郑州市PM25污染水平及时空分布特征研究

郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究目 录1 概述 .11.1 研究背景 .11.2 国内外对空气中细颗粒物的研究现状 .11.2.1 国内外环境空气中颗粒物质量标准 .11.2.2 环境空气中颗粒物浓度变化特征研究概述 .31.3 研究内容与方法 .41.3.1 研究内容 .41.3.2 研究方法 .51.4 研究目的与意义 .51.4.1 研究目的 .51.4.2 研究意义 .62 细颗粒物PM2.5内涵与形成机理 .73 郑州市AQI指标变化规律 .83.1 AQI相关信息 .83.1.1 AQI简介 .83.1.2 AQI等级划分 .83.1.3 AQI评价方法 .93.2 郑州市 AQI变化规律 .103.2.1 PM2.5年际变化规律 .103.2.2 大颗粒物质年际变化规律 .113.2.3 CO年际变化规律 .133.2.4 NO2年际变化规律 .133.2.5 SO2年际变化规律 .143.2 郑州市 AQI指标污染程度分析 .154 郑州市PM2.5污染空间时间划分 .174.1 郑州市PM2.5污染空间划分 .174.2 郑州市PM2.5污染时间划分 .195 郑州市PM2.5浓度相关性分析 .20郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究5.1 相关性分析原理 .205.2 灰色关联度分析 .215.2.1 数据处理 .215.2.2 关联系数计算 .225.2.3 灰色关联度分析 .225.3 线性回归分析验证 .235.3.1 回归分析原理 .235.3.2 多元线性回归模型 .245.3.3 回归模型验证 .255.4 结论和分析 .266 供暖期PM2.5小波分析 .276.1 数据的来源与处理 .276.2 供暖期PM2.5浓度变化分析 .276.3 供暖期PM2.5浓度与正常时期比较 .296.4 结论 .307、小波分析在供暖期PM2.5相关性分析中的应用 .317.1 小波函数的选择 .317.2 供暖期PM2.5浓度变化分析 .317.3 供暖期PM2.5小波分析 .327.4 PM10、CO、NO2、SO2主周期的确定 .337.5 PM2.5相关性分析 .347.6 结论与分析 .368 郑州市PM2.5治理建议与展望 .388.1 本项目研究结论总结 .388.2 郑州市PM2.5治理建议 .398.3 郑州市PM2.5治理展望 .39参考文献 .40郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究01 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60 mg/m3，日均值浓度限值分别为260 mg/m3和150 mg/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）” 23。中国在大气颗粒物研究方面起步较晚，直至1996年才在我国的空郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究1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： ）3mg中国 WHO过渡期 WHO项目一级 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郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究2，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15 mg/m3和35 mg/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25 mg/m34。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 (GB30952012)，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2.5m) 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10m)、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) (HJ6332012)。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 、35m 3mg；24小时平均一级、二级浓度限值分别是35 、75 5。细颗粒物（P3mg 3mg3M2.5）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。Sergio Rodriguez等对西班牙东部郊区、城市和工业区PM102.5的贡献率进行了研究。Kuang一Ling Yang研究了台湾大气中 PM10浓度随时间和空间的变化特征。Ying I等对台湾南部城市大气中汞和砷的时间特征进行了研究。Christoph Hueglin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。Preetha S.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。Yele 郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究3Sun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AQI 6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。郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究42、基于郑州市20122013年空气质量指标数据，包括二氧化硫SO 2、二氧化氮NO 2、可吸入颗粒物PM10、细颗粒物PM2.5、臭氧O 3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20132014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 PM 2.5日平均质量浓度均超过100 。PM 3mg2.5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）和当地气象条郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究5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。郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究62 细颗粒物PM2.5内涵与形成机理PM是颗粒物(particulate matter)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，m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。郑州市空气PM2.5污染水平及时空分布特征研究73 郑州市AQI 指标变化规律3.1 AQI相关信息3.1.1 AQI简介空气质量指数（Air Quality Index，简称AQI）是定量描