随着经济的高速发展、工业化和城市化的进程不断加快，机动车保有量大幅增加，大气污染日趋严峻。兰州位于青藏高原东北侧的黄河河谷盆地，市区东西长，南北窄，海拔1 520 m，属于大陆性半干旱气候。由于其河谷盆地的特殊地形，冬季逆温频率高[1-3]，静风频率高。市区内石化、机械加工和电力等高污染排放行业居多，能源结构以煤炭为主，因此空气污染较重。以往有学者对兰州市空气污染状况进行过研究报道[4]，但近年对主要的6种污染物污染状况研究少见。为此，本文对兰州市近两年空气质量进行分析，为政府等相关部门有针对性的制定空气污染防控措施提供依据。
1 材料与方法 1.1 数据来源从兰州市环保局获得2014年-2015年环境空气质量监测数据。四个省控监测点分别位于职工医院(西部)、生物制品所(北部)、铁路设计院(南部)、兰炼宾馆(西部)，所属行政区域分别为城关区(政治、经济、文化、科研、交通、商贸中心)、西固区(核心工业区)。监测项目有PM10、PM2.5、NO2、SO2、CO和O3，采样方法是24 h自动连续采样。
1.2 分析仪器及方法PM2.5为重量法(大气采样器-武汉天虹，恒温恒湿箱-恒准仪器科技有限公司)、十万分之一天平(梅特勒、托利多国际贸易有限公司AG285) PM10为β射线法(FH 62C14β射线环境颗粒物监测仪-美国ESM Andersen Instruments)、SO2为紫外荧光法(紫外可见分光光度计-上海光学仪器厂)、NO2为分光光度法(日本岛津紫外可见分光光度计UV-2450)、CO为红外气体滤光相关法(非色散红外CO分析仪-北京百万电子科技中心)、O3为电化学法(美国哈希便携式臭氧测定仪4480)。试剂：碘化钾(KI)溶液、硫酸溶液、硫代硫酸钠标准溶液、淀粉溶液。材料：三角洗瓶、滴定管、量筒、刻度吸管、容量瓶、聚乙烯软管。
1.3 环境空气质量评价采用综合污染指数、污染负荷系数等方法[5]进行空气质量评价。先将污染物实测浓度与污染物评价标准进行比较，确定该污染物单因子污染指数，再对各项空气污染物单项因子的指数加和，得到空气综合污染指数。该指数可用于评价城市空气质量的总体情况、年际变化及城市不同区域空气污染的程度，空气综合污染指数越大，表示空气污染程度越严重。评价标准采用《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准[6]。计算公式为：
| $ P{\rm{ = }}\sum\nolimits_{i = 1}^n {{p_i}} $ | (1) |
| $ {p_i} = {C_i}/{S_i} $ | (2) |
式中：P -综合污染指数；
pi-单因子污染指数；
Ci-第i项空气污染物浓度的年均值，μg/m3；
Si-第i项空气污染物的环境质量标准限值。
污染负荷系数计算公式为：
| $ {F_i} = {p_i}/P $ | (3) |
式中：P-空气综合污染指数；
pi-第i项空气污染物的单因子污染指数；
Fi-第i项空气污染物的污染负荷系数。
1.4 统计分析采用SPSS 16.0软件进行统计学分析。计量资料的集中趋势和分散趋势通过均数和标准差进行描述性分析；符合正态分布的两组计量资料均值比较采用t检验；多组计量资料的均值两两比较采用完全随机设计的方差分析LSD法完成。
2 结果与分析 2.1 主要污染物质量浓度时间变化2014年-2015年兰州市环境空气质量有所改善。环境空气质量属于二级和好于二级的天数从2014年的286天增加到2015年的309天，即占全年天数的比例从78.4%增长到84.7%。
2.1.1 主要污染物质量浓度年际变化2014年-2015年兰州市空气中PM10年平均质量浓度呈下降趋势，浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(70 μg/m3)[6]；PM2.5年平均质量浓度呈下降趋势，浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(35 μg/m3)[6]；SO2年平均质量浓度呈下降趋势，浓度没有超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(60 μg/m3)；NO2年平均、O3-1h平均质量浓度呈上升趋势，其中NO2质量浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(40 μg/m3)[6]，O3-1h没有超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(200 μg/m3)[6]；CO 24 h平均质量浓度变化不大，均没有超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(4 mg/m3[6]；表 1)。
| 年份 | PM10/ (μg/m3) |
PM2.5/ (μg/m3) |
NO2/ (μg/m3) |
O3-1h/ (μg/m3) |
CO/(mg/m3) | SO2/ (μg/m3) |
| 2014年 | 126±69 | 61±26 | 48±17 | 69±27 | 1.5±0.6 | 29±14 |
| 2015年 | 120±56 | 52±23 | 53±19 | 107±43 | 1.4±0.8 | 23±13 |
2.1.2 采暖期与非采暖期主要污染物质量浓度变化
兰州市冬季采暖期为5个月，为当年11月1日到次年4月1日，其余时间为非采暖期。
2014年-2015年采暖期和非采暖期空气污染物PM10、PM2.5、NO2、CO和SO224 h平均质量浓度均是采暖期高于非采暖期(P < 0.05)；O3-1h平均质量浓度是非采暖期高于采暖期。2014年-2015年采暖期与非采暖期各空气污染物质量浓度均没有超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准[6](表 2)。
| μg/m3 | |||||||
| 时间 | 样本 数/天 |
PM10 | PM2.5 | NO2 | O3-1h | CO/ (mg/m3) |
SO2 |
| 2014年采暖期 | 151 | 136±38 | 69±26 | 55±18 | 53±16 | 1.8±0.7 | 39±13 |
| 2014年非采暖期 | 214 | 119±84 | 54±25 | 442±15 | 81±27 | 1.3±0.4 | 23±10 |
| P | 0.020 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | |
| 2015年采暖期 | 152 | 135±52 | 64±26 | 59±25 | 80±27 | 2.0±0.9 | 33±14 |
| 2015年非采暖期 | 213 | 109±56 | 43±16 | 49±13 | 127±41 | 1.0±0.2 | 16±7 |
| P | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | |
| 注：P为t检验结果 | |||||||
2.2 主要污染物年均质量浓度空间分布
对2015年南部、西部、北部各空气污染物质量浓度通过完全随机设计的方差分析LSD两两进行比较，西部PM10年均质量浓度高于南部和北部；西部PM2.5年均质量浓度高于南部和北部，南部高于北部；南部NO2年均质量浓度高于西部和北部，西部高于北部；西部O3-1h平均质量浓度高于南部，北部高于南部；西部CO平均质量浓度低于南部和北部；南部SO2年均质量浓度高于西部和北部。
对2014年南部、西部、北部各空气污染物质量浓度通过完全随机设计的方差分析LSD两两进行比较，西部PM10年均质量浓度高于南部，北部高于南部；西部PM2.5年均质量浓度高于南部和北部；西部、南部NO2年均质量浓度均高于北部；西部O3-1h平均质量浓度高于南部和北部，北部高于南部；南部、北部CO平均质量浓度均高于西部；北部SO2年均质量浓度高于西部和南部。
2014年-2015年南部、北部和西部PM10年平均质量浓度均超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(70 μg/m3)[6]；PM2.5年平均质量浓度均超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(35 μg/m3)[6]；SO2年平均浓质量度均没有超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(60 μg/m3)[6]；NO2年平均质量浓度均超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准(40 μg/m3)[6]；南部、北部和西部CO 24 h平均质量浓度均没有超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准[6](4 mg/m3)；O3-1h均没有超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)二级标准[6]1 h平均(200 μg/m3；表 3)。
| μg/m3 | ||||||||
| 时间 | 区 域 |
样本 数/天 |
PM10 | PM2.5 | NO2 | O3-1h | CO/ (mg/m3) |
SO2 |
| 2014年 | 南 | 362 | 114.50 | 57.03 | 48.91* | 58.03 | 1.61* | 26.38 |
| 北 | 359 | 129.63* | 53.15 | 41.88 | 67.44* | 1.71* | 37.12* | |
| 西 | 356 | 129.84* | 66.16* | 51.19* | 75.61* | 1.29 | 26.53 | |
| 2015年 | 南 | 365 | 113.28 | 49.48* | 58.75* | 92.21 | 1.51* | 25.86* |
| 北 | 363 | 114.29 | 44.74 | 47.37 | 109.19* | 1.53* | 20.87 | |
| 西 | 359 | 124.87* | 55.90* | 52.23* | 113.40* | 1.29 | 21.86 | |
| 注：*表示P < 0.05 | ||||||||
2.3 环境空气质量总体评价 2.3.1 主要污染物变化
根据各污染物污染分指数和负荷系数，确定环境空气中主要污染物。2014年-2015年兰州市空气中的主要污染物负荷系数排序均为PM10＞PM2.5＞NO2，PM10、PM2.5污染负荷系数有逐年下降的趋势，但NO2略有上升趋势。
2.3.2 综合指数法评价根据《环境控制质量标准》(GB 3095-2012)二级标准[6]，采用综合污染指数法进行评价(表 4和表 5)。
| 2014年 | 2015年 | ||
| 污染分指数(pi) | PM10 | 1.8 | 1.7 |
| PM2.5 | 1.7 | 1.5 | |
| NO2 | 1.2 | 1.3 | |
| O3-1h | 0.3 | 0.5 | |
| CO | 0.4 | 0.4 | |
| SO2 | 0.5 | 0.4 | |
| 综合污染指数 | 5.9 | 5.8 | |
| 污染负荷系数(Fi，%) | PM10 | 30.5 | 29.6 |
| PM2.5 | 29.5 | 25.6 | |
| NO2 | 20.3 | 22.8 | |
| O3-1h | 5.8 | 9.2 | |
| CO | 6.4 | 6.0 | |
| SO2 | 8.2 | 6.6 |
2014年-2015年兰州市全年空气综合污染指数略呈下降趋势，采暖期空气综合污染指数高于非采暖期，2015年采暖期空气综合污染指数较2014年略有增加，但2015年非采暖期空气综合污染指数较2014年有所下降(表 4和表 5)。
3 讨论2014年兰州市空气质量属于二级和好于二级的天数由286天增加到2015年的309天，重度以上的污染天气3天，退出了全国十大重污染城市行列。同时通过对兰州市空气中主要污染物PM10、PM2.5和NO2浓度变化趋势的分析研究和对环境空气质量的总体评价，认为兰州市空气质量近年来有所改善，2014年-2015年空气质量优良天数逐年增加，主要污染物PM10、PM2.5呈下降趋势。主要原因是自2012年以来，兰州市确定环境立法，并实施了工业减排、燃烧减量、消烟除尘、尾气达标、扬尘管控、林业生态、清新空气、蓝天工程等污染治理工程和燃煤锅炉改造、关闭落后产能企业、生态增绿工程等重点治污项目，说明以上治理措施对治理该市大气污染起到了重要作用。
大气环境的污染源分为固定源和汽车源两类，固定源主要来自工业和居民生活的排气污染，汽车源主要来自机动车尾气的排放，CO，NO2，NOx和O3是比较明确的汽车尾气排放物。近年随着环保技术的提高，固定污染源所占比重得以控制和下降，但随着汽车保有量的快速增长，汽车污染的严重性正在日益增加。本研究结果显示NO2和O3年均浓度逐年升高，考虑原因是目前兰州民用汽车保有量达到了80.46万辆，比2014年末增长了30.87%，说明近年交通源污染已成为兰州市区主要空气污染源之一。同时随之带来的健康损害也已成为影响国民健康的重要因素，陈伯宁等[7]针对机动车尾气暴露对人群健康影响进行了研究，其中以NO2作为交通来源的特征污染物进行健康效应分析的研究居多[8-9]。
在我国城市能源结构中煤炭仍占有相当比重，燃煤一直是冬季城市颗粒物的主要贡献源之一。兰州四季分明，分采暖期和非采暖期，燃煤在冬季的贡献率远大于其他季节[10-11]。本研究结果显示除了O3-1h外，其余空气污染物均是采暖期高于非采暖期，这与廖琴等[12]对1986年-2012年兰州市空气质量变化趋势分析的研究结果一致。提示采暖期的煤烟尘污染仍是未来空气颗粒物污染防治的重点。
综合兰州市2014年-2015年分区域对不同空气污染物比较分析结果可以看出，西部区域污染较重。兰州是我国西北地区重要的工业城市，工业污染严重，尤其是西固区石化工业企业集中，加之冬季风速小、静风天气多，逆温层厚、强度大，大气层结稳定，再加上兰州市近乎封闭的特殊山谷盆地地形，造成兰州市局部区域大气污染尤为严重。
| [1] | 姜大膀, 王式功, 郎咸梅, 等. 兰州市区低空大气温度层结特征及其与空气污染的关系[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2001, 37 (4): 133–139. |
| [2] | 王式功, 姜大膀, 杨德保, 等. 兰州市区最大混合层厚度变化特征分析[J]. 高原气象, 2000, 19 (3): 363–370. |
| [3] | 王式功, 杨德保, 尚可政, 等. 兰州市城区冬半年低空风特征及其与空气污染的关系[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 1997, 33 (3): 97–105. |
| [4] | 张莹, 刘丽伟, 宁贵财, 等. 兰州市大气污染物的分布特征及其对人体健康的影响[J]. 卫生研究, 2015, 44 (5): 723–729. |
| [5] | 国家环境保护局.环境质量报告书编写技术规定[R].北京:国家环境保护局, 1991. |
| [6] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB 3095-2012环境空气质量标准[S].北京:中国环境科学出版社, 2012. |
| [7] | 陈伯宁, 宋宏, 温干京, 等. 机动车尾气暴露对广州某社区中老年人心血管系统影响的panel研究[J]. 环境与健康杂志, 2009, 26 (9): 758–762. |
| [8] | Shah AS, Langrish JP, Nair H, et al. Global association of air pollution and heart failure: a systematic review and meta-analysis[J]. Lancet, 2013, 382(9897): 1039–1048. doi: 10.1016/S0140-6736(13)60898-3 |
| [9] | 赵峰, 刘迎春, 蔡嘉旖, 等. 交通来源污染物的暴露评价研究进展[J]. 环境卫生学杂志, 2016, 6 (1): 68–75. |
| [10] | 温新欣, 崔兆杰, 张桂芹. 济南市PM2.5来源的解析[J]. 济南大学学报(自然科学版), 2009, 23 (3): 292–295. |
| [11] | 徐敬, 丁国安, 颜鹏, 等. 北京地区PM2.5的成分特征及来源分析[J]. 应用气象学报, 2007, 18 (5): 645–654. |
| [12] | 廖琴, 张志强, 曲建升, 等. 1986-2012年兰州市空气质量变化趋势分析[J]. 环境与健康杂志, 2014, 31 (8): 699–701. |