“十三五”時期哈爾濱空氣質量變化特征及影響因素分析

戚嘉卓,李亞男,張志浩,周錫琨,王曉丹,馬 駿

1.黑龍江省哈爾濱生態環境監測中心,黑龍江 哈爾濱 150076 2.黑龍江省生態安全與事故調查中心,黑龍江 哈爾濱 150096 3.中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室,北京 100012

哈爾濱市的地理坐標為125°42′～130°10′E、44°04′～46°40′N,地處中國東北平原東北部,黑龍江省南部,轄區東臨牡丹江市、七臺河市,南連吉林省長春市[1]、吉林市、延邊朝鮮族自治州,西接綏化市、大慶市,北毗伊春市、佳木斯市[2]。哈爾濱市屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候,冬長夏短,四季分明。冬季在極地大陸氣團控制下,氣候寒冷、干燥;夏季降水充沛,氣候溫熱;春秋為冬夏季風交替季節,氣候多變,春季多西南大風,氣溫回暖快,秋季降溫急劇,降水變率較大。2020年哈爾濱市GDP為5 351.7億元,占黑龍江省地區GDP的39.6%[3]。當前,已有部分學者對哈爾濱市環境空氣質量變化特征及其影響因素開展研究,包括采暖季PM2.5污染特征研究[4-5]、污染傳輸特征及潛在源區分[6]、PM2.5與氣象要素研究[7]、空氣質量與氣象條件關聯分析[8]以及哈爾濱市PM10污染與氣象條件分析[9]等。但大多僅考慮供暖季或個別年,對6項污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)長時間變化研究較少,對環境空氣質量影響因素的研究多為氣象條件,對秸稈焚燒等因素研究較少。

基于哈爾濱市12個國控監測點位監測結果,對2013—2020年哈爾濱市環境空氣質量優良天數及6項污染物進行分析,總結環境空氣質量變化特征,結合氣象條件、秸稈焚燒等相關污染因素對哈爾濱市環境空氣質量影響因素進行研究。

1 研究方法

1.1 數據來源

該研究涉及的數據來源于國家生態環境質量監測網和政府公開發布材料,選取哈爾濱市2013—2020年6項空氣污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)的日均濃度和市區監測站點空氣污染物濃度為研究指標,開展哈爾濱市環境空氣質量變化特征分析,其中2013—2015年為“十二五”時期數據,2016—2020年為“十三五”時期數據。PM2.5源解析結果為黑龍江省生態環境監測中心與中國環境科學研究院研究結果,火點數據在中國科學院遙感與數字地球研究所提供的近實時地表高溫異常點查詢服務系統查詢獲得,冬季供暖面積數據來自哈爾濱市公開發布的統計年鑒。

點位布設情況見圖1。

圖1 哈爾濱市環境空氣自動監測點位Fig.1 Automatic monitoring points of ambient air in Harbin

1.2 研究方法

空氣質量評價方法依據《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)、《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ 663—2013)和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012),使用SPSS 22.0軟件分析空氣污染物濃度特征,通過WPS Office軟件展示污染物時間變化特征,使用ArcGIS軟件分析空氣污染物空間變化特征,采用統計與相關分析的方法,綜合分析了哈爾濱市能源結構、污染物源解析結果和氣象條件等影響因素,其中利用皮爾遜相關系數統計方法,對2013—2020年哈爾濱市冬季各月污染物濃度和氣象要素任意變量之間的相關程度進行分析。

2 結果與討論

2.1 環境空氣質量現狀

2020年哈爾濱市環境空氣質量有效監測天數為366 d,達標天數為303 d,達標率為82.8%。其中空氣質量為優的天數為148 d,良為155 d,超標天數為63 d。超標天數中,輕度、中度、重度和嚴重污染分別為27、16、14、6 d。超標天數中首要污染物有55 d為PM2.5,7 d為O3,1 d為PM10與PM2.5(圖2)?？諝赓|量綜合指數為4.44。

圖2 2020年哈爾濱市環境空氣質量級別比例分布Fig.2 Distribution of ambient air quality levels in Harbin in 2020

6項污染物日評價中,PM2.5、PM10、NO2、O3出現超標情況,達標率分別為84.7%、93.4%、98.1%、98.1%。年均值評價中,PM2.5超過國家二級標準0.34倍,PM10、NO2、SO2達到國家二級標準。年百分位數評價中,PM2.5第95百分位數超二級標準1.09倍,PM10第95百分位數超二級標準(日)0.19倍,其他4項污染物達標(表1)。

表1 2020年環境空氣6項污染物情況Table 1 Six pollutants of ambient air in 2020

2.2 時間變化趨勢

2.2.1 空氣質量級別

2013—2020年,哈爾濱市環境空氣質量優良天數比例總體呈明顯增加趨勢,污染天數總體呈波動下降趨勢。與“十二五”期間相比,“十三五”期間哈爾濱市環境空氣質量優良天數明顯增加,重度及以上污染天數明顯減少。優良比例從“十二五”期間的65.0%上升至“十三五”期間的80.5%,上升15.5百分點。重度及以上污染天數比例從12.6%下降至4.6%,下降8.0百分點(表2)。

表2 2013—2020年哈爾濱市環境空氣質量各級別天數統計Table 2 Statistics of days of ambient air quality at various levels in Harbin from 2013 to 2020

2.2.2 主要污染物濃度

與“十二五”期間平均值相比,“十三五”期間哈爾濱市PM2.5平均質量濃度下降26 μg/m3,降幅為35.1%,2013—2020年哈爾濱市PM2.5濃度呈波動下降趨勢,各年年均值均超過國家二級標準;PM10平均質量濃度下降40 μg/m3,降幅為36.0%,2013—2020年哈爾濱市PM10濃度呈波動下降趨勢,2018—2020年年均值達到國家二級標準;NO2平均質量濃度下降15 μg/m3,降幅為28.3%,2013—2020年哈爾濱市NO2質量濃度呈波動下降趨勢,2018—2020年年均值達到國家二級標準;SO2平均質量濃度下降25 μg/m3,降幅為53.2%,2013—2020年哈爾濱市SO2濃度呈下降趨勢,各年年均值達到國家二級標準;CO第95百分位數平均值下降0.3 mg/m3,降幅為15.8%,2013—2020年哈爾濱市CO第95百分位數呈波動下降趨勢,各年百分位數達到國家二級標準;O3日最大8 h平均第90百分位數上升26 μg/m3,升幅為27.1%,2013—2020年哈爾濱市O3日最大8 h平均第90百分位數呈上升趨勢,各年百分位數達到國家二級標準(表3和圖3)。

表3 哈爾濱市環境空氣“十三五”與“十二五”期間6項污染物濃度對比Table 3 Comparison of concentrations of six pollutants in Harbin’s ambient air during the 13th and the 12th Five-Year Plans μg/m3

圖3 2013—2020年哈爾濱市環境空氣6項污染物濃度值變化Fig.3 Changes of six pollutants concentration values of ambient air quality in Harbin from 2013 to 2020

2.3 空間分布特征

使用ArcGIS 軟件插值圖(圖4)對哈爾濱市“十二五”與“十三五”時期環境空氣質量空間分布特征比較顯著的污染物空間變化特征進行分析。受哈爾濱市主要風向為西南風等因素影響,哈爾濱市城區PM2.5濃度整體呈西南方向低、東南方向高的特征。O3受排放源集中在工業區影響,空間變化呈現中部高、四周低的特征。與“十二五”時期相比,PM2.5濃度顯著降低。

2.4 影響因素和關聯分析

近年來已有學者對中國其他區域環境空氣質量影響因素進行了研究,結合烏魯木齊市地理位置和經濟發展等相關因素,對烏魯木齊市“十三五”期間環境空氣質量變化及污染原因分析[10]得出,沙塵天氣對烏魯木齊市環境空氣質量影響較大,燃煤排放物[11]仍是冬季重污染期間PM2.5的重要組成部分。結合煙臺市污染防治政策與污染防治措施、產業結構因素、能源結構因素,對煙臺市環境空氣質量影響因素相關性分析[12]得出,“十三五”期間煙臺市能源結構仍以煤炭為主,重工業比重居高不下,機動車保有量持續增加,污染逐步由煤煙型污染向復合型污染轉變。不同區域的空氣質量影響因素成因研究均考慮本地區地理位置和經濟發展等相關因素,該研究也結合哈爾濱市能源結構、污染物源解析和氣象條件等因素對環境空氣質量影響因素進行了分析。

2.4.1 供暖期污染物排放超環境承載能力為主要污染原因

哈爾濱市冬季時間長,供暖期長達180 d以上(10月20日至次年4月20日),取暖方式以燃煤為主,近年來供熱面積維持在30 000萬m2以上[2,13-14]。2013—2020年重污染天氣出現在供暖期的有209 d,占總重污染天數的95%。從2015年顆粒物源解析結果來看,在本地排放源中,對PM2.5貢獻最大的污染源為燃煤源,非采暖季占17.94%,采暖季占40.61%;機動車排放源僅次于燃煤源,占16.42%～18.21%。由于氣象原因,秋冬季大氣環境容量小,燃煤污染物排放量疊加機動車排放量超出環境自凈能力,成為污染的主要原因(圖5)。

圖5 哈爾濱市本地排放源對PM2.5的貢獻Fig.5 Contribution of local emission sources to fine particles in Harbin

2.4.2 秋冬季氣象條件總體不利導致重污染天氣頻現

秋冬季哈爾濱市整體氣象擴散條件不利[15-16]。哈爾濱冬季近地面空氣層結穩定,常有逆溫情況出現。同時由于地理位置因素,哈爾濱市冬季易出現均壓場及靜穩天氣。若疊加濕度大、風速小等不利氣象條件,污染物易累加,導致出現重污染天氣。

利用皮爾遜相關系數統計方法對2013—2020年冬季各月污染物濃度和氣象要素任意變量之間的相關程度進行分析,得出顆粒物濃度與逆溫厚度、逆溫強度有很好的正相關性,與地面溫度和地面風速有很好的負相關性,即在靜穩天氣下逆溫強度越大、逆溫厚度越厚及地面風速越小、氣溫越低,越不利于污染物的擴散,使顆粒物的濃度不斷積聚升高;SO2、NO2與地面溫度和地面風速有一定的相關性,CO與各氣象要素均無相關性(表4)。

表4 冬季環境空氣污染物濃度與氣象要素皮爾遜相關性統計Table 4 Pearson correlation statistics of ambient air pollutant concentration and meteorological elements in winter

2.4.3 秋季秸稈焚燒及春季清除秸稈根茬產生一定影響

哈爾濱市周邊農作物秸稈主要以水稻、玉米為主,秸稈焚燒時段主要集中在每年播種前的春季4月中下旬和秋收后10月中下旬至11月上中旬,且秸稈焚燒時段內火點數量與空氣質量狀況呈線性相關[17]?！笆濉逼陂g,哈爾濱市出現由焚燒秸稈及清除秸稈根茬引起的重污染天氣過程共8次,共造成重度及以上污染天數24 d,其中重度污染為14 d,嚴重污染為10 d,對環境空氣造成較大影響。2017年重污染發生后,黑龍江省實施嚴格管控,實現全域、全時段、全面禁燒,2018年起,秋季大面積秸稈焚燒現象得到極大改善,10—11月未再出現由本地秸稈焚燒產生的重污染天氣。

2017年10月18—20日是較為典型的由秸稈焚燒導致的重污染天氣過程,10月17日哈爾濱市周邊秸稈焚燒火點數為0,環境空氣質量為良,18—21日火點數分別為94、216、142、44個,環境空氣AQI指數變化趨勢與火點數量變化一致,分別為252、465、324、43。10月21日隨著火點數減少,全市退出重污染天氣過程,PM2.5濃度峰值均出現在夜間,變化規律符合由秸稈焚燒導致的污染偶然性強、污染物濃度上升快、污染物濃度高、污染物清除困難等特點。李樹嶺等學者利用氣象數據、環境空氣質量數據及秸稈焚燒火點衛星監測數據,對此次重污染天氣過程進行了分析研究,研究表明該次污染過程中秸稈焚燒排放為主要因素[18](圖6)。

注:疑似火點數在中國科學院遙感與數字地球研究所提供的近實時地表高溫異常點查詢服務系統中查詢獲得。圖6 2017年10月17—22日哈爾濱市AQI、PM2.5濃度值及疑似火點數Fig.6 The AQI,the concentration value of fine particles and the number of suspected fires in Harbin on October 17-22,2017

2.4.4 春夏季O3污染逐漸顯現

“十三五”期間,哈爾濱市O3第90百分位數、O3超標天數、O3作為首要污染物天數、達到良以下級別天數均有升高趨勢,其中超標天數由“十二五”期間年均值3 d,增加到9 d,由O3導致的環境空氣質量良及以下天數明顯增加,2017、2018年均達到110 d。2020年與2015年相比,O3第90百分位數升高15 μg/m3,超標天數增加1 d,O3作為首要污染物天數增加33 d,達到良及以下級別天數增加43 d。O3污染情況“十三五”末期略有改善,但總體污染形勢不容樂觀(圖7)。

圖7 2013—2020年O3污染狀況統計Fig.7 Statistics of ozone pollution from 2013 to 2020

基于2013—2020年O3濃度與氣象要素指標,使用皮爾遜相關系數法和斯皮爾曼相關系數法進行關聯分析。結果表明,O3濃度和降水量呈現中度正相關,和氣溫呈現顯著正相關,和氣壓呈現顯著負相關。2016—2020年,哈爾濱市O3濃度、氣溫、降水量呈波動上升趨勢,濕度和氣壓總體平穩,無明顯變化趨勢(表5和圖8)。

表5 O3濃度與氣象要素相關系數(r)統計Table 5 Statistics of correlation coefficients between ozone concentration and meteorological elements

圖8 哈爾濱市O3濃度與氣象要素變化情況Fig.8 Changes of ozone concentration and meteorological elements in Harbin

3 結論與建議

3.1 結論

“十三五”期間,哈爾濱市環境空氣質量呈現波動向好趨勢,較“十二五”期間大幅改善。2018—2020年環境空氣質量優良天數達到300 d以上,比例達到80%以上。環境空氣質量超標天數呈線性下降趨勢。2020年重污染天數仍為20 d,其中重度污染為14 d,嚴重污染為6 d。2013—2020年,哈爾濱市PM2.5年均濃度均未達到國家二級標準,2020年超國家標準0.34倍。

“十三五”期間,哈爾濱市O3第90百分位數、O3超標天數、O3作為首要污染物天數、達到良及以下級別天數均有升高趨勢,其中超標天數由“十二五”期間年均值3 d,增加到9 d,由O3導致的環境空氣質量良及以下天數明顯增加,2017、2018年均達到110 d,2020年哈爾濱市有61 d首要污染物為O3,占全年可評價首要污染物天數的28.0%,其中超標天數為7 d,僅次于PM2.5。

3.2 建議

按照產業規劃和布局,推進重點行業污染治理,嚴控“兩高”指標,淘汰落后產能,削減非電力用煤;將重點行業涉氣污染源全部納入減排清單,嚴格抓好減排措施落實;持續推進大氣污染物達標排放和“散亂污”企業等專項整治。

嚴格控制煤炭消費總量,積極發展清潔能源,持續推進清潔取暖,推進燃煤鍋爐整治、工業爐窯清潔能源替代。深化散煤治理“三重一改”攻堅行動,優先實施城市主導上風向城中村、棚戶區、城鄉接合部、農村和國控大氣自動監測點周邊5 km范圍內散煤污染治理。

以石化、化工、工業涂裝、包裝印刷、油品儲運銷為重點,強化VOCs治理,積極推進含VOCs原輔材料和產品源頭替代,加強無組織排放管控,持續推進鋼鐵等超低排放改造。

深化揚塵綜合治理,加強秸稈綜合利用和禁燒管理,穩步推進大氣氨污染防控,強化消耗臭氧層物質管理,著力解決惡臭、油煙等群眾身邊的大氣環境問題。

構建“市-縣”污染天氣應對預案體系,完善重污染天氣預警應急的啟動、響應、解除機制。探索輕、中度污染天氣應急響應的應對機制。完善減排清單,實施“一廠一策”差異化管控。推進區域聯防聯控機制落實。完善應急減排信息公開和公眾監督渠道。非采暖期開展大氣污染防治措施,緩解采暖期大氣污染防治壓力;采暖期強化聯防聯控,打好重污染天氣應對戰役。預測有重度及以上污染天氣時,降低應急門檻,提出啟動響應,落實應急減排措施,實施區域應急聯動,切實起到“削峰降頻”作用。