孔凡彬,成 丹,張 強(qiáng)
甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站,甘肅 蘭州 730020
大氣降塵是指在空氣環(huán)境條件下,靠重力自然沉降的顆粒物[1],其來源可以分為自然來源和人為來源。由于大氣降塵具有易沉降等特性,其攜帶的污染物易造成近源污染;在風(fēng)力較強(qiáng)的時候,大氣沉降也能遷移較遠(yuǎn)的距離而造成遠(yuǎn)源污染。大氣降塵中的不同成分不但會對陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響(如遮蓋植物葉面影響光合作用和呼吸作用,改變土壤酸堿度[2]),也會對海域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響(如一些海區(qū)的實例研究表明,赤潮的暴發(fā)可能與粉塵輸送大量的Fe2+有關(guān)[3])。
2018年10月,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了“2+26”城市降塵監(jiān)測結(jié)果,這是降塵監(jiān)測信息首次全面公開。2019年生態(tài)環(huán)境部開始實施重點區(qū)域降塵考核,在《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中對總懸浮顆粒物也有具體的限值要求。其實國外對粉塵的科學(xué)觀測至少已經(jīng)歷了200年[4],中國降塵現(xiàn)象的記載可追溯至公元前1150年[5],在歷史文獻(xiàn)中被記為“雨黃土” “黃霧”等[6]。甘肅省降塵監(jiān)測工作的開展遠(yuǎn)早于PM2.5和PM10等污染物的監(jiān)測。目前全省14個市(州)共設(shè)置58個監(jiān)測點,監(jiān)測方法采用《環(huán)境空氣 降塵的測定 重量法》(GB/T 15265—1994)。降塵與工地、道路、堆場等塵源的對應(yīng)關(guān)系非常明確,可以直接反映城市揚塵管理水平;同時甘肅省作為一個易受沙塵侵害的省份,開展環(huán)境空氣中降塵的研究對于大氣環(huán)境質(zhì)量評價、城市污染狀況評價、城市精細(xì)化管理水平的提升有著極其重要的意義。筆者研究“十三五”期間甘肅省降塵時空變化狀況,初步分析甘肅省降塵變化趨勢,以期為進(jìn)一步做好“十四五”時期甘肅省生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供參考。
根據(jù)甘肅省的地理位置、地形、地貌、水分、熱量狀況,將甘肅省分為6個氣候區(qū):河西干旱區(qū)(包括甘肅省黃土高原以西祁連山以北地區(qū)),降水稀少、降水變率大;中部半干旱區(qū)(包括蘭州、白銀、定西、臨夏等地大部和隴東慶陽地區(qū)北部),年降水量為250~500 mm;隴東南半濕潤區(qū)(包括天水、平?jīng)龅貐^(qū)大部和慶陽地區(qū)南部以及隴南地區(qū)西部),年降水量為450~600 mm;隴南西秦嶺濕潤區(qū)(隴南地區(qū)東半部),年降水量為700~800 mm;祁連山地半干旱寒冷區(qū)(包括河西三地區(qū)的南半部),降水量呈現(xiàn)出祁連山東部多、西部少的特征;甘南高原濕潤寒冷區(qū)(包括甘南、臨夏西南部和定西岷縣),年降水量為500~750 mm[7]。
目前甘肅省降塵監(jiān)測點位均位于14個市(州)的主城區(qū)。降塵與月降水量、相對濕度、溫度、風(fēng)速等氣候條件有關(guān),根據(jù)降塵監(jiān)測點位實際設(shè)置情況,結(jié)合甘肅省氣候區(qū)劃,大致可將甘肅省降塵劃分為5個區(qū)域。Ⅰ區(qū)為河西走廊的河西干旱區(qū),包括武威、金昌、張掖、酒泉和嘉峪關(guān)5個市;Ⅱ區(qū)為中部半干旱區(qū),包括蘭州、白銀、定西3個市;Ⅲ區(qū)為隴東南半濕潤區(qū),包括天水、平?jīng)?、慶陽3個市;Ⅳ區(qū)為隴南西秦嶺濕潤區(qū),主要為隴南市;Ⅴ區(qū)為甘南高原濕潤寒冷區(qū),包括甘南、臨夏2個州[8]。甘肅省降塵區(qū)域劃分見圖1。降塵監(jiān)測區(qū)域面積情況見表1。
注:底圖源自自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)的1∶6 000 000中國 分省地圖-甘肅省。審圖號為GS(2019)3333號。下載日期為2021年8月2日。圖1 甘肅省降塵區(qū)域劃分Fig.1 Division of dustfall areas in Gansu Province
表1 甘肅省降塵監(jiān)測區(qū)域面積Table 1 Acreage of dustfall monitoring areas in Gansu Province km2
按前述區(qū)域劃分,“十三五”期間河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))降塵月均值為9.34~13.82 t/(km2·月),年均值為142.44 t/(km2·a);中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))降塵月均值為13.54~17.02 t/(km2·月),年均值為180.00 t/(km2·a);隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))降塵月均值為8.53~13.12 t/(km2·月),年均值為133.80 t/(km2·a);隴南西秦嶺濕潤區(qū)(Ⅳ區(qū))降塵月均值為7.70~8.81 t/(km2·月),年均值為98.64 t/(km2·a);甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))降塵月均值為4.60~6.58 t/(km2·月),年均值為69.36 t/(km2·a)。“十三五”期間甘肅省降塵統(tǒng)計情況見表2。
表2 “十三五”期間甘肅省降塵統(tǒng)計情況Table 2 Statistics of dustfall in Gansu Province during the 13th Five-Year Plan period
數(shù)據(jù)顯示,中部半干旱區(qū)降塵年均值最高,河西干旱區(qū)次之,甘南高原濕潤寒冷區(qū)最低。這一結(jié)論與甘肅省所處地理位置、地形地貌、氣候區(qū)劃情況符合。甘肅省地理坐標(biāo)為32°36′~42°48′N,92°20′~108°43′E,地勢自西南向東北傾斜。河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))位于河西走廊,地近騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠,是蒙古高原中西部或內(nèi)蒙古西部阿拉善高原的西北沙塵通道[9],該區(qū)氣候干旱,降水稀少且分布極不均勻,平均年降水量只有150 mm左右,因此該區(qū)受沙塵天氣影響嚴(yán)重,該地區(qū)常年平均風(fēng)速全省最高,為2~5 m/s,其降塵年均值在5個區(qū)中排名第二。中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))位于隴中黃土高原地區(qū),黃土厚度為100~200 m,其中蘭州的九州臺是中國黃土高原上黃土堆積最厚的地方,黃土堆積厚度達(dá)318.2 m[10],這與該區(qū)降塵年均值最高正好相吻合。隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))位于隴東黃土高原地區(qū),其中慶陽位于甘肅省東部,“十三五”期間其降水量年均值為1 330 mm左右,僅低于平?jīng)?1 462 mm左右),但由于慶陽受到蒙古國南部和內(nèi)蒙古中西部偏西沙塵天氣的影響更為嚴(yán)重,在14個市(州)中,慶陽降塵年均值最大。2018年慶陽降塵年均值達(dá)最大值,該情況與慶陽PM10數(shù)據(jù)情況相吻合(“十三五”期間慶陽PM10濃度分別為59、64、76、66、60 μg/m3)。通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出,不同地區(qū)降塵不僅受沙塵天氣影響,還與該地區(qū)氣候條件有關(guān),主要影響因素有風(fēng)速、降水量等;同時還與該地區(qū)的地形地貌有關(guān),如蘭州市區(qū)南北群山對峙,為典型盆地地區(qū),常年平均風(fēng)速為0.85 m/s,“十三五”期間年均降水量為914 mm左右,排在14個市(州)的第五位,這些條件導(dǎo)致其成為中國黃土高原上黃土堆積最厚的地方。
2.2.1 降塵月度變化情況
甘肅省2016年降塵月均值范圍為10.33~17.29 t/(km2·月),2017年降塵月均值范圍為9.10~15.01 t/(km2·月),2018年降塵月均值范圍為8.68~17.04 t/(km2·月),2019年降塵月均值范圍為7.76~13.59 t/(km2·月),2020年降塵月均值范圍為8.41~13.60 t/(km2·月)。甘肅省降塵月變化情況見圖2。從圖中可以看出,“十三五”期間甘肅省降塵月均值在7、8、9月較小,在1、3、5月較大,季節(jié)性特征明顯。每年降塵在春季達(dá)到最大值,在夏季和秋季達(dá)到最小值。這與全省遭遇沙塵天氣影響情況相吻合,每年春季正是沙塵天氣暴發(fā)的高峰期[11],而夏末秋初正是沙塵天氣的低谷期。由此可知沙塵天氣是影響甘肅省降塵峰值變化的主要原因。
圖2 “十三五”期間甘肅省降塵月變化情況Fig.2 Monthly changes of dustfall in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period
2.2.2 降塵年度變化情況
“十三五”期間,甘肅省降塵年均值范圍為119.71~161.19 t/(km2·a),最小值出現(xiàn)在2019年,最大值出現(xiàn)在2016年,2020年降塵年均值比2016年下降了24.30%。
2020年各市(州)降塵較2016年降塵第一四分位數(shù)、中位數(shù)、第三四分位數(shù)都有下降趨勢,2018年降塵出現(xiàn)離散點,慶陽市出現(xiàn)2016—2020年間最大降塵現(xiàn)象,主要是該地受沙塵天氣影響較大。“十三五”期間甘肅省市(州)降塵箱式圖見圖3。
圖3 “十三五”期間甘肅省各市(州)降塵箱式圖Fig.3 Box plot of dustfall in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period
按降塵區(qū)域劃分統(tǒng)計,“十三五”期間中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))降塵年均值最大,河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))降塵年均值次之,甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))降塵年均值最小。2020年和2016年比較,降塵年均值河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))下降了26.48%,中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))下降了19.80%,隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))下降了34.98%,隴南西秦嶺濕潤區(qū)(Ⅳ區(qū))下降了2.16%,甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))下降了17.20%。降塵下降幅度最大的區(qū)域為隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū)),下降幅度最小的區(qū)域為隴南西秦嶺濕潤區(qū)(Ⅳ區(qū))?!笆濉逼陂g甘肅省降塵區(qū)域情況統(tǒng)計見表3,降塵區(qū)域變化情況見圖4。
表3 “十三五”期間甘肅省降塵區(qū)域情況統(tǒng)計Table 3 Statistics of dustfall areas in Gansu Province during the 13th Five-Year Plan period t/(km2·a)
圖4 “十三五”期間甘肅省降塵區(qū)域變化情況Fig.4 Changes of dustfall areas in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period
植被覆蓋指數(shù)可評價區(qū)域植被覆蓋的程度,用評價區(qū)域單位面積歸一化植被指數(shù)(NDVI)表示。筆者采用MOD13的NDVI數(shù)據(jù)。
2020年和2016年比較,植被覆蓋指數(shù)河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))下降了10.41%,中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))上升了18.69%,隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))上升了5.32%,隴南西秦嶺濕潤區(qū)(Ⅳ區(qū))上升了1.41%,甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))下降了7.72%,全省植被覆蓋指數(shù)上升了2.03%。降塵區(qū)域植被覆蓋指數(shù)變化情況見表4。值得注意的是,河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))和甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))在“十三五”期間的植被覆蓋指數(shù)呈波動下降,降塵年均值也下降。一種可能是自然源沙塵強(qiáng)度減小引起降塵年均值下降,另一種可能是“十三五”時期隨著城市環(huán)境保護(hù)精細(xì)化管理水平不斷提高,人為來源減小引起降塵年均值下降。慶陽位于隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū)),該區(qū)“十三五”期間降塵下降了34.98%,慶陽降塵僅下降了0.09%,同區(qū)的天水和平?jīng)鼋祲m分別下降了48.71%和28.43%,而慶陽的植被覆蓋指數(shù)卻是3個市中增幅最大的(天水上升了5.32%,平?jīng)錾仙?.65%,慶陽上升了5.95%)。根據(jù)慶陽所處地理位置可以看出,慶陽受沙塵天氣影響更為嚴(yán)重,導(dǎo)致其降塵下降幅度最小。
表4 “十三五”期間降塵區(qū)域植被覆蓋指數(shù)變化情況統(tǒng)計Table 4 Statistics of vegetation cover index changes in dustfall areas during the 13th Five-Year Plan period
降塵人為來源中,揚塵對粗顆粒物貢獻(xiàn)較大,經(jīng)過除塵器除塵后排放到空氣中的塵對細(xì)顆粒物貢獻(xiàn)較大[12]。“十三五”時期,習(xí)近平生態(tài)文明思想成為引領(lǐng)甘肅省發(fā)展的重要理念,全省全面優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),分區(qū)分類對資源能源利用進(jìn)行管控,持續(xù)推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和煤炭資源的清潔利用,自2018年以來,全省累計完成43臺1 516.5萬kW火電機(jī)組超低排放改造,完成13 065臺57 219蒸噸燃煤鍋爐綜合整治。全省不斷建立健全大氣環(huán)境管理機(jī)制,持續(xù)推廣蘭州大氣污染防治經(jīng)驗,開展城市大氣環(huán)境綜合整治,全面推進(jìn)城市網(wǎng)格化管理模式,建立城市大氣污染防治部門聯(lián)動工作機(jī)制,對重點地區(qū)、重點區(qū)域、重點時段、重點污染源實行集中監(jiān)管。各個市(州)不斷強(qiáng)化城市揚塵污染控制,規(guī)范施工揚塵,推進(jìn)建筑工地綠色施工,強(qiáng)化堆場、料場揚塵防治,加強(qiáng)城市裸地?fù)P塵污染治理,不斷提高城市精細(xì)化管理水平。城市精細(xì)化管理水平的提高,是降低甘肅省降塵人為來源的主要因素。
降塵年均值與植被覆蓋指數(shù)呈明顯負(fù)相關(guān)性,2019年全省植被覆蓋指數(shù)達(dá)到最大值,同期全省降塵年均值達(dá)到最小值。2020年降雨量減少,導(dǎo)致全省植被覆蓋指數(shù)下降,降塵年均值相應(yīng)上升。影響降塵的自然來源中,沙塵天氣是主要影響因素,城市所處地理位置、地形、地貌、風(fēng)速、降水等氣候條件也對降塵有影響;人為來源中,降塵的變化可以體現(xiàn)一個城市的精細(xì)化管理水平。
“十三五”期間的降塵變化趨勢,除2020年同比稍有上升外,其他年份呈現(xiàn)逐年遞減的情況。降塵年均值變化見圖5?!笆濉逼陂g,5個區(qū)域降塵與植被覆蓋指數(shù)相關(guān)系數(shù)為-0.634,當(dāng)a=0.01時,P值為0.001,P值明顯小于0.01,表明降塵與植被覆蓋指數(shù)負(fù)相關(guān)性顯著?!笆濉逼陂g降塵與植被覆蓋指數(shù)相關(guān)性見表5。
圖5 “十三五”期間降塵年均值變化Fig.5 Annual changes of dustfall duringthe 13th Five-Year Plan period
表5 “十三五”期間降塵與植被覆蓋指數(shù)相關(guān)性Table 5 Correlation between dustfall and vegetationcover index during the 13th Five-Year Plan period
秩相關(guān)系數(shù)(Rs)是反映等級相關(guān)程度的統(tǒng)計分析指標(biāo)。將Rs的絕對值同Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值(Wp)進(jìn)行比較,若Rs≥Wp,則表明變化趨勢有顯著意義;若Rs 表6 “十三五”期間各降塵區(qū)域及全省Spearman秩相關(guān)系數(shù)趨勢分析Table 6 Trend of Spearman rank correlation coefficient in dustfall areas and the whole province during the 13th Five-Year Plan period 由表6可見,河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))、中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))、隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))及全省降塵有顯著下降趨勢,降塵明顯減輕;隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))植被覆蓋指數(shù)有顯著上升趨勢;其他區(qū)域降塵及植被覆蓋指數(shù)無顯著變化。 “十三五”期間,甘肅省降塵總體呈下降趨勢,植被覆蓋指數(shù)與降塵呈明顯負(fù)相關(guān)性。自然來源中沙塵天氣是影響甘肅省降塵的主要因素,同時降塵還受地理位置、地形地貌和風(fēng)速、降水量等氣候條件的影響。城市環(huán)境保護(hù)精細(xì)化管理水平的提高可減少降塵人為來源。 降塵數(shù)據(jù)是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的一項基礎(chǔ)數(shù)據(jù),但目前公眾對降塵的關(guān)注程度還不高,監(jiān)測點位設(shè)置也不足。建議今后加強(qiáng)降塵監(jiān)測,根據(jù)不同地區(qū)地理位置,結(jié)合氣候特征,科學(xué)、合理布設(shè)監(jiān)測點位,設(shè)置降塵背景監(jiān)測點,形成科學(xué)、系統(tǒng)的降塵監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),以便更加科學(xué)地分析降塵自然來源和人為來源造成的影響。同時加強(qiáng)對降塵監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和源解析研究,充分利用降塵數(shù)據(jù)為生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作及城市環(huán)境保護(hù)精細(xì)化管理水平的提升提供科學(xué)參考。4 結(jié)論與建議
4.1 結(jié)論
4.2 建議