灰霾天氣環(huán)境管理與環(huán)境評(píng)價(jià)的思考

灰霾天氣環(huán)境管理與環(huán)境評(píng)價(jià)的思考

2012年2月29日，《環(huán)境相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)》（gb3095-2012，以下簡稱“新標(biāo)準(zhǔn)”）正式發(fā)布。與gb3095-1996及其修訂清單（2000）相比，除了改善了no2和p10的標(biāo)準(zhǔn)限制外，還增加了pm.5和8hol3的濃度限制，并將其納入環(huán)境空氣污染物的基本項(xiàng)目。實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)后,環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境管理和環(huán)境評(píng)價(jià)都需要相應(yīng)地調(diào)整工作思路,以期建立正確的減排方法。119灰病時(shí)代的中國天氣霾本來是一種自然現(xiàn)象,簡潔地描述灰霾天氣,就是“細(xì)粒子氣溶膠粒子在高濕度條件下引發(fā)的低能見度事件”。隨著人類活動(dòng)的影響,特別是近年來隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速,直接排放的氣溶膠和氣態(tài)污染物通過化學(xué)轉(zhuǎn)化與光化學(xué)轉(zhuǎn)化形成的細(xì)粒子二次氣溶膠迅速增加,能見度惡化事件越來越多,灰霾(特指人類活動(dòng)源排放的大氣污染物誘發(fā)的低能見度事件)的出現(xiàn)頻率越來越高,在中國東部城市區(qū)域,灰霾天氣從1950—1970年的每年幾天增加到目前的每年100~200d以上。灰霾的出現(xiàn)有重要的空氣質(zhì)量指示意義。通過分析1951—2005年中國大陸743個(gè)地面氣象站資料(圖1),對(duì)霾的長期變化趨勢形成如下認(rèn)識(shí):1956—1980年全國霾日都比較少,僅四川盆地和新疆南部超過50d;20世紀(jì)80年代以后全國霾日明顯增加;到21世紀(jì),大陸東部大部分城市都超過100d,其中部分大城市超過150d,與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)。霾日排在前10位的依次是遼寧沈陽,河北邢臺(tái),重慶市區(qū),遼寧本溪,陜西西安,四川成都,四川遂寧,湖北老河口,新疆和田、且末、民豐,四川內(nèi)江,主要集中在遼寧中部、四川盆地、華北平原和關(guān)中平原地區(qū),以及受沙塵暴影響較多的南疆地區(qū)(圖2)。就全國而言,12和1月霾天氣日數(shù)明顯偏多,其霾日數(shù)總和占全年的30%;9月霾日數(shù)最少,僅占全年的5%(圖3)。呈霾日增加趨勢的站點(diǎn)主要分布在中國的東部和南部,包括華北、黃淮、江淮、江南、江漢、華南和西南地區(qū)東部,以及一些經(jīng)濟(jì)和工業(yè)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)。呈霾日減少趨勢的站點(diǎn)主要分布在東北、內(nèi)蒙古和西北地區(qū)東部。這些地方的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)水平相對(duì)滯后,東北地區(qū)作為老工業(yè)基地,隨著近年來工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)境治理的改善使得當(dāng)?shù)氐啮踩諗?shù)逐漸減少。2氣溶膠污染特征能見度與粒子的散射、吸收能力和氣體分子的散射、吸收能力有關(guān),但主要與大氣粒子的散射能力關(guān)系最密切,簡單地將細(xì)粒子按照瑞利散射來處理,如果入射光波長確定,忽略化學(xué)成分和氣體的作用,影響散射光強(qiáng)的因子就是粒子尺度和濃度。筆者使用德國氣溶膠粒子譜儀(Model1.180,GrimmTechnologies,Inc.Germany)在廣州觀測的氣溶膠譜資料,10μm粒子的數(shù)量有25個(gè),2.5μm的粒子有2500個(gè),1μm的粒子有17000個(gè),0.25μm的粒子有9×106個(gè),巨粒子與次微米粒子數(shù)量相差106倍,氣溶膠粒子譜峰值直徑是0.28μm,平均直徑是0.31μm,因而能見度的惡化主要與細(xì)粒子關(guān)系比較大,尤其是出現(xiàn)較重氣溶膠污染導(dǎo)致低能見度事件出現(xiàn)時(shí),細(xì)粒子的比重會(huì)更大。從圖4可以發(fā)現(xiàn),0.25~1.0μm的粒子對(duì)能見度惡化的貢獻(xiàn)是69%,黑碳粒子是21%,兩者相加已達(dá)90%,而2.5~10μm粒子的貢獻(xiàn)只有9%,這就是為什么公眾肉眼感到空氣污染嚴(yán)重,而監(jiān)測的PM10質(zhì)量濃度卻達(dá)標(biāo)的原因。使用美國小流量便攜式空氣采樣器(MiniVolPortableAirSampler,Airmetrica,USA)與德國氣溶膠粒子譜儀(Model1.180,GrimmTechnologies,Inc.Germany)觀測了PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度(表1),近半PM10年均值超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的年均值濃度限值(70μg/m3),而PM2.5年均值全部超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的年均值限值(35μg/m3),PM10中PM2.5的占比非常高,可達(dá)51%~79%,遠(yuǎn)大于20余年前的觀測比值,可以看到導(dǎo)致能見度惡化時(shí)細(xì)粒子的比重比較大,廣州地區(qū)灰霾的細(xì)粒子污染特征明顯,表1表明廣州地區(qū)細(xì)粒子比重是逐年增加的,從1980年代的46%增加到現(xiàn)在的接近80%。說明在廣州地區(qū)的氣溶膠污染中,主要是細(xì)粒子的污染。細(xì)粒子一般與氣粒轉(zhuǎn)化相關(guān)聯(lián),相對(duì)于SO2氣體通過化學(xué)氧化形成硫酸鹽粒子的慢過程,氣粒轉(zhuǎn)化的快速過程主要是機(jī)動(dòng)車尾氣排放的光化學(xué)反應(yīng)前體物通過紫外線驅(qū)動(dòng)光化學(xué)氧化過程,最終形成了有機(jī)硝酸細(xì)粒子,這正是能見度迅速惡化的原因。3科學(xué)使用粒子灰霾發(fā)生時(shí),空氣中含有大量極細(xì)微的粒子,可通過呼吸道進(jìn)入人體肺泡,對(duì)呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生影響,導(dǎo)致呼吸道疾病和心肺疾病。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,空氣污染顯著提高了呼吸道發(fā)病率和心肺疾病死亡率?；姻蔡鞖庖埠头伟┟芮邢嚓P(guān),例如從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)釋放的粒子含有誘導(dǎo)有機(jī)體突變和致癌的物質(zhì)。衛(wèi)星測量顯示,中國人口密集地區(qū)大氣氣溶膠含量比歐洲、美國東部等地區(qū)高出約10倍。暴露在氣溶膠濃度非常高的環(huán)境中可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人類健康問題。分析廣州1954—2005年城市觀測站大氣能見度資料得到的氣溶膠光學(xué)消光系數(shù)與肺癌死亡率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)灰霾天氣增加后7~8年,肺癌死亡率明顯增加,兩者有較好的滯后相關(guān)性。最近的現(xiàn)場測量顯示,3/4的光學(xué)厚度是由直徑小于1μm的粒子引起的,細(xì)粒子比大粒子更容易沉積在肺部,因此被認(rèn)為更容易引起肺癌?？偠灾?統(tǒng)計(jì)結(jié)果有力地證明了在高污染大城市中,如華南的廣州,灰霾天氣增加和肺癌造成的死亡率之間的關(guān)系(圖5)。4符合氣調(diào)與微生物指標(biāo)aqg和國際社會(huì)除中國外,美國、日本等國家、地區(qū),WHO等國際組織已制定了PM2.5標(biāo)準(zhǔn),見表2和表3。從日均值標(biāo)準(zhǔn)來看,WHO提出了4個(gè)實(shí)施階段的不同標(biāo)準(zhǔn)限值,中國空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中PM2.5標(biāo)準(zhǔn)最寬松,澳大利亞和新西蘭的標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格。中國采用的第一過渡階段推薦值75μg/m3,相對(duì)于空氣質(zhì)量準(zhǔn)則(AQG)25μg/m3,短期健康風(fēng)險(xiǎn)是,超過AQG值的短期暴露,會(huì)增加5%的死亡率。從年均值標(biāo)準(zhǔn)來看,WHO也是分為4個(gè)階段實(shí)施的,印度的標(biāo)準(zhǔn)最寬松,澳大利亞的標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格。中國采用的第一過渡階段推薦值35μg/m3,相對(duì)于空氣質(zhì)量準(zhǔn)則(AQG)10μg/m3,長期健康風(fēng)險(xiǎn)是,超過AQG值的長期暴露,會(huì)增加總死亡率、心肺疾病和肺癌的死亡率,在這些水平的長期暴露會(huì)增加大約15%的死亡風(fēng)險(xiǎn)。目前國際上的發(fā)達(dá)國家并沒有達(dá)到WHO的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值,歐盟PM2.5年均值大約是12μg/m3,美國是13μg/m3,日本是20μg/m3。中國的主要城市群PM2.5年均值大致是:珠三角42μg/m3,長三角49μg/m3,北京70μg/m3,沈陽82μg/m3,均達(dá)不到GB3095—2012年均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(圖6)。5算法的有效性美國使領(lǐng)館用短歷時(shí)監(jiān)測結(jié)果(小時(shí)均值)與長歷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)(日均值)相比較在科學(xué)上是錯(cuò)誤的,而且在中國需要使用中國的標(biāo)準(zhǔn)限值,不能使用美國的新標(biāo)準(zhǔn)限值,況且美國有些州還在使用舊標(biāo)準(zhǔn)。使用滑動(dòng)平均算法由于各個(gè)時(shí)次權(quán)重不同因而也不能與長歷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)比較。這樣做在科學(xué)上也存在不妥。應(yīng)該使用過去24h的算數(shù)平均監(jiān)測值與日均值標(biāo)準(zhǔn)比較。主要的3種測量PM2.5的儀器(微石英震蕩天平、β射線、光散射)之間的誤差是可以接受的,也是可以比較的。當(dāng)然,在中國使用的微石英震蕩天平監(jiān)測儀(如RP系列)需要加裝補(bǔ)償氣溶膠中硝酸鹽等粒子揮發(fā)的膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)(FDMS)。FDMS是用于校正振蕩天平法監(jiān)測儀因半揮發(fā)性顆粒物的質(zhì)量損失引起的測量結(jié)果偏差而研發(fā)的系統(tǒng)。中國的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制修訂是由當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和技術(shù)條件決定的,GB3095—2012的PM2.5限值對(duì)于中國空氣污染現(xiàn)狀是合適的。6灰病調(diào)控的對(duì)策實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn),監(jiān)控PM2.5,首先得積極推動(dòng)綠色GDP考核機(jī)制,將環(huán)境質(zhì)量改善等相關(guān)指標(biāo)納入地方政府官員的政績考核目標(biāo),從法律和政策上提供有效保障。PM2.5是光化學(xué)煙霧的重要產(chǎn)物,其來源主要包括3種二次氣溶膠:硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)碳;和1種一次氣溶膠:黑碳。也包括一部分一次排放的顆粒物。核心問題是需要對(duì)顆粒物來源進(jìn)行解析,搞清楚一次排放與二次污染的關(guān)系,化學(xué)轉(zhuǎn)化和光化學(xué)轉(zhuǎn)化的關(guān)系,光化學(xué)煙霧前體物、標(biāo)識(shí)物和產(chǎn)物的關(guān)系。圖7給出了氣溶膠的譜分布特征,由圖可知,粉塵污染的峰值主要在7~13μm,稱粗粒子模態(tài),這個(gè)峰有自然來源,工業(yè)化以后主要來自燃煤、建材、冶金等行業(yè)的排放,中國經(jīng)過20余年的消煙除塵治理,成果顯著,這個(gè)峰已經(jīng)不明顯。而0.1~1μm的兩個(gè)峰值,主要與光化學(xué)過程和云中非均相反應(yīng)過程密切相關(guān),是目前主要的顆粒態(tài)污染物,治理難度非常大。控制二次氣溶膠需要從控制前體物入手,二次氣溶膠的前體物主要是氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物、一氧化碳、二氧化硫、氨等,因而需要搞清楚這些前體物的產(chǎn)污環(huán)節(jié),制定對(duì)癥下藥的治理措施,控制前體物才能有效控制PM2.5。重點(diǎn)行業(yè)是煤電、鋼鐵、工業(yè)爐窯、石化、交通等。具體來說,灰霾天氣的調(diào)控,需要根據(jù)目前認(rèn)知的灰霾形成機(jī)制,對(duì)形成細(xì)粒子(PM0.5)污染的光化學(xué)過程前體物進(jìn)行調(diào)控,細(xì)粒子多數(shù)不是直接排放的,而是氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化的,應(yīng)該以控制前體物為主,主要是氮氧化物與揮發(fā)性有機(jī)物,實(shí)際上這是國際共識(shí),即交通源占首位,其中包括稠密路網(wǎng)、航空港和航道,然后是溶劑的管理控制,以及提高油品質(zhì)量與儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的管理,飲食業(yè)油煙的治理也比較重要。而工業(yè)排放粗粒子、建筑塵與二次揚(yáng)塵影響傳統(tǒng)概念上的空氣質(zhì)量,但對(duì)能見度惡化貢獻(xiàn)不大,因而對(duì)灰霾天氣的調(diào)控對(duì)策意義不大。細(xì)粒子前體物主要來自三部分:交通源、工業(yè)等高溫燃燒、揮發(fā)性有機(jī)物。交通源又主要包括油品質(zhì)量、汽車尾氣、加油站揮發(fā)與交通順暢。地面揚(yáng)塵、建筑揚(yáng)塵都是粗粒子,不是細(xì)粒子,治理措施中不宜放在主要位置。對(duì)于工業(yè)等高溫燃燒,產(chǎn)生氮氧化物的治理,安排低氮燃燒和末端脫硝都是有效的。對(duì)于交通源的控制主要包括三部分內(nèi)容:首先是提升油品質(zhì)量———在煉油過程中去除硫化氫、二硫化碳和硫化羰等硫化物,使得油品含硫量下降,減少二氧化硫排放;再有就是汽車尾氣的控制,主要通過提高機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于加油站,控制儲(chǔ)罐的大小呼吸導(dǎo)致的油品揮發(fā)也非常重要。另外交通順暢是重要的減排措施,中國大城市目前路面嚴(yán)重?fù)矶?一腳剎車一腳油的怠速行駛方式導(dǎo)致高排放,需要通過優(yōu)化路網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)車速正常的低排放行駛方式;揮發(fā)性有機(jī)物是細(xì)粒子的重要前體物,控制裝修、噴涂、印刷、化妝品、家具、制鞋等行業(yè)的溶劑使用十分必要。對(duì)于京津冀、長三角、珠三角這樣的大型城市群,灰霾天氣(細(xì)粒子氣溶膠污染)的區(qū)域性特征非常明顯,區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控是最重要的減排措施?；姻蔡鞖獾谋举|(zhì)是細(xì)粒子氣溶膠污染,過去從不同角度研究氣溶膠與能見度關(guān)系的分析,使用資料的時(shí)間周期都比較短。筆者分析了兩年的完整資料,從圖8發(fā)現(xiàn),無論濕度高低,PM1與能見度的相關(guān)關(guān)系都比較好,但是呈現(xiàn)高度非線性關(guān)系:細(xì)粒子濃度超過20μg/m3時(shí)能見度已經(jīng)惡化到略高于10km,細(xì)粒子濃度超過80μg/m3時(shí)能見度可惡化到7~9km,細(xì)粒子濃度超過120μg/m3時(shí)能見度惡化不明顯。反過來談對(duì)灰霾的治理,細(xì)粒子濃度從120μg/m3治理到80μg/m3時(shí),看不到能見度明顯好轉(zhuǎn),但已經(jīng)削減了細(xì)粒子質(zhì)量濃度的1/3;細(xì)粒子濃度從80μg/m3治理到40μg/m3時(shí),能見度僅僅好轉(zhuǎn)了3~5km,這就說明治理細(xì)粒子污染是一個(gè)漫長的過程,西方發(fā)達(dá)國家治理耗時(shí)50年以上,現(xiàn)在治理得比較好,中國治理細(xì)粒子污染,至少需要20~30年。如果從WHO的4個(gè)階段標(biāo)準(zhǔn)推薦值來看,最終達(dá)到空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值,也需要修訂標(biāo)準(zhǔn)3~4次,耗時(shí)20~30年。隨著濕度的增加,PM1濃度增加后能見度惡化更為顯著,當(dāng)濕度大于90%時(shí),能見度的惡化主要是氣溶膠吸濕增長增加了消光,而濃度的變化對(duì)能見度的影響變得不明顯了(圖8)。有必要在環(huán)評(píng)工作中盡快開展PM2.5評(píng)價(jià),如何評(píng)價(jià)PM2.5,如何評(píng)價(jià)其前體物如二氧化