兰州市城区大气污染现状及防治对策分析

祝合勇,杨太保,金庆森

(1.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.兰州市环境保护局,甘肃 兰州 730000)

兰州市是甘肃省的省会,西北工业重镇。位于青藏高原东北侧的黄河河谷盆地,南北两侧群山环抱 (南面皋兰山海拔 2129m,北面九州台 2067m),东西两侧峡口狭窄,是我国典型的山地城市。城市建成区面积约为 169km2,4个区人口 190万人左右。

随着社会经济的持续快速发展和能源消耗的迅速增加,兰州市面临的环境压力越来越大,尤其是城区大气污染问题日益突出。现阶段,我国正处在西部大开发的关键时期,而兰州市作为西北重镇,在西部大开发中扮演着经贸中心、工业中心、交通与信息中心和技术创新中心的重要角色。为把握好这一契机,利用一切有利条件,实现经济社会的平稳健康发展和居民生活水平的快速稳步提高,更好地发挥兰州在西北经济建设中的凝聚、组合和带动作用[1],改善兰州市的空气质量就显得尤为重要。

本文根据兰州市 2002～2009年间大气质量常规监测数据,分析了兰州市大气污染现状及特征,并对其成因和防治对策作了初步的分析和探讨。

1 资料来源及处理

1.1 资料来源

兰州市有两个空气自动监测站,一个是位于西固三类区的兰炼宾馆,另一个是位于城关区的生物制品研究所。本文所用资料来源于这两个空气自动监测站 2002～2009年的常规监测数据。

1.2 数据处理[2]

本文采用数理统计的方法进行计算,将兰炼宾馆和生物制品所的 3种主要大气污染物的常规监测数据进行算术平均,分别得 PM10、SO2、NO2的年平均和季平均浓度,并借助 Excel作相关图表进行分析。

2 结果分析与讨论

2.1 大气污染现状

2.1.1 大气污染物浓度年际变化

表 1 3种主要大气污染物年均浓度统计表 (mg/m3)

结合表 1、图 1可以看出,2002～2009年 8a中,兰州市城区 PM10年均浓度变化可分为 3个阶段:其一,PM10年均浓度在 2002～2005年呈现明显的逐年下降趋势,由 2002年的 0.199mg/m3下降到 2005年的 0.157mg/m3,年均下降 0.014mg/m3;其二,到 2006年又急剧上升到 0.192mg/m3,与 2002年的最高浓度基本持平;其三,在 2007年和 2008年又下降到最近 8a的相对低值,分别为0.129mg/m3和 0.132mg/m3,而在 2009年又出现较强的反弹。总体来看,2002～2009年 8a中,PM10年均浓度均超过国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准[3],说明兰州市城区大气污染物主要为 PM10。在 2006年之所以会出现强烈反弹,主要是受沙尘暴及浮尘天气的影响。2006年,兰州市出现沙尘暴及浮尘天气 13次,与上年相比增加 8次之多,最严重时 PM10浓度为 5.254mg/m3,是上年度的 5.5倍,严重影响了兰州市空气质量[4]。而在 2009年之所以出现较大反弹,PM10浓度比上年上升了 13.6%。分析其原因,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,2009年共发生 5次沙尘暴及浮尘天气,分别为 2月 1次、3月 3次、4月 1次,其中有 4次沙尘暴的可吸入颗粒物浓度最高值 >1mg/m3,最大浓度达 3.966mg/m3;2008年同期只有 2次,沙尘暴的浓度最高值 >1mg/m3,最大浓度达 1.049mg/m3;另一方面是由于 “西热东输工程”、“天然气管网工程”和城区 “污水全收集全处理”工程的全面启动,道路开挖铺设管道,从而造成了扬尘,导致可吸入颗粒物的增加[5]。

从 SO2年均浓度变化情况来看,2002～2009年 8a中,兰州市城区 SO2年均浓度在前 5a总体上呈现明显的下降趋势,由 2002年的 0.080mg/m3下降到 2006年的 0.057mg/m3,首次达到国家GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准。而在最近 3a里,除 2008年出现较大反弹外,2007年和 2009年均稳定在 2006年的水平上,均达到国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准。

从NO2年均浓度变化情况来看,2002～2009年 8a中,兰州市城区NO2年均浓度在前 4a呈现逐年下降趋势,由 2002年的 0.057mg/m3下降到2005年的 0.038mg/m3,首次达到国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准;而最近 4a,NO2年均浓度在 2005年的基础上总体上有较大幅度的增加,且呈现稳定的波动变化,其波动范围在0.040～0.055mg/m3,均超过国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准,尤其在 2006年和2008年,NO2年均浓度分别高达 0.052mg/m3、0.055mg/m3,分别超出国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准 0.012mg/m3、0.015mg/m3。

2.1.1 大气污染物浓度季度变化

2.1.1.1 PM10

表 2 PM10统计表 (mg/m3)

从表 2、图 2可以看出,兰州市城区近 8aPM10日平均浓度 1季度为 0.214mg/m3,2季度为0.151mg/m3,3季度为 0.098mg/m3,4季度为0.202mg/m3,浓度变化呈 V型,1、4季度最高,2季度次之,3季度最低。1、4季度的浓度均为 3季度的 2倍多,2季度的浓度为 3季度的 1.54倍。国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准 PM10日平均浓度为 0.150mg/m3,结果表明:1、4季度的 P M10污染最为严重,尤其是 1季度,而 2季度的 PM10污染也较为严重,3季度的 PM10污染程度最轻。

2.1.1.2 SO2

表 3 SO2统计表 (mg/m3)

从表 3、图 3可以看出,兰州市城区近 8a SO2日平均浓度 1季度为 0.102mg/m3,2季度为0.045mg/m3,3季度为 0.039mg/m3,4季度为0.092mg/m3,浓度变化呈 U型,1季度最高,4季度次之,2、3季度相对较低,1、4季度的浓度均为 2、3季度的 2倍多。国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准 SO2日平均浓度为0.150mg/m3,结果表明:1、4季度是 SO2污染最严重的时间,尤其是 1季度,而 2、3季度的 SO2污染程度较轻。

2.1.1.3 NO2

表 4 NO2统计表 (mg/m3)

从表 4、图 4可以看出,兰州市城区近 8a NO2日平均浓度 1季度为 0.054mg/m3,2季度为0.035mg/m3,3季度为 0.034mg/m3,4季度为0.065mg/m3,浓度变化呈 U型,4季度最高,1季度次之,2、3季度相对较低。4季度的 NO2浓度是 2、3季度的将近 2倍。国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准 NO2日平均浓度为0.080mg/m3,结果表明:4季度是 NO2污染最严重的时间,1季度的 NO2污染较严重,而 2、3季度的 NO2污染程度最轻。

2.2 成因分析

2.2.1 地理与气候因素

(1)静风和逆温频率高

兰州是典型的山地城市,河谷盆地内气流闭塞,其主导风向为东北风,频率为 37.1%,全年静风和小风日数占 60%以上[6];特别是在冬季,静风频率高达 81.7%左右;兰州城区的逆温层结构比较特殊,逆温层厚,强度大,而且底部低[7]。由于静风和逆温频率高,造成兰州市大气的稳定度较高,不利于污染物的稀释和扩散,从而造成严重的大气污染。

(2)干旱少雨

兰州市地处内陆,大陆性季风气候明显,气候干燥,是典型的半干旱内陆地区。兰州市年均降水量少 (约 360mm),且季节分布不均匀,特别是春、冬季降水少,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[8]。

(3)自然降尘量大,春季沙尘暴和浮尘天气频发

兰州市地处黄土高原,位于河西走廊下流,气候干旱,植被稀疏。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。兰州春季是兰州市沙尘暴的多发期,其中 4月份出现最多,而浮尘天气一年四季都会出现[9],从而导致 PM10浓度偏高,严重影响兰州市的空气质量。沙尘暴高峰期,带来比平日高出数倍甚至数十倍的沙尘,致使 PM10浓度迅速升高,空气质量严重恶化。

2.2.2 污染源分析

(1)工业污染

表 5 兰州市 2002～2009年工业废气排放总量

兰州市是以石油化工为主,冶金、机电、建材等协调发展的综合性工业城市,其工业能源均以煤炭为主,辅之以燃料油、燃料气和焦炭。据兰州市2002年的城市污染源调查结果显示,全市燃煤量为 450.88万 t,占总能耗的 64.87%,燃油量、燃气量和焦炭消耗量分别占总能耗的 24.56%、10.43%和 0.14%[10]。这种以煤炭为主,油、气和少量焦炭为辅的能源结构使得兰州市大气污染物排放量较大,尤其是烟尘和 SO2的排放量较大。表 5为兰州市 2002～2009年工业废气 (SO2、NOX、烟尘粉尘)排放总量情况。结果表明,近 8a来兰州市工业废气年均排放总量达到 13.1万 t之多,计算得出,兰州市 1km2的大气污染物排放量高达10000kg/h以上,而兰州市整个城区的大气环境容量大约为 3000～4000kg/h[11],由此可见,近 8a兰州市工业大气污染物排放强度高达大气环境容量的3倍左右,工业污染源对兰州市大气污染的贡献作用巨大。

(2)交通污染

与其他城市一样,兰州市也同样存在着机动车尾气造成大气污染加剧的严峻问题。随着兰州市机动车数量的突飞猛进,机动车尾气污染问题日益突出,对空气质量的影响也越来越大。2002年兰州市的机动车保有量为 16.5万辆,截至 2009年年底,机动车已达 33.2万辆之多,相比 2002年翻了一番。2002～2009年 8a间,兰州市机动车年均增长率高达 10.5%。机动车尾气排放的主要污染物为 CO、HC、NOX,其大气分担率分别达到71.8%、72.9%和 33.8%[12]。随着机动车数量的不断攀升,而研制节能环保型机车和使用清洁能源的步伐相对较慢,加上兰州城区受狭长地形的限制,城市交通道路的发展跟不上机动车的增长速度,城区车辆拥挤、交通堵塞现象时有发生,造成大气中 NOX含量增加,NOX浓度升高,导致空气质量恶化。

(3)采暖污染源及其他污染源

兰州市的采暖期为每年的 1、2、3、11、12月份,在此期间,供热企业的锅炉满负荷运转,燃煤量急剧增加,SO2和烟尘污染物也相应大量增加。而在此期间,兰州市静风频率和逆温频率犹高,不利于污染物的稀释和扩散。从而加剧了 1、4季度的大气污染。

其他污染源主要是指居民日常生活使用的炉灶,尽管其能源消耗相对较少,但因其分布广而分散,且使用过程中无任何处理,污染物直接排放到大气中,因而对大气污染也有一定的贡献作用。

2.3 对策建议

(1)加快能源结构调整,提高城市清洁能源比例。以天然气、太阳能、电能等清洁能源建设为着眼点,充分利用 “涩 -宁 -兰天然气输气管网工程” (“西气东输”工程之一,指涩北,西宁,兰州)这一有利条件,积极推进煤改气工程,逐步提高天然气在能源结构中的比重;充分利用兰州市拥有丰富的日照时间这一有利条件,大力推进太阳能的发展和利用;另外,兰州市是国内唯一的黄河贯穿市区的城市,具有开发水电资源的有利自然条件,因地制宜开发水电,其优势是显而易见的。

(2)加快产业结构调整,优化工业布局。加快第三产业和高新技术产业的发展,形成有利于资源节约和环境保护的产业体系;鼓励企业 “出城入园”、退城进郊,减轻部分重污染、高能耗的企业对兰州市城区造成的大气污染。

(3)加强机动车管理,防治尾气污染。加大对机动车辆的检测力度,严格执行机动车排放标准。严格禁止柴油型机车进入市区,对废气排放超标的车辆进行检修和报废处理。另外,可以参照北京市在奥运期间对机动车实行单双号限行的做法,在采暖期对机动车实行单双号限行,以减轻 1、4季度的大气污染。

(4)实行集中供热,综合防治大气污染。把生产用热和生活用热结合起来,以集中供热方式替代分散供热方式,综合回收利用各种余热资源,取缔分散供热的小锅炉,减少一次能源消耗量。

(5)鉴于居民生活对环境的影响也日益增加,取缔燃煤炉灶,积极推进天然气、电能、太阳能的使用,全面推广实施沼气工程,使农村大量的秸杆转化为清洁能源,减少污染物的排放。

(6)加快生态环境建设,提高环境容量。植物有固土蓄水、过滤各种有害大气污染物和净化空气的功能,因此,植树种草是防治大气污染的较经济、有效的措施。

3 结论

(1)兰州市 3种主要大气污染物中,PM10污染程度居首,SO2污染和 NO2污染亦较为严重,且PM10的污染程度明显高于 SO2和 NO2。2002～2009年 8a间,PM10年均浓度均超出国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准,SO2年均浓度仅在 2006年、2007年和 2009年达到国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准,而 NO2年均浓度则仅在 2005年达到国家 GB3095-1996《环境空气质量标准》2级标准。

(2)2002～2009年,兰州市城区的 PM10年均浓度总体上呈下降的趋势,说明兰州市城区的PM10污染程度总体上有所减轻。但在 2006年和2009年亦出现反弹,其中 2006年主要是受沙尘暴和浮尘天气的强烈影响,而 2009年则是受沙尘暴和浮尘天气以及由于道路开挖而引起扬尘的共同影响;SO2年均浓度在前 5a呈现明显的下降趋势,而最近 3a除了 2008年出现较大反弹外,2007年、2009年均稳定在 2006年的水平上。这说明近 8a来兰州市城区的 SO2污染程度总体上有所减轻并趋于稳定;NO2年均浓度在前 4a呈现逐年下降的趋势,而在近 4a呈现稳定的波动变化,且在 2005年的基础上有较大幅度的增加。这说明兰州市城区的NO2污染程度近 4a来有所加剧,应当引起高度重视。

(3)兰州市大气污染存在明显的季度变化规律,PM10浓度的季度变化呈 V型,1、4季度最高,2季度次之,3季度最低,峰值为 1季度;SO2和NO2浓度的季度变化均呈 U型,1、4季度明显较高,2、3季度则相对较低,其峰值则分别为 1季度和 4季度。之所以出现这种明显的变化特征,在1、4季度污染最为严重,一方面是由于采暖期大气污染物排放急剧增加的原因,同时也受到冬季静风和逆温频率高、降水少、植被状况差等因素的综合影响;而在 2、3季度污染相对较轻,其中 3季度最轻,这主要得益于在此期间大气污染物排放相对较少,气象、气候条件相对较好和植被状况较好等因素。因此,防治兰州市的大气污染,关键是要抓好 1、4季度的大气污染防治工作。

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