近十几年兰州空气污染变化及治理建议
孙文杰;刘明;尹勤;仝纪龙;黄忠伟
【摘 要】兰州是甘肃省的省会,是西北的工业重镇,长期以来都面临大气污染方面的问题,严重制约着兰州经济社会的发展.近年来,兰州市采取了各种有效治理污染的措施,并取得了显著成果.本论述从气象条件、地理环境、人类活动等多个方面分析了兰州空气污染的原因,并应用Daniel趋势检验法对兰州市2001至2014年的空气质量数据资料进行处理分析,研究了兰州市空气污染状况及变化趋势.研究结果表明:兰州市空气质量总体上明显好转,空气污染指数API、主要污染物SO2,NO2和PM10浓度的spearman相关系数均是负数,各个数据参数随着时间推移都呈现下降趋势;兰州市的空气优良天数比例明显增加.兰州市的空气质量具有季节变化特点,冬春两季污染严重,夏秋较轻.近十几年,兰州冬春两季的API浓度明显下降,夏秋API变化不大,应该加大对冬春两季的治污投入.同时通过对数据进行线性拟合来对兰州市未来空气质量进行预估,结果显示兰州市API和SO2浓度已经达标,其余污染物也基本将在未来10年内达到标准.最后,对兰州市未来污染治理措施提出了一些建议.
【期刊名称】《甘肃科技纵横》
【年(卷),期】2016(045)010
【总页数】6页(P8-13)
【关键词】兰州;空气污染;治理措施;变化趋势
【作 者】孙文杰;刘明;尹勤;仝纪龙;黄忠伟
【作者单位】兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000;兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000;兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000;兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000;兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000
【正文语种】中 文
【中图分类】X51
DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.10.002
空气污染是全球面临的一个主要环境问题，也是影响人类生存与发展的最重要的环境风险因素之一。近年来，我国雾霾天气频发，引起了人们对城市空气污染问题的广泛关注。
兰州市的空气污染状况十分严重，曾在1998年被评为全球10大污染城市之一［1］。兰州有工业、生活、交通三大污染源，工业污染最严重，然后是生活和交通污染。兰州市大气污染带有明显的季节性特点，春季以沙尘浮尘等输入性污染为主，夏秋季以泥尘污染为主，冬季则以煤烟等低空面源污染为主［2］。由于煤烟、扬尘和机动车尾气的污染，加之兰州的气象条件，形成了严重的煤烟和机动车尾气复合型大气污染。本论述对2001至2014年兰州主要空气质量数据进行了处理分析，研究近十几年来兰州市空气质量的变化情况，并提出了自己的治污建议。
1.1 地理与气候因素
1.1.1 静风和逆温频率高
兰州是典型的山地城市，气流在河谷盆地内流通不畅，其主导风向为东北风，全年静风和小风日数占60%以上，特别是在冬季，静风频率高达81%左右［3］，各种污染源排放的大量污染物因大气流动不顺畅而不易扩散出去。兰州市逆温现象较为严重，兰州全年约有80%的天数出现逆温［3］，出现逆温现象持续时间长，抑制了兰州大气污染物的扩散与稀释。由于静风和逆温频率高，造成兰州市大气的稳定度较高，从而造成严重的大气污染。
1.1.2 干旱少雨
兰州市地处内陆，性季风气候明显，气候干燥，是典型的半干旱内陆区。兰州市年均降水量少，且季节分布不均匀，不利于污染物的稀释和沉降；同时，气候干旱不利于植物生长，地表植被覆盖率不高也不利于污染物的净化［4］。因此干旱少雨的气象条件也是造成空气质量下降的原因之一。
1.1.3 自然降尘量大，春季沙尘暴和浮尘天气频发
兰州市城区道路扩建、旧城改造、建筑施工中二次扬尘的污染以及周边生态环境恶化引起的沙尘暴和浮尘天气，这是造成大气污染程度较重的另一个主要因素。位于兰州北边的九洲台是全国乃至世界风成黄土层最厚的地区，再加上河西地区沙尘暴频发，从而造成严重的自然降尘。沙尘暴和浮尘会使可吸入颗粒物浓度上升，从而使空气质量下降。
1.2 其他因素
1.2.1 能源结构单一，清洁燃料推广滞后
兰州是“一五”“二五”时期重点建设的老工业城市，工业生产结构以石油化工、电力、建筑材料生产、有色冶金、机械加工和纺织为主导，“三高一低”型企业占工业增加值的一半以上，能源结构以煤炭为主。工业构成中，轻重工业分别占18%和82%，重工业中原材料和采掘业占77%，加工业仅占23%，重工业的能源年消耗量占总量的79.6%，其中86.8%一次性能源为煤炭［5］，全市工业生产、采暖供热能源均以燃煤为主。因此，燃煤导致的大气污染严重。
1.2.2 机动车数量迅猛增长，机动车造成的污染增加
与其他城市一样，兰州市的空气质量也深受机动车数量增长的影响。汽车尾气对城市的污染日益严重，占到全市污染物总量的20%，机动车尾气排放的主要污染物为CO、HC、NOx［7］。随着机动车数量的不断攀升，加上兰州城市公共交通和路网建设不够发达，造成道路拥挤，堵车现象严重，汽车在市区怠速条件下行驶，尾气排放量增大，主要交通干道形成污染带，导致空气质量恶化。
1.2.3 产业结构和工业布局不尽合理
兰州是在“一五”至“三五”期间发展起来的以石油化工、机械制造、冶金等为主的重工业城市，是全国重要的石油化工基地，这种特殊的产业结构是造成兰州市大气污染的重要因素［8］。从区域来看，工业重点源的分布主要在西固区，西固区的大气污染也因
此极为严重。
1.2.4 供热集中度低
近几年，随着集中供热在城市的大力推行，兰州市正在扩展集中供热的规模，但集中供热和联片供热的管网覆盖率仍比较低，仍存在集中供热度不高，锅炉容量小等问题。兰州市供热锅炉以循环流化床锅炉为主，近年来，大多数循环流化床锅炉进行了炉内喷钙脱硫治理，但由于设备的损坏程度比较高、脱硫成本高等原因，没有达到应有的效率。按照甘肃省环保厅要求，采用炉内喷钙脱硫措施的循环流化床锅炉未能稳定达标的，应该建设炉后烟气脱硫设施，但大多数企业因无法承受高成本，造成推行困难［9］。
1.2.5 城市建设规模大，扬尘污染重
兰州市是一个典型的煤烟型城市，烟尘污染严重，地面扬尘也非常严重，同时由于城市建设的发展，各个施工点此起彼伏，建筑、道路施工堆料以及无植被覆盖的大量裸露地面，造成了严重的地面扬尘。近年来，随着城市建设力度的加大，城市施工项目明显增多，由于施工项目没有严格落实相应的防尘措施，形成了新的尘源，造成了严重的二次扬尘污染。
2.1 数据介绍
兰州市空气质量数据来源于环保部数据中心的重点城市空气质量日报，中国空气质量在线监测分析平台历史数据和文献资料［10］。数据内容包括兰州市空气污染指数（API）以及主要污染物SO2、NO2和PM10的浓度，数据起止时间是2001至2014年，见表
1所示。
（API：空气污染指数就是将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式，并分级表征空气污染程度和空气质量状况，适合于表示城市的空气质量状况和变化趋势。）
2.2 数据处理方法
（1）用wps表格对数据处理，对兰州市空气质量数据进行作图分析以研究其变化过程，同时利用Daniel检验法对空气质量变化趋势进行相关性分析。Daniel检验法［11］是对环境污染变化趋势进行相关性分析最常用的方法，也是环保部推荐使用的方法，它使用spearman秩相关系数，用于单因素小样本的检验，精确性高。
Daniel检验法介绍：时序为Y1，…，Yn，对应的污染数据为C1，…，Cn，将污染数据从小到大排序为X1，…，Xn，然后按（1）式计算这组数据的spearman秩相关系数rs，rs的范围为［-1，1］。之后将｜rs｜和临界值Wp比较，当｜rs｜＞Wp时，表明变化趋势有显著意义。若rs为负值，表明污染数据呈显著性下降趋势；若rs为正值，表明污染数据呈显著性上升趋势。当｜rs｜＜Wp时，表明变化趋势无显著意义，即污染变化平稳。
其中，di为Xi和Yi的差值，di＝Xi－Yi；N为时间周期。
用SPSS19.0进行数据处理，从而得出spearman秩相关系数rs，并判断相关性是否显著。
（2）用wps表格对数据点进行线性拟合，同时用SPSS19.0对拟合结果进行显著性检验，根据线性拟合的结果对兰州未来的空气质量变化进行估算。
3.1 兰州空气质量年际变化
（1）由SPSS相关分析图表2可以看出，API月平均浓度的spearman秩相关系数rs=-0.285，API的年平均浓度的spearman秩相关系数rs=-0.785，且双尾t检验的显著性概率分别为0.000和0.001，均小于0.01，通过了显著性检验，说明2001至2014年兰州API浓度总体呈下降趋势，且变化趋势有显著性意义。
由SPSS相关分析图表2可以看出，SO2、NO2和PM10的年平均浓度的spearman秩相关系数rs分别为-0.879、-0.519和-0.730，双尾t检验的显著性概率分别为0.000、0.057和0.003，其中NO2没有通过显著性检验，说明2001至2014年兰州市SO2、NO2和PM10年平均浓度总体呈下降趋势，其中SO2、NO2的变化趋势有显著性意义，NO2的变化趋势无显著性意义。
（2）结合历史资料具体分析，兰州市近十几年空气污染指数是非稳定的，具有非线性和多周期变化特征，呈现出混沌性。由图2可以看出，兰州市2001至2014年空气污染指数呈不规则震荡变化趋势，但从API每年的峰值和平均值来看，空气污染指数总体上呈下降趋势，2001至2005年空气质量逐年变好，在2006年和2009年出现反弹趋势，有所上升，在2006年出现强烈反弹的原因是受沙尘暴及浮尘天气的影响。而2009年之所以出现较大反弹，一方面是由于该年沙尘暴及浮尘天气的强度相对较强的缘故，另一方面是由于“西热东输工程”“天然气管网工程”等工程的全面启动，从而造成了扬尘，导
致可吸入颗粒物的增加。总体来看，兰州市近十几年来大气污染状况总体有所好转，2010年后的API明显低于2001年，但由于受到各种因素的制约，局部时段大气污染反弹趋重时有发生，因此大气污染的彻底治理还任重道远；
从SO2的年平均浓度变化情况来看，SO2总体上呈现明显的下降趋势，SO2年平均浓度从2002年的80ug/cm3下降到2014年的25ug/cm3，年均降幅为6.3%，但是2008年出现较大反弹，主要是由于2008年兰州市工业二氧化硫排放量为7.19万吨［12］，为近年来排放量最多的一年。由于兰州的能源结构以燃煤为主，SO2排放量大，所以对SO2的控制仍然是重点；
近年来PM10总体呈下降趋势，PM10的年平均年度从2001年的168ug/cm3下降到2014年的121ug/cm3，但中间也出现了波动，2006年和2009年亦出现反弹，尤其是2006年，可吸入颗粒物年平均浓度达到近年来的最高值192ug/m3，主要是受沙尘暴和浮尘天气的强烈影响，影响了兰州市空气质量；而2009年则是受沙尘暴和浮尘天气以及由于建筑施工引起扬尘的共同影响；所以对PM10控制任务依然艰巨；
2001至2014年兰州NO2年均浓度稍有下降，趋势不明显，呈现稳定的波动变化，原因可能与机动车辆大幅增加有关，所以今后要引起重视，加大对机动车数量，控制尾气排放，以达到对NO2排放控制。
从图3可以看出，空气质量优良天数比率明显增加，优良天数比率从2001年的32.6%增加到2012年的75%，重度污染比率从11%下降到0.8%，减少了近90%，轻度污染天数也减少了近一半，中度污染天数也由2001年的24天减少到2012的3天。
虽然在2006年和2010年出现了反弹，但总体上看兰州空气质量达标的天数明显增加。
3.2 兰州空气质量季节变化
兰州市大气污染存在明显的季度变化规律，通过对2001至2014年的空气污染指数的统计分析，由图4可以看出，冬春两季污染最严重，秋季次之，夏季污染最轻。一方面由于冬季静风频率和逆温频率最高，大气层结最稳定，污染物不易扩散，另一方面此季节为兰州采暖期，燃煤量急剧增加，导致污染物排放量增加，所以造成API数值高；春季污染也很严重，主要是沙尘天气影响，导致污染加重，夏季是全年空气质量最好的季节。
由图表可以看出兰州API总体明显下降，其中冬季和春季空气质量改善最明显，夏秋降幅不大，处于波动之中。由此可以看出，冬春治理污染效果明显，而夏秋两季由于变化不明显，因而应该加大对冬春治理空气污染的投入，减小夏季投入。
从图5可以看出，不同季节、不同空气质量级别天数的年际变化趋势；2001至2012年间春季空气质量表现为优和良的天数逐年增加，但在2008年有所回落，中度污染及轻污染天数在逐年减少，重污染天气无较大变化，2006年变化突出。但与其他季节相比，春季空气污染指数变化年际波动较大，这与北方沙尘活动的变化及波动有关。夏季空气质量最优，以优良等级为主，变化也非常小。秋季年变化趋势比较明显，优和良的天数逐年增多，中度和轻度污染天数逐年减少。但都有明显的分界线那就是2008年，可见2008年以后的天气污染有所加重。冬季污染最严重，中、重度污染在2005年之前减小趋势明显，2004年2005年两年严重反弹，2006年后呈现明显的下降趋势。综合来看，从2001年到2012年优良天数明显增加，污染天数明显减小。
3.3 近十几年兰州主要大气污染物达标情况
虽然总体来看，兰州市空气质量状况有所改善，主要污染物年均浓度总体上均呈下降趋势，但从表7可以看出，主要污染物SO2、NO2和PM10年均浓度在大部分年份依然超标，其中只有SO2达标的年份较多，NO2只有2005和2012年达标，其余年份均超标，而PM10每年浓度均超标。因此，兰州空气污染治理依然任重而道远。
3.4 兰州市未来空气质量预估
为了对兰州市未来的空气质量进行预估，我们先对数据参数进行线性拟合，再将各个参数的达标浓度代入拟合的直线方程，求出还需要多少年各个量才能达标。
3.4.1 各个参数年平均浓度变化的线性拟合结果
3.4.2 未来空气质量预估
预估结果分析：由表6可以看出，API已经达到良（二级）标准，但要达到优（一级）标准还需要大概8年的时间；PM10要达到二级标准还需要7年的时间，到达一级标准还需要22年的时间，所以对于可吸入颗粒物的防治是接下来治污的重点；SO2已经达到二级标准，还需要4年达到一级标准，说明近些年工业减排效果明显，SO2排放量得到了有效控制；NO2因为拟合结果不显著所以无法定量预估，但从变化趋势来看也呈下降趋势，有希望在未来若干年达标；而且API、SO2和PM10下降速度非常接近，说明三者的变化趋势呈现一致性。
4.1 主要结论
4.1.1 环境质量改善
兰州市空气质量总体上明显好转，API年平均浓度已经达到良的标准，各主要污染物的浓度虽然没有完全达标，但也呈现明显下降的趋势。
4.1.2 优良天数增多
优良天数比率明显增加，优良天数比率从2001年的32.6%增加到2012年的75%，重度污染比率从11%下降到0.8%，减少了近90%，轻度污染天数也减少了近一半，中度污染天数也由2001年的24天减少到2012的3天。
4.1.3 空气质量季节变化显著
兰州空气质量具有明显季节特征，冬春污染严重，夏秋较轻。近十几年，全市冬春两季空气质量改善明显，冬季API由2001年的244ug/cm3下降到2014年的101ug/cm3，平均每年下降4.2%；春季API由2001年的214ug/cm3下降到2014年的105ug/cm3，平均每年降幅为3.6%；夏秋降幅不大，处于波动之中。应该加大冬春两季治污的投入。
4.1.4 未来预期良好
根据空气质量预估的结果，API已经达到良的标准，有希望在10年内达到优的标准；
主要污染物中SO2已经达到二级标准，预估再过8年达到一级标准；PM10再过7年达到二级标准；NO2虽然变化不显著，但也在呈现下降趋势，有希望在未来达标。
4.2 治污建议
（1）全面规划，合理布局。在科学安排产业规模、产业结构、城市空间结构的基础之上，合理安排城市各项用地。城区应当尽量避免建造大型污染企业，对于必须兴建的，则应当远离城市中心，位于小城镇区域或者是远郊区。需要注意的一点是，虽然偏东风是兰州的主导风向，但全年还是以静风为主，与逆温的结合才是造成兰州市大气污染的罪魁祸首。所以说，盲自按照理论“上风向”与“下风向”来布置企业布局是不够合理和全面的，需要在充分考虑了静风和逆温对兰州大气污染影响的基础上进行合理安排。与此同时，生活区应安置在环境质量好且交通便利的区域，对于目前夹杂在生活区中的污染企业，应当视情况采取措施，迁移、停止或者合并等，配合城市的整体规划逐步迁出居住区域。
（2）减少机动车尾气排放。制定和改造柴油车、停售含铅汽油、机动车达标排放等一系列规定，并完善和严格执行。另外机动车尾气达标排放，但如果车辆总数增加，大气污染依然会加重。因此，市区机动车辆总数，是一个需要解决的问题。可以对机动车实行单双号限行的做法，在供暖期对机动车实行单双号限行，以减轻冬春季的大气污染。此外，在市内设立多处检查监测点，强化尾气治理路面检查，对超标车辆和冒黑烟车辆给予处罚。
（3）加强生态建设，减少自然因素造成的污染:采取预防和保护措施，遏制生态环境恶化的趋势。近年来，兰州城市绿化覆盖率和人均公共绿地面积不断增加，但在国内大城
市中仍属落后［16］。为此，应大力进行城市园林绿地建设，加快南北两山的绿化进程，并通过防护林体系建设，在兰州的周边地区形成多道绿化屏障，以改善生态环境，降低大气中总悬浮颗粒物污染，不断提高空气质量［17］。
（4）积极宣传环保概念，唤醒民众环保意识。力争做到“公众参与，公众受益”以提升公众环保理念和环保意识，积极推进“以预防为主，防治结合”的方针，使兰州空气质量进一步提升。
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