污染防控措施變化對空氣質量改善的影響。

2 結果與分析

2.1 青島市空氣質量現狀及變化趨勢

2001—2022 年青島市大氣主要污染物濃度及空氣質量優良率的變化趨勢如圖1 所示。 2022年青島市空氣質量情況良好, SO2、NO2、PM2.5、PM10、O3年平均濃度分別為8 μg/m3、28 μg/m3、26 μg/m3、49 μg/m3、154 μg/m3。 從變化趨勢來看,青島市SO2、PM10、PM2.5濃度整體呈下降趨勢,NO2降幅不顯著,O3呈現上升趨勢,各污染物濃度變化與全國其他城市變化趨勢相近。 2001—2013 年,SO2濃度穩定維持在50 ～57 μg/m3,2014—2022 年濃度持續下降至8 μg/m3；2001—2008 年NO2年均濃度處于23 ～28 μg/m3小幅波動,2009—2014 年間提升并維持在40 ～48 μg/m3,2015—2022 年逐年波動下降至28 μg/m3；2001—2010 年 PM10濃度穩定于96 ～99 μg/m3,2012 年降至73 μg/m3,2014 年可吸入顆粒物濃度達到峰值107 μg/m3,后逐年波動下降至49 μg/m3。2013 年青島市正式實施國家新《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012),PM2.5與O3濃度納入空氣質量評價體系,空氣質量優良率數據納入統計范圍。 細顆粒物濃度變化趨勢與PM10基本一致,整體波動下降至26 μg/m3。 O3與PM2.5、PM10趨勢相反,從115 μg/m3上升到154 μg/m3,期間于2017 年達到峰值172 μg/m3。 空氣質量優良率整體處于波動上升趨勢,部分年度出現波動,在2022 年達到最優值88.5%。

圖1 2001—2022 年青島大氣主要污染物濃度及空氣質量優良率

2.2 青島空氣質量影響因素分析

2.2.1 青島市工業污染源治理與空氣質量的關系

青島大氣主要污染物濃度與工業污染源治理的關系散點圖如圖2 所示。

圖2 青島大氣主要污染物濃度與工業污染源泉治理的關系散點圖

通過研究青島大氣主要空氣污染物濃度與工業污染源治理的關系散點圖發現,工業污染源治理與SO2、PM2.5、PM10、NO2濃度擬合回歸曲線均通過P＜0.01 的顯著性檢驗。 對于SO2、PM2.5、PM10污染物,隨著工業污染源廢氣治理能力的提升,三者均呈現顯著下降趨勢,主要是由于工業污染源治理對控制工業制造燃燒源效果良好,部分工業企業通過煤炭、焦炭、汽油和柴油原料油等燃料供熱供能所產生的SO2、顆粒物得到了有效控制。 NO2擬合曲線呈現隨著工業污染源廢氣治理能力的提升,濃度呈上升的趨勢,可能是因為對于NOX的排放,工業源并非占據主要排放源。 VOCs 是O3生成的重要前體物,雖然在VOCs 排放源中工藝過程源和溶劑使用源占據工業污染源約41%[12-13],但是O3與工業污染源治理擬合曲線未通過顯著性檢驗,推測可能是由于工藝過程源、溶劑使用源排放產生的VOCs 未獲得有效治理,后期-需要重點加強對該大氣污染物的防治管控。

2.2.2 產業結構與空氣質量的關系

圖3 是青島大氣主要污染物濃度與產業結構的關系散點圖。 由圖3 可見,產業結構的優化調整對SO2、PM2.5、PM10、NO2濃度的影響作用顯著,擬合曲線均通過P＜0.01 的檢驗,尤其是SO2、PM2.5,呈現了回歸決定系數R2達到0.7 以上的較好擬合效果,說明通過產業結構的升級能夠顯著緩解SO2、PM2.5的污染問題。 NO2與產業結構呈現二次函數擬合趨勢,存在產業結構調整對NO2濃度改善的臨界點,其后NO2濃度控制需要從產業結構調整之外的影響因素入手。 O3與產業結構擬合曲線未通過顯著性檢驗。

圖3 青島大氣主要污染物濃度與產業結構的關系散點圖

2.2.3 清潔能源供應與空氣質量的關系

圖4 是青島大氣主要污染物濃度與清潔能源供應的關系散點圖。 由圖4 可見,SO2濃度與清潔能源供應的二次函數擬合曲線呈現回歸決定系數R2達到0.79,擬合效果較好,NO2、PM10同樣呈現二次函數曲線,前述擬合曲線均通過P＜0.01 檢驗。 現階段清潔能源供應已經超過SO2、PM10擬合二次函數曲線極值點,SO2、PM10濃度隨著天然氣供應量增加而持續降低,并且清潔能源可以替代減少燃煤供能,因此,對降低SO2濃度效果最為顯著。 當超過7.3 億m3的二次函數擬合曲線極值點后,NO2濃度也轉為下降階段。 隨著清潔能源供應的增加,PM2.5濃度同樣呈現下降趨勢。 O3與清潔能源供應擬合曲線未通過顯著性檢驗。

圖4 青島大氣主要污染物濃度與清潔能源供應的關系散點圖

2.2.4 載貨汽車與空氣質量的關系

圖5 為青島大氣主要污染物與載貨車輛散點圖。 如圖5 所示,隨著載貨汽車數量的增加,NO2濃度開始呈增加的趨勢,但載貨汽車數量達到約17 萬輛之后,同PM2.5、PM10、SO2濃度均呈下降趨勢。 自2014 年調整公路貨運量統計口徑以來,公路貨運量與載貨汽車數量保持同步增長趨勢,公路貨運量增幅每年達到3%～19%,二者皮爾遜相關系數達到0.986,呈現顯著正相關,即載貨汽車數量乃至公路貨運量的增加并沒有完全使得青島空氣質量持續惡化。 因此,單純以控制柴油貨車類高污染排放車輛數量或控制公路貨運量并不能有效地實現大氣主要污染物濃度大幅降低,且經濟社會的發展以及人口規模的持續增大,貨運量和載貨汽車數量的增加實為必然。 O3與載貨汽車擬合曲線未通過顯著性檢驗。

圖5 青島大氣主要污染物濃度與載貨汽車的關系散點圖

續圖5

2.3 青島空氣污染防治的調控措施演變特征

在“十五”期間,青島開展燃煤污染型控制與機動車排氣監管,以淘汰燃煤鍋爐為主進行控制燃煤污染,通過排氣監測、執法檢查控制機動車與摩托車尾氣污染,該階段監管內容及覆蓋范圍相對單一,對空氣污染物濃度的控制效果較弱,SO2、NO2、PM10濃度基本維持不變。

“十一五”期間,青島市大氣污染特征為煤煙型污染,工業污染源調控措施集中于采取淘汰燃煤鍋爐、安裝煙氣脫硫設施、電力行業脫硫。 探索推行能源審計,增加市區集中供熱面積,開展風能發電項目建設。 針對交通運輸中機動車尾氣污染,以淘汰老舊公交車、實施機動車排氣檢測/維修制度為重點,并通過灑水車實現道路灑水抑塵,初步開展工業粉塵排污費核征。 未開展產業結構調整、VOCs 等方面調控。 該階段青島大氣污染物調控仍處于初期探索階段,有明確的管控措施要求。 但由于治理力度和技術水平的限制,SO2、PM10濃度下降趨勢不明顯,NO2濃度仍處于上升階段。

“十二五”期間,隨著國家新《環境空氣質量標準》頒布實施,PM2.5與O3濃度納入空氣質量評價體系。 該階段青島空氣污染同時呈現煤煙、揚塵、工業廢氣、機動車尾氣復合型污染特征,相應污染物控制要求及措施內容明顯增多,并逐步建立大氣污染防治體制機制。 燃煤鍋爐煙氣的脫硫脫硝仍為大氣污染防治的工作重點,禁售燃用劣質燃煤、禁止新上傳統燃煤項目、禁燃高污染燃料區域擴大等管控要求更加嚴格,使得SO2污染明顯改善。 隨著企業堆場揚塵污染治理、建筑工地揚塵治理和裸露土地綠化等揚塵源治理,PM10與PM2.5濃度均持續降低。 青島市全面供應國五車用燃油,實施第五階段機動車排放標準,國Ⅰ排放標準黃標車提前淘汰,實施油氣污染綜合治理,但對于主要影響的NO2污染物濃度仍處于波動階段。 重點行業開展VOCs 污染現狀調查,在石化、表面涂裝、有機化工等行業開展VOCs 廢氣治理工作,但此階段仍未開展對O3前體物VOCs 的濃度監測。

“十三五”期間,青島空氣污染治理調控措施愈加精細化、系統化,涵蓋污染源治理和產業結構、清潔能源、交通運輸結構調整等。 污染源治理中實行煤炭總量控制,改造完成工業燃煤鍋爐超低排放項目,并且重點進行民用散煤清潔化治理,實施嚴格的“秸稈禁燒”控制措施。 多式聯運、運輸網絡建設、調整青島港貨物運輸方式等交通結構調整內容出臺,并且在機動車尾氣排放管控中增強重型柴油車開展監督檢查。 其他調控措施如老城區企業搬遷,鋼鐵、水泥、平板玻璃等高耗能高排放行業落后產能淘汰、加強裸土綠化工程、天然氣清潔能源采暖等措施常規進行。 新增核發建筑廢棄物準運證,實施建筑工地揚塵監測數字化和實時化管理。 至此,傳統大氣主要污染物已經得到控制,SO2穩定下降并且保持低于8 μg/m3水平,PM10、PM2.5取得了顯著下降的治理效果,NO2濃度波動維持在30 μg/m3,達到國家空氣質量一級標準。 VOCs 治理開始成為工業污染防治的關注點,首次制定以控制生成臭氧重要前體物為目標的VOCs 和氮氧化物精細化的綜合減排清單,但是O3濃度保持在較高水平且上升的趨勢尚未得到有效遏制,成為夏秋季空氣首要污染物。

3 結論與建議

3.1 青島大氣污染物變化特征及污染物管控建議

在空氣質量影響因素和調控措施的共同作用下,2001—2022 年青島市大氣污染物濃度在不同階段呈現不同特點。 SO2、NO2、PM10整體變化趨勢相近,2008 年前年均濃度基本穩定不變,其后均呈現整體波動下降的趨勢。 SO2、PM10、PM2.5污染物濃度下降得益于各項嚴格的空氣污染治理措施,但O3濃度上升趨勢顯著、NO2降幅不明顯的問題仍然存在。 大氣污染物之間存在一定的關聯性,NOX、VOCs 在光照條件下生成O3,顆粒物濃度降低,大氣能見度提高,光照強度加強,可能使得O3的生成反應得到增強,因此在下一階段,O3污染需要對前體物NOX和 VOCs 濃度、相對組成和光化學反應條件的共同影響展開基礎研究[14],分析不同年度O3濃度的規律性,從而解讀污染成因、精準溯源。

綜合青島空氣質量影響因素與調控措施分析,工業污染源治理、產業結構調整等調控措施對SO2污染的緩解成效顯著,離不開脫硫治理技術研發起步早、技術已成熟應用的原因。 對于NO2污染,自“十五”期間,以柴油汽車為主的機動車尾氣監管治理工作持續開展,但載貨汽車數量的增加,并未直接使得NO2濃度線性遞增,而是呈二次函數擬合曲線趨勢,這可能是因為一方面青島對以柴油載貨汽車為主的機動車尾氣管控已經取得階段性成效,另一方面載貨汽車數量與貨運量有很強的協同性,該指標主要反映的是青島社會經濟發展的情況,另外產業結構與能源結構的調整,也可抑制NOX濃度的上升。 作為年吞吐量達到6.1 億t、增速為4.7%的港口城市,集裝箱船、漁船等船舶污染源對于SO2和NOX排放量的影響也需要進一步補充分析。 工業污染源治理、產業結構、清潔能源供應的指標與PM2.5、PM10濃度擬合曲線均通過P 檢驗,并且PM2.5曲線的擬合效果略優于PM10,即工業污染源治理、產業結構調整與清潔能源供應對控制顆粒物取得了良好的效果。 結合PM2.5、PM10污染源解析[15],揚塵污染源控制作為排放首位仍值得重點關注,施工工地及裸露土地存在精細化治理程度不高、防塵抑塵措施落實不到位等問題仍然存在,未來需要增強機械化保潔、硬化圍擋噴淋改造、綠化等治理力度。 青島市O3污染形勢依舊嚴峻,除了常規性的空氣質量調控措施外,急需提高前體物VOCs 的廢氣收集率和治理設施處理率,以鋼鐵、水泥、平板玻璃、化工、橡膠、工業涂裝等行業為重點,采用低VOCs 含量原輔材料,推進技術升級改造,同時開展生活消費領域VOCs 排放治理。 解析VOCs和臭氧污染物來源,深化PM2.5、氮氧化物、臭氧協同控制研究。

3.2 結論

(1)2001—2022 年,青島市以SO2、PM2.5、PM10為代表的大氣污染物濃度降幅顯著,但是O3濃度一直保持在較高水平且處于上升趨勢,NO2污染物存在濃度降幅較小的問題。

(2)總結青島空氣質量影響因素,發現工業污染源治理、產業結構調整與清潔能源供應對SO2、PM2.5、PM10濃度控制成效顯著,工業污染源治理、清潔能源供應對控制SO2污染效果顯著。載貨汽車數量的增加并沒有完全使得NOX污染持續惡化。 隨著各項污染物調控措施出臺,涵蓋污染源治理和產業結構、能源結構、交通運輸結構調整等空氣污染治理調控措施逐漸轉向精細化、系統化治理,青島市大氣主要污染治理取得明顯成效,但當下對于VOCs 及O3污染物的管控,仍需要進一步強化。

(3)青島市未來空氣污染物治理措施中,NO2污染控制仍需在道路機動車污染防治的基礎上,進一步關注港口運輸污染排放。 揚塵作為PM2.5、PM10的重要污染源仍值得重點關注。 O3污染需要深入解析VOCs 和臭氧形成機理,從源頭控制VOCs 產生和排放,協同控制細顆粒物和O3污染。