郑州市PM25污染水平及时空分布特征研究.docx
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郑州市PM25污染水平及时空分布特征研究
目录
1概述1
1.1研究背景1
1.2国内外对空气中细颗粒物的研究现状1
1.2.1国内外环境空气中颗粒物质量标准1
1.2.2环境空气中颗粒物浓度变化特征研究概述3
1.3研究内容与方法4
1.3.1研究内容4
1.3.2研究方法5
1.4研究目的与意义5
1.4.1研究目的5
1.4.2研究意义6
2细颗粒物PM2.5内涵与形成机理7
3郑州市AQI指标变化规律8
3.1AQI相关信息8
3.1.1AQI简介8
3.1.2AQI等级划分8
3.1.3AQI评价方法9
3.2郑州市AQI变化规律10
3.2.1PM2.5年际变化规律10
3.2.2大颗粒物质年际变化规律11
3.2.3CO年际变化规律13
3.2.4NO2年际变化规律13
3.2.5SO2年际变化规律14
3.2郑州市AQI指标污染程度分析15
4郑州市PM2.5污染空间时间划分17
4.1郑州市PM2.5污染空间划分17
4.2郑州市PM2.5污染时间划分19
5郑州市PM2.5浓度相关性分析20
5.1相关性分析原理20
5.2灰色关联度分析21
5.2.1数据处理21
5.2.2关联系数计算22
5.2.3灰色关联度分析22
5.3线性回归分析验证23
5.3.1回归分析原理23
5.3.2多元线性回归模型24
5.3.3回归模型验证25
5.4结论和分析26
6供暖期PM2.5小波分析27
6.1数据的来源与处理27
6.2供暖期PM2.5浓度变化分析27
6.3供暖期PM2.5浓度与正常时期比较29
6.4结论30
7、小波分析在供暖期PM2.5相关性分析中的应用31
7.1小波函数的选择31
7.2供暖期PM2.5浓度变化分析31
7.3供暖期PM2.5小波分析32
7.4PM10、CO、NO2、SO2主周期的确定33
7.5PM2.5相关性分析34
7.6结论与分析36
8郑州市PM2.5治理建议与展望38
8.1本项目研究结论总结38
8.2郑州市PM2.5治理建议39
8.3郑州市PM2.5治理展望39
参考文献40
1概述
1.1研究背景
在我国快速发展的城市化进程中,空气污染问题越来越严重,其中可吸入细颗粒物,尤其是PM2.5已成为众多城市大气环境的首要污染物之一。
颗粒物本身含有许多有毒有害的物质,研究表明,大气颗粒物是导致人类死亡率上升的重要原因之一,同时也是导致全球气候变化、烟雾事件、破坏等重大环境问题的重要因素[1],目前,颗粒物污染是全国各大中型城市大气污染的首要问题。
而我国仅在北京、广州等大城市有较系统的颗粒物研究,一些中小城市还尚未开展研究。
郑州市作为河南省会,是我国具有代表性的中等城市。
近年来,城市工业、基础建设发展非常迅速,城市人口和机动车保有量飞速增长,给大气环境带来了严重压力,空气污染问题日益突出,主要表现在:
城区空气环境非常脆弱,而且质量不稳定,大气环境中颗粒物浓度飞速升高,持续的雾霾天气,让郑州陷入了十面“霾”、伏。
颗粒物的类型也有过去的煤烟型发展为以煤烟、二次扬尘、机动车尾气、餐饮油烟等为特征的复合型污染,污染物的来源很复杂。
鉴于郑州市空气中细颗粒物的污染日益严重,已影响了人们的日常生活和身体健康。
本项目顺应当前紧迫的形势,对郑州市大气环境中细颗粒物(PM2.5)展开研究,探索经济而有效的颗粒物控制策略,具有非常重要的实际意义。
1.2国内外对空气中细颗粒物的研究现状
1.2.1国内外环境空气中颗粒物质量标准
环境空气中的颗粒物(又称为气溶胶)是一类悬浮于大气环境中的呈液态或固态的粒子,由于在城市大气中巨大的数量、复杂的成分、多变的性质而被视为大气环境中危害最大的污染物之一。
为此,国外一些发达国家(如美国、日本等)早在20世纪70年代就开始研究大气颗粒物污染,先后对环境空气中颗粒物的浓度限值作了规定,而且随着人们生活水平的提高,以及检测技术水平的进步,及时调整和更新颗粒物浓度限值。
例如美国在1971年就将空气中颗粒物浓度限值写进了《美国国家空气质量标准》,当时将颗粒物(PM10)年均浓度限值定为两级,分别为75mg/m3和60mg/m3,日均值浓度限值分别为260mg/m3和150mg/m3,随着科技进步,美国在1997年就将标准中“颗粒物(PM10)”变成“细颗粒物(PM2.5)”[2][3]。
中国在大气颗粒物研究方面起步较晚,直至1996年才在我国的空气质量标准中规定了PM10的浓度限值。
如今颗粒物PM10已成为世界各国,尤其是发展中国家首要控制的大气污染物。
表1.1中国PM10空气质量标准与WHO空气质量准则的对比(单位:
)
项目
中国
WHO过渡期
WHO
一级
二级
三级
目标1
目标2
目标3
标准值
日均浓度限值
50
150
250
150
100
75
50
年均浓度限值
40
100
150
70
50
30
20
图1.1国内外PM10环境空气质量标准
表1.1是中国PM10空气质量标准与WHO空气质量准则的对比表,图1.1是包括WHO、美国、欧盟、日本、中国的香港和台湾及中国大陆地区等在内的国内外PM10环境空气质量年均值、日均值和小时均值的对照图。
从表1.1与图1.2结合可见,中国目前执行的标准还处于较低的水平。
虽然日均值一级浓度限值与WHO准则的浓度限值相同,但是年均值一级标准限值浓度则是WHO年均值一级标准限值浓度的两倍,而且一级标准仅仅适用于一些国家自然保护区及风景优胜地区,适用范围较窄。
目前我国各城市普遍使用的是环境空气质量二级标准,浓度限值超过标准浓度限值很多(日均值是3倍,年均值为5倍),而三级标准相距更大(分别为5倍和7.5倍)(如表1.1所示)。
随着对颗粒物研究的深入,尤其是颗粒物的治病机理的研究,发现细颗粒物更容易引起健康方面的问题。
因此,许多国家将更细微的颗粒物列入环境空气质量标准中,美国EPA在1997年将环境空气中PM2.5浓度限值的年均值和日均值分别定为15mg/m3和35mg/m3,WHO准则值中的年均浓度限值与日均浓度限值分别为10mg/m3和25mg/m3[4]。
直到2012年2月29日,我国环境保护部公布了新修订的《环境空气质量标准》(GB3095—2012),本次修订的主要内容:
调整了环境空气功能区分类,将三类区并入二类区;增设了颗粒物(粒径小于等于2.5μm)浓度限值和臭氧8小时平均浓度限值;调整了颗粒物(粒径小于等于10μm)、二氧化氮、铅和苯并(a)芘等的浓度限值;调整了数据统计的有效性规定。
与新标准同步还实施了《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633—2012)。
新标准中,首次将产生灰霾的主要因素——对人类健康危害极大的细颗粒物PM2.5的浓度指标作为空气质量监测指标。
标准中规定细颗粒物(粒径小于等于2.5
)年平均一级、二级浓度限值分别是15
、35
;24小时平均一级、二级浓度限值分别是35
、75
[5]。
细颗粒物(PM2.5)已引起我国研究学者的重视,对其研究也越来越多。
1.2.2环境空气中颗粒物浓度变化特征研究概述
在国外,L.cheng等研究了加拿大的阿尔伯达农村大气颗粒物的变化特征。
X.Querol等研究了西班牙农村、城市和工业区TSP和PM10的污染水平。
SergioRodriguez等对西班牙东部郊区、城市和工业区PM10—2.5的贡献率进行了研究。
Kuang一LingYang研究了台湾大气中PM10浓度随时间和空间的变化特征。
YingI等对台湾南部城市大气中汞和砷的时间特征进行了研究。
ChristophHueglin等对瑞士城市、近郊和农村的PM10、PM2.5和总颗粒物质的化学特性进行了研究,并考虑了空气湿度对它们的影响。
PreethaS.Pillai研究了热带海洋地区PM10和PM2.5的浓度变化。
在国内,王宇骏研究了广州市PM10污染的季节性变化和污染水平。
关共凑分析了佛山禅城区可吸入颗粒物的日变化、季节变化以及空间分布特征。
邓朝祥分析了三明市区可吸入颗粒物的污染现状并提出了可吸入颗粒物的防治对策。
王葛慧等研究了南京城市大气中PM10和PM2.5的水溶性物质的特征。
陈建发找出了福州市环境空气中PMI10和TSP相关关系的变化规律。
王京丽圈研究了细粒子的化学组成特征及日变化特征。
马廷分析了气候因子对PM10时空浓度变化的影响。
YeleSun等研究了北京大气中PM10和PM2.5的浓度、化学组成、粒径分布和来源。
樊曙先等分析了银川市大气可吸入颗粒物的质量浓度变化特征。
张凯、柴发合、张新民等利用膜采样!
颗粒在线称重方法和维萨拉气象仪对2004和2006年秋季嘉兴大气中PM2.5及气象因子进行了分析。
梁明易、董林、陶俊等收集了2005年12月至2006年2月的PM2.5浓度观测数据及同步气象数据,分析了冬季PM2.5质量浓度日变化趋势以及霾日期间PM2.5质量浓度日变化和小时变化趋势。
国内外众多的研究发现,颗粒物的浓度与温度、湿度、风速和所处区域等都有密切关系。
一般情况下,温度升高,颗粒物运动加快,对颗粒物的扩散有利,在环境空气中颗粒物浓度会降低。
湿度降低,风速增加也会加快颗粒物的扩散。
因此,环境空气中颗粒物(TSP、PM10、PM2.5)总质量浓度呈现出明显的季节变化,即春冬季最高,夏季最低[6,7,8,9]。
各功能区环境空气中颗粒物浓度表现为商业区、交通区、居民区的较高,这显然与人为活动、机动车辆排放密切相关。
但是,我们也不难发现,对PM2.5的研究具有地区性,大都集中对于一个地区进行研究,而对于郑州市细颗粒物特征的研究还很少。
另外,学者们对于PM2.5成因及演变规律的研究不具有普遍性,而对AQI6个指标相互关系没有进行探索,于是在AQI6个统计指标中,确定PM2.5与其他指标关系,对分析PM2.5相关因素、成因和防治都有积极作用。
而郑州属于典型的二线城市,基础薄弱,环境压力大,适合对pm2.5进行研究。
1.3研究内容与方法
1.3.1研究内容
根据国家“两型社会”建设和创建“国家环保模范城市”的要求,提高城市环境空气质量,改善市民居住环境,解决日趋严重的大气污染问题。
本项目主要利用郑州市PM2.5自动监测站的监测公布数据,并与郑州市天气状况数据相结合,研究郑州市大气中细颗粒物(PM2.5)污染水平及时空分布特征,探索PM2.5与气象条件的相关性,及气象条件对于其浓度迁移、稀释等影响。
揭示PM2.5成因、演变等的一般规律,从而为郑州市大气污染控制和治理提供有利的建议和措施。
其研究内容主要有:
1、研究空气中细颗粒物PM2.5的内涵,分析郑州市PM2.5的现状及其成因、影响因素等,探索该地区PM2.5的污染水平。
2、基于郑州市2012—2013年空气质量指标数据,包括二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、可吸入颗粒物PM10、细颗粒物PM2.5、臭氧O3和一氧化碳CO等,分析PM2.5(含量)与其它5项分指标及其对应污染物(含量)之间的相关性及其相关关系进行分析。
3、基于郑州市2013—2014年的气象条件数据,包括风力、温度及季节等,刻画郑州地区PM2.5的发生和演变(扩散与衰减等)规律的数学模型,描述郑州市PM2.5的发展规律。
4、以郑州地区PM2.5监测数据最高的一天为例,利用所建立的模型描述该地区PM2.5浓度迁移、稀释的规律,并推测该天重度污染和可能安全区域。
5、采用适当方法检验本项目所建立模型和采用的方法合理性,并根据已有研究成果探索PM2.5的成因、演变等一般性规律。
6、提出有利的建议和措施控制和治理郑州市大气污染,以期能有效抑制郑州雾霾天气的出现频率。
1.3.2研究方法
1、通过网上资源,收集相关资料,查阅大量论文文献,充分了解PM2.5的相关研究,充实本项目的研究。
2、采用DPS、MATLAB等数据处理软件,对所采集到的数据进行处理,进行相关性分析及建立有效模型。
3、通过层次分析、神经网络等综合评价方法,评价各地区、各时段的污染情况。
1.4研究目的与意义
1.4.1研究目的
我国颗粒物污染程度很高,是很多北方城市的首要污染物。
可吸入颗粒物参与了由燃煤、机动车尾气以及扬尘3种污染相互作用而形成以大气氧化性增强、二次污染物复杂为特征的复合型空气污染。
目前,很多城市PM2.5日平均质量浓度均超过100
。
PM2.5细颗粒不仅含有大量的有机和有毒金属成份,而且比粗颗粒更能够进入人体并滞留在体内,严重危害人类健康。
本项目调查2013-2014年郑州市大气污染状况及大气质量评价,分析主要污染物(PM2.5)和当地气象条件(风速、风向、湿度)的相关性,以及分析PM2.5浓度与其他AQI指标的相关性,综合国内外大气污染防治方法和措施,为郑州市大气污染的防治工作提供有利的基础资料和更为经济的大气污染防治措施。
也为其他城市的大气污染治理工作提供有利的参考价值。
1.4.2研究意义
郑州市由于人口稠密,工业集中,交通拥挤,能源的大量消耗等因素,造成城市气候要素改变,导致空气严重恶化,尤其以细颗粒物(PM2.5)的污染水平更严重,年平均值超过国家二级标准。
大气中常年有大量的悬浮颗粒物及灰尘,不仅导致整个城市的可见度降低,更严重影响了城市居民的健康水平。
分析郑州市细颗粒物时空分布及其余气象条件的相关性,如何更有效地、更经济的控制大气污染,是一项十分重要而又紧迫的任务。
因此如何在经济快速发展的同时借鉴国内外大气污染先进治理经验,防治大气污染,保持国民经济的可持续发展,保护人民身心健康具有重要意义。
2细颗粒物PM2.5内涵与形成机理
PM是颗粒物(particulatematter)的英文缩写,又称尘,指大气中的固体或颗粒状物质。
PM2.5是指空气中直径小于等于2.5
的可吸入颗粒物,也称为细颗粒物或可入肺颗粒物,由于富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远,因而对人体健康和大气环境质量的影响非常大。
与较粗的大气颗粒物相比,PM2.5粒径小,大约是一根头发丝的1/20[5]。
PM2.5的形成机理和过程比较复杂,主要来源有自然源(植物花粉和孢子、土壤扬尘、海盐、森林火灾、火山爆发等)和人为源(燃烧燃料、工业生产过程排放、交通运输排放等),可以分为一次颗粒物(即由排放源直接排放到大气中的颗粒物)和二次颗粒物(即通过与大气组成成分发生化学反应后生成的颗粒物)。
PM2.5的成分主要由水溶性离子、颗粒有机物和微量元素等组成。
一般而言,粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路扬尘等;2.5微米以下的细颗粒物(PM2.5)则主要来自化石燃料的燃烧(如机动车尾气、燃煤)、挥发性有机物等。
郑州市大气环境细颗粒物的污染水平已十分严重,年均值远超过国家标准,并长期名列前茅。
郑州市2012年已设置九个监测点开始对PM2.5进行检测和预报工作,但缺乏科学系统的分析。
城市建设快速发展的同时,人为污染源造成的颗粒物污染问题不可忽视。
细颗粒物PM2.5是我国目前和未来较长时间大气污染控制的重点。
3郑州市AQI指标变化规律
3.1AQI相关信息
3.1.1AQI简介
空气质量指数(AirQualityIndex,简称AQI)是定量描述空气质量状况的无量纲指数。
针对单项污染物的还规定了空气质量分指数。
参与空气质量评价的主要污染物为细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。
2012年上半年出台规定,将用空气质量指数(AQI)替代原有的空气污染指数(API)。
AQI共分六级,从一级优,二级良,三级轻度污染,四级中度污染,直至五级重度污染,六级严重污染。
当PM2.5日均值浓度达到150微克/立方米时,AQI即达到200;当PM2.5日均浓度达到250微克/立方米时,AQI即达300;PM2.5日均浓度达到500微克/立方米时,对应的AQI指数达到500。
空气质量按照空气质量指数大小分为六级,相对应空气质量的六个类别,指数越大、级别越高说明污染的情况越严重,对人体的健康危害也就越大。
3.1.2AQI等级划分
根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633—2012)规定:
空气污染指数划分为0-50、51-100、101-150、151-200、201-300和大于300六档,对应于空气质量的六个级别,指数越大,级别越高,说明污染越严重,对人体健康的影响也越明显。
空气污染指数为0-50,空气质量级别为一级,空气质量状况属于优。
此时,空气质量令人满意,基本无空气污染,各类人群可正常活动。
空气污染指数为51-100,空气质量级别为二级,空气质量状况属于良。
此时空气质量可接受,但某些污染物可能对极少数异常敏感人群健康有较弱影响,建议极少数异常敏感人群应减少户外活动。
空气污染指数为101-150,空气质量级别为三级,空气质量状况属于轻度污染。
此时,易感人群症状有轻度加剧,健康人群出现刺激症状。
建议儿童、老年人及心脏病、呼吸系统疾病患者应减少长时间、高强度的户外锻炼。
空气污染指数为151-200,空气质量级别为四级,空气质量状况属于中度污染。
此时,进一步加剧易感人群症状,可能对健康人群心脏、呼吸系统有影响,建议疾病患者避免长时间、高强度的户外锻练,一般人群适量减少户外运动。
空气污染指数为201-300,空气质量级别为五级,空气质量状况属于重度污染。
此时,心脏病和肺病患者症状显著加剧,运动耐受力降低,健康人群普遍出现症状,建议儿童、老年人和心脏病、肺病患者应停留在室内,停止户外运动,一般人群减少户外运动。
空气污染指数大于300,空气质量级别为六级,空气质量状况属于严重污染。
此时,健康人群运动耐受力降低,有明显强烈症状,提前出现某些疾病,建议儿童、老年人和病人应当留在室内,避免体力消耗,一般人群应避免户外活动。
表3.1AQI等级
AQI数值
等级
0-50
优
50-100
良
100-150
轻度污染
150-200
中度污染
200-300
重度污染
300以上
严重污染
3.1.3AQI评价方法
就像上证综合指数不代表股价、消费物价指数CPI不代表物价一样,AQI指数也只表征污染程度,并非具体污染物的浓度值。
由于AQI评价的6种污染物浓度限值各有不同,在评价时各污染物都会根据不同的目标浓度限值折算成空气质量分指数AQI。
AQI范围从0到500,大于100的污染物为超标污染物。
例如PM2.5日均浓度35微克/立方米对应的分指数为50,75微克/立方米(就是通常所说的限值),折算为分指数是100,而500微克/立方米对应的IAQI值是500。
AQI就是各项污染物空气质量分指数中的最大值。
当AQI大于50时,IAQI最大的污染物为首要污染物,若IAQI最大的污染物为两项或两项以上时,并列为首要污染物。
而在6项污染物中,PM2.5折算成IAQI为500的浓度限值,也刚好是500微克/立方米。
也就是说,一旦PM2.5的日均浓度超过500微克/立方米,AQI随即达到500,无论浓度再怎么高,AQI也还是500。
因此,严重雾霾期间,PM2.5日均浓度超过500微克/立方米的地方,就“爆表”了。
图3.1AQI评价方法
3.2郑州市AQI变化规律
3.2.1PM2.5年际变化规律
根据郑州市2013年11月到2014年10月一年内365天的平均PM2.5浓度数据,PM2.5年际变化如下图。
红线为空气质量为良的指标线。
图3.2PM2.5年际变化
由图看出,在一年内,PM2.5始终处于不断波动之中,出现一个波峰之后,随即会出现一个波谷,年际整体水平看出,污染程度较严重时期为12月和1月的冬季,污染程度较轻时期为7月、8月和9月夏季时期。
在一年内各个污染水平对应天数如表3.2。
由表中可以看出:
郑州市全年处于环境质量优良的天数为197天,占全年的54%,处于中度污染以上的天数为77天,占全年的21.1%。
表3.2PM2.5污染等级
空气质量
优
良
轻度污染
中度污染
重度污染
严重污染
天数
29
168
91
37
34
6
3.2.2大颗粒物质年际变化规律
大颗粒物质为可吸入物质,表示为PM10。
可吸入颗粒物是在环境空气中长期飘浮的悬浮微粒,对大气能见度影响很大。
一些颗粒物来自污染源的直接排放,比如烟囱与车辆。
另一些则是由环境空气中硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物互相作用形成的细小颗粒物,它们的化学和物理组成依地点、气候、一年中的季节不同而变化很大。
可吸入颗粒物通常来自在未铺沥青、水泥的路面上行使的机动车、材料的破碎碾磨处理过程以及被风扬起的尘土。
≤2.5微米的细粒子,例如Pb、Mn、Cd、Sb、Sr、As、Ni、硫酸盐、多环芳烃等含量较高,在空气中持留时间长,易将污染物带到很远的地方使污染范围扩大。
对环境的有害影响还有散射阳光、降低大气的能见度等。
可吸入尘同时在大气中还可为化学反应提供反应床,是气溶胶化学中研究的重点对象,已被定为空气质量监测的一个重要指标。
根据郑州市2013年11月到2014年10月一年内365天的平均PM10浓度数据,PM10年际变化如下图。
图3.3PM10年际变化
PM10变化规律大致跟PM2.5类似,亦处于不断波动之中,波峰和波谷交替变化之中,年际变化范围没有PM2.5大,污染程度最严重月份为12月,污染程度较轻为7月、8月和九月。
呈现冬季污染严重,夏季污染轻的现象。
在一年内各个污染水平对应天数如表3.3。
由表中可以看出:
郑州市全年处于环境质量优良的天数为231天,占全年的63.3%,处于中度污染以上的天数为24天,占全年的6.5%。
污染等级呈现“两头少,中间多”现象,全年内PM10空气质量多数天数处于良好和轻度污染程度之中。
表3.3PM10污染等级
空气质量
优
良
轻度污染
中度污染
重度污染
严重污染
天数
11
220
110
20
2
2
3.2.3CO年际变化规律
根据郑州市2013年11月到2014年10月一年内365天的平均PM10浓度数据,CO年际变化如下图。
图3.4CO年际变化
CO全年变化比较明显,冬季波动范围大,波峰波谷交替现象比较明显,其余季节波动范围较小。
污染严重时期在冬季,空气质量较好时期在夏季,空气质量基本都处于优。
在一年内各个污染水平对应天数如表3.4。
由表中可以看出:
郑州市全年处于环境质量优良的天数为357天,占全年的97.8%,处于中度污染以上的天数为0天,占全年的0%。
全年内CO空气质量基本都处于优良。
说明郑州市CO污染程度很低,CO不是郑州市主要污染物。
表3.4CO污染等级
空气质量
优
良
轻度污染
中度污染
重度污染
严重污染
天数
228
129
8
0
0
0
3.2.4NO2年际变化规律
根据郑州市2013年11月到2014年10月一年内365天的平均PM10浓度数据,NO2年际变化如下图。
图3.5NO2年际变化
NO2全年变化比较平均,波动范围小,平均值大致处于50-60范围内,波峰波谷交替现象比较明显,季节间变化范围较小。
污染严重时期
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