中國北方地區(qū)采暖期顆粒物污染現(xiàn)狀

解淑艷，王 帥，張 霞，宮正宇，張志輝

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 2.河北省邢臺環(huán)境監(jiān)測中心，河北 邢臺 054000

中國北方地區(qū)冬季較為寒冷，人們?yōu)榱苏Ｉ疃扇「鞣N形式取暖，早期使用燃燒散煤的傳統(tǒng)取暖方式，后來以秦嶺淮河為界，北方地區(qū)采取集中供暖方式。隨著城市供暖面積的快速增長，以煤炭為主要原料的取暖方式排放的煙塵、二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等污染物濃度也同步增加，特別是對細(xì)顆粒物和二氧化硫濃度的影響比較大[1]。

近幾年冬季，中國北方地區(qū)空氣質(zhì)量較差，經(jīng)常出現(xiàn)顆粒物嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象，對人民生產(chǎn)生活產(chǎn)生較大影響。2016年公布的74個城市環(huán)境空氣質(zhì)量報告中，排名后十位的城市分別為衡水市、石家莊市、保定市、邢臺市、邯鄲市、唐山市、鄭州市、西安市、濟南市和太原市[2]，其中有6個城市位于京津冀地區(qū)。京津冀地區(qū)13個城市PM2.5年均質(zhì)量濃度為71 μg/m3，PM10年均質(zhì)量濃度為119 μg/m3，分別超標(biāo)1.03、0.7倍；2016年，京津冀地區(qū)采暖期PM2.5和PM10平均濃度分別為113、170 μg/m3，是非采暖期的1.98、1.65倍。李嵐等[3]運用氣候傾向率及度日法分析了1961—2010年沈陽市每年采暖期的氣象變化特征，結(jié)果表明在采暖期大氣中總懸浮顆粒物的40%來自燃煤，采暖期燃煤已成為沈陽地區(qū)大氣污染的主要原因之一。采暖期不利的氣象條件在一定程度上加重了煤煙型污染，黃麗坤等[4]在研究哈爾濱市冬季采暖期顆粒物濃度變化時發(fā)現(xiàn)，采暖期TSP、PM10濃度在2008年12月至2009年1、3、4月均超標(biāo)，采暖期以PM2.5污染為主，主要來源于人為活動；ALMOND等[5]運用斷點回歸模型對1982—1993年中國76個城市的日均TSP、SO2和NOx濃度進(jìn)行分析，評估中國北方冬季供暖政策對空氣質(zhì)量的影響，結(jié)果表明供暖導(dǎo)致北方城市的空氣污染程度顯著增加，TSP濃度比南方高出300 mg/m3，是當(dāng)時美國TSP濃度的5～8倍，同時，研究結(jié)果還表明，冬季氣溫每降低1華氏度，相對于沒有供暖的南方，北方城市的TSP濃度上升約100 mg/m3。以上研究均表明冬季采暖期顆粒物濃度普遍升高，加上不利的氣象條件導(dǎo)致冬季污染形勢嚴(yán)峻。

筆者利用2013年3月16日—2017年3月15日國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)中實施環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測的北方地級及以上城市PM10、PM2.5監(jiān)測結(jié)果(2013年北方開展新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測的城市為28個，2014年為80個，2015—2016年為175個)，分析中國北方地區(qū)采暖期與非采暖期污染現(xiàn)狀及時空變化特征，并提出對策及建議。

1 數(shù)據(jù)來源與評價方法

2012年2月29日，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)頒布，原環(huán)境保護(hù)部于2013年分3個階段開展環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測能力建設(shè)，到2015年1月1日，全國338個地級及以上城市均按新標(biāo)準(zhǔn)開展監(jiān)測，監(jiān)測項目包括SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5，分析范圍為開展新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測的城市。

為便于統(tǒng)計，研究中采暖期是指當(dāng)年11月15日至次年3月15日，非采暖期是指當(dāng)年3月16日—11月14日。城市環(huán)境空氣中PM10、PM2.5濃度統(tǒng)計按照《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)有關(guān)要求進(jìn)行，PM10、PM2.5在采暖期和非采暖期均值參照年均二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，限值分別為70、35 μg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國北方地區(qū)空氣質(zhì)量總體狀況

2013—2016年4個自然年內(nèi)，中國北方地區(qū)優(yōu)良天數(shù)比例呈明顯的上升趨勢(圖1)，2016年有超過三分之二的天數(shù)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，優(yōu)良天數(shù)較2013年升高38.9個百分點；重度及以上污染天數(shù)呈逐年下降趨勢，2016年較2013年下降9.0個百分點。表明近年來中國北方地區(qū)空氣質(zhì)量總體呈改善趨勢。

圖1 2013—2016年北方地區(qū)不同級別天數(shù)比例變化趨勢Fig.1 Variation trend of percentage of different grade days from 2013 to 2016 in northern China

2013年1月—2017年3月，PM10、PM2.5年均濃度均呈下降趨勢，有明顯的季節(jié)變化特征(圖2)，冬季采暖期顆粒物濃度高、夏季非采暖期顆粒物濃度低，月均濃度最大值主要出現(xiàn)在12月至次年1月，月均濃度最小值主要出現(xiàn)在7—9月。4 a以來PM10月均濃度最大值分別為195、177、140、146 μg/m3，PM2.5月均濃度最大值分別為178、114、94、94 μg/m3；PM10月均濃度最小值分別為87、88、70、58 μg/m3，PM2.5月均濃度最小值分別為57、46、37、30 μg/m3；表明北方地區(qū)PM10和PM2.5平均濃度、最大月均濃度和最小月均濃度均呈明顯下降趨勢，顆粒物污染總體呈改善趨勢。

圖2 2013—2017年北方地區(qū)顆粒物月均濃度變化趨勢Fig.2 Variation trend of monthly concentration of PM10 and PM2.5 from 2013 to 2017

2.2 采暖期北方地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量狀況

2013—2016年北方地區(qū)不同級別天數(shù)比例見表1。

2016年采暖期，北方城市優(yōu)良天數(shù)比例為56.2%，重度污染比例為9.0%，嚴(yán)重污染比例為2.7%；優(yōu)良天數(shù)比例較非采暖期低22.8個百分點，重度及以上污染天數(shù)比例較非采暖期高10.1個百分點；與2015年采暖期相比，優(yōu)良天數(shù)比例下降3.8個百分點，重度及以上污染天數(shù)比例升高0.9個百分點。表明2016年采暖期空氣質(zhì)量較非采暖期明顯下降，出現(xiàn)污染的天數(shù)比例明顯升高，優(yōu)良天數(shù)比例明顯下降；較2015年同期空氣質(zhì)量也有所下降，重度及以上污染天數(shù)有所增加。

表1 2013—2016年北方地區(qū)不同級別天數(shù)比例統(tǒng)計Table 1 Statistics of percentage of different grade days in 2013-2016

2013—2016年采暖期同期比較，優(yōu)良天數(shù)比例總體呈升高趨勢，2016年略有降低；2014年采暖期以來重度及以上污染天數(shù)比例呈升高趨勢，從2014年的9.6%上升為2016年的11.7%，但明顯低于2013年，較2013年降低9.0個百分點。表明空氣質(zhì)量極端化趨勢明顯，即優(yōu)良天數(shù)和重度及以上污染天數(shù)都有所升高，中輕度污染天數(shù)比例下降。

2013—2016年非采暖期同期比較，優(yōu)良天數(shù)比例呈逐年升高趨勢，重度及以上污染天數(shù)比例呈逐年下降趨勢，表明非采暖期空氣質(zhì)量總體呈改善趨勢。

采暖期與非采暖期比較，2016年采暖期較非采暖期優(yōu)良天數(shù)比例下降了22.8個百分點，是2013—2016年中下降比例最大的一年，重度及以上污染天數(shù)比例較非采暖期升高10.1個百分點，升高比例僅次于2013年；表明2016年采暖期空氣質(zhì)量形勢是2013—2016年中最嚴(yán)峻的一年。

北方地區(qū)主要城市空氣質(zhì)量狀況分析表明，2016年采暖期與2015年同期相比，北方城市中優(yōu)良天數(shù)減少的城市數(shù)為119個，占62.8%，其中39個城市優(yōu)良天數(shù)比例下降超過10個百分點；優(yōu)良天數(shù)比例增加的城市為63個，占36%，其中18個城市優(yōu)良天數(shù)比例增加超過10個百分點。主要城市中，北京市優(yōu)良天數(shù)減少8 d，石家莊、西安、太原等城市優(yōu)良天數(shù)減少20 d以上。

2016年采暖期與2015年同期相比，重度及以上污染天數(shù)比例增加的城市數(shù)為80個(占45.7%)，略高于下降的城市數(shù)(占43.4%)，其中18個城市重度及以上污染天數(shù)比例增加超過10個百分點，11個城市重度及以上污染天數(shù)比例下降超過10個百分點；主要城市中，北京市重度及以上污染天數(shù)增加2 d，石家莊、西安、太原等城市重度及以上污染天數(shù)增加超過20 d。2016年采暖期，濟南、哈爾濱市空氣質(zhì)量較2015年采暖期有所改善，濟南市優(yōu)良天數(shù)增加4 d，重度及以上污染天數(shù)減少12 d；哈爾濱市優(yōu)良天數(shù)增加8 d，重度及以上污染天數(shù)減少1 d(圖3)。表明采暖期重點城市空氣質(zhì)量總體不容樂觀，個別城市有所改善。

圖3 2016年采暖期北方主要城市不同級別天數(shù)較2015年采暖期變化Fig.3 Comparison of different grade days in main cities in northern China during heating periods between 2016 and 2015

2.3 采暖期顆粒物濃度分析

2016年采暖期，北方地區(qū)PM10平均質(zhì)量濃度為129 μg/m3，PM2.5平均質(zhì)量濃度為80 μg/m3，超過年均二級標(biāo)準(zhǔn)0.84、1.28倍，較2016年非采暖期濃度分別偏高54%和95%，較2015年采暖期升高2%和5%(圖4)。表明采暖期顆粒物濃度明顯高于非采暖期，冬季采暖是造成冬季顆粒物污染嚴(yán)重的重要原因之一。

圖4 2013—2016年北方地區(qū)顆粒物濃度統(tǒng)計Fig.4 Statistics of PM10 and PM2.5 concentration of northern China in 2013-2016

2013—2016年，采暖期PM10濃度總體呈下降趨勢；2014年以來PM2.5濃度逐年升高，但明顯低于2013年濃度。2013—2016年采暖期，PM2.5濃度占PM10濃度的比例呈逐年升高趨勢，PM2.5與PM10比值分別為63.0%、56.8%、59.8%、62.0%；2013—2016年非采暖期，PM2.5濃度占PM10濃度的比例呈逐年下降趨勢，比例分別為52.9%、50.9%、50.0%、48.8%。表明PM2.5在冬季顆粒物污染中所占比重逐年增加，在采暖期空氣污染過程中貢獻(xiàn)增加，在非采暖期顆粒物污染中所占比重呈下降趨勢。

2016—2017年采暖期，全國發(fā)生了多次大范圍區(qū)域性重污染過程，其中2016年12月2—5日、17—21日，2016年12月29日—2017年1月12日，2017年1月16—18日、24—28日，2017年2月3—5日、12—16日等7個污染過程較重(圖5)。其中，2016年12月17—21日的重污染過程影響面積較大，除京津冀及周邊地區(qū)外，還影響到江蘇、安徽、湖北、四川、陜西等省份部分地區(qū)，石家莊、安陽、邯鄲、焦作、許昌和鄭州等6個城市PM2.5日均值有13天次超過500 μg/m3，PM2.5最大日均值為703 μg/m3，PM10最大日均值為884 μg/m3；2016年12月29日—2017年1月5日的跨年重污染過程持續(xù)時間較長，影響范圍涵蓋了中東部地區(qū)十幾個省份，PM2.5最大日均值為596 μg/m3，PM10最大日均值為757 μg/m3；PM2.5日均值最高出現(xiàn)在2017年2月17日，為718 μg/m3。

圖5 京津冀及周邊地區(qū)2016—2017年采暖期重度污染、嚴(yán)重污染城市數(shù)及最大PM2.5日均值統(tǒng)計Fig.5 Statistic of heavy pollution, severe pollution and maximum daily PM2.5 concentration in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas during heating period from 2016 to 2017

2.4 空間變化趨勢

2013年，中國北方地區(qū)28個城市開展新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果表明，采暖期顆粒物濃度明顯高于非采暖期，京津冀及周邊地區(qū)PM2.5濃度高于周邊地區(qū)，邯鄲、邢臺、石家莊等城市采暖期濃度尤其高；2014年80個開展新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測的城市監(jiān)測結(jié)果表明，京津冀及周邊地區(qū)顆粒物濃度同比有所降低；2015—2016年，北方地區(qū)均有175個城市開展了新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測，結(jié)果表明采暖期顆粒物濃度明顯高于非采暖期，顆粒物污染主要集中在新疆西北部、京津冀及周邊等地區(qū)。新疆西部的喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)沙塵天氣較頻繁，導(dǎo)致空氣中顆粒物濃度較高，據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站的材料顯示，在2016年喀什地區(qū)和阿克蘇地區(qū)出現(xiàn)沙塵天氣均超過180 d；烏魯木齊市空氣污染較重，2013—2016年采暖期，PM2.5質(zhì)量濃度分別為105、113、157、160 μg/m3，非采暖期PM2.5質(zhì)量濃度分別為55、42、39、34 μg/m3，表明烏魯木齊市采暖期PM2.5濃度呈升高趨勢，非采暖期呈降低趨勢。京津冀地區(qū)顆粒物濃度普遍高于周邊地區(qū)，2013—2016年采暖期PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為135、106、95、113 μg/m3，非采暖期PM2.5質(zhì)量濃度分別為85、75、61、57 μg/m3，2016年采暖期PM2.5濃度明顯高于2014—2015年，非采暖期PM2.5濃度呈逐年下降趨勢；京津冀區(qū)域中石家莊、保定、衡水、邢臺、邯鄲、安陽PM2.5濃度明顯較高，屬于空氣污染較重的區(qū)域中心(圖6)。

2.5 采暖期酸雨狀況

2016年采暖期，中國北方地區(qū)降雨pH均值為5.85，降水酸度明顯高于非采暖期(pH均值為6.17)，酸雨頻率為4.8%，是非采暖期的2.4倍，較重酸雨(降水pH低于5.0)頻率為2.3%，重酸雨(降水pH低于4.5)頻率為1.2%，均高于非采暖期，分別高1.4個百分點和1.0個百分點。2016年采暖期，降水中硫酸根、硝酸根、氯離子、鈣離子等9種離子濃度均高于非采暖期，平均高于非采暖期31.3%，其中硫酸根、硝酸根等離子濃度是非采暖期的1.37、1.44倍(圖7)。

注： 底圖源自國家測繪地理信息局網(wǎng)站下載的1∶4 000政區(qū)版中華人民共和國底圖，審圖號為GS(2008)1400號，下載日期為2012-07-16；“▲”表示PM2.5監(jiān)測城市。

圖7 2016年北方地區(qū)采暖期與非采暖期降水中離子組分分析Fig.7 Statistic of ion concentration of precipitation during heating period and non-heating period in 2016 in northern China

3 建議

3.1 提高集中供暖節(jié)能技術(shù)，全面整治燃煤小鍋爐

根據(jù)住建部《城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計公報》數(shù)據(jù)，1991—2015年間，中國城市集中供熱面積年均增長率為14.5%，2010年以來仍以9.0%增長率持續(xù)增加。中國城市集中供熱能力中熱水供熱能力呈逐年升高趨勢，蒸汽供熱能力總體呈穩(wěn)中有降的趨勢。表明中國近年來城市集中供熱能力及面積均呈上升趨勢。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2016》數(shù)據(jù)，2011年以來，中國能源消費總量持續(xù)增加，其中煤炭占能源消費總量的比重有下降趨勢。研究表明，受到燃煤供暖影響，采暖期青島[6]、西安[7]等地顆粒物和無機氮的濃度都有明顯增加，其中青島顆粒物濃度增加了82.2%。

因此，應(yīng)加強對現(xiàn)有鍋爐、發(fā)電機組等的技術(shù)改造，大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行供暖，取締分散取暖鍋爐，在廣大城鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)發(fā)展清潔能源供暖，停止高耗能、高排放工業(yè)鍋爐，在集中供暖熱力管網(wǎng)上解決補水量大、能源嚴(yán)重浪費、水質(zhì)差和腐蝕嚴(yán)重等問題，加強對熱力管網(wǎng)的升級和改造，減少煤炭使用量，以期進(jìn)一步減少污染物排放。

3.2 采用清潔能源

中國集中供暖除了利用煤炭之外，還應(yīng)根據(jù)各地區(qū)特色充分開發(fā)利用電能、汽油、天然氣、地?zé)岷吞柲艿荣Y源。國家發(fā)展改革委、原國土資源部及國家能源局共同編制的《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》明確要求到2020年，地?zé)峁┡?制冷)面積累積達(dá)到16億m2，2020年底熱能供暖年利用量為4 000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，京津冀地區(qū)地?zé)崮苣昀昧窟_(dá)到約2 000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。

3.3 嚴(yán)格控制秸稈焚燒，避免污染惡化

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展水平的提高及能源結(jié)構(gòu)的改變，農(nóng)作物秸稈逐漸失去了作為能源原料和牲畜飼料的作用，很多地區(qū)在秋冬季節(jié)出現(xiàn)了秸稈露天焚燒現(xiàn)象，往往會加重環(huán)境污染[8]。研究表明，秸稈焚燒會釋放大量的顆粒物及CO、SO2、NOx、VOC等有毒有害氣體[9]。近年來國內(nèi)針對包括秸稈焚燒在內(nèi)的生物質(zhì)燃燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測[10-11]及其造成的空氣污染等環(huán)境效應(yīng)展開了較多的研究[12-14]，也對其造成的污染輸送和空氣質(zhì)量的影響進(jìn)行了觀測和評估。

3.4 密切關(guān)注氣象條件，及時發(fā)布空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警信息

不同天氣狀況和氣象條件對顆粒物濃度水平與分布特征有較大影響。有研究表明[6]，青島采暖期內(nèi)晴朗天氣一般受來自高緯西北氣流控制，途經(jīng)內(nèi)蒙古、北京等燃煤采暖區(qū)域，氣團沿途攜帶當(dāng)?shù)仡w粒物，造成青島地區(qū)顆粒物濃度升高，但增加并不顯著；采暖期霧天顆粒物不斷累積無法擴散，顆粒物濃度不斷升高；采暖期強冷空氣作用期間，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，加劇了大氣湍流擴散，顆粒物濃度明顯降低。李凱等[15]研究表明，PM2.5質(zhì)量濃度與輻射量、氣壓和能見度呈負(fù)相關(guān)，與相對濕度和總云量呈正相關(guān)。徐艷嫻[16]利用斷點回歸和固定效應(yīng)模型判斷冬季供暖對中國北方空氣質(zhì)量的影響研究表明，在供暖期間空氣質(zhì)量的惡化是由供暖導(dǎo)致，天氣狀況有一定影響，最高溫的值越大，顆粒物濃度越高，污染程度越重，最低溫度的值越大，各類污染物濃度值越低；風(fēng)速越小，污染值越高。為了能夠更好應(yīng)對采暖期空氣污染狀況，應(yīng)密切關(guān)注氣象條件對顆粒物累積的影響，及時發(fā)布空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警信息，采取有效措施，避免空氣污染持續(xù)加重。

4 結(jié)論

1)中國北方地區(qū)空氣污染形勢嚴(yán)峻，采暖期尤為突出。2016年，中國北方地區(qū)未達(dá)標(biāo)天數(shù)比例為43.8%，其中重度及以上污染天數(shù)比例超過10%；采暖期較非采暖期，優(yōu)良天數(shù)比例下降22.8%，重度及以上污染天數(shù)比例升高10.1個百分點。

2)北方地區(qū)顆粒物濃度整體較高，呈現(xiàn)明顯的冬季高、夏季低的特點，最高值一般出現(xiàn)在12月至次年1月，最低值一般出現(xiàn)在7—9月。2016年采暖期PM10質(zhì)量濃度為129 μg/m3，超過年均二級標(biāo)準(zhǔn)限值0.84倍，較非采暖期升高54%；PM2.5質(zhì)量濃度為80 μg/m3，超標(biāo)1.28倍，較非采暖期升高95%。

3)北方地區(qū)顆粒物濃度呈現(xiàn)明顯的空間分布規(guī)律，以新疆西北部、京津冀區(qū)域污染最為嚴(yán)重，其中采暖期烏魯木齊、石家莊、保定、衡水、邢臺、邯鄲、安陽等城市為區(qū)域污染最重的城市。

4)采暖期一般會出現(xiàn)多次重污染過程，呈現(xiàn)范圍廣、持續(xù)時間長、影響城市數(shù)量較多、次數(shù)多等特點，采暖期降水酸度及離子濃度污染較非采暖期更高。

5)2013—2016年4個自然年，北方地區(qū)空氣質(zhì)量呈較為明顯的改善趨勢，北方地區(qū)PM10和PM2.5濃度總體呈降低趨勢，非采暖期顆粒物濃度下降明顯；但2014年以來采暖期同期比較，PM2.5濃度有所升高，值得關(guān)注。

6)提高集中供暖節(jié)能技術(shù)、采用清潔能源、嚴(yán)格控制秸稈焚燒，同時密切關(guān)注氣象條件能夠有效緩解秋冬季北方地區(qū)空氣質(zhì)量污染狀況。