乌鲁木齐市“煤改气”对冬季气态污染物浓度空间分布变化的影响.pdf

乌鲁木齐市“ 煤改气” 对冬季气态污染物 浓度空间分布变化的影响 * 张海珍1赵丽莉2魏疆3 1. 重庆工程职业技术学院， 重庆 400037; 2. 乌鲁木齐市环境监测中心站， 乌鲁木齐 830044; 3. 新疆大学资源与环境科学学院， 乌鲁木齐 830046 摘要 乌鲁木齐市冬季大气污染严重， SO2浓度不断增加， 且超标频率增多， 已成为不容忽视的环境问题。2012 年乌鲁 木齐市实施 “煤改气” 工程， 旨在改善乌鲁木齐市的大气环境质量。工程的实施是否对 SO2浓度的控制起到决定性的 作用选用冬季污染最为严重的时段 12 月 ， 对“煤改气” 前后城市不同区域的 SO2日均浓度变化进行了分析。 结果显示 “煤改气” 对 SO2浓度的降低效果显著， 但降低幅度在区域间存在差异 ， “煤改气” 后冬季 SO2日均浓度在空 间上呈现出由南向北逐渐增加的态势， 南面 SO2日均浓度基本达标， 而北面 SO2浓度虽有降低， 但超标频率依然较高。 而 NO2日均浓度并未降低， 反而呈增加的趋势， 主要与快速增加的机动车保有量排放大量尾气有关 。“煤改气” 后， 冬 季 NO2日均浓度在空间上呈现出由南向北逐渐降低的态势， 南面 NO 2日均浓度超标最严重， 而北面 NO2日均浓度超 标频率变动不大， 但超标频率依然较高， 值得当地政府在环境治理过程中关注。 关键词 能源结构调整; 空间分布; 大气污染; 浓度变化; 方差分析 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408014 * 国家自然科学基金 41161074 。 收稿日期 2013 －09 －22 EFFECT OF THE“COAL TO GAS”ON CHANGE IN DISTＲIBUTION OF CONCENTＲATION OF GASEOUS POLLUTANTS IN WINTEＲ OF UＲUMQI CITY Zhang Haizhen1Zhao Lili2Wei Jiang3 1. Chongqing Institute of Engineering，Chongqing 400037，China; 2. Urumqi Municipal Environmental Monitoring Center Station，Urumqi 830044，China; 3. College of Ｒesources and Environmental Sciences，Xinjiang University，Urumqi 830046，China AbstractAir pollution of Urumqi is very serious in winter． In past decades，the concentration of SO2and NO2was increased rapidly，which has become an environmental problem that can not be ignored． In order to improve the quality of environment in winter，the local government implemented the“coal to natural gas”project in 2012． Whether the project played a decisive role to control concentration of SO2needs to be determined． This paper chooses the most serious pollution period of winter January to February ，and analyzes the change of daily average concentration of SO2and NO2before and after“coal to gas”in different areas of the city． The results show that after implement of the project the concentration of SO2decreases obviously，but the declines varies in different regions． From south to north，the average concentration of SO2increased gradually in winter． In the south，the daily average concentration of SO2can reach the national concentration limit class 2 standard 0. 15 mg/m3 ． While the in north，the concentration of SO2is decreased，but it is often higher than that of the national standard，the concentration of NO2is increasing， due to the fact that the motor vehicles increase rapidly． From south to north， the average concentration of NO2 decreases gradually in winter． In south area，the daily average concentration of NO2is very high，while in north area，whose change is not significant，to which the local government should pay attention during the environmental management process． Keywordsrequlation of enorgy structure;spatial distribution;air pollution;change in concentration;analysis of variance 95 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 0引言 近十几年来， 乌鲁木齐市环境污染问题显得越来 越严重。尤其是冬季， 采暖消耗大量的原煤， 加之特 殊地理位置及气象条件， 导致乌鲁木齐市的大气污染 问题显得十分严峻 ［1- 3 ］。12 月经常出现重度污染 天气， 严重地影响着居民的生产和生活［4- 5 ］， 从大气污 染物的构成来看主要是 PM10、 SO2和 NO2。为了加强 环境的管理和污染治理， 20 世纪 90 年代中期， 乌鲁 木齐市被国家列为“双控区” 即酸雨和二氧化硫控 制区 ， 足以说明乌鲁木齐市的 SO2污染已经到了十 分严重的程度; 同时， 有研究表明大气环境中 NO2的 污染也非常严重， 其污染状况之所以长期被有关学界 和政府忽视， 主要是被高浓度的 PM10和 SO2所掩盖。 为了彻底改变因采暖燃煤造成的大气污染问 题， 市委、 市政府于 2012 年进行了以天然气代替原 煤为燃料的供暖能源结构调整战略 以下简称“煤 改气” 。全年投资累计 121 亿元进行“煤改气” 工 程; 据有关部门测算［6］， 煤改气后， 冬季燃煤量将减 少 500 万 t， 二氧化硫减排3. 5 万 t， 从根本上改善城 市环境质量。这项工程的实施对 SO2的控制能起 到多大的作用能源结构调整后， 大气环境中的 SO2浓度在空间上有什么变化燃煤消耗的降低有 助于减少 NO2的排放， 而机动车保有量的快速增加 又将导致大量 NO2的排放。排放源的“一减一增” 究竟会给大气环境中的 NO2浓度带来如何的变化， 且在城市发展中的空间变化趋势增减幅度如何 带着这些问题， 文章选取了通常污染最严重的 12 月与煤改气之前的任一年 2009 年 同期的大气污 染物浓度数据进行对比， 并系统的分析相关数据， 以期能更好的论证“煤改气” 工程的效果和今后大 气污染治理努力的方向。 1监测点位和数据处理 监测数据来自乌鲁木齐市不同区域的环境质量 监测点 图 1 ， 沿城市由南向北的展布， 分别布设在 市南区 N4345，E8736， 920 m 、 市中区 N4349， E8734， 817 m 和市北区 N4352，E8733， 760 m 。 各监测点位的空间直线距离约7 km。监测设备选用 TEOM 1405- F 颗粒物连续监测仪， 分辨率为 0. 1 μg/ m3， 数据精度 1. 0 μg/m3 24 h 平均 ， 质量测量准 确度 0. 75。文章选用相同监测点位， 不同时段的 日平均值进行对比分析。分别计算各监测点位的日 平均浓度。采用 SPSS 13. 0 和 Excel 2003 软件对数 据进行处理分析。 图 1监测点位 Fig．1The Layout of monitoring sites in Urumqi City 2结果 2. 1数理分析 对样本数据进行数理统计分析和方差检验 表 1 显示， 相对于 2009 年， 2013 年 SO2浓度全面下降， 由 南到 北 SO2均 值 降 幅 分 别 为 65. 9、 69. 6 和 48. 8; 最小浓度降幅为 89. 7、 53. 0 和 60. 4; 最大浓度降幅分别为 3. 8、 68. 5 和 45. 1。而 NO2日均浓度变化与 SO2的变化存在差异， 日均浓度 没有降低反而出现升高趋势， 由南到北分别增高了 11. 1、 22. 9和 1. 5; 最大浓度降低幅度分别为 0. 8、 27. 8和 0. 8， 最小浓度增减幅度显示市南 区和市中区分别增加了 43. 0、 55. 2， 而市北区降 低了 55。说明“煤改气” 工程对不同区域 SO2和 NO2日均浓度变化存在差异。方差检验显示， 在显著 水平为 0. 05 的前提下， 不同区域的 SO2的浓度 P 值 均小于 0. 05， F 统计量均大于 F 临界值， 从数据上 看， 由南向北呈现出递减的趋势。说明“煤改气” 对 SO2日均浓度之间差异显著。NO2的浓度则表现出 市南区和市中区 P 值均小于 0. 05， F 统计量均大于 F 临界值， 而市北区的 P 值则大于 0. 05， 且 F 值小于 F 临界值。说明 “煤改气” 对 NO2日均浓度之间差异的 影响各异。 2. 2不同区域气态污染物日均浓度变化趋势比较 2. 2. 1市南区 SO2和 NO2日均浓度变化 由 2009 年和 2013 年相同时段 SO2和 NO2日均 浓度的变化趋势 图 2 可以看出， 2013 年的 SO2的 06 环境工程 Environmental Engineering 表 1污染物浓度数理统计和方差检验 Table 1Mathematical statistics and analysis of variance of the pollutant concentration 区域市南区市中区市北区 年度20092013幅度20092013幅度20092013幅度 SO2 均值0. 170. 06－65. 90. 220. 07－69. 60. 240. 12－48. 8 最大值0. 310. 30－3. 80. 500. 16－68. 50. 540. 30－45. 1 最小值0. 070. 01－89. 70. 050. 02－53. 00. 080. 03－60. 4 F143. 4896. 4169. 14 P1. 74698E- 218. 64404E- 172. 70184E- 13 NO2 均值0. 0890. 09911. 10. 0830. 10222. 90. 0950. 0971. 5 最大值0. 1370. 136－0. 80. 2110. 152－27. 80. 1590. 158－0. 8 最小值0. 0390. 05643. 00. 0360. 05655. 20. 0580. 026－55. 0 F8. 47112. 4790. 099 P0. 00440. 00060. 7534 F crit3. 93 注 SO2、 NO22009 年、 2013 年的浓度值单位为 mg/m3。 日均浓度明显低于 2009 年的日均浓度。2009 年超 过国家二级排放限值0. 15 mg/m3的天数为32 天 因 设备故障， 2009 年市南区统计时段有 5 天没有监测 数据， 在计算百分比时剔除 ， 占统计天数的 61. 5; 2013 年超标天数仅为 1 天， 占统计天数的 1. 8， 说 明市南区的 SO2浓度已经有明显的好转。而同时段 的 NO2日均浓度存在部分时段重叠， 且 2013 年冬季 有明显高于 2009 年的浓度值的态势。从超过国家二 级排放限值 0. 08 mg/m3的天数分析， 2009 年为 37 天 监测有效数据总天数为 57 天 ， 占统计天数的 64. 9; 2013 年超标天数为 51 天， 占统计天数的 89. 5， 说明市南区的 NO2日均浓度较前期有明显 的升高， 且幅度较大。 图 2市南区 SO2和 NO2 的不同年份的变化趋势 Fig．2SO2and NO2trends in southern area of different years 2. 2. 2市中区 SO2和 NO2日均浓度变化 市中区不同年份的 SO2日均浓度变化曲线 图3 ， 可以看出， 2009 年 1 月中上旬， 日均浓度在高位呈锯 齿形 波 动， 下 旬 后 有 所 下 降， 基 本 上 在 0. 05 ～ 0. 3 mg/m3波动。2013 年 SO2日均浓度值明显降低， 虽有波动但幅度较小。按国家二级排放限值的标准 来看， 2009 年超标天数 38 天， 占统计天数的 66. 7; 2013 年超标天数为 1 天， 在统计天数的 1. 8。说明 市中区冬季 SO2日均浓度有明显的下降。NO2日均 浓度变化曲线显示， 2009 年 1 月中下旬2 月中旬 NO2日均浓度基本上低于国家二级排放标准。2013 年 NO2日均浓度值明显升高。按国家二级排放限值 的标准统计来看， 2009 年超标天数为 24 d， 占统计天 数的 42. 1; 2013 年超标天数为 47 d， 占统计天数的 81. 8。说明市中区冬季 NO2日均浓度和市南区一 样有明显的升高， 污染形势严峻。 图 3市中区 SO2和 NO2 的不同年份的变化趋势 Fig．3SO2and NO2trends in middle area of different years 16 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 2. 2. 3市中区 SO2和 NO2日均浓度变化 市北区不同年度的 SO2日均浓度变化趋势 图4 ， 可以看出， 2009 年整个 1 月份 SO2日均浓度在高位 波动均超过国家二级排放限值， 2 月份虽然有所降 低， 但在 2 月中下旬再次出现高浓度区位波动; 2013 年 SO2日均浓度有所下降， 但仍存在高浓度区波动的 现象。从统计数据来看， 2009 年 SO2日均浓度超标 天数为 46 天， 占统计天数的 83. 6， 而 2013 年超标 天数为 13 天， 占统计天数的 26. 5 因设备故障， 2009 年和 2013 年市北区统计时段分别有 2 天、 6 天 没有监测数据， 在计算百分比时剔除 。说明市北区 的 SO2浓度虽然有明显下降， 但是超标天数仍然较 多， 形势不容乐观。NO2日均浓度变化趋势显示， 2013 年 NO2日均浓度大于 2009 年的趋势尚不明显。 从统计数据来看， 2009 年 NO2日均浓度超标天数为 44 d， 占统计天数的77. 2， 而2013 年超标天数为39 d， 占统计天数的 76. 5 因设备故障，2013 年市北 区统计时段有 6 d 没有监测数据， 在计算百分比时剔 除 。说明市北区的 NO2日均浓度变化幅度不大， 但 是超标天数依然较多， 污染形式不容乐观。 图 4市北区 SO2和 NO2 的不同年份的变化趋势 Fig．4SO2and NO2trends in northern area of different years 3讨论 数理统计和方差检验和日均浓度的变化趋势可 以看出 ， “煤改气” 工程的实施对降低冬季 SO2日均 浓度有着积极的作用， 不同区域 SO2日均浓度均有显 著降低， 但不同区域间降幅存在着差异。浓度变化曲 线可以看出， 2009 和 2013 年冬季 SO2日均浓度值由 南向北均呈现出梯度上升趋势， 即市南区 ＜ 市中 区 ＜ 市北区， 这与钱翌等的研究结论市南区 ＞ 市北 区 ＞ 市中区的存在差异 ［7 ］， 这种差异的形成主要是 因为时间延续和城市空间布局变化引起的。市南区 属于老城区， 人口密集度高， 过去存在大量的工业企 业和采暖锅炉等污染源， 污染十分严重， 随着政府 “蓝天工程” 的实施， 市南区的 SO2排放量得到了有 效的控制 ［8 ］; 特别是政府“南控北扩” 城市发展规划 的实施 ［9 ］， 市南区的部分企业搬迁， 而原来人口相对 较少的市中区和市北区进入了高速发展阶段， 采暖耗 煤也随之增加， 特别是市北区城乡结合部民用采暖小 锅炉排放的污染物也在不断增加， 导致市北区 SO2污 染日显突出， 原来的 SO2浓度空间格局被改变［10 ］。 市南区和市中区 NO2日均浓度有显著差异， 但并没 有反映出 “煤改气” 后 NO2日均浓度的降低， 这种差 异却是因 NO2日均浓度升高引起。说明乌鲁木齐市 冬季大气环境中的 NO2除了来自于燃煤外， 机动车 尾气的影响已逐渐增加 。“煤改气” 对降低燃煤排放 NO2的作用， 被快速增加的机动车带来的污染所超 越。市北区对方差检验则没有表现出明显的变化， 说 明其 NO2日均浓度变化不大。从 NO2 日均浓度空间 变化来看， 城市不同区域间冬季 NO2日均浓度均有 不同程度的升高， 且涨幅存在着差异， 即市中区最大， 市南区其次， 市北区最小， 这与城市机动车保有量快 速增加相符 ［11 ］， 机动车保有量和“煤改气” 工程的实 施在不同区域间存在差异， 导致 NO2日均浓度在空 间不同变化的显现， 即市中区 ＞ 市南区 ＞ 市北区， 这 种变化规律与 2009 年度所表现出来的趋势相同 ［10 ］， 但与钱翌等的研究结论 “市南区 ＞ 市北区 ＞ 市中区” 不符 ［7 ］， 原因如前所述。即“煤改气” 之前， 冬季的 NO2主要来于燃煤和机动车尾气 ， “煤改气” 之后， 燃 煤量的大幅度消减， 并未降低 NO2日均浓度， 说明机 动车尾气的影响起到了重要作用。市南区作为老城 区， 高层建筑较多造成区域下垫面极其粗糙， 制约着 污染物质扩散; 同时辖区内拥有自治区、 兵团的党政 机关和主要厅局以及主要的金融商业区， 极易造成交 通堵塞， 增加污染物质的排放。据相关调查显示， 全 市最容易堵塞的道路主要集中在市南片［12 ］。交通不 畅增加了 NO2的排放， 根据机动车发动机原理和国 外经验测算当机动车时速将由 40 km/h 降至 23 km/h 时， 污染物的排放会增加 1 倍 ［13 ］， 此外， 冬季环境温 度低， 机动车的冷态启动时间延长也导致污染物的排 放大幅度增加也是一个关键的因素 ［14 ］。另外， 距离 26 环境工程 Environmental Engineering 市南区监测点不远处有大型的客运站， 大型车辆的行 驶一方面增加了局域污染物质的增加， 另一方面导致 交通不畅， 诱发区域内间歇性的污染物质积聚排放。 从城市分布来看， 市南区海拔高度最高， 其次是 市中区， 市北区最低; 相关研究表明［15 ］， 由于特殊地 形的影响冬季乌鲁木齐市主要受西北风或东南风的 影响， 这使得市南区和市北区的 SO2和 NO2的浓度， 均有可能在风的作用下被输送到市中区， 加上城市下 垫面对污染物扩散的阻碍作用， 在市中区形成一个动 态平衡的污染带， 即当西北风强时， 污染带由北向南 推移; 当东南风强时， 污染带由南向北推移， 因此即便 市中区排放的污染物浓度较低， 也容易受到南北区域 污染物浓度增加的影响。同时， 由于市北区海拔相对 较低， 周边有大量的荒地和农田， 极易形成城市“热 岛效应” ［16 ］， 使城乡结合部民用燃煤小锅炉和过境大 型车辆排放出的不易扩散， 在局地堆积， 形成高浓度 的污染区。 “煤改气” 项目的实施， 使大型采暖和生产锅炉 的能源结构发生了根本性的改变， 但是尚未普及至市 北区城乡结合部的民用采暖小锅炉， 造成区域间能源 使用上的差异。使得市北区的污染物浓度依然较高， 而市南区和市中区在此项工程实施后受益较大， SO2 浓度得到了很大的改善。这种能源结构的差异使得 SO2日均浓度的区域间差异更加明显。而对于非单 一来源的 NO2来说， 随着机动车保有量的不断增加， NO2的污染将变得越来越严峻。 4结论 “煤改气” 在区域间的差异化的实施也是导致城 市大气环境中 SO2日均浓度存在差异的主要原因， 同 时受海拔高度的影响， SO2日均浓度呈现出市南 区 ＜ 市中区 ＜ 市北区的态势 。“煤改气” 区间差异和 城市发育度引起的机动车密度的差异， 共同导致 NO2 日均浓度在空间也有很大变化。表现为老城区高于 城市的延展区域， 即市南区 ＞ 市中区 ＞ 市北区。 “煤改气” 工程对降低乌鲁木齐市冬季大气环境 中的 SO2浓度起了决定性作用， 城市南部和中部 SO2 日均浓度已达到国家二级排放限值， 而北部 SO2日均 浓度依然较高， 主要是受大量民用小锅炉采暖和城市 “热岛效应” 的影响， 形势依然不容乐观。冬季 NO2 日均浓度超标情况依然严重， 虽然进行了采暖能源结 构的调整， 但 NO2日均浓度并没有出现下降的态势， 反而呈增长的趋势， 主要与近年来城市机动车保有量 增长速度过快有关 。“煤改气” 减排的 NO2已经被机 动车排放的 NO2所超过。充分说明机动车尾气污染 已经十分严重， 加强机动车管理和控制、 治理机动车 尾气已经刻不容缓。 参考文献 ［1］魏毅， 王芳芳， 杨焕明． 乌鲁木齐市大气污染物排放与扩散失 衡的原因分析及其防治对策［J］． 干旱区资源与环境， 2008， 22 5 178- 182. ［2］刘增强，郑玉萍，李景林，等． 乌鲁木齐市低空大气逆温特征 分析［J］． 干旱区地理， 2007， 30 3 351- 357. ［3］王春华， 吕爱华， 余晓丽， 等． 乌鲁木齐大气污染现状及影响因 素分析［J］． 新疆农业大学学报， 2010， 33 4 349- 353. ［4］黄忠． 乌鲁木齐市重污染天气与气象因素变化的影响分析 ［J］． 干旱环境监测， 2005， 19 3 154- 157. ［5］徐呜， 徐锋． 乌鲁木齐市采暖季首要污染物污染特征初探［J］． 干旱环境监测， 2004， 18 1 36- 38. ［6］王文． 乌鲁木齐投入 121 亿元实施 “煤改气” 工程［N］． 中国环 境报， 2012 －12 －05 5 . ［7］钱翌， 巴雅尔塔． 乌鲁木齐市大气污染物时空分布特征研究 ［J］． 新疆农业大学学报， 2004， 27 4 51- 55. ［8］李学惠． 集中供热 － 缓解乌鲁木齐大气污染的有效途径［J］． 新疆环境保护， 2005， 27 3 19- 21. ［9］Wei Jiang，Li Shengyu，Liu Zhihui，et al．Air pollution and spatial variation of pollutants in Urumqi ［C］∥ International Conference on Ｒemote Sensing，Hangzhou， 2010 137- 141. ［ 10］魏疆． 乌鲁木齐市大气污染物浓度空间格局变化［J］． 干旱区 资源与环境， 2012， 26 1 67- 70. ［ 11］乌鲁木齐市城管委． 采取措施缓解机动车停车难［J］． 决策参 考， 2013， 37 2 38- 40. ［ 12］东西部经济研究院． 乌鲁木齐市天山区商圈的提升与重构 ［Ｒ］．2008. ［ 13］王建新，傅立新． 汽车排气污染防治及催化转化器［M］． 北京 化学工业出版社， 2000. ［ 14］Chow J C， Watson J G． PM10and PM2.5composition in California’ s San Joaquim Valley［J］． Aerosol Sci Technol， 1993， 18 105- 128. ［ 15］刁平， 杨秀兰． 乌鲁木齐市大气污染的气象因素分析［J］． 新疆 气象， 2000， 23 2 1- 3. ［ 16］吕光辉，贡璐． MODIS 热红外数据在乌鲁木齐市热岛研究中 的应用［J］． 干旱区研究， 2007， 24 5 698- 703． 第一作者 张海珍 1977 － ， 女， 副教授， 研究方向为环境科学。 837667657 qq． com 通讯作者 魏疆 1975 － ， 男， 博士后， 研究方向为环境科学与区域经 济。cd95hj sina． com 36 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control