2. 中国环境科学研究院环境污染与健康室;
3. 淄博市环境监测站
近年我国各地高浓度的细颗粒物(PM2.5)污染引起雾霾天气高发。2014年1月份以来，各地持续发布了重污染橙色预警和霾橙色预警。由于其严重的环境污染性、广泛的社会影响性和潜在的健康风险性，PM2.5污染已引起社会的高度关注。PM2.5对呼吸系统疾病和心血管疾病的健康影响已得到多项研究的证实[1-3]。2012年发布的《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)[4]，设置PM2.5标准值为75 μg/m3，标志着政府对PM2.5污染的重视和控制[4]。
淄博市为工业城市，石油化工、建材陶瓷、纺织医药、机电制造等产业实力雄厚，拥有诸如齐鲁石化、山东铝业、淄博矿业、新华制药、东大化工等大中型企业，其工业产出量长期居山东省第二位。工业促进经济发展的同时，造成一定程度上的环境污染，同时淄博市为组群式城市，地域限制、汽车尾气和石化能源的过度使用导致的PM2.5污染较为严重。为有效分析淄博市PM2.5的污染现状，综合考虑城市经济发展类型、人口规模及空气质量历史数据，选择空气优良率约90%的青岛市作为对照区进行比较分析。本研究基于2013年山东省环境信息与监控中心发布的城市空气质量数据，分析淄博市PM2.5的质量浓度现状，基于地理信息系统(GIS)开展PM2.5污染质量浓度的空间描述性分析。
1 资料与方法 1.1 资料来源PM2.5数据来源于山东省环境信息与监控中心发布的城市空气质量发布平台，调查区为淄博市13个省级监测点，对照区为青岛市13个省级监测点，分析指标为PM2.5质量浓度和空气质量指数(AQI)的24 h数据。利用GIS软件ArcGis 10.0将整理后的环境污染数据与相应的行政区域进行匹配，建立空间数据库。
淄博市设有省级环境空气质量监测点13个，分别是张店区W01、W02、W03、W04，淄川区W05和W06，博山区W07、W08，临淄区W09、W10，周村区W11、W12，开发区W13。青岛市现设有省级环境空气质量监测点13个，分别是市南区D01、D02，市北区D03、D04，黄岛区D05、D06，崂山区D07、D08、D09，李沧区D10、D11，城阳区D12、D13。检测指标为PM2.5、AQI、空气质量等级、首要污染物。
1.2 监测点的选择 1.2.1 监测点的选择依据根据城市历年的环境空气质量状况及变化趋势、能源结构特点、污染源分布特征、人口分布情况、地形和气象条件等因素，充分考虑监测点的代表性，设置省级空气质量监测点。
1.2.2 对照区的选择依据基于社会经济状况、人口构成、生活方式等因素，综合经济发展类型和既往的空气质量情况选择。
1.3 基础地图采用淄博市测绘部门提供的淄博市电子矢量地图，为ESRI格式的shapefile文件。
1.4 方法 1.4.1 数据来源标准PM2.5日均质量浓度和空气质量指数(AQI)数据以每日上午9：00的24 h质量浓度数据为准，每月纳入数据≥20 d。选取的采暖期为2013年11月—2014年3月，排除突发天气、仪器损坏和未在规定时间内记录的环境空气质量数据，最终获得符合条件的日均质量浓度数据，淄博市为94 d，青岛市为85 d。
1.4.2 监测方法和评价标准监测方法和评价依据均以《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)[4]和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》为标准，其中PM2.5质量浓度均以24 h平均二级质量浓度限值75 μg/m3为评价标准。
1.4.3 监测仪器监测仪器为PM2.5自动监测仪，监测方法为微量振荡天平法和β射线法，均依据《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)采样器技术要求及检测方法》(HJ 93－2013)[5]执行。
1.4.4 质量控制和质量保证样品检测质量控制和质量保证均严格按照《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统技术要求及检测方法》(HJ 653－2013)[6]执行；因仪器设备等故障原因造成的异常数据，均会按照质控程序予以校准。
1.5 统计方法采用EXCEL进行数据整理和建立数据库，SPSS 17.0进行数据统计分析，两均数比较，如符合正态分布采用两组样品t检验；如不符合，采用成组设计两样品比较的秩和检验。两样品率的比较采用四格表χ2检验。GIS 10.0进行空间描述性分析。
2 结果 2.1 淄博市主要工业企业废气监测点的分布情况根据山东省各地市工业企业发展类型及污染物综合排放情况，基于山东省省控及以上重点监管企业自行监测信息，山东省各地市及淄博市各区县的废气监测点位分布情况如表 1所示。淄博市重点监管企业废气监测点位占山东省的12.38%，居第1位；淄博市各区县废气监测点位构成由高到低依次为张店区(23.68%)、淄川区(19.30%)、临淄区(19.30%)、桓台县(12.28%)、开发区(11.40%)、博山区(5.26%)、周村区(3.51%)、沂源县(2.63%)、高青县(2.63%)。
| 山东省城市 | 重点监管企业废气监测点位数量 | 构成比/% | 淄博市区县 | 重点监管企业废气监测点位数量 | 构成比/% |
| 淄博 | 114 | 12.38 | 张店区 | 27 | 23.68 |
| 潍坊 | 91 | 9.88 | 淄川区 | 22 | 19.30 |
| 济宁 | 87 | 9.45 | 临淄区 | 22 | 19.30 |
| 枣庄 | 63 | 6.84 | 桓台县 | 14 | 12.28 |
| 青岛 | 61 | 6.62 | 开发区 | 13 | 11.40 |
| 济南 | 60 | 6.51 | 博山区 | 6 | 5.26 |
| 烟台 | 57 | 6.19 | 周村区 | 4 | 3.51 |
| 临沂 | 54 | 5.86 | 沂源县 | 3 | 2.63 |
| 德州 | 49 | 5.32 | 高青县 | 3 | 2.63 |
| 滨州 | 49 | 5.32 | |||
| 泰安 | 46 | 4.99 | |||
| 聊城 | 46 | 4.99 | |||
| 莱芜 | 35 | 3.80 | |||
| 日照 | 30 | 3.26 | |||
| 东营 | 29 | 3.15 | |||
| 菏泽 | 26 | 2.82 | |||
| 威海 | 24 | 2.61 |
2.2 监测点和对照点细颗粒物合格率、空气质量等级比较
通过对淄博市和青岛市各监测点的分析发现，淄博市采暖期PM2.5质量浓度最高值为525 μg/m3，最低值20 μg/m3，平均值为126 μg/m3；青岛市采暖期PM2.5最高值为360 μg/m3，最低值为3 μg/m3，平均值为80 μg/m3。淄博市采暖期PM2.5质量浓度水平明显高于青岛市(t=16.347，P＜0.05)，合格率(33.22%)明显低于青岛市(59.91%；χ2=166.409，P＜0.05)，空气质量指数(AQI，166) 明显高于青岛市(115；t=16.432，P＜0.05)。淄博市采暖期PM2.5最高质量浓度为标准的7倍，平均质量浓度为标准的1.68倍，分别高于青岛的最高质量浓度(4.8倍)和平均质量浓度(1.07倍；表 2)。
| 区域 | PM2.5质量浓度/(μg/m3) | PM2.5占首要污染物构成/% | ||||||||
| 最高值 | 最低值 | 平均值 | 合格率% | 良好 | 轻度 | 中度 | 重度 | 严重 | 总构成 | |
| 淄博市 | 525 | 20 | 126 | 33.22 | 33.23 | 65.00 | 94.00 | 99.66 | 70.33 | 69.89 |
| 青岛市 | 360 | 3 | 80 | 59.91 | 42.75 | 71.43 | 87.63 | 92.93 | 80.00 | 58.10 |
PM2.5作为采暖期首要污染物，在淄博市和青岛市的构成分别达到69.89%和58.10%(χ2=35.109，P＜0.05)，且PM2.5作为首要污染物的构成均有随着环境空气质量的恶化而升高的趋势。淄博市采暖期PM2.5作为首要污染物构成与空气质量等级的关系函数为y=－10.396x2+73.26x－32.985，R2为0.9626；青岛市采暖期PM2.5作为首要污染物构成与空气质量等级的关系函数为y=－6.7218x2+49.93x－0.9018，R2为0.9971。由二次函数性质可知，|a淄博|＞|a青岛|，淄博市函数图像开口较小，函数值变化更大，说明淄博市因空气质量恶化引起PM2.5构成增加的幅度更大(表 2)。
2.3 淄博市采暖期PM2.5质量浓度水平的区域变化淄博市城区采暖期(2013年11月—2014年3月)PM2.5质量浓度分布如表 3所示。PM2.5质量浓度均值最高是W11监测点，为140 μg/m3；最低值是W09监测点，为103 μg/m3；各监测点质量浓度由高到低依次为W11、W12、W04、W13、W05、W01、W03、W02、W08、W06、W07、W10和W09。以国标二级限值75 μg/m3为判定依据[4]，13个监测点PM2.5平均质量浓度均超标，最高均值为140 μg/m3，超标86.67%；最低均值为103 μg/m3，超标37.33%。
| 淄博市监测点位 | PM2.5/(μg/m3) | AQI | 首要污染物构成/% | ||||||||
| 最高值 | 最低值 | 均值 | 超标率/% | 最高值 | 最小值 | 均值 | PM2.5 | PM10 | SO2 | NO2 | |
| W07 | 329 | 20 | 119 | 58.67 | 379 | 55 | 159 | 70.21 | 6.38 | 23.41 | 0.00 |
| W08 | 323 | 35 | 124 | 65.33 | 375 | 58 | 160 | 81.91 | 4.26 | 12.77 | 1.06 |
| W13 | 455 | 25 | 131 | 74.67 | 471 | 48 | 170 | 77.66 | 10.64 | 11.70 | 0.00 |
| W09 | 451 | 23 | 103 | 37.33 | 401 | 54 | 147 | 46.81 | 38.30 | 11.70 | 3.19 |
| W10 | 370 | 32 | 115 | 53.33 | 414 | 47 | 152 | 72.34 | 14.89 | 11.70 | 1.07 |
| W02 | 453 | 23 | 125 | 66.67 | 469 | 53 | 167 | 60.64 | 12.77 | 24.47 | 2.12 |
| W04 | 425 | 30 | 131 | 74.67 | 500 | 58 | 174 | 69.15 | 8.51 | 22.34 | 0.00 |
| W01 | 436 | 29 | 129 | 72.00 | 500 | 61 | 171 | 63.83 | 13.83 | 22.34 | 0.00 |
| W03 | 488 | 21 | 129 | 72.00 | 484 | 56 | 172 | 62.77 | 21.28 | 13.83 | 2.12 |
| W12 | 496 | 26 | 135 | 80.00 | 500 | 37 | 174 | 79.79 | 5.32 | 13.83 | 1.06 |
| W11 | 525 | 28 | 140 | 86.67 | 500 | 40 | 179 | 80.85 | 3.19 | 15.96 | 0.00 |
| W06 | 368 | 22 | 121 | 61.33 | 447 | 54 | 161 | 70.21 | 6.38 | 20.22 | 3.19 |
| W05 | 343 | 33 | 130 | 73.33 | 444 | 62 | 172 | 72.34 | 10.64 | 17.02 | 0.00 |
城区采暖期空气质量指数(AQI)最高值为500，出现在W11、W12、W04、W01监测点；最低值为37，出现在W12监测点。AQI均值由高到低依次为W11、W12、W04、W05、W03、W01、W13、W02、W06、W08、W07、W10和W09，AQI的区域分布与PM2.5质量浓度区域分布基本一致。
淄博市城区采暖期空气质量等级的区域分布表明，采暖期纳入统计分析的监测点空气质量等级，共有4 d为优，分别出现在W13、W09、W11和W12监测点各1 d；各监测点良好总天数占监测总天数的25.86%，重度和严重污染天数合计所占比例由高到低依次为W11(37.23%)、W12(37.23%)、W04(35.11%)、W05(35.11%)、W01(35.11%)、W13(34.04%)、W03(31.91%)、W02(29.79%)、W08(28.72%)、W07(28.72%)、W10(26.60%)、W06(25.53%)和W09(20.21%)。
采暖期首要污染物的区域分布构成表明PM2.5为首要污染物，各监测点PM2.5占首要污染物的构成基本均在50%以上；由高到低依次为W08(81.91%)、W11(80.85%)、W12(79.79%)、W13(77.66%)、W10(72.34%)、W05(72.34%)、W07(70.21%)、W06(70.21%)、W04(69.15%)、W01(63.83%)、W03(62.77%)、W02(60.64%)和W09(46.81%)。
基于GIS的Kriging空间插值，对采暖期PM2.5质量浓度进行空间分布预测，结果如图 1所示。张店城区、周村城区、淄川城区中部为PM2.5质量浓度较高的区域，应予以关注。
|
| 图 1 淄博市采暖期PM2.5质量浓度的Kriging插值分析 |
3 讨论
自《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)[4]的发布以来，全国各地陆续建立主要城市空气质量实时发布平台，科学选定监测点，统一监测方法，将PM2.5、AQI指数、空气质量等级和首要污染物纳入常规监测范围，客观反映和代表环境空气污染对居民健康的影响。淄博市作为石化工业名城和环保重点城市，工业污染为环境空气PM2.5的主要贡献源；2007、2009、2011和2012年机动车保有量分别为280 490辆[7]、983 454辆[8]、1 132 418辆[9]、1 186 448辆[10]，五年增加了3.23倍，因此随着城市机动车保有量的增加，机动车尾气对PM2.5的贡献在逐步加大。
PM2.5对健康危害程度主要决定于污染水平和化学组分两方面。淄博市采暖期城区PM2.5超标严重，平均值和最高值均明显高于青岛市同期PM2.5水平。青岛环境空气PM2.5源解析表明，城市扬尘对PM2.5贡献最大，为22.1%[11]，而淄博市工业污染为主要贡献源，化学组分更为复杂，潜在健康风险可能更为深远。此外，作为城区采暖期首要污染物，淄博市和青岛市PM2.5构成均超过50%，最高为淄博市W08监测点，达81.91%，且PM2.5作为首要污染物的构成均有随着环境空气质量的恶化而升高的趋势，说明PM2.5对环境空气质量污染的贡献在加大；同时淄博市因空气质量恶化引起PM2.5构成增加的幅度更大。
PM2.5质量浓度最高的区域为周村区和张店区，较低的区域为临淄区。原因可能有两方面，一是张店区、淄川区、周村区为工业企业的集中区，工业燃煤排放较为严重。2013年淄博燃煤量达4 000万t，且地势低洼不利于污染物扩散；二是临淄区主要污染贡献源为齐鲁石化公司，为大型国有企业，污染物减排和净化空气措施力度较强，且随着企业搬迁对环境空气的贡献在逐步减小。PM2.5作为环境空气污染的代表性综合指标，是一种复杂的混合物体，SO2、NOX等可经二次反应生成PM2.5。PM2.5对人体健康的危害更在于他是污染物载体，由于其来源和形成条件的差异，富集了大量的镍、砷等重金属、挥发性有机物、细菌、真菌等有毒有害物质[12-13]，会引起呼吸系统疾病，如慢性支气管炎、降低肺功能、加重哮喘等[1-3]，也会造成心血管系统伤害，如心律失常、冠心病等[1-3]，且老人、儿童以及心肺疾病患者为PM2.5污染的敏感人群，应引起关注。PM2.5质量浓度低并不能代表对人体健康危害小，应综合考虑来源谱、成分谱和质量浓度的差异性。根据淄博市环境监测站开展的调查研究，2014年采暖期内对张店城区环境空气PM2.5中16种多环芳烃(PAHs)分析显示，2环和3环的几乎无检出，而4环、5环和6环苯并(a)芘(BaP)等的检出率达86.67%，而PAHs化合物具有致突变型和致癌性，其中苯并(a)芘确认为强致癌物质。因而尽管临淄区PM2.5质量浓度与淄博市其他城区中相比不高，但作为主要排放源的齐鲁石化为化石燃烧企业，煤炭消耗量大，有数据显示仅齐鲁石化热电厂年耗煤量达280万t，富集在颗粒物上的有毒有害物质较多[14]，对人体健康的危害不容忽视。今后有待于对当地PM2.5的来源贡献和成分谱开展分析，同时扩大监测点覆盖面，进一步明确本区域内的污染分布和污染程度，为环保部门的节能减排和卫生部门的疾病预防提供技术支持。
| [1] | Bell ML, Ebisu K, Leaderer BP, et al. Associations of PM2.5 constituents and sources with hospital admissions:analysis of four counties in connecticut and massachusetts (USA) for persons ≥65 years of age[J]. Environ Health Perspect, 2014, 122(2): 138–144. |
| [2] | Kim SY, Peel JL, Hannigan MP, et al. The temporal lag structure of short-term associations of fine particulate matter chemical constituents and cardiovascular and respiratory hospitalizations[J]. Environ Health Perspect, 2012, 120(8): 1094–1099. doi: 10.1289/ehp.1104721 |
| [3] | Lippmann M. Toxicological and epidemiological studies of cardiovascular effects of ambient air fine particulate matter (PM2.5) and its chemical components:coherence and public health implications[J]. Crit Rev Toxicol, 2014, 44(4): 299–347. doi: 10.3109/10408444.2013.861796 |
| [4] | 中华人民共和国环境保护部, 国家质量监督检验检疫总局. GB 3095-2012环境空气质量标准[S]. 北京, 中国标准出版社, 2012. |
| [5] | 中华人民共和国环境保护部. HJ 93-2013环境空气颗粒物(PM10和PM2. 5)采样器技术要求及检测方法[S]. 北京, 中国环境科学出版社, 2013. |
| [6] | 中华人民共和国环境保护部. HJ 653-2013环境空气颗粒物(PM10和PM2. 5)连续自动监测系统技术要求及检测方法[S]. 北京, 中国环境科学出版社, 2013. |
| [7] | 淄博市统计局. 淄博市统计年鉴[M]. 2008: 316. |
| [8] | 淄博市统计局. 淄博市统计年鉴[M]. 2010: 334. |
| [9] | 淄博市统计局. 淄博市统计年鉴[M]. 2012: 314. |
| [10] | 淄博市统计局. 淄博市统计年鉴[M]. 2013: 300. |
| [11] | 吴虹, 张彩艳, 王静, 等. 青岛环境空气PM10和PM2.5污染特征与来源比较[J]. 环境科学研究, 2013, 26(6): 583–589. |
| [12] | 乔玉霜. 中原城市群大气颗粒物的理化特征及毒理学研究[D]. 中国矿业大学(北京), 环境工程, 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11413-1011184713.htm |
| [13] | Mostofsky E, Schwartz J, Coull BA, et al. Modeling the association between particle constituents of air pollution and health outcomes[J]. Am J Epidemiol, 2012, 176(4): 317–326. doi: 10.1093/aje/kws018 |
| [14] | 赵成美, 孙俊民, 邓寅生, 等. 燃煤飞灰中细颗粒物(PM2.5)的物理化学特性[J]. 环境科学研究, 2004, 17(2): 71–73. |