摘要：选取2020年定西市空气质量自动监测站点数据，通过聚类分析和相关性分析，探究定西市环境空气污染物PM10的时空分布及主要影响因素。结果表明，定西市环境空气污染物浓度总体呈现供暖季高，非供暖季低的特点。PM10与PM2.5、CO、SO2相关性较显著，定西市大气环境具有典型散煤燃放污染特征。

关键词：环境空气质量；可吸入颗粒物；变化趋势；相关性

近年来，随着我国经济社会的快速发展，西部欠发达地区城市化进程也在持续加速，能源消耗日益增多。能源消耗特别是化石能源的消耗，会向大气中排放大量的温室气体和污染物，导致了环境空气的恶化[1][2]。定西市作为经济欠发达地区，在面临经济发展的同时又要减少大气污染物排放量，改善环境空气质量。在这样的前提下，探究主要大气污染物的影响因素，摸清我市大气污染物排放现状，能够为定西市采取合理的环境治理措施，精准施策、分时分区治理大气污染提供技术指导；为今后深入打好污染防治攻坚战和制定、实施大气污染防治规划提供重要的技术支撑。

2020年，定西市环境空气中PM10浓度均值为30 μg/m3，达到年二级标准；可吸入颗粒物PM10浓度均值为65 μg/m3；二氧化硫浓度均值为13 μg/m3，达到年一级标准；二氧化氮浓度均值为19 μg/m3，达到年一级标准；一氧化碳浓度均值为1.3 μg/m3，达到日一级标准；臭氧浓度均值为122 μg/m3，达到日二级标准。全市优良天气比率为95.7%，环境空气质量综合指数为3.5。

1 区域概况

定西市位于甘肃省中部，位于东经103°52'－105°13'，北纬34°26'－35°35'。总面积19609.24平方千米，南北长210千米，东西宽179千米。降水分布南多北少，年平均降水量452.9毫米，年内分布不均匀。气候温凉，温度分布差异大，年平均气温为7℃。

2 数据来源与评价方法

2022年定西市共设国控自动监测站点2个，均位于定西市安定区；省控自动监测站点8个，安定区站点2个，陇西县、临洮县、通渭县、漳县、岷县、渭源县各1个。开展的环境空气监测项目有二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）、一氧化碳（CO）和臭氧（O3）6项。

环境空气质量评价标准为《环境空气质量标准》（GB 3095—2012），选取 “日平均值”、“年平均值”进行评价。环境空气质量评价依据《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ 663—2013）、《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）。

3 可吸入颗粒物浓度日变化情况

根据收集和统计的2020年定西市10个环境空气自动监测站点PM10日平均浓度数据绘制日均值曲线。曲线整体呈锯齿形，波动较大，全年日均浓度在8μg/m3-247μg/m3之间浮动。2020年可吸入颗粒物年均浓度为57μg/m3，大致以7天为一个大周期，3天为一个小周期波动。大周期之中周三、周六出现浓度高值。这与污染物集中排放的周期有关，周六是当地生产生活等一个集中排放周期的末尾，周三是周内人流量车流量的高峰，车流量大排放的颗粒物增多，并且加之马路扬尘增多，导致PM10浓度升高明显。

2020年定西市PM10日均浓度变化曲线呈现年初年末供暖期污染物浓度高夏秋季污染物浓度低的趋势。供暖期尤其是冬至前后天气最为寒冷，供热锅炉、散用煤炉等取暖设备污染物排放集中在12月和1月。1月份每日PM10浓度在全年中处于高位，当月日均值平均值为87μg/m3。冬季气象条件不利于污染物扩散，降雪次数和雪量均较少，空气湿度低，风速小。不利的气象条件使得污染物不断聚积，地表温度相对气温较低导致形成逆温层，气象和排放因素使得供暖季尤其是12月和1月PM10浓度全年最高。进入春夏季后气温持续上升，太阳辐射显著增强，地表散热和蒸发导致大气纵向对流加剧，空气流动性增强有利于污染物的扩散。全年相对较为频繁的降水也有利于对空气中污染物的清除，浓度曲线在5至10月这段时期浓度处于低值区域。8月份出现了全年可吸入颗粒物浓度最低日均值28μg/m3。之后又可吸入颗粒物浓度开始持续增长，增速也相对变快，直至供暖季持续波动在较高梯度。11月至次年2月是采暖高峰期，当地的燃煤尤其是散煤排放量大大增加。冬季云层较厚，地面温度低，空气温度相对较高，不利于空气流通。在没有外部寒流输入的情况下，大气结构长期维持在相对稳定状态，积累的污染物难以扩散稀释，导致了空气的污染程度的加剧。定西市全年主导风向为东南风，多在夏秋季，冬春季多西北风。另外，冬季天气较冷，汽车等污染源内气体的温度和压力较低，导致燃料燃烧不完全，使得可吸入颗粒物的排放进一步增多。

按照《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）评价，2020年定西市有1天可吸入颗物日均浓度高于二级标准值，超标率0.3%。全年PM10日均浓度最大值为247μg/m3，出现在2月20日；PM10日均浓度最小值为8 μg/m3，出现在7月11日、7月14日。对定西市PM10浓度日均值按照10μg/m3的间隔进行统计，30-40μg/m3浓度值范围内出现的天数频率最高，为15.9%。40-50μg/m3范围为其次，频率为14.2%。

为描述PM10日均浓度值的波动幅度，计算标准差和均值的比值即标准差系数。根据2020年定西市PM10日均浓度数据，计算得出日均值标准差和日均浓度平均值，定西市2020年PM10的方差系数为0.53，可以看到PM10日均值存在较大幅度的波动。

4 PM10空间分布

利用系统聚类方法，对定西市辖区内10个空气质量自动监测站点的PM10日均浓度数据进行计算分析，根据各站点可吸入颗粒物浓度聚类，可以将各站点聚类为五类，聚类图的分类情况和各监测站点所在区域经济发展情况呈现较大相关性。第一类：临洮中学、陇西一中为经济较发达地区的监测站点，人口和工业企业分布较多，全年PM10污染都是全市最严重的；第二类：渭源县民政局、漳县档案局、岷县政府招待所监测站点，由于其位于本市经济欠发达，以农业、畜牧业为主要产业的地区，PM10浓度受人类生产活动影响较小，故单独分为一类；第三类：市供电公司、市东关小学、市人民医院、市委党校监测站点均处于安定区，监测站点分布较为集中，与通渭县环保局站点相距较为接近，具有典型供暖季高污染特征，冬季受东北风影响最大，故单独分为一类。聚类分析的三大分类与辖区内各区域的经济类型和社会发展状况相符。

5 PM10和其他污染物相关性研究

5.1 PM10和PM2.5相关性

为进一步量化PM10浓度变化和其余5个环境空气污染物监测指标的相关性，利用SPSS 26.0对所搜集的污染物数据进行相关分析。用Pearson相关系数来表征两种污染物浓度之间的相关关系。相关系数的绝对值越接近于1，两种污染物之间相关性越强，相关系数越接近于0，则两种污染物的相关性越弱。

受到污染源排放和气象因素的影响，PM10可以通过扩散分解，发生化学反应等方式转变为PM2.5。空气中的小颗粒物也可以通过凝聚，反应聚合转变成较大颗粒的PM10。两者之间有一定的相互转化效应，故有着较高的相关性。通过绘制可吸入颗粒物和细颗粒物浓度日均值曲线图，两条曲线整体呈现U型，PM10和PM2.5浓度的长期和短期波动高度一致。PM10和PM2.5的相关系数为0.758，两种污染物浓度的日均值相关性较为显著。

2020年定西市全年PM2.5与PM10的日均浓度比值最大值为0.19，最小值为0.88，比值平均值为0.46。冬季二者比值较高，普遍在0.5以上。其他季节二者比值普遍在0.5以下。

5.2 PM10和CO相关性

CO主要是通过呼吸系统进入人体血液内，会造成人体组织缺氧，直至威胁生命。是一种对人体危害极大的大气污染物。环境空气中CO的主要来源是化石燃料的不完全燃烧。冬季供暖期散煤的燃烧会显著增加空气中CO含量。近年来，随着家用汽车保有量的不断增加，汽车尾气中排放的CO对空气中CO污染的贡献比例越来越大。2020年定西市CO和PM10日均浓度变化趋势基本一致。PM10与CO的Pearson相关系数为0.502，相关性较强。人类生产生活造成的CO的排放与PM10浓度的增加有一定的同源性，两者呈现显著的正相关关系。

5.3 PM10和NO2相关性

煤炭等化石燃料燃烧、汽车尾气排放和工业生产排放是环境空气中NO2的主要来源。NO2会形成酸雨，降低大气能见度，使地表水富营养化等，是一种主要的环境空气污染物。2020年定西市PM10和NO2日均浓度曲线的变化趋势较为一致。利用SPSS软件拟合，计算出PM10与NO2的Pearson相关系数为0.337，相关性较强。NO2的排放源与PM10具有一定的同源性，还会与其他污染物发生化学反应转化为PM10，是具有代表性的一次污染物，因此与PM10的浓度具有一定的正相关性。

5.4 PM10和SO2相关性

工业生产的排放及含硫燃料的燃烧是环境空气中SO2的主要来源。空气中较高的SO2会在降水时发生化学反应，使雨水呈酸性，形成酸雨。空气污染的直接效应较为显著。由于污染排放来源基本一致，PM10和SO2具有较强的相关性。SO2浓度每日呈单峰状，在上午10点至中午12点间浓度值最大。

2020年定西市PM10和SO2浓度春季PM10浓度波动比SO2剧烈，这与输入性沙尘影响有关。利用SPSS软件拟合，两者显示出较强的正相关性，相关系数为0.576。SO2作为PM10的前体物之一，也会与空气中的氨等其他污染物进一步反应，生成PM10，所以与PM10相关性比较显著。

5.5 PM10和O3相关性

O3能够隔离太阳光中的紫外线，保护生物免受过量紫外线照射。O3主要来源是工业生产和办公设备的排放，挥发性有机物、氮氧化物的大气光化学反应。2020年定西市PM10和O3浓度日均值曲线呈现一定的轴对称。PM10与O3的相关系数为-0.219，呈现一定的负相关关系。全年中，夏季O3浓度较高，冬季O3浓度较低，整体呈负相关性。由于受到气温、阳光辐射、污染物排放等因素的影响，当冬至附近气温较低时，往往太阳光辐射也较弱，空气中的污染物之间的光化学反应的程度低，不利于O3产生。夏季阳光辐射作用强，空气湿度低，有利于大气光化学反应发生，有利于O3的产生。所以PM10和O3浓度之间负相关性比较明显。

6 结语

通过对PM10与其他主要空气污染物的相关性分析，PM10与PM2.5相关性最强，相关系数为0.758。PM2.5日均浓度与PM10日均浓度比值平均值为0.46，冬季比值较高，其他季节比值较低。PM10与CO、SO2相关性较强，相关系数为0.502、0.576，PM10和NO2具有中等强度相关性，相关系数分别为0.337；PM10浓度变化与O3呈负相关关系，相关系数-0.219。CO、SO2为PM10的主要影响因素，且供暖期PM10、CO、SO2污染特征明显，具有典型煤烟污染特征。

参考文献

[1]丁宁.2015～2020年济南市城区大气污染特征分析[J].广东化工，2023，50（14）：154-157.

[2]王明莹. 上海市大气PM_（2.5）的时空分布特征及其相关影响因素分析[D].上海交通大学，2017.

【基金项目】定西市科技计划项目（DX2022BZ01）

【作者简介】韩子超，男，甘肃定西人，大学本科，工程师，主要从事环境监测工作。

【工作单位】甘肃省定西生态环境监测中心