集中供暖与非集中供暖城市的冬季大气污染状况
——以天津和上海为例

2020-02-19 01:52朱兆洲杨鑫鑫

天津师范大学学报（自然科学版） 2020年1期

张晶，朱兆洲，杨鑫鑫

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387；2.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387）

随着人类化石燃料消耗的日益增多，城市环境空气质量日益恶化，严重的空气污染对人体健康造成极大的危害，并引起社会各界的高度关注[1-5].2015 年，全国338 个地级及以上城市中，有78.4%的城市（265个）环境空气质量超出《环境空气质量》（GB 3095-2012）二级标准[6-7].近几年频繁发生的灰霾污染事件中，污染较重的区域主要为京津冀和长三角地区[8-11].环境保护部公开的数据显示2013—2015 年京津冀地区13个地级以上城市空气质量平均超标天数比例高达54.1%，其中重度及以上污染天数比例为15.4%；长三角地区25 个地级以上城市平均超标天数比例为31.1%，其中重度及以上污染天数比例为4.2%[7].

受地域和气候条件影响，我国北方冬季寒冷干燥；南方四季鲜明，冬季气温高于北方[8].自20 世纪50年代起，国家以秦岭-淮河为界划分了我国的供暖分界.北方城市冬季采用集中供暖方式，燃料以煤和天燃气为主；南方地区采暖方式较分散，多采用空调、电暖器和煤炉采暖等方式.国内外学者对京津冀和长三角城市群的大气污染状况开展了大量研究工作[9-19]，而针对2 种不同供暖方式对空气质量影响的研究目前尚不多见.因此，本研究基于2016—2017 年度天津和上海采暖期及采暖前后大气中 PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2和O3等6 项常规污染物的浓度，分析对比了天津和上海大气污染物浓度的长时间变化特征和日变化特征，以期了解集中供暖和非集中供暖2 种不同方式对空气质量产生的影响，从而为大气环境污染治理和联防联控提供科学参考.

1 监测点的选择与数据监测

本研究选择天津和上海作为研究对象，主要出于以下两方面考虑：①天津和上海在非采暖期具有相似的污染物来源，主要包括工业源、城镇生活源、机动车排放、道路扬（粉）尘和海盐等[12，15].进入采暖期后，天津增加了由集中供暖产生的直接污染源，而上海则没有集中供暖产生污染源，这种差异正适用于对不同供暖类型城市污染物来源进行对比研究[13，16].②污染物扩散条件相似.2 个城市虽然纬度存在差异，但都处于东亚季风区，夏季和冬季受到相同的季风影响，气候条件相似[20].《环境空气质量》（GB3095-2012）中将环境空气功能区分为2 类，其中，第2 类区为居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区.本研究分别从天津和上海选取18 个（图1（a））和 10 个监测点（图1（b）），监测点类型包括上述 5 个不同功能区，如图1 所示.污染物浓度监测数据为天津市环境监测中心和上海市环境监测中心实时发布的数据.

图1 大气环境质量监测点分布图Fig.1 Distribution of atmospheric environmental quality monitoring sites

本研究包括2 个时间段：①采暖期，时间为2016年 11 月 15 日—2017 年 3 月 15 日，由于春节期间（2017 年 1 月 16 日至 2017 年 2 月 12 日）环境空气质量受烟花爆竹燃放影响显著，因此剔除这段时间的监测数据；②非采暖期（集中供热前、后），时间为2016年 10 月 1 日—11 月 14 日以及 2017 年 3 月 16 日—4月30 日2 个阶段.

2 结果与讨论

2.1 污染物长时间变化特征

表1 为天津和上海采暖期和非采暖期大气污染物的日均（24 h）质量浓度特征.

表1 天津和上海污染物日均质量浓度特征Tab.1 24-hour average mass concentrations of pollutants in Tianjin and Shanghai

由表1 可知，采暖期天津PM2.5日均质量浓度变化范围为 30～289 μɡ/m3，平均质量浓度为（107±68）μɡ/m3，超过《环境空气质量》标准二级限值（75 μɡ/m3）（以下简称标准限值）43%；PM2.5指数超标天数占采暖期的62%，重度及以上污染天数占比高达23%.非采暖期天津 PM2.5平均质量浓度为（83±41）μɡ/m3；PM2.5指数在非采暖期超标率为44%，重度及以上污染天数占比为12%.采暖期PM2.5的平均质量浓度是非采暖期的1.30 倍，采暖期PM2.5指数的空气质量达标率比非采暖期低18%，采暖期重度及以上污染天数占比比非采暖期高11%.采暖期PM10日均浓度变化范围为48～354 μɡ/m3，平均质量浓度为（149±80）μɡ/m3，与标准限值（150 μɡ/m3）接近；PM10指数超标天数占采暖期的43%，重度及以上污染天数占比为3%.非采暖期PM10平均质量浓度为（132±55）μɡ/m3；PM10指数的空气质量超标率为36%，未出现重污染现象.采暖期PM10的日均质量浓度是非采暖期的1.13 倍，而采暖期PM10指数的空气质量达标率比非采暖期低7%，采暖期重度及以上污染天数占比比非采暖期高3%.采暖期CO 日均质量浓度变化范围为 792～4 951 μɡ/m3，平均质量浓度为（2 226±944）μɡ/m3，CO 指数超标天数占比为11%；非采暖期CO 日均质量浓度为（1 555±694）μɡ/m3.采暖期CO 的日均质量浓度是非采暖期的1.43 倍；采暖期CO 指数达标率比非采暖期低10%.采暖期NO2日均质量浓度变化范围为36～131 μɡ/m3，平均质量浓度为（71±23）μɡ/m3，略低于标准限值（80 μɡ/m3）；NO2指数超标天数占比为 31%.非采暖期NO2日均质量浓度为（58±16）μɡ/m3，采暖期 NO2的日均质量浓度是非采暖期的1.22 倍.采暖期SO2日均质量浓度为（33±16）μɡ/m3，SO2指数远低于标准限值（150 μɡ/m3），这说明近些年清洁能源的使用对于大气中SO2的去除效果非常显著[21-22].非采暖期SO2平均质量浓度为（21±7）μɡ/m3，虽然采暖期 SO2的日均质量浓度仅比非采暖期高12 μɡ/m3，但采暖期日均质量浓度是非采暖期的1.57倍.天津SO2/NO2日均浓度比值为0.46，比值<1，说明大气污染中NO2的贡献高于SO2，大气污染属于硝酸型为主的污染[23].采暖期O3日均质量浓度为（33±21）μɡ/m3；采暖期是非采暖期的0.79 倍，采暖期O3的日均质量浓度低于非采暖期，未出现超标现象.由上述分析可知，除O3以外，采暖期PM2.5、PM10、CO、NO2和 SO2等 5 种污染物的质量浓度较非采暖期均有不同程度的增加.从气象因素考虑，污染事件的发生频率与逆温发生频率呈正相关关系，大气层结构稳定时不利于污染物的扩散[13-14].天津采暖期发生大气逆温频率超过90%，且逆温强度明显高于其他季节[13-14].稳定大气层和夜间逆温层的形成对污染物的生成和维持具有重要作用.从污染物来源分析，2016—2017 年度采暖期天津供暖消耗燃煤和天然气分别高达2.1×105t 和1.3×109m3，由采暖产生的污染物排放是天津地区冬季污染物的首要来源之一.集中供暖活动和气象因素共同造成了采暖期大气污染物的浓度高于非采暖期的浓度.

采暖期上海PM2.5日均质量浓度变化范围为13～128 μɡ/m3，平均质量浓度为（52±32）μɡ/m3，日均质量浓度未超过标准限值；PM2.5指数超标天数占采暖期的23%；非采暖期 PM2.5平均质量浓度为（37±27）μɡ/m-3，PM2.5指数超标天数仅占非采暖期的5%；采暖期和非采暖期均未出现重度及以上污染现象，采暖期PM2.5的日均质量浓度是非采暖期的1.41 倍.采暖期PM10日均质量浓度变化范围为23～159 μɡ/m3，平均质量浓度为（66±37）μɡ/m3，远低于标准限值；PM10指数超标天数仅占采暖期的3%.非采暖期PM10平均质量浓度为（61±25）μɡ/m3，PM10指数没有出现超标天数；采暖期PM10的日均质量浓度仅为非采暖期的1.08 倍.采暖期CO 日均质量浓度变化范围为566～2 583 μɡ/m3，平均质量浓度为（977±432）μɡ/m3；非采暖期 CO 日均质量浓度为（712±183）μɡ/m3，且均未发现 CO 超标现象.采暖期 NO2日均浓度变化范围为 28～115 μɡ/m3，平均质量浓度为（58±19）μɡ/m3；NO2指数超标天数占比为16%.非采暖期 NO2平均质量浓度为（46±19）μɡ/m3，NO2指数超标天数仅占非采暖期的5%，采暖期NO2的日均质量浓度是非采暖期的1.26 倍.采暖期SO2日均质量浓度为（16±6）μɡ/m3，远低于标准限值；非采暖期 SO2平均质量浓度为（13±4）μɡ/m3，虽然与采暖期相差不大，但采暖期日均质量浓度是非采暖期的1.23倍.上海SO2/NO2日均浓度比值为0.28，说明上海大气污染也属于硝酸型为主的污染.采暖期O3日均质量浓度为（57±23）μɡ/m3，是非采暖期的 0.79 倍.由以上分析可知，上海采暖期PM2.5、NO2和CO 的浓度明显高于非采暖期；采暖期PM10和SO2的浓度较非采暖期略有升高，O3的浓度低于非采暖期.研究发现，上海地区冬季的大气污染物来源主要包括工业源、城镇生活源、机动车排放、道路扬（粉）尘、海盐排放和燃煤，其中燃煤的贡献率为6.9%[16].尽管上海处于非集中供暖期，但燃煤是大气污染不可忽略的因素之一.由于冬季上海大气污染物传输指数的强度和传输范围比其他季节均有所增大，来自大陆的污染物占64%，明显高于夏季的33%，外来污染源比例明显升高，其中来自京津冀及周边高污染区的气团在偏北气流的作用下，对上海形成了污染物的有效输送[16-18].另一方面，上海冬季大气层较其他季节相对稳定，大气污染物不易扩散，是造成上海冬季空气污染比其他季节严重的另一个重要因素.

此外，表1 还给出采暖期与非采暖期污染物浓度的差值，天津采暖期 PM2.5、PM10、CO 和 SO2日均质量浓度比非采暖期分别增加了 24、17、671 和 12 μɡ/m3；上海采暖期 PM2.5、PM10、CO 和 SO2日均质量浓度比非采暖期分别增加了 15、5、25 和 3 μɡ/m3.天津采暖期与非采暖期 PM2.5、PM10、CO 和 SO2这 4 种污染物浓度的差值明显高于上海的差值，说明集中供暖模式对这4种污染物生成的贡献要大于非集中供暖模式.天津和上海NO2在采暖期和非采暖期的浓度差值相差不大，分别仅为 13 和 12 μɡ/m3，2 种供暖模式对 NO2的影响差异很小，这主要是因为NO2主要来源于机动车的排放而不是化石燃料燃烧等活动[23].2 个城市采暖期O3的浓度值均低于非采暖期，这是因为O3主要是光化学反应的二次污染物[24]，受采暖活动的影响并不明显.

2.2 污染物日变化特征

为了进一步了解不同供暖模式对冬季大气污染物的影响，本研究分析了采暖期不同时间点大气污染物浓度的日变化特征.

图2 为天津和上海市PM2.5和PM10浓度的日变化情况.由图2 可以看出，采暖期天津PM2.5和PM10具有相似的日变化规律，均呈现出单峰或单谷的变化趋势，其峰值（120 和 161 μɡ/m3）出现在夜间 00 ∶00～02 ∶00，之后受夜间逆温层的影响，浓度维持在较高水平[25].白天以不稳定类大气为主，污染物扩散条件较好[13-14].早高峰结束后（10 ∶00 左右）大气颗粒物开始出现较为明显的下降，下午 16 ∶00 左右降至最低值（87 和123 μɡ/m3），其峰值与谷值分别相差 33 和 37 μɡ/m3.伴随着晚间供暖强度的增加及人为活动晚高峰的出现[26]，浓度在16 点后缓缓上升至峰值.采暖期晚上22 ∶00 至次日10 ∶00 的时间段里PM2.5和 PM10浓度维持在较高水平，其浓度值明显高于其他时段（10 ∶00～22 ∶00）；而在非采暖期PM2.5和PM10污染物的日变化规律与采暖期近似，呈镜像相反规律.采暖期，上海PM2.5、PM10、CO 和SO2的日变化趋势较为平缓，污染物均没有明显的峰值和谷值.PM2.5和PM1024 h 内浓度的最高值和最低值均只相差11 μɡ/m3.

CO、NO2、SO2和 O3浓度的日变化趋势如图3 所示.

图2 天津和上海PM2.5 和PM10 的日变化特征Fig.2 Diurnal variations of PM2.5 PM10 in Tianjin and Shanghai

图3 天津和上海CO、NO2、SO2 和O3 日变化特征Fig.3 Diurnal variations of CO，NO2，SO2 and O3 in Tianjin and Shanghai

由图3（a）可以看出，采暖期CO 变化趋势呈现单峰单谷型模式，08 ∶00 左右出现质量浓度峰值（2 602 μɡ/m3），16 ∶00 左右出现最低值（1 553 μɡ/m3），最高值与最低值相差1 149 μɡ/m3.采暖期夜间CO 浓度明显高于非采暖期夜间CO 的浓度.由图3（b）可以看出，天津NO2日变化呈明显的单谷型，且采暖期与非采暖期的日变化特征相似.天津 NO2质量浓度的峰值（81 μɡ/m3）出现在 20 ∶00 左右，14 ∶00 左右出现谷值（49 μɡ/m3）.此外，采暖期与采暖前后NO2浓度的差值非常接近，说明天津冬季供暖对NO2日变化特征产生的影响并不明显，这也验证了NO2的排放与供暖关联并不密切，它主要还是与汽车尾气的排放有关[27].由图3（c）可以看出，采暖期和非采暖期SO2呈现出明显的单峰单谷型日变化特征，但SO2的谷值在采暖期和采暖前后存在显著区别，采暖期谷值出现在16 ∶00 左右，之后浓度值快速升高；非采暖期谷值出现在晚上22 ∶00左右，这种差异主要由北方晚间加强供暖和大气逆温层造成[28-29].由图3（d）可以看出，O3的日变化趋势呈单峰单谷型，且采暖期与非采暖期变化特征保持完全一致，这是由于O3的产生主要受温度、光照强度等自然因素的影响[30]，集中供暖活动未对O3的生成产生显著影响.

此外，由图3 可以看出，采暖期上海CO 和SO2的日变化趋势较为平缓.CO 仅在08 ∶00 左右出现一个小的峰值，污染物质量浓度最高值与最低值相差149 μɡ/m3（图3（a））；SO2浓度的最大值和最小值分别出现在 10 ∶00 和 20 ∶00 左右，污染物质量浓度最高值与最低值相差约3 μɡ/m3（图3（c））.NO2日变化呈明显的双峰双谷型，受早晚高峰交通影响非常显著，在上午 08 ∶00左右和晚 20 ∶00 左右出现 2 个峰值（65和71 μɡ/m3），且机动车晚高峰的峰值明显高于早峰值（图3（b））.与天津相似，上海 O3的日变化呈单峰型的日变化特征（图3（d））.

综上所述，集中供暖改变了PM2.5、PM10和CO 在天津的日均分布，并造成3 种污染物在夜间污染相对较为严重的现象；集中供暖对白天SO2的分布影响不大，而晚间有较为明显的浓度升高现象；上述4 种污染物在非集中供暖城市的日变化特征并未明显受到本地供暖或北方城市间污染物传输的影响.无论集中供暖还是非集中供暖模式对NO2和O3日变化特征的影响均不显著.

3 结论

本研究通过对天津和上海2 种不同供暖模式采暖期和非采暖期污染物浓度进行比较分析，得到以下主要结论：

（1）天津和上海采暖期 PM2.5、PM10、CO、NO2和SO2的质量浓度均高于非采暖期.

（2）天津采暖期 PM2.5、PM10、CO 和 SO2浓度较非采暖期高的主要原因有2 点：一是集中供暖消耗的化石燃料燃烧排放；二是稳定的大气层和较强逆温层不利于污染物扩散.上海虽处于非集中供暖区，但北方城市供暖区远距离污染物的传输和冬季相对稳定的大气层共同造成了 PM2.5、PM10、CO 和 SO2的质量浓度高于非采暖期.通过天津和上海采暖期和非采暖期污染物浓度差值的对比发现，由集中供暖模式产生的PM2.5、PM10、CO 和 SO2对空气质量的影响高于非集中供暖城市.

（3）天津和上海采暖期与非采暖期NO2浓度的增加量相近，说明供暖活动对大气中NO2的贡献并不明显；天津和上海采暖期O3浓度均低于非采暖期，表明供暖活动未对O3排放产生显著作用.