灰霾天氣環(huán)境管理與環(huán)境評價的思考

2012年2月29日，《環(huán)境相對濕度標準》（gb3095-2012，以下簡稱“新標準”）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的標準限制外，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目。實施新標準后,環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境管理和環(huán)境評價都需要相應地調整工作思路,以期建立正確的減排方法。119灰病時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”。隨著人類活動的影響,特別是近年來隨著工業(yè)化和城市化進程的加速,直接排放的氣溶膠和氣態(tài)污染物通過化學轉化與光化學轉化形成的細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?；姻驳某霈F(xiàn)有重要的空氣質量指示意義。通過分析1951—2005年中國大陸743個地面氣象站資料(圖1),對霾的長期變化趨勢形成如下認識: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80年代以后全國霾日明顯增加;到21世紀,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)濟活動密切相關。霾日排在前10位的依次是遼寧沈陽,河北邢臺,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,四川內江,主要集中在遼寧中部、四川盆地、華北平原和關中平原地區(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)濟和工業(yè)比較發(fā)達的地區(qū)。呈霾日減少趨勢的站點主要分布在東北、內蒙古和西北地區(qū)東部。這些地方的經(jīng)濟和工業(yè)水平相對滯后,東北地區(qū)作為老工業(yè)基地,隨著近年來工業(yè)結構的調整和環(huán)境治理的改善使得當?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,但主要與大氣粒子的散射能力關系最密切,簡單地將細粒子按照瑞利散射來處理,如果入射光波長確定,忽略化學成分和氣體的作用,影響散射光強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,2.5μm的粒子有2500個,1μm的粒子有17000個,0.25μm的粒子有9×106個,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粒子關系比較大,尤其是出現(xiàn)較重氣溶膠污染導致低能見度事件出現(xiàn)時,細粒子的比重會更大。從圖4可以發(fā)現(xiàn),0.25~1.0μm的粒子對能見度惡化的貢獻是69%,黑碳粒子是21%,兩者相加已達90%,而2.5~10μm粒子的貢獻只有9%,這就是為什么公眾肉眼感到空氣污染嚴重,而監(jiān)測的PM10質量濃度卻達標的原因。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的質量濃度(表1),近半PM10年均值超過國家二級標準的年均值濃度限值(70μg/m3),而PM2.5年均值全部超過國家二級標準的年均值限值(35μg/m3),PM10中PM2.5的占比非常高,可達51%~79%,遠大于20余年前的觀測比值,可以看到導致能見度惡化時細粒子的比重比較大,廣州地區(qū)灰霾的細粒子污染特征明顯,表1表明廣州地區(qū)細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,主要是細粒子的污染。細粒子一般與氣粒轉化相關聯(lián),相對于SO2氣體通過化學氧化形成硫酸鹽粒子的慢過程,氣粒轉化的快速過程主要是機動車尾氣排放的光化學反應前體物通過紫外線驅動光化學氧化過程,最終形成了有機硝酸細粒子,這正是能見度迅速惡化的原因。3科學使用粒子灰霾發(fā)生時,空氣中含有大量極細微的粒子,可通過呼吸道進入人體肺泡,對呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生影響,導致呼吸道疾病和心肺疾病。統(tǒng)計結果表明,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,例如從柴油發(fā)動機釋放的粒子含有誘導有機體突變和致癌的物質。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)境中可能導致嚴重的人類健康問題。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消光系數(shù)與肺癌死亡率的關系,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性。最近的現(xiàn)場測量顯示,3/4的光學厚度是由直徑小于1μm的粒子引起的,細粒子比大粒子更容易沉積在肺部,因此被認為更容易引起肺癌?？偠灾?統(tǒng)計結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系(圖5)。4符合氣調與微生物指標aqg和國際社會除中國外,美國、日本等國家、地區(qū),WHO等國際組織已制定了PM2.5標準,見表2和表3。從日均值標準來看,WHO提出了4個實施階段的不同標準限值,中國空氣質量標準中PM2.5標準最寬松,澳大利亞和新西蘭的標準最嚴格。中國采用的第一過渡階段推薦值75μg/m3,相對于空氣質量準則(AQG)25μg/m3,短期健康風險是,超過AQG值的短期暴露,會增加5%的死亡率。從年均值標準來看,WHO也是分為4個階段實施的,印度的標準最寬松,澳大利亞的標準最嚴格。中國采用的第一過渡階段推薦值35μg/m3,相對于空氣質量準則(AQG)10μg/m3,長期健康風險是,超過AQG值的長期暴露,會增加總死亡率、心肺疾病和肺癌的死亡率,在這些水平的長期暴露會增加大約15%的死亡風險。目前國際上的發(fā)達國家并沒有達到WHO的空氣質量準則值,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,均達不到GB3095—2012年均值二級標準限值(圖6)。5算法的有效性美國使領館用短歷時監(jiān)測結果(小時均值)與長歷時標準(日均值)相比較在科學上是錯誤的,而且在中國需要使用中國的標準限值,不能使用美國的新標準限值,況且美國有些州還在使用舊標準。使用滑動平均算法由于各個時次權重不同因而也不能與長歷時標準比較。這樣做在科學上也存在不妥。應該使用過去24h的算數(shù)平均監(jiān)測值與日均值標準比較。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)需要加裝補償氣溶膠中硝酸鹽等粒子揮發(fā)的膜動態(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)性顆粒物的質量損失引起的測量結果偏差而研發(fā)的系統(tǒng)。中國的空氣質量標準制修訂是由當前的經(jīng)濟發(fā)展水平和技術條件決定的,GB3095—2012的PM2.5限值對于中國空氣污染現(xiàn)狀是合適的。6灰病調控的對策實施新標準,監(jiān)控PM2.5,首先得積極推動綠色GDP考核機制,將環(huán)境質量改善等相關指標納入地方政府官員的政績考核目標,從法律和政策上提供有效保障。PM2.5是光化學煙霧的重要產(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。核心問題是需要對顆粒物來源進行解析,搞清楚一次排放與二次污染的關系,化學轉化和光化學轉化的關系,光化學煙霧前體物、標識物和產(chǎn)物的關系。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,這個峰已經(jīng)不明顯。而0.1~1μm的兩個峰值,主要與光化學過程和云中非均相反應過程密切相關,是目前主要的顆粒態(tài)污染物,治理難度非常大?？刂贫螝馊苣z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),制定對癥下藥的治理措施,控制前體物才能有效控制PM2.5。重點行業(yè)是煤電、鋼鐵、工業(yè)爐窯、石化、交通等。具體來說,灰霾天氣的調控,需要根據(jù)目前認知的灰霾形成機制,對形成細粒子(PM0.5)污染的光化學過程前體物進行調控,細粒子多數(shù)不是直接排放的,而是氣態(tài)污染物轉化的,應該以控制前體物為主,主要是氮氧化物與揮發(fā)性有機物,實際上這是國際共識,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,以及提高油品質量與儲運環(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、建筑塵與二次揚塵影響傳統(tǒng)概念上的空氣質量,但對能見度惡化貢獻不大,因而對灰霾天氣的調控對策意義不大。細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)性有機物。交通源又主要包括油品質量、汽車尾氣、加油站揮發(fā)與交通順暢。地面揚塵、建筑揚塵都是粗粒子,不是細粒子,治理措施中不宜放在主要位置。對于工業(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。對于交通源的控制主要包括三部分內容:首先是提升油品質量———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,主要通過提高機動車排放標準來實現(xiàn)。對于加油站,控制儲罐的大小呼吸導致的油品揮發(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重擁堵,一腳剎車一腳油的怠速行駛方式導致高排放,需要通過優(yōu)化路網(wǎng)來實現(xiàn)車速正常的低排放行駛方式;揮發(fā)性有機物是細粒子的重要前體物,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。對于京津冀、長三角、珠三角這樣的大型城市群,灰霾天氣(細粒子氣溶膠污染)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。灰霾天氣的本質是細粒子氣溶膠污染,過去從不同角度研究氣溶膠與能見度關系的分析,使用資料的時間周期都比較短。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與能見度的相關關系都比較好,但是呈現(xiàn)高度非線性關系:細粒子濃度超過20μg/m3時能見度已經(jīng)惡化到略高于10km,細粒子濃度超過80μg/m3時能見度可惡化到7~9km,細粒子濃度超過120μg/m3時能見度惡化不明顯。反過來談對灰霾的治理,細粒子濃度從120μg/m3治理到80μg/m3時,看不到能見度明顯好轉,但已經(jīng)削減了細粒子質量濃度的1/3;細粒子濃度從80μg/m3治理到40μg/m3時,能見度僅僅好轉了3~5km,這就說明治理細粒子污染是一個漫長的過程,西方發(fā)達國家治理耗時50年以上,現(xiàn)在治理得比較好,中國治理細粒子污染,至少需要20~30年。如果從WHO的4個階段標準推薦值來看,最終達到空氣質量準則值,也需要修訂標準3~4次,耗時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,當濕度大于90%時,能見度的惡化主要是氣溶膠吸濕增長增加了消光,而濃度的變化對能見度的影響變得不明顯了(圖8)。有必要在環(huán)評工作中盡快開展PM2.5評價,如何評價PM2.5,如何評價其前體物如二氧化