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天津市大气环境质量评价和影响机制研究 a bs t r a c t t h es t u d yw i t hr e s p e c tt ot h eq u a l i t yo fa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ti nt i a n j i ni s b a s e do n2 0 01 - 2 0 0 7s 0 2 ，n 0 2a n dp m t0c o n c e n t r a t i o nd a t aa n df r o mt h r e ea s p e c t s ： f i r s t ，e v a l u a t et h eq u a l i t yo fa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n to ft i a n j i nn e a r7y e a r sb y m e t h o d so fa i rp o l l u t i o ni n d e x ，f u z z ym a t ha n dm a t t e r - e l e m e n ta n a l y s i s ；s e tu ps p a c e m o d e lb yg i st os i m u l a t et h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h et h r e ec o n v e n t i o n a lp o l l u t a n t s i nt h ea t m o s p h e r eo fc e n t r a lu r b a na r e ao ft i a n j i n a n a l y s i so fa t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n ti nt i a n j i nc i t yc e n t e rd e v e l o p m e n ti nt h ee v o l u t i o no fq u a l i t yt h r o u g h t h e s p a t i a li n t e r p o l a t i o n ，o v e r l a ya n a l y s i sa n ds p a t i a l s t a t i s t i c sb o t hf r o mt h e p e r s p e c t i v eo ft i m ea n ds p a c e ；s t u d yv a r i o u sm e t e o r o l o g i c a lf a c t o r so na t m o s p h e r i c p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nc h a n g eb yr e c e n ty e a r sw e a t h e rd a t af r o ms t a t i s t i c s ；f i n a l l y s u m m a r i z e dt h em a i ni s s u e so fa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ti nt i a n j i na n da n a l y s i st h e r e a s o n sa v a i l a b l e t h er e s u l t ss h o wt h a t ： lt h r e ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td u r i n g 2 0 0 1 2 0 0 7a i rq u a l i t yh a si m p r o v e di nt i a n j i ny e a rb yy e a r , b u tt h eo v e r a l la i rq u a l i t y s t a n d a r d sa r ej u s tt h ef r a g i l es t a t u s p o l l u t a n tl o a dc o e i l i c i e n ta n da t m o s p h e r i cq u a l i t y m o d e le v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt r e n d st h a ts 0 2h a sb e c o m eas u b s t i t u t ef o r t h ep r i m a r y p o l l u t a n t sp m i o ； 2s p a t i a la n a l y s i sa n ds p a t i a ls t a t i s t i c sr e s u l t sb yg i ss h o wt h a tc i t ya t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yh a si m p r o v e dd u r i n gr e c e n ty e a r so nt h eg r o u n dt h a ta r e aw h i c h p a s sa i re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d sh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a r h o w e v e r , i n2 0 0 7 ， s 0 2a n dp m i 0l e v e l so f5 9 a n d1 1 a r e ai nt h ee a s t e r nr e g i o no ft o t a lt i a n j i nc i t y c e n t e ra r e ae x c e e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d s ； 3w i n ds p e e d ，p r e c i p i t a t i o n ，r e l a t i v e h u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r ea r em a i n m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r st h a ti m p a c ta t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t t h ec o n c e n t r a t i o na b o u t m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r sa n da t m o s p h e r i cp o l l u t a n t si sq u i t ed i f f e r e n ti nv a r i o u ss e a s o n s t h em e t e o r o l o g i c a lf a c t o r si m p a c ta t m o s p h e r i cq u a l i t yu n i t e d am u l t i p l el i n e a r r e g r e s s i o nm o d e lc o u l db es e tu pt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pd u r i n ga c e r t a i np e r i o d b a s e do nt h ef i n d i n g s ，t h ef i n a lt h e s i sa l s om a d et h ef o l l o w i n gr e c o m m e n d a t i o n s ： 1a t t a c hi m p o r t a n c et oi n s p e c tt o t a lp o l l u t a n t se m i s s i o n s ； 2a i rp o l l u t i o nc a u s e db yn 0 2c a nn o tb ei g n o r e d ； 3i m p r o v ea p i ； 4 f u z z ye v a l u a t i o nm e t h o dc o u l db ei n t r o d u c e dt od a i l ya i rq u a l i t y k e y w o r d s ：a t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya s s e s s m e n t ，g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ，m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l ，t i a n j i n 独创性：声明 本人声明所早交的论文是我个人在导师指导卜进行的研究上作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得丕盗! 至基盘堂或其它教育机构的学位或证1 5 而使用过的材料。 与我一同l ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解天津师范人学有关保留、使h j 学位论文的规定，即：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 天津市大气环境质量评价和影响机制研究 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 大气污染概述 大气是环境的重要组成要素，并参与地球表面的各种过程，是维持一切生命 所必需的。大气质量的优劣，对整个生态系统和人类健康有着直接的影响。第二 次世界大战之后，世界科学技术水平的空前进步促进了生产力的飞跃，大幅度提 高了人类认识自然界和改造自然界的水平，从而引发了自然界和人类社会的巨大 变革。但是各种现代技术在深刻改造自然界、服务人类社会的同时也带来了一系 列负面影响，造成了环境污染、资源短缺、生态失衡等诸多恶果。大气污染是当 今世界性的环境问题之一，按照国际标准化组织作出的定义，大气污染通常系指 由于人类活动和自然过程引起某些物质接入大气中，呈现出足够的浓度，达到足 够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。大气污染可 以使某个或多个环境要素发生变化，使生态环境受到冲击或失去平衡，环境系统 的结构和功能发生变化，从而危害人体健康或影响人类正常生活。如全球性的温 室效应、酸雨和臭氧层空洞，都是典型的全球性大气环境污染问题。常规气态污 染物主要包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧、氟化物、氯化烃和挥发性 有机物( v o c s ) 等，其中又以二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物三项最为普 遍，成为常规三项污染物。目前我国的空气质量同报就是对这三种污染物监测结 果的公示。 1 1 2 常规三项污染物的危害 ( 1 ) 二氧化硫s 0 2 二氧化硫主要由燃煤及燃料油等含硫物质燃烧产生。二氧化硫对人体的结膜 和上呼吸道粘膜有强烈刺激性，可损伤呼吸器管可致支气管炎、肺炎，甚至肿水 肿呼吸麻痹。长期接触二氧化硫浓度0 1 毫克立方米空气的人群呼吸系统病症明 天津市大气环境质量评价和影响机制研究 显增加。当空气中浓度高于0 2 5 毫克立方米，可使呼吸道疾病患者病情恶化。 短期接触二氧化硫浓度为o 5 毫克方米空气的老年人或慢性病人死亡率显著增 高。 ( 2 ) 氮氧化物n o x 空气中含氮的氧化物中占主要成分的是一氧化氮a n - - 氧化氮，以n o x ( 氮 氧化物) 表示。当n o x 与碳氢化物共存于空气中时，经阳光紫外线照射，发生 光化学反应，产生一种光化学烟雾，它是一种有毒性的二次污染物。n 0 2 比n o 的毒性高4 倍，可引起肺损害，甚至造成肺水肿。慢性中毒可致气管、肺病变。 吸入n o ，可引起变性血红蛋白的形成并对中枢神经系统产生影响。n o x 对动物 的影响浓度大致为1 0 毫克立方米，对患者的影响大致为0 2 毫克立方米。 ( 3 ) 可吸入颗粒物p m l o 粒径在1 0 0 微米以下的颗粒物称为总悬浮颗粒物，其对人体的危害程度主要 决定于自身的粒度大小及化学组成。其中粒径在1 0 微米以下的颗粒物称为可吸 入颗粒物( p m l o ) 或飘尘，对人体的危害最大。可吸入颗粒物被人吸入后，会 累积在呼吸系统中，引发心脏病、肺病、呼吸道疾病，降低肺功能等，对于老人、 儿童和心肺病患者等敏感人群，风险是较大的。 1 1 3 我国大气污染现状 我国是世界上大气污染比较严重的国家之一，尤其是城市大气污染严重。根 据世界卫生组织在19 9 8 年对全世界2 7 7 个城市进行调查表明，在十大污染城市 中，我国占了8 席。2 0 0 6 年国家环保总局监测的5 5 9 个城市中，空气质量低于 国家二级标准的有2 l o 个，占3 7 6 。 当前随着我国经济的快速发展，煤炭消耗量仍在不断增加，引发了一系列大 气污染问题。2 0 0 6 年全国二氧化硫排放总量2 5 8 8 8 力吨，烟尘排放总量1 0 7 8 4 力- 吨，全国酸雨发生区域占国土面积的1 5 4 。我国己经成为世界上二氧化硫排 放量第一，酸雨区面积第三的国家。截f l _ n2 0 0 6 年我国民用汽车保有量达4 9 8 5 力- 辆，城市机动车排放污染问题r 益突出。我困城市空气的污染物有很多，环 境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 列出的城市大气污染监测项目有9 种，包括： 二氧化硫、二氧化氮、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物、一氧化碳、臭氧、铅、苯 2 天津市大气环境质量评价和影响机制研究 并【a 】芘、氟化物。 1 1 4 天津市大气环境质量现状 天津作为中国北方重要的工业城市，曾长期受空气污染困扰，对全市的经济 社会发展造成过消极的影响，因此“十五”期间天津市被国家列为1 1 3 个大气污染 防治重点城市之一。“十五”期间天津市大气污染状况主要以煤烟型污染为主要特 征，煤炭消耗量逐年上升。2 0 0 6 年度天津市煤炭消费总量为3 7 3 5 万吨，二氧化 硫排放量为2 5 万吨，氮氧化物排放量为1 6 万吨，粉尘排放量为l 万吨。采暖期 二氧化硫和烟尘污染严重，而在非采暖期煤烟型污染特征较轻。随着天津市进入 新的高速发展时期，城市建设迅速发展，丌放源扬尘污染也成为影响天津市环境 空气质量的重要因素。 近年来，天津市为了加强对大气污染源的控制，实施“蓝天工程”和创建国家 环境保护模范城市，采取了一系列活动，对工业及生活污染源进行改造。“十五” 期间，全市共有1 1 3 4 4 台( 眼) 燃煤的茶炉、大灶及2n 屯d , 时以下燃煤设备改 用电、气等清洁能源。6 2 0 8 台2 吨一1 0n 屯d , 时燃煤锅炉实现改燃清洁能源或拆 除并网。市区内9 5 以上的建筑施工工地都设置了现场围挡和密目网维护，大 型工建和高层建筑工地做到地面硬化。全市2 0 0 0 余个灰堆、料堆、煤堆污染源 均采取了苫盖、围挡等除尘措施。天津市还建立了大气污染物在线监测系统，对 天津市半数以上的火电厂安装了在线监测仪器，并实施了污染源在线监测日报制 度。这些环境监督管理和城市环境综合整治等措施，使天津市大气污染状况得到 了有效控制，大气环境质量不断改善。 1 1 5 研究目的和意义 对一定区域内人类近期的和当疗 的活动导致环境质量变化，以及由此变化引 起人类与坏境质量之问的价值关系的改变进行评价，称为环境质量现状评价。大 气环境质量评价就是对大气污染程度进行定量描述，分析大气环境质量随时空变 化而发生的变化，探讨其原因，进行大气污染的分级。 本论文通过建立多种环境数学模型对天津市大气坏境质量进行评价和对比 分析，采用地理信息系统建立空间模型对影响火气环境质量的主要污染物的空问 天津市人气环境质量评价和影响机制研究 分布状况进行模拟研究，对天津市大气环境质量现状进行客观准确的评价，从而 找到大气环境发展变化的时空规律。在此基础上进一步探索大气污染物浓度和各 种气象要素之间的关系，归纳总结出大气环境质量的气象影响机制。 天津作为中国的特大城市，目前正处在经济迅速发展的大好时期，伴随着经 济的高速发展，能源消耗迅速加剧、交通规模r 益扩大、城市人口快速膨胀、大 型工业开发区相继建成，与之相应的是环境污染物排放总量的不断增加，污染范 围的不断扩大，大气环境污染对资源和环境的冲击日益威胁着可持续发展的基 础。天津要建成现代化国际港口城市、我国北方重要的经济中心和生态城市，其 环境质量必须达到国际先进水平。同时，良好的空气环境也是实现经济、环境协 调发展的重要环节。本论文通过研究2 0 0 1 - - 2 0 0 7 年大气环境质量的时间演化趋 势和空间分布特征，分析得出此期间天津市大气环境质量的基本状况，从而得出 大气环境质量的时空演化规律和影响机制，为环保部f - i n 定具体的大气环境保护 政策提供了理论和现实依据，对如何建立一个绿色天津，全面提升城市大气环境 质量，改善人们的生活空间，维护城市生态安全，实现“建成现代化国际港口城 市、我国北方重要的经济中心和生态城市”的城市发展战略目标具有重要的现实 意义。 1 2 研究现状 1 2 1 大气环境质量评价方法研究现状 大气环境质量评价在国外始于2 0 世纪6 0 年代中期，7 0 年代获得蓬勃发展， 在我国也有近2 0 年的发展历史。国内外现有的评价方法，可划分为3 类，即环 境质量指数法、模糊矩阵( 灰色系统) 评价法、模糊距离评价法。其中以环境质 量指数法的研究和应用最为广泛，国际上具有代表性的评价方法有美国污染物标 准指数评价法( p s i ) ，美国格林环境空气污染综合指数和加拿大环境空气质量指 数。我国专家学者在国外方法的基础上，结合我国大气污染的特点和实际，先后 丌发了环境空气污染指数法( a p i ) 和上海指数法。近年来刘毓，胡文海等( 2 0 0 0 ) 利用模糊数学理论改进了上海指数法。针对a p i 法突出首要污染物忽视次要污 染物的缺点，程万里等( 2 0 0 4 ) 提出了r a q i ，陶志华等( 2 0 0 6 ) 提出了r a p i ， 4 天津市人气环境质量评价和影响机制研究 都是综合考虑各种污染物的影响改进a p i ，使评价结果更加合理。除三类典型评 价法之外，国内外又提出了多种环境空气质量分析与评价的新方法。如：神经网 络法、物元可拓法、集对分析法、距离判别法、遗传优化法、投影寻踪分析法等。 1 2 2 地理信息系统在大气环境质量评价领域的应用研究现状 地理信息系统( g i s ) 当前已经广泛应用于环境科学领域，如自然生态保护、 环境影响评价、环境监测、城市环境安全及环境污染事故应急处理等方面。如美 国环保局( e p a ) 以g i s 为平台，实现了多种区域空气质量模式( 包括酸沉降模 式、氧化模式、城市空气质量模式) 在空间中的模拟。在我国，g i s 主要应用于 大气环境污染的空间分析、大气污染物的动态监测和环境信息系统建设等方面。 安兴琴等( 2 0 0 6 ) 采用g i s 空间插值技术，对兰、i 1 市大气污染空间分布特征进 行了研究；陈见平等( 2 0 0 8 ) 基于a r co b j e c t s 开发了上海市宝山区突发性大气 污染应急预警系统。总的来说，g i s 的优越性逐步受到重视，己越来越多地应用 到环境质量管理分析当中。但是，真正关于g i s 与大气质量分析模型的研究有 限，大气环境质量现状评价和g i s 没有建立直接的联系，两者的应用存在一定 的脱节。 1 2 3 大气环境质量的气象影响机制研究现状 一些发达国家相继从7 0 年代开始进行大气污染综合分析和预报研究，为当 地政府提供依据，对可能出现的空气污染提前采取措施。美国国家气象局( n w s ) 依据天气预报的风、涡度、天气状况、大气稳定度、混合层高度等气象因子，污 染源源强进行未来2 4 小时的扩散计算，从而做出空气污染预报。从7 0 年代起， 德国、荷兰等欧洲一些国家的气象学家就着手建立各种各样的空气污染预报方 法。到8 0 年代丌始做空气污染业务预报，目f i 空气污染有本的范围已延伸到能 见度、紫外线、花粉过敏等的预报。由于同本广岛光化学烟雾及高氧化物浓度经 常出现，o t a ( 1 9 7 6 ) 利用1 9 7 4 年广岛的资料建立了氧化物浓度与低层大气气象 因子之间的统计关系。o t a ( 1 9 8 3 ) 利用更多的资料建立氧化物浓度与气象因子 之间的关系，并利用天气预报资料，在每同早晨与天气预报同时发布广岛得氧化 物浓度预报。随着空气质量预报业务的逐步丌展，我国科学家陆续在污染气象学、 天津市人气环境质餐评价和影响机制研究 污染气象参数与污染浓度之间的关系、大气扩散模式以及空气污染预报方面进行 了研究。桑建人等( 2 0 0 1 ) 分析了自然降水对污染物的清洁贡献率，研究表明平 均一次降雨过程可直接减轻s 0 2 、p m l o 、n 0 2 污染达3 3 。北京市气象科学研 究所的孟燕军等( 2 0 0 2 ) 研究分析了影响北京大气污染变化的地面天气形势的高 低空气象要素特点及其对s 0 2 、p m i o 、n 0 2 和c o4 种污染物的影响程度，将 影响污染物扩散的地面天气形势划分为2 类( 有利于污染物扩散类和不利于污染 物扩散类) 1 8 种天气形势。 1 3 研究内容和方法 大气环境是具有多时问尺度、多空问尺度的复合问题，因此评价大气环境质 量时应当对大气环境全局做时间和空间的二维综合性统筹研究，在通过模型定量 评价各年度大气环境质量的基础上采用地理信息系统的空问分析技术确定各主 要污染物、a p i 值的空间分布特征，从而得出大气环境质量的时空演化规律，进 而探索大气环境质量影响机制。 本文具体研究内容包括以下3 个方面： ( 1 ) 大气环境质量评价 在对大气环境质量评价的程序和方法的研究基础上，分别采用空气污染指数 ( a p i ) 法、模糊综合评价法、物元分析法3 种方法建立数学模型，对天津市2 0 0 1 - - 2 0 0 7 年的大气质量进行评价，并对评价结果进行对比分析，找出天津市大气 环境发展趋势和导致大气污染的主要原因。 ( 2 ) 基于g i s 的大气环境质量空问分析 利用中心城区l o 个国控监测点的监测数据绘制2 0 0 2 - - 2 0 0 7 年常规三项污染 物空问分布插值图和a p i 空间分布插值图，根据a p i 空问分布状况划分空气质 量区f b j ，从时问和空间两个角度分析天津市大气环境质量演变特征。采用的g i s 技术手段包括空间插值、空问叠置分析、空间统计等。 ( 3 ) 大气环境质量的气象影响机制研究 对2 0 0 5 2 0 0 6 年各月的的大气坏境质量监测数据和气象统计数据进行相关性 分析并建立多元线性回归模型，分采暖期和非采暖期研究风速、降水、湿度、气 温i j q 种气象要素埘大气环境质量的影响。 6 天津市人气环境质量评价和影响机制研究 1 4 研究思路与技术路线 图1 1 研究思路与技术路线 7 天津市人气环境质鲑评价和影响机制研究 第二章天津市大气环境质量监测分析 2 1 研究区域概况 2 1 1 天津市地理环境概况 天津市位于我国华北平原东北部，介于北纬3 8 0 3 47 至4 0 0 1 57 ，东经 1 1 6 0 4 3 至1 1 8 0 0 47 之间，地处环渤海湾的中心，北起蓟县古长城脚下黄崖关附 近，南至大港区翟庄子以南的沧浪渠，南北长1 8 9 公里；东起汉沽区盐场洒金坨 之东陡河西排干大渠，西至静海县子牙河畔的王迸庄以西滩德干渠，东西宽1 1 7 公里，总面积11 9 1 9 7 平方公晕。 天津地跨海河两岸，而海河是华北最大的河流，上游长度在1 0 公里以上的 支流有3 0 0 多条，在中游附近汇合于北运河、永定河、大清河、子牙河和南运河， 五河又在天津金钢桥附近的三龠口汇合成海河干流，由大沽口入海。 天津北部蓟县山地土壤，是岩石风化形成的薄层残积土，其余地区是第四纪 沉积物发育而成的土壤，在农业生产上具有较高肥力。在海河下游滨海地区尚有 待开发的荒地滩涂1 2 0 多平方公里，是发展石油化工和海洋化工的理想场地。全 市生态示范区6 个，自然保护区8 个，自然保护区面积1 5 3 3 x 1 0 4 h m 2 。建成了 以蓟县中上元古界地质自然保护区为核心的蓟县国家地质公园。 天津市域内己探明具有开采价值的金属、非会属矿藏资源有3 0 多种。主要 有锰、锰硼石、金、钨、钼、铜、铝、锌、石狄岩、大理石、麦饭石、重品石、 天然油石等，其中锰、硼不仅为国内首次发现，也为世界所罕见。燃料矿主要有 石油和天然气，埋藏在平原地下和渤海大陆架，已探明的石油储量为1 0 9 t ，天然 气储量l o l o m 3 。还发现1 0 个有勘探和丌发利用价值的地热异常区，热水总贮量 1 1 0 3 6 】0 8 m 3 。 2 1 2 天津市社会经济概况 天津市为中央直辖市和十四个沿海丌放城市之一，市辖1 8 个区、县，其中 8 天津市人气环境质量评价和影响机制研究 市辖区1 5 个：市区有和平区、河东区、河西区、南开区、河北区、红桥区；滨 海新区包括塘沽区、汉沽区、大港区；环城区有西青区、东丽区、津南区、北辰 区、武清区、宝坻区。市辖县3 个：静海县、宁河县、蓟县。到2 0 0 6 年底，全 市常住人口为1 0 7 4 万人。 天津是我国历史最悠久的工业城市之一。在全国工业城市中，天津工业的规 模、总产值、经济效益等均居前列。天津已形成以汽车和机械装备为重点的机械 工业，以微电子和通讯设备为重点的电子工业，以石油化工、海洋化工和精细化 工为重点的化学工业，以优质钢管、钢材和高档金属制品为重点的冶金工业等四 大支柱产业。天津的金融、商贸等第三产业日益发达。天津的科技力量雄厚，有 南开大学、天津大学等高等学校3 7 所，自然科学研究机构1 5 0 多个，自然科学 和社会科学各类专业技术人才近5 0 万人，每年都有一批科研成果达到国内和国 际的先进水平。2 0 0 6 年全年实现国内生产总值4 3 3 7 7 3 亿元，按可比价格计算， 比上年增长1 4 4 ，比2 0 0 0 年增长1 2 倍，提前四年实现了翻一番，率先完成 了“三步走”战略第二步经济总量发展目标；财政收入完成9 2 5 6 2 亿元，增长 2 7 6 ；全社会固定资产投资完成1 8 4 9 8 0 亿元，增长2 2 0 ；社会消费品零售 总额完成1 3 5 6 7 9 亿元，增长1 4 o ；城市居民人均可支配收入1 4 2 8 3 0 9 元，增 长1 3 0 1 。农民人均纯收入7 9 4 2 元，增长1 0 2 7 。 2 1 3 天津市气候条件概况 天津市位于中纬度欧亚大陆的东部太平洋西岸，主要受季风环流支配。冬季 受蒙古冷高气压控制，盛行偏北风；夏季受西太洋副热带高气压左右，多偏南风。 天津气候属暖温带半湿润大陆季风型气候，有明显由陆到海的过渡特点：四季分 明，长短不一；降水不多，分配不均；季风显著，同照较足；温度适宜，同差较 小，无霜期长。春季多风，干旱少雨；夏季炎热，雨水集中；秋季气爽，冷暖适 宜；冬季严寒，干旱少雨。近几年来，气候反常，常有暖冬现象。年平均降水量 为5 5 0 - 6 8 0 m m ，夏季降水量约占全年降水量的8 0 。全市累年平均气温12 3 ， 全年l o 气温以上的天气( 春、夏、秋季) 2 0 5 天。全市累年平均风速3 1 m s ， 全市累年平均湿度6 6 3 。 9 天津市a 气环境质量评价和影响机制研究 22 天津市大气环境质量监测数据采集 2 21 数据来源 本次研究的基础数据来源于天津市环境监测站2 0 0 1 2 0 0 7 年的监测数据 监测项目根掘我国环境空气质量标准和天津市主要大气污染物和建设项目排放 污染物的特点选定为二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物。监测内容为三项污染 物的浓度值、超标量和变化趋势，以便从宏观角度考察和分析评价地区的大气质 量的总体水平和变化规律。 222 监测点位分布 全市共设置2 2 个环境空气赝量自动监测站，其中中心城区( 外环线以内) 共设置l o 个国控监测点，涵盖居住区、商业区、交通居民混台区、文化区、一 般工业区等功能区，监测频率为全年连续采样，记录常规三项污染物的浓度( 单 位：m g m 3 ) 。这1 0 个国摔监测点的具体名称和分布位置如图2 1 所示： 例2 1 中心城选田控监测点分柿幽 天津市人气环境质量评价和影响机制研究 2 2 3 数据统计方法 根据全市2 2 个环境空气质量自动监测站提供的监测数据统计计算全市三项 污染物的年均值，计算公式如下： c = 去善q 式中：c 一多个监测点监测数据年平均值； c j j 监测点的年平均值； m 一监测点的数目。 2 2 4 常规三项污染物监测结果 根据全市2 2 个环境空气质量自动监测站提供的监测数据统计计算全市三项 污染物的年均值结果如表2 1 所示： 表2 - - 12 0 0 1 - - 2 0 0 7 年常规三项污染物监测结果单位： m g m 3 2 3 天津市大气环境质量监测结果分析 考察大气环境质量状况最直接的方法就是根据各污染物的监测结果进行统 计分析。通过对各污染物浓度值的统计分析来研究各污染物短期污染状况或长期 变化舰律。尤其是通过秩相关系数和趋线图、直方图等图表可以很好的判断污染 物在不同时问段的污染情况及其随时间的变化规律。 根据污染物的浓度进行统计分析，利用的是原始数据，不存在数值转换问题， 评价方法简单，不涉及复杂计算。直接对各污染物的浓度进行研究，能更好的准 确把握各污染物的污染情况，而不失其直观性、准确性，适合对城市的污染状况 天津市大气环境质餐评价和影响机制研究 作研究时使用，而且短期、长期都适用。 2 3 1 评价标准 环境质量标准对各种环境要素中的污染物或污染因子所规定的允许含量和 要求，是衡量环境污染的尺度，也是环境保护及有关部门进行环境管理、指定污 染排放标准的依据。我国大气环境质量评价主要应用的是国家环境空气质量标 准。环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 规定了环境空气质量功能区划分、 标准分级、污染物项目、取值时间及浓度限值，采样分析方法及数据统计的有效 性规定，适用于全国范围的环境空气质量评价。根据该标准规定，天津市属于二 类区，所以对环境空气中二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物三种污染物的评价 就是依据国家环境空气质量标准g b 3 0 9 5 1 9 9 6 中的二级标准( 表2 2 ) 。 表2 - - 2 环境空气质量二级标准 单位：m g m 3 2 3 2 大气污染演变特征 天津市采暖期是从每年1 1 月15 同开始，到次年3 月l5 同结束，非采暖期 是从每年的3 月1 6 同一1 1 月1 4 同。采暖期由于全市燃煤供暖，二氧化硫和烟 尘的排放明显增多，因此在统计数据时将采暖期和非采暖期分别统计。 ( 1 ) 二氧化硫年变化特征 1 2 天津市大气环境质量评价和影响机制研究 引 引 llll l厂il 厂 l_ _ 扩lli扩l斟ll - # m 级碓 级杯准 图2 2 二氧化硫浓度年变化柱线图 2 0 0 6 年- _ = 氧化硫污染状况有所好转，采暖期污染程度明显低于历年同期水 平，年均值为00 6 5m 咖3 ，比上年度降低1 56 ，略超出国家年均值二缴标准 ( o0 6 m g m 3 ) 8 3 ，全年日均值超标率为6 。2 0 0 1 2 0 0 6 年二氧化硫采瑷期 浓度均值高于非采暖期1 7 9 3 ，3 4 倍，可见二氧化硫污染具有明显的季节性，二 氧化硫污染期主要在冬季燃煤期。 ( 2 ) 二氧化氯年变化特征 曼nh 星_ 几hh ”副刊 - * m 口 r 日m 口目m 图2 - 3 一氧化氮浓度牛变化柱线幽 从线桂图中可以看出2 0 0 i2 0 0 6 年以柬，二氧化氯采暖期、非采暖期浓度 均值和年叩均值均低于二级标准( o0 8 m g m 3 ) ，年均值维持在0 0 4 6 00 5 3 m g c m 3 水平波动幅度币大，历年n 均值超标率不超过2 。 叩们啪吣呻 天津f h 人气环境质姑评价和影响机制研究 ( 3 ) 1 4 吸入颗粒物年变化特征 m 丽 十目n “m 喇2 4q r 吸入颗粒物浓度，干变化柱线圈 2 0 0 1 2 0 0 6 年可吸入颗粒物年均值、采暖期及非采暖期均值呈连年下降趋 势，但仍处于轻微污染水平。到2 0 0 6 年，可吸入颗粒物年均值已经下降到01 1 3 m g m 3 ，高于国家年均值二级标准( 01 0 m g m 3 ) 13 。受冬季燃煤影响，各年采 暖期均值均高于非采暖期均值，偏高幅度为1 27 - - 4 57 。 233 大气污染趋势分析 在统计卜衡量环境污染变化趋势是否有显著性最常用的方法是d a n i e l 趋势 检验。它使用了s p e a r m a n 秩相关系数。这种方法使用于单因素小样本数的相关 检验，方法简明扼要，精确性高，可以直观反映常规三项大气污染物的变化趋势。 本方法要求样本数应大于4 。没有一组龉测时序为y l ，y 2 ，y ，和对应 的浓度c ( 即年均值c - ，c 2 ，g ，) 。然后，按浓度值的大小，从4 n 大给 出它们的顺序序号x ，这种监测值在序列中排列次序，称为酸啦测值的秩。然 后可通过f 式计算出这组数据的秩相关系数值h 。 6 z h 一，) 2 铲1 。专阿 式中：n 一时白j 周期，以年为单位： x i 一周期l 到周期n 按浓度值从小到大排列的序号 们 叫 嘶 。 天津市人气环境质晕评价和影响机制研究 y i 一按时间周期排列的序号卜一n 。 如果r n 为j 下值表示呈上升趋势，若r n 为负值则表示有下降趋势。将求得的 r n 的绝对值与w p 进行比较，如果l r n i w p 则表明变化趋势有显著意义。当r n 为j 下 值表明为上升趋势，r n 为负值时则表明为下降趋势。 常规三项污染物按浓度和时间排序结果见表2 3 表2 3 常规三项污染物浓度和时间排序 根据s p e a r m a n 秩相关系数法进行计算，其结果见表2 4 ： 表2 4 s p e a r m a n 秩相关系数分析 当n = 7 ，显著性水平在0 0 5 时，i r n i 的临界值为w p - - 0 7 8 6 。与w p 值比较的 结果表明，近7 年来天津市常规三项污染物浓度均呈下降趋势，其中n 0 2 和p m l o 显著下降，s 0 2 下降趋势不明显。 2 3 4 主要污染物分析 以圉家大气环境质量二级标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 为评价标准，采用计污染物负 衙系数计算法，确定影响大气质量的主要污染物。首先计算出各污染物的分指数， 天津市人气环境质嫱评价和影响机制研究 然后根据污染物的分指数计算出污染物负荷系数，污染物负荷系数最大者为主要 污染物。 污染物负荷系数法计算公式一： p i = c i s i 式中：c i 一某污染物的年均值浓度； s i 一某污染物的年均值标准浓度； p i 一某污染物的分指数。 污染物负荷系数法计算公式二： 巧= 露只 f = l 式中： f i 一某污染物负荷系数； n 一大气污染物的项目数。 两公式计算结果见表2 5 表2 52 0 0 1 - - 2 0 0 7 年期间环境空气综合污染指数和污染负荷 结果表明： ( 1 ) 2 0 0 1 - - 2 0 0 7 年期间，天津市大气污染负荷总指数最高的是2 0 0 1 年。 自2 0 0 1 年起，总指数呈逐年下降趋势。到2 0 0 7 年，总指数较2 0 0 1 下降3 1 5 。 评价的三项污染物的分指数也呈逐年下降趋势( 如图2 5 所示) ，其中以p m l o 的下降幅度最大。 1 6 天津市人气环境质量评价和影响机制研究 囤2 - - 5 常规三项污染物分指数年际变化曲线 ( 2 ) 从7 年的污染负荷统计结果来看，可吸入颗粒物的污染负荷呈显著下 降趋势，由2 0 0 1 年的4 6 下降到2 0 0 7 年的3 7 ，而二氧化硫的污染负荷逐年 上升。从2 0 0 4 年开始，二氧化硫的污染负荷超过可吸入颗粒物，成为天津市首 要大气污染物。 il - i 爱。 图2 6 常规二项污染物污染负荷比柱状图 蚴哪 戮裟黧戮徽 天津市人气环境质鬣评价和影响机制研究 第三章天津市大气环境质量评价 3 1 大气环境质量评价方法 3 1 1 大气环境质量评价原理 对一定区域内人类近期的和当前的活动导致环境质量变化，以及由此变化引 起人类与环境质量之间的价值关系的改变进行评价，称为环境质量评价。而大气 环境质量评价，就是将监测点的监测数据与国家规定的大气质量标准等级相比 较，对大气污染程度进行量化描述，分析大气环境质量随着时空变化而发生的变 化，探讨其原因，为环保部门及相关职能部门提供科学管理与污染防治决策依据， 并为社会公众对大气环境质量认识提供一种尺度。 环境质量的现状反映了人类已进行或当前正在进行的活动对环境质量的影 响。由于人类对环境质量除了要求维持生存繁衍的基本条件外，还要求能满足人 类追求安逸舒适的需要，因而对这种影响的评价应根据一定区域内人类对环境质 量的取向来进行评价。我们知道，人类对环境质量的要求是多方面的，概括地讲， 主要有自然、生念、社会经济和生活等，这样，环境质量现状评价就有一个评价 内容的问题。人们把大气看作是一种有限的资源，这是工业化革命以来由于污染 事件的不断发生而逐渐认识到的。因此人们对大气进行评价时注意更多的是污染 评价，即评价人类的生产和生活活动所排放出的各种污染物对大气环境的污染程 度。同时在评价时还存在一个问题，那就是评价方法的确定。对城r 订环境质量评 价后，可以确定城市环境质量的优劣，发现决定其质量的主要污染源和主要污染 要素，同时找到城市环境问题中的关键，提出战略性对策。 3 1 2 大气环境质量评价工作程序 大气环境质量现状评价工作一般可以分为四个阶段：调查准备阶段、环境监 测阶段、评价分析阶段和成果应川阶段。进行评价工作时，在确定评价对象、地 区范围和评价日的的皋础上，进入调查准备阶段，通过对污染源和当地人气环境 天津市人气环境质量评价和影响机制研究 质量特征的调查与评价，确定当地主要污染源与主要污染物，以及污染物的排放 方式、途径、特点和规律，综合评价污染源对环境的危害作用。然后选择合适的 评价因子，并进行环境监测。环境监测要求布点疏密及采样次数力求合理，有代 表性；监测数据要有质量保证，以获得可靠的污染物在环境中污染水平的数据。 得到监测数据后，确定合适的评价标准，对监测数据进行统计处理，利用评价模 式，计算大气环境质量指数，并进行大气环境质量分级。根据评价结果，提出合 理的大气污染控制策略。 3 1 3 大气环境质量评价模型 由于环境质量评价是对客观环境状况作评述和研究，它的表达方式要有统一 的评价方法和表达形式，以便对不同地区的环境状况进行对比，进而统筹安排改 善环境质量状况的对策和措施。多年来，很多专家学者和学术机构从不同方面提 出了很多的大气环境评价方法( 见表3 1 ) ，这些方法由于所用数学工具不同而 各有特点。 表3 1 大气环境质量评价模型总结 1 9 天津市人气环境质量评价和影响机制研究 选择合理的模型并充分地利用有限的监测信息，客观地描述环境质量优劣状 况，为环境整体规划及环境污染防治提供依据，是大气环境质量评价的基本任务。 本章利用天津市2 0 0 1 - - 2 0 0 7 年的空气质量监测资料，采用三种具有代表性的评 价方法进行评价，并对各种评价结果和方法进行对比分析。 3 2 空气污染指数法 3 2 1 模型原理 空气污染指数a p i ，是一种定量反映和评价空气质量状况的指标，它是在美 国污染物标准指数( p s i ) 评价法的基础上加以简化，将常规监测的几种空气污 染物浓度简化成为单一的数值形式，并分级表示空气质量现状和空气污染程度的 一种方法，其特点是综合、简便、直观，目前我国的“国家环境保护模范城市考 核指标”和“全国重点城市环境空气质量周报”及后来的“空气质量日报”中均采用 a p i 。按照我国“空气质量r 报”，计算空气污染指数a p i 应选取二氧化硫、二氧 化氮、可吸入颗粒物三种污染物的同均值作为计算参数。 我国a p i 的计算方法与美国等其他国家和地区的计算方法类似。先根据各 污染物的监测浓度值计算各污染物的分指数，分指数最大的污染物为首要污染 物，最大的分指数即空气污染指数。具体评价步骤如下： ( 1 ) 计算污染物的分指数 污染物的分指数l x 由实测的浓度值c x 按照线性方程计算，公式为： i x = 等嵩c 如+ 1 - - 姚岛 c x 一污染物x 的监测浓度值； i x i 一第j 转折点的污染分项指数值； l x j + l 一第j + l 转折点的污染分项指数值； c x j 一第j 转折点上污染物的( 对应于i x j ) 浓度限值； c x j + l 一第j + 1 转折点上污染物的( 对应于i x j + i