1. 绪论

1.1. 研究背景

随着城市化的加快，空气污染和室内等公共场所等污染对人们的健康构成重大威胁，在当前社会中对污染物的检测越来越强。在此背景下，专项“大气污染控制原因与技术研究”深入开展，为我国大气污染治理做出了巨大贡献。2018年2月11日，中国21世纪议程管理中心在北京组织了2017年“大气污染控制原因与技术研究”实施方案评估指标审查和示范活动。目前，中国提出的绿色发展，本质上是发展方式的转变，是系统协调经济发展和生态环境保护的一种发展模式。同时，环境经济政策是绿色发展的一个重要内容和一种核心手段，是让人们提高保护环境意识、促进可持续发展的政策工具。由于能源和产业结构的不合理，哈尔滨的环境污染问题越来越严重，特别是空气污染状况[1]。

1.2. 研究目的及意义

1.2.1. 研究目的

随着城市化、工业化的飞速发展，城市环境受到了不同程度的污染，劣质的空气质量已经成为威胁城市居民健康生存和城市社会可持续发展的重要挑战[1]。哈尔滨市独特的地理条件，导致哈尔滨市冬季漫长，在冬季人类大量燃煤、取暖以及汽车排放尾气，加上大风天气会引起地面扬尘，使这些污染物和扬尘进入到大气，最终它们都会以颗粒物形式存在于大气。而这些颗粒物可以通过呼吸系统进入人体肺部，最终对人体产生危害。本文主要对哈尔滨市主城区大气颗粒物污染特征进行研究。大气颗粒物主要包括了PM₁₀、PM_2.5。利用传统统计分析方法对大气颗粒物的时间变化特征进行深入分析。

1.2.2. 研究意义

本研究拟通过对哈尔滨大气颗粒物污染特征的研究，找出哈尔滨市大气颗粒物的时间变化规律。本次研究可为哈尔滨市环保部门为治理环境提供有效地控制可吸入颗粒物的污染决策依据。

1.3. 研究内容及数据来源

1.3.1. 研究内容

由于哈尔滨市纬度高，冬季气温低，集中供暖期长的特点，哈尔滨市冬季大气颗粒态污染较为严重。为此本研究通过收集哈尔滨市2015~2019年冬季大气颗粒物PM_2.5和PM₁₀的浓度数据，明确其时间变化规律，利用传统统计学方法分析颗粒物在各年间及各月份间的差异，通过比值法判别大气颗粒物的来源，并对其变化特征进行可能的影响因素分析，最终提出相关建议。

1.3.2. 数据来源

2015年冬季到2019年冬季的PM_2.5、PM₁₀、AQI的浓度监测数值均来自于PM_2.5真气网空气质量在线监测平台，导入EXCEL表中进行传统统计学分析和SPSS中的方差分析、多重比较以及相关性分析。

1.4. 研究区概况

哈尔滨市在中国最寒冷的地方—东北，这座城市被松花江环绕，为哈尔滨市的发展提供了良好的条件。哈尔滨位于中国最冷的东北地区，人们都认为它是欧亚大陆大桥一颗璀璨耀眼的明珠，是连接欧亚大陆大桥和空中走廊的重要工具，哈大、滨水、滨州、滨北、拉宾五条铁路代表着哈尔滨市与世界的连接。

松花江黄金水道可以直接到达俄罗斯。太平国际机场年旅客为200多万人次，可以为110多个家庭办理客货联运业务。

哈尔滨的气候有四个重要季节，漫长的冬季和炎热的夏季。春天和秋天，海平面变化迅速，气温上升迅速。这是哈尔滨短暂的温度上升，时间较短。哈尔滨春季气温恢复迅速，降雨量少，气候干燥多变，温度变化大。几个月之间的温度变化很大，通常在8到10℃左右。春天多风，是一年中大风天气最多的季节。夏天气候温暖，雨水充足，同一季节有光和热水；温度差别小，7月份是最炎热的月份，平均气温为23.0℃。夏天是下雨最多但降雨强度很小，平均有1~2天的暴雨，暴雨强大是罕见的。秋天的天气又冷又暖和。秋季之后，降雨量显著减少，但比春季的雨水多得多；在春季之后，风速更高，风向主要来自南方。冬季气温非常低，1月平均最低气温为零下24摄氏度，极端最低气温出现在根河，为零下38摄氏度；降雨量少，气候寒冷干燥，但有时会有暴风雪；在冬季，西南风占主导地位，风很小。

哈尔滨的市区、双城和呼兰是平原和低洼地区，东部10个县(城市)是山区和丘陵地区。东南方是张广岭，北边被小兴安岭山区围绕，中间经过松花江，山势不高，流域丰富，平原宽阔。

2. 大气颗粒物污染特征分析

2.1. 大气颗粒物污染特征分析以年份为节点

2.1.1. 平均浓度分析

哈尔滨市大气颗粒物的冬季日均质量浓度统计表(见表1和图1)，由表1可得，2015年冬季至2019年冬季PM_2.5平均质量浓度依次为103.41、96.57、77.5、78.21、102.84 μg/m³，PM₁₀平均质量浓度依次为133.16、118.41、96.38、97.84、112.69 μg/m³，AQI平均数值为134.73、126.77、104.08、105.13、134.13，其中，PM₁₀、PM_2.5的平均质量浓度超过《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中PM₁₀、PM_2.5的年均质量浓度二级标准的限值(70、35 μg/m³) [2] [3]，AQI对人体无害的标准数值范围为0~100，而哈尔滨市2015-2019年冬季的平均AQI均大于标准数值。根据(GB3095-2012)中PM₁₀和PM_2.5的日均质量浓度二级标准的限值(150、75 μg/m³) [2] [3]，2015年冬季~2019年冬季PM_2.5的超标率为58%、53%、42%、34%、48%，AQI的超标率与PM_2.5的超标率相同，PM₁₀的超标率分别为29%、26%、11%、15%、28%，其中，PM_2.5、AQI、PM₁₀的平均浓度和超标率均表现为先减小后增大的趋势。PM₁₀与PM_2.5的超标率相比，PM₁₀的超标率均小于PM_2.5，说明哈尔滨市的冬季大气颗粒物污染主要为PM_2.5污染，而对于PM₁₀的污染源(如道路扬尘、建筑灰尘等)控制较好。2016年、2017年冬季与2015冬季相比，PM_2.5质量浓度有所下降，说明哈尔滨市的环境保护措施和相关政策起到了一定的作用，对PM_2.5污染源(如重污染工厂、燃煤、采暖、生物质燃烧、机动车尾气排放等)控制较好，而2018年、2019年与2017年相比，PM_2.5逐步上升，说明哈尔滨市大气颗粒物污染加重，主要是因为供暖需求变大，临近城市焚烧秸秆，气候影响等因素。2017年的PM_2.5、PM₁₀平均质量浓度、AQI数值以及超标率均为近几年最低值。

Table 1. Annual average concentration quality table

表1. 年份平均浓度质量表

Figure 1. Concentration statistical chart

图1. 浓度统计图

2.1.2. 方差分析

哈尔滨市大气颗粒物方差分析见(表2和图2)，2015年冬季-2019年冬季的AQI、PM_2.5、PM₁₀的F分别为4.103、4.080、4.966，显著性分别为0.003、0.003、0.001，其中PM₁₀、PM_2.5、AQI的显著性小于0.05，且F值表现为PM₁₀ > AQI > PM_2.5，说明哈尔滨市这几年来AQI和PM_2.5变化较小，而PM_2.5、AQI显著性小于PM₁₀，说明哈尔滨市近几年来PM₁₀差异明显，与平均质量浓度分析结果一致，哈尔滨市大气颗粒物污染主要是PM_2.5污染。主要来源为冬季供暖和汽车排放尾气。

Table 2. Annual ANOVA table

表2. 年份方差分析表

Figure 2. ANOVA bar chart

图2. 方差分析柱状图

2.1.3. 多重比较分析

哈尔滨市大气颗粒物多重比较(见图3)，2015年冬季与各年冬季AQI比较，显著性为依次为0.999、0.019、0.09、1，2016年冬季与各年冬季AQI比较，显著性依次为0.999、0.14、0.388、0.999，2017年冬季与各年冬季AQI比较，显著性依次为0.019、0.14、1.00、0.028，2018年冬季与各年冬季AQI比较，显著性依次为0.09、0.388、1.00、0.115，2019年冬季与各年冬季AQI比较，显著性依次为1.00、0.999、0.028、0.115。2015年冬季与各年冬季PM_2.5比较，显著性为依次为0.999、0.02、0.104、1，2016年冬季与各年冬季PM_2.5比较，显著性为依次为0.999、0.129、0.4、0.999，2017年冬季与各年冬季PM_2.5比较，显著性为依次为0.02、0.129、1、0.023，2018年冬季与各年冬季PM_2.5比较，显著性为依次为0.104、0.4、1、0.115，2019年冬季与各年冬季PM_2.5比较，显著性为依次为1、0.999、0.023、0.115，2015年冬季与各年冬季PM₁₀比较，显著性依次为0.887、0.002、0.009、0.511，2016年冬季与各年冬季PM₁₀比较，显著性依次为0.887、0.108、0.276、1，2017年冬季与各年冬季PM₁₀比较，显著性为依次为0.002、0.108、1、0.418，2018年冬季与各年冬季PM₁₀比较，显著性为依次为0.009、0.276、1、0.693，2019年冬季与各年冬季PM₁₀比较，显著性为依次为0.511、1、0.418、0.693，经多重比较分析，2015年、2017年、2019年之间PM_2.5、PM₁₀、AQI差异明显，而其他年份之间比较无明显差异，而2015年与2017年、2017年与2019年间AQI、PM_2.5、PM₁₀显著性小于0.05，有明显差异，与方差分析和平均质量浓度分析结果一致，哈尔滨市冬季大气颗粒物质量浓度呈现先减小后增大的趋势，且PM₁₀的显著性小于PM_2.5和AQI的显著性，哈尔滨市冬季大气颗粒物污染主要为PM_2.5污染。

Figure 3. Multiple comparison bar chart

图3. 多重比较柱状图

2.2. 大气颗粒物污染特征分析以月份为节点

2.2.1. 平均浓度分析

哈尔滨市大气颗粒物的12月至2月日均质量浓度统计表(见表3和图4)，由表3可得，12月至1月PM_2.5平均质量浓度依次为91.61、107.17、75.08 μg/m³，PM₁₀平均质量浓度依次为114.41、127.43、91.73 μg/m³，AQI平均数值为120.62、139.98、100.78，其中，PM_2.5的平均质量浓度远超《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中PM_2.5的日均质量浓度二级标准的限值(75 μg/m³) [2] [3]，PM₁₀的平均质量浓度未超过《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中PM₁₀的日均质量浓度二级标准的限值(150 μg/m³) [4] [5]，AQI对人体无害的标准数值范围为0~100，而哈尔滨市12月至1月的平均AQI均大于标准数值，2月数值近似等于100，说明2月总体空气质量较好。根据(GB3095-2012)中PM_2.5和PM₁₀的日均质量浓度二级标准的限值(150、75 μg/m³) [2] [3]，12月至1月PM_2.5的超标率为49%、56%、34%，PM₁₀的超标率21%、32%、12%。AQI超标率与PM_2.5超标率相等，其中，12月~2月的质量浓度比较和超标率比较，PM_2.5、PM₁₀、AQI均表现为一月份最大，二月份最小，说明哈尔滨市冬季近几年一月大气颗粒物污染最严重，二月污染较少。12月至1月PM_2.5、PM₁₀质量浓度上升，AQI数值上升，三者超标率也上升，说明哈尔滨市的供暖以及汽车排放尾气对哈尔滨市大气颗粒物污染影响严重，1月至2月，PM_2.5、PM₁₀质量浓度下降，AQI数值下降，三者超标率也下降，说明环境保护措施起到了一定的作用，对PM_2.5污染源(如重污染工厂、燃煤、采暖、生物质燃烧、机动车尾气排放等)控制较好，而PM_2.5超标率基本稳定在12%左右，说明哈尔滨市供暖问题和汽车尾气所产生的PM_2.5得到了妥善处理[4]。

Table 3. Monthly average concentration quality

表3. 月份平均质量浓度

Figure 4. Monthly concentration bar chart

图4. 月份浓度柱状图

2.2.2. 方差分析

哈尔滨市大气颗粒物按照月份的方差分析(见表4)，12月至1月的AQI、PM_2.5、PM₁₀的F分别为11.29、10.451、11.417，显著性分别为0.00、0.00、0.00，其中PM_2.5、PM₁₀、AQI的显著性小于0.05，且F值相差较小的，说明PM₁₀和PM_2.5方差不齐，差异性显著，有统计学意义，说明哈尔滨市大气颗粒物污染在月份之间差异性明显，而AQI显著性小于0.05，F值也与PM₁₀和PM_2.5相差较小，说明哈尔滨市月份之间的空气质量差异明显，与质量浓度分析结果一致，月份之间差异性较大，主要是由于冬季供暖和汽车排放尾气造成[4]。

Table 4. Analysis of variance table

表4. 方差分析表

2.2.3. 多重比较分析

哈尔滨市大气颗粒物多重比较分析(见图5)，1月与各月AQI比较，显著性为依次为0.00、0.075，2月与各月AQI比较，显著性依次为0.00、0.036，12月与各月AQI比较，显著性依次为0.075、0.036。1月与各月PM_2.5比较，显著性为依次为0、0.101，2月与各月PM_2.5比较，显著性为依次为0、0.042，12月与各月PM_2.5比较，显著性为依次为0.101、0.042。1月与各月PM₁₀比较，显著性依次为0、0.291，2月与各月PM₁₀比较，显著性依次为0、0.007，12月与各月PM₁₀比较，显著性依次为0.291、0.007。经多重比较分析得，1月与2月，2月与12月比较，AQI、PM₁₀、PM_2.5均小于0.05，差异性明显，与平均质量浓度分析和方差分析结果一致，哈尔滨市冬季大气颗粒物污染主要集中在一月，哈尔滨市冬季空气质量最好的时候在2月，哈尔滨市冬季大气颗粒物污染差异明显。哈尔滨市冬季大气颗粒物污染差异明显主要是由于供暖和汽车排放尾气导致[5]。

Figure 5. Multiple comparative analysis

图5. 多重比较分析

3. 治理措施

从源头处理，PM_2.5的来源主要是工厂污染、汽车排放尾气、冬季供暖秸秆燃烧等。我们可以借鉴欧美国家，进行综合治理，改造我们现有的设备，更新我们的防尘技术，对工业生产造成的粉尘污染进行严格控制，在严格控制工厂生产造成的污染时，同时也要出台相关政策，加强对粉尘的管理[6] [7]。我们更要控制汽车尾气的排放，提倡绿色环保出行，制定相关政策，控制汽车排放标准。积极宣传低碳环保的出行方式，向市民大力宣传公交车、共享单车等低碳环保的出行方式。哈尔滨独特的地理位置，让我们冬季不得不进行供暖。这方面我们要积极淘汰燃煤锅炉，对这些锅炉进行大力改造，对淘汰范围进行扩展，由市区向农村扩展，加大淘汰的速度和力度，并且在淘汰时向市民普及环境知识。对于燃煤锅炉淘汰地区，进行集中供热，逐步扩大集中供热范围。对于秸秆燃烧，我们要进行综合利用处理，使秸秆成为肥料、原料、饲料，让秸秆的作用发挥到最大。并且要实时检测天气情况和空气质量，实时巡逻，从根源上制止这种行为。

4. 结论

哈尔滨市PM_2.5污染较严重，PM_2.5、PM₁₀的平均质量浓度以及PM_2.5、PM₁₀超标率，及AQI的数值均表现为先减小后增大。2016年、2017年冬季与2015冬季相比，PM_2.5质量浓度有所下降，说明哈尔滨市的环境保护措施和相关政策起到了一定的作用，对PM_2.5污染源(如重污染工厂、燃煤、采暖、生物质燃烧、机动车尾气排放等)控制较好[8]，而2018年、2019年与2017年相比，PM_2.5逐步上升，说明哈尔滨市大气颗粒物污染加重，主要是因为供暖需求变大，临近城市焚烧秸秆，气候影响等因素。2017年的PM_2.5、PM₁₀平均质量浓度、AQI数值以及超标率均为近几年最低值。

分析月份浓度得出1月的PM₁₀和PM_2.5的浓度均值以及AQI数值均大于12月和2月，说明1月大气颗粒物污染最严重，空气质量最差。2月AQI平均值约等于100，说明2月份空气质量最好，污染最小。

利用方差分析得到，PM₁₀、PM_2.5、AQI的显著性均小于0.05，有统计学意义，AQI以及PM_2.5、PM₁₀差异明显。说明哈尔滨市冬季颗粒物污染主要与哈尔滨市供暖原因有关。利用多重比较分析年份得出，2015年、2017年、2019年之间PM_2.5、PM₁₀、AQI差异明显，符合平均质量浓度分析结果，先减小后增大。利用多重比较分析和方差分析月份得到，1月与2月，2月与12月比较，AQI、PM₁₀、PM_2.5均小于0.05，差异性明显。符合月份平均质量浓度分析结果，1月最大，2月最小。

参考文献