摘要:
利用北辰区2013~2019年环境空气质量监测数据，分析了北辰区环境空气质量特征。结果表明，北辰区除O
3浓度呈现上升趋势外，PM
2.5、PM
10、NO
2、CO、SO
2浓度均呈现下降趋势，PM
2.5浓度从2013年的100 μg/m
3降至2019年的53 μg/m
3，O
3浓度从149 μg/m
3升高至211 μg/m
3。达标天数从122天增加到210天，综合指数从9.41降至5.69，PM
2.5对综合指数的贡献率最高，其次为O
3，即PM
2.5依旧是环境空气中最主要的污染物，O
3污染问题日益突出。PM
2.5、NO
2、CO、SO
2四项污染物浓度季节分布均表现为冬季 > 秋季 > 春季 > 夏季，PM
10表现为冬季 > 春季 > 秋季 > 夏季，O
3表现为夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季。
Abstract:
The characteristics of ambient air quality in Beichen District were analyzed by using the monitoring data of ambient air quality from 2013 to 2019. The results showed that PM2.5, PM10, NO2, CO, SO2 concentrations showed downward trends, except the O3 concentration showed a rising trend. The concentration of PM2.5 decreased from 100 μg/m3 in 2013 to 53 μg/m3 in 2019, while the con-centration of O3 increased from 149 μg/m3 to 211 μg/m3. The number of days reaching the target increased from 122 to 210, and the pollution integrated index decreased from 9.41 to 5.69. PM2.5 had the highest contribution rate to the pollution integrated index, followed by O3, that the PM2.5 was still the most important pollutant in the ambient air, and O3 pollution was becoming more and more serious. The seasonal distributions of PM2.5, NO2, CO, SO2 concentration were winter > autumn > spring > summer, PM10 seasonal distribution was winter > spring > autumn > summer, while O3 seasonal distribution was summer > spring > autumn > winter.
1. 引言
大气污染是指大气中污染物质的浓度达到有害程度，破坏生态系统和人类正常生存和发展，对人类及其他造成危害的现象。京津冀地区是我国空气污染较重的区域之一 [1]，随着社会经济的快速发展，大气污染已成为京津冀地区面临的最大环境问题之一 [2] - [6]。大气污染问题引起了众多学者的关注，研究聚焦于形成机理、来源解析及对健康的影响等 [7] [8] [9] [10]，大部分研究以于京津冀省际尺度为研究对象，缺乏聚焦于县域及以下尺度研究。国务院于2013年发布《大气污染防治行动计划》，提出经过五年努力，使全国空气质量总体改善，重污染天气较大幅度减少；京津冀、长三角、珠三角等区域空气质量明显好转；将其作为改善民生的重要着力点，作为生态文明建设的具体行动，作为统筹稳增长、调结构、促改革，打造中国经济升级版的重要抓手，做出全面部署。天津市2013年发布《天津市清新空气行动方案》，作为落实“大气十条”制定了66项具体措施。十分有必要开展过去几年来县域的空气质量特征分析，以期为未来空气质量改善措施制定提供科学支撑。
北辰区为天津市的市辖区，位于中心城区北部，为环城四区之一。区内属于华北平原区，地势坦荡低平，自西北向东南微微倾斜，一般高程1.5~7.5米，河渠洼地众多；气候属暖温带半湿润大陆性季风型气候，四季分明，冬、夏季长，春、秋季短，春季风多雨少，夏季雨量集中，秋季冷暖适中，冬季寒冷干燥。2018年末，全区常住人口为86.54万人，地区生产总值944.88亿元，其中第一产业5.96亿元，第二产业526.18亿元，第三产业412.74亿元 [11]。
2. 数据源及评价方法
2.1. 数据源
研究数据来源于天津市环境空气质量监测站淮河道点位，位于北辰区汾河北道20号秋怡小学院内，采样平台距地面约15米，周边为居民区，无明显污染源。采用Thermo 42i、43i、48i、49i、1405、1405F分别监测NOx、SO2、CO、O3、PM10和PM2.5。气态污染物仪器运维及质控严格执行《环境空气气态污染物(SO2, NO2, O3, CO)连续自动监测系统运行和质控技术规范》(HJ 818-2018)，颗粒物仪器运维及质控严格执行《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统运行和质控技术规范》(HJ 817-2018)，每日审核数据有效性并形成空气质量日报。
2.2. 评价方法
淮河道点位属于环境空气二类功能区，根据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)规定，SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5年评价浓度限值分别为60 μg/m3，40 μg/m3，4 mg/m3，160 μg/m3，70 μg/m3，35 μg/m3。
环境空气质量评价采用单项目评价和综合指数法。其中综合指数法首先计算单项污染物的单项指数(Ii)，然后将各项污染物的单项指数相加，求得综合指数(Isum)，计算公式如下：
(1)
(2)
式中，Ci为污染物的浓度值，其中SO2、NO2、PM10、PM2.5为年均浓度值，CO为24小时平均浓度第95百分位数浓度，O3为日最大8小时平均第90百分位数浓度，Si为第i污染物二级标准限值浓度。
3. 结果与讨论
3.1. 污染物浓度
图1为2013~2019年北辰区环境空气主要污染物浓度变化。除O3浓度呈现上升趋势外，PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2浓度均呈现下降趋势。PM2.5浓度从2013年的100 μg/m3降至2019年的53 μg/m3，下降了47.0%，依旧超标0.51倍；PM10浓度从169 μg/m3降至2019年的85 μg/m3，下降了49.7%，超标0.21倍。SO2浓度从50 μg/m3降至2019年的11 μg/m3，下降了78.0%，NO2浓度从55 μg/m3降至2019年的38 μg/m3，下降了30.9%，CO浓度从4.0 mg/m3降至2019年的2.1 mg/m3，下降了47.5%，SO2、NO2、CO三项浓度达到国家二级标准限值要求。O3浓度从149 μg/m3升高至2019年的211 μg/m3，升高了41.6%，超标0.32倍。
Figure 1. Changes of main pollutant concentration in Beichen District from 2013 to 2019
图1. 2013~2019年北辰区主要污染物浓度变化
3.2. 空气质量级别
根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)规定，空气质量划分为六个等级，分别为一级优(0~50)、二级良(51~100)、三级轻度污染(101~150)、四级中度污染(151~200)、五级重度污染(201~300)和六级严重污染(>300)。一级优和二级良为达标天，三级及以上为污染天，五级重度污染及六级严重污染为重污染天。2013~2019年北辰区空气质量级别天数分布见图2。结果表明北辰区达标天数从2013年的122天增加到2019年的210天，其中一级优的天数从2013年6天增加至2019年42天，蓝天越来越多。五级重度污染及以上的天数从2013年的56天下降至2019年的20天，重污染天数显著减少。特别是2018年，达标天数高达218天，重污染天数仅有13天，为近几年来的最好水平。
Figure 2. Air quality grade days distribution in Beichen District from 2013 to 2019
图2. 2013~2019年北辰区空气质量级别天数分布
3.3. 污染组成
北辰区环境空气质量综合指数从2013年9.41降至2019年5.69，下降了39.5%，表明空气质量总体改善且改善幅度较大。图3为2013~2019年北辰区主要污染物对综合指数的贡献占比情况，PM2.5贡献率从30.4%降至26.5%，PM10贡献率从25.6%降至21.3%，NO2贡献率从14.7%升至16.7%，SO2贡献率从8.8%降至3.2%，CO贡献率从10.6%降至9.1%。O3贡献率从9.9%升至23.2%。对综合指数贡献从大到小排序，2013年为PM2.5 > PM10 > NO2 > CO > O3 > SO2，2014年、2016年和2017年为PM2.5 > PM10 > NO2 > O3 > CO > SO2，2015年、2018为PM2.5 > PM10 > O3 > NO2 > CO > SO2，2019年为PM2.5 > O3 > PM10 > NO2 > CO > SO2，PM2.5贡献率一直最大，O3贡献率由第五位升值第二位，表明PM2.5依旧是环境空气中最主要的污染物，O3污染问题日益突出。
Figure 3. Contribution ratio of main pollutants to air pollution integrated index in Beichen District from 2013 to 2019
图3. 2013~2019年北辰区主要污染物对综合指数贡献占比情况
3.4. 污染物季节特征
表1为2013~2019年北辰区空气质量多年平均浓度季节分布统计，PM2.5、NO2、CO、SO2四项污染物浓度季节分布均表现为冬季 > 秋季 > 春季 > 夏季，PM10表现为冬季 > 春季 > 秋季 > 夏季，O3表现为夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季。原因一方面在于北辰区的气候属暖温带半湿润大陆性季风型气候，冬季寒冷干燥，污染物扩散条件整体较差，另一方面北方城市从11月至来年3月处于供暖期，污染物排放显著增加。北辰区春季干燥，容易受北方沙尘天气影响，导致春季PM10浓度高于秋季。从浓度水平来看，SO2和CO冬季浓度分别是夏季的5.0倍和2.3倍，PM2.5、PM10、NO2冬季浓度分别是夏季的1.8倍、1.7倍和1.9倍，即冬季是颗粒物、NO2等大气污染物防治的核心季节。
Table 1. Seasonal distribution characteristics of air quality in Beichen District from 2013 to 2019
表1. 2013~2019年北辰区空气质量多年平均浓度季节分布特征
注：CO浓度单位为mg/m3，其他污染物浓度单位为μg/m3。
4. 结论
1) 2013~2019年，北辰区除O3浓度呈现上升趋势外，PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2浓度均呈现下降趋势。PM2.5浓度从2013年的100 μg/m3降至2019年的53 μg/m3，O3浓度从149 μg/m3升高至211 μg/m3。
2) 北辰区达标天数从2013年的122天增加到2019年的210天，其中一级优的天数从2013年6天增加至2019年42天，五级重度污染及以上的天数从2013年的56天下降至2019年的20天，重污染天数显著减少。
3) 北辰区环境空气质量综合指数从2013年9.41降至2019年5.69，下降了39.5%，表明空气质量总体改善且改善幅度较大。当前对综合指数贡献从大到小排序为PM2.5 > O3 > PM10 > NO2 > CO > SO2，PM2.5依旧是环境空气中最主要的污染物，O3污染问题日益突出。
4) 北辰区PM2.5、NO2、CO、SO2四项污染物浓度季节分布均表现为冬季 > 秋季 > 春季 > 夏季，PM10浓度表现为冬季 > 春季 > 秋季 > 夏季，O3浓度表现为夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季。