论中国雾霾的形成与治理

论中国雾霾的形成与治理周卫东（环境工程16330126）摘要：我国经济的高速发展，随之而来的一系列环境问题也愈发引发社会各界的关注。自2013以来的大规模雾霾袭城事件，更是给我们敲响了警钟。本文结合实际国情，深入分析我国的雾霾成因，并将其归结为污染源的持续累积以及特殊气候现象的触发因素。进一步地，本文借鉴了发达国家面对雾霾的应对策略，综合探讨符合我国国情的治霾之法。关键词：环境；雾霾；形成原因；治理方法1.引言雾霾于近年在我国大规模爆发，中东部地区反复出现严重雾霾天气，导致可见度下降，交通瘫痪，呼吸道感染病人剧增，白云隐没，蓝天不再。“雾霾袭城”已不仅局限在工业集中、人口密集的华北、华东地区，包括广西、陕西和湖北等在内的多个省市区也纷纷“沦陷”。在高速发展经济的同时，持续的雾霾天气严重影响着人们的生产和生活，我国环境正在面临前所未有的考验，雾霾从何而来，又将如何治理？成为了社会关注、科学研究的热点问题。2.什么是雾霾雾霾是指各种源排放的污染物（气体和颗粒物如CO、SO2、NOx、NH3、VOCs、PM），在特定的大气流场条件下，经过一系列物理化学过程，形成的细粒子，并与水汽相互作用导致的大气消光现象。大气污染中涉及到的颗粒物，一般指粒径介于0.01～100μm的粒子，PM2.5是指空气动力学直径小于或者等于2.5微米的大气颗粒物（气溶胶）的总称，学名为大气细粒子。PM2.5组成极其复杂，几乎包含元素周期表所有元素，涉及30000种以上有机和无机化合物（包括硫酸盐、硝酸盐、氨盐、有机物、碳黑、重金属等），真是“小粒子、大世界”。PM2.5直接排放少，以排放源一次排放的气体通过物理和光化学过程生成的二次粒子为主。雾霾的化学组成成分极其复杂，下图可以大概看出。3.雾霾对气候、环境、人体健康均有较大影响雾霾中PM1~2.5影响较大，PM2.5~10即出现沙尘。雾霾造成气候、环境、健康等方面的负面影响：PM2.5浓度的增加可能是极端天气事件增加的原因。PM2.5影响大气辐射平衡，导致地面越来越冷、大气越来越热，严重影响区域和全球气候变化，可能加剧区域大气层加细粒子污染是全球性重要环境问题之一，从1975年以来全球范围内，除欧洲以外，细粒子浓度都在明显上升。PM2.5浓度的增加会引起城市大气酸雨、光化学烟雾现象，导致大霾含湿度比较高，可以直接传染细菌和病毒。PM2.5又称为可入肺颗粒，能够直接进入人体肺泡甚至血液系统中，直接导致心血管病等疾病。PM2.5的比表面积较大，通常富集各种重金属元素和有机污染物，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大。PM2.5污染会增加重病及慢性病患者的死亡率，使呼吸系统及心脏系统疾病恶化，改变肺功能及结构，改变人体免疫结构。中科院研究已经基本证明大气污染与呼吸道疾病死亡率正相关。北京市近年肺癌患病率显著提高，2012年平均每天确诊104个肺癌病人。对广州市肺癌致死率与灰霾关系的研究表明，考虑7年滞后期，肺癌致死率和气溶胶消光系数的相关系数高达0.97。4.雾霾的成因雾霾是“雾”与“霾”的结合体。雾霾的具体成因，止目前为止仍无科学的定论，仍处于猜测阶段。研究表明，雾霾的形成可以归结为两大原因，分为是污染源和特殊的气候现象。4.1污染源大气中悬浮颗粒物是雾霾天气的主要污染源，为雾霾的出现提供了充足的“物质基础”。悬浮颗粒物包括了悬浮在大气中的固体以及颗粒状液体物质，大气中的悬浮颗粒物来源可以分为天然来源与人为来源两部分。天然来源主要是土壤扬尘，我国拥有世界上最大的黄土平高原地区，其土壤质地最易生成颗粒性扬尘微粒。而人为来源主要为化石燃料的燃烧、工业粉尘以及汽车尾气等等。尽管天然来源为雾霾的形成提供了巨大的物理基源，但是千百年来，从未有如此严重的雾霾现象产生，而在这段经济迅速发展的时期，雾霾频发，可以看出人为因素才是产生雾霾的罪魁祸首。在人为影响因素中，主要有机动车尾气排放、工业废气排放、扬尘以及人类活动排放。4.1.1机动车尾气排放机动车尾气中氮氧化物的含量约占悬浮颗粒物总量的50%，是主要的颗粒物来源。机动车尾气的排放高度正好处于人群呼吸范围内，约为0.3米-2米，对人群呼吸系统健康及身体健康构成一定危害。油品质量、汽车保有量是直接影响机动车尾气的重要因素。4.1.2工业废气排放机电制造业、钢铁行业、火电行业及水泥行业是工业废气排放的主要行业。建筑材料生产时窑炉中排放的燃烧废气、汽车维修时大量的喷漆也是造成工业废气的相关因素。除此之外，北方大部分地区冬季取暖措施仍以供暖为主，供暖所在日常运行中会产生的大量废气，在一定程度上加剧了雾霾形成。4.1.3扬尘扬尘也是悬浮物颗粒的主要元凶之一。马路街道、街道间花圃的泥土或进城车辆轮胎携带的泥土，遭遇泼水或下雨后大范围流失，一旦干涸，马路上的机动车行驶时会产生大量的扬尘，从而在大气及地面循环，造成严重的空气污染。建筑工地上建筑施工过程产生的大量扬尘也是导致空气污染的主要因素。4.1.4人类活动排放人类在日常生活中的一些行为也会加剧空气中悬浮物颗粒的含量，较为典型的人类活动排放行为包括燃放鞭炮、秸秆焚烧等。4.2特殊气候现象雾霾在近年集中爆发，一定不是偶然现象，而是历史积累的必然。我国经济的飞速发展，付出了环境的代价，空气中的悬浮颗粒物持续增加，当其数量累积到一定值的时候，形成大规模雾霾的条件已经形成，处于蓄势待发的状态。与此同时，特殊气候现象的出现，无疑是引爆这颗“雾霾炸弹”的罪魁祸首。特殊的气候现象可以分为两种，一种是静风现象，另一种是逆温层现象。4.2.1逆温层现象逆温现象是指，在城市大气的垂直方向上，高空气温高于低空气温。城市大气垂直方向产生逆温后，会形成逆温层，并在城市上空覆盖，就好比一个锅盖覆盖在城市上空，这种高空的气温比低空气温更高的逆温现象，使得大气层低空的空气垂直运动受到限制，空气中悬浮微粒难以向高空飘散，从而被阻滞在低空和近地面，造成污染物聚集，形成雾霾。4.2.2静风现象我国中纬度地区的环流径向度较小，北方地区如河南、华北和山东等地，冷空气的强度明显变弱，大气的相对湿度过高，大气呈静稳状态，在均压场及低压荷的作用下，地区风速过小，对空气水平流通造成严重阻碍。城市中楼群较多，风流受到摩擦和阻挡的影响逐渐减弱，增加大量的静风现象，悬浮颗粒物的稀释及扩散受到影响，就会积累在城市近郊区周围及城区内，形成雾霾。5.我国雾霾污染现状分析我国约10%的雾霾是自然排放，其他近90%均来自人为排放，直接来自人类的经济社会活动。对北京2013年1月五次强霾污染分析得出，大气污染物包括有机碳、元素碳、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、扬尘等。硫酸盐、硝酸盐和铵盐是基于一次排放的二氧化硫（SO2）,氮氧化物（NOx）和氨气（NH3）气体经过化学反应形成。挥发性有机物（包括来自烹饪源的油烟型有机物、来自于汽车尾气烃类有机颗粒物、来自光化学反应的氮富集有机物、和从北京周边输送过来的氧化型有机颗粒物），在大量二氧化硫和氮氧化物的作用下发生反应，向二次有机气溶胶转化，产生更加具毒性的细颗粒污染物。它们是上世纪中期美国南加州光化学烟雾的主要成分。这些污染物都和人类的生产和生活活动息息相关。对北京PM2.5排放源分析发现燃煤、机动车为最主要来源。北京年平均PM2.5排放中，燃煤占26%，机动车19%，餐饮11%，工业10%。1月的强霾中，北京机动车排放贡献最大，占25%，其次为燃煤19%和外来输送19%；京津冀地区的主要污染来源则是燃煤34%、机动车16%和工业15%。此外，河北和天津地区的燃煤、化工、重金属冶炼都是重金属污染的来源。北京城市大量的机动车排放是造成NOx大气浓度上升的原因，也是硝酸盐同步上升的原因之一。白天NO2浓度出现高值，并同步出现硝酸盐浓度高值，但北京机动车NOx排放造成的危害远非生成了无机硝酸盐，更可怕的是生成了大量的含氮有机颗粒物。白天生成的硝酸盐夜间在高浓度SO2和硫酸盐的作用下向致癌物亚硝酸盐转化。5.1强霾地区有天气条件、周边沙尘、局地排放、大气环流等主要成因天气原因主要包括静风稳定天气加上高湿、混合层薄、逆温强度大等气象条件。受低压辐合或均压场的影响，天气系统较弱，近地面大气稳定，风速较小，并以弱偏南风为主，湿度较大，且逆温层厚度大（500m-1km）、强度强（逆温温差5~10℃），进一步阻碍了空气对流，导致区域和局地排放的污染物迅速累积，空气污染严重。近周边沙尘区域输送，近周边的沙尘层引发污染，输送至本区域，与本区域的污染大陆性气溶胶混合，加重污染。局地排放，包括：一是大量机动车排放造成硝酸盐上升；二是周边输送来的燃煤SO2排放造成硫酸盐上升；三是光化学产物、局地烹饪、汽车尾气等造成的挥发性有机物转化为二次有机气溶胶。大气纬向环流和气候变化导致的北半球平流层升温，使污染物向北半球中纬度区域聚拢，使中国区域大气污染程度加剧。5.2中国雾霾成因有季节性变化在春季，远程沙尘输送、局地扬尘、城市酸性气体和空气中较多的水分也会方便霾的形成。在夏季，高温、高辐射气候加上高湿天气会促进污染物的光化学反映和吸湿性增长。在秋季，白天强烈辐射和高温会加速光化学气粒转化，而早晚低温和高湿在稳定的天气系统中容易导致霾污染事件。在冬季，北方的采暖加上稳定的大气边界层结构和较低的混合层高度很容易导致雾霾现象。5.3中国雾霾污染的严重性中国的雾霾污染比伦敦雾霾事件和洛杉矶光化学烟雾事件更为复杂和严重。2013年1月京津冀共计发生五次强霾污染过程。北京共计22天PM2.5超过国家2016年二级标准（75μg/m3），27天超过国家一级标准，只有4天晴好天气（日均值35μg/m3）。PM2.5小时最高值达到680μg/m3。天津共计21天PM2.5超过国家2016年二级标准，只有5天晴好天气。石家庄共计26天PM2.5超过国家2016年二级标准，只有1天晴好天气，两个城市PM2.5小时最高值超过690和1000μg/m3。京津冀背景地区兴隆的PM2.5共计6天超过国家2016年二级标准,北京及京津冀空气污染形势十分严峻。长三角及珠三角空气污染形势同样十分严峻。太行山东麓、燕山北麓的京津冀区域最为严重。以产业结构和能源结构甚至在全球都领先的北京为例，北京地区的雾霾情况远比1952年的伦敦雾霾事件、美国四五十年代洛杉矶光化学烟雾事件复杂和严重。北京地区空气中每立方米中有近20毫克气固体污染物，1952年的伦敦每平方米也只有四毫克，如此算来，北京地区750平方公里，高度300米的大气范围大约有4000吨污染物。洛杉矶光化学烟雾中主要是汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮（NO2）排放到大气中后，在强烈的阳光紫外线照射下，原有的化学链遭到破坏，形成新的含剧毒的光化学烟雾,主要是以臭氧为代表。北京现在具有类似的情况。此外中国还大范围存在沙尘暴，而沙尘的存在又会加剧雾霾过程的化学反应。通过对2015年10月15日至2016年10月15日间全国城市的“雾霾”天气监测，列出全国雾霾最严重的10座城市，其中河北省衡水、保定、石家庄、遵化等4座城市“上榜”。而通过对各个城市的雾霾时长监控，作为全国雾霾最严重的城市衡水、保定，雾霾天气竟达半年以上。高居“榜首”的衡水，雾霾持续时间竟然长达209天，全年近60%的时间被“雾霾”笼罩。2016年新年伊始，雾霾就在全国多地“上线”，北起辽宁，南至四川，西达新疆，东到山东，2016年雾霾不仅来得“早”，且覆盖范围呈蔓延扩大趋势。5.4局地排放和周边输送增加了大气污染物控制和治理的难度，不可能单独治理雾霾问题以北京大气灰霾溯源为例，北京PM2.5大约30~40%来自原始排放，20~30%来自大气中的光化学转化，30~40%来自区域输送。北京治霾要“三分之一靠天气，三分之一靠自己，三分之一靠周边”。北京本地排放主要包括大量机动车排放造成的硝酸盐、光化学作用产物、局地烹饪和汽车尾气等排放的挥发性有机物转化为二次有机气溶胶。而280m高空的SO2浓度远远高于8m的浓度分析表明，北京SO2来源于周边燃煤排放带来的硫酸盐输送。局部区域气候条件分析，北京城区大量污染