王浩宇 王三平 郭志明 韓 震 鞏鑫磊 李 楊
(中國輻射防護研究院,山西 太原 030006)
當(dāng)前我國的大氣環(huán)境形勢十分嚴峻,在傳統(tǒng)煤煙型污染尚未得到有效控制的情況下,以細顆粒物(PM2.5)等為特征的區(qū)域性復(fù)合大氣污染日益增多,制約社會經(jīng)濟的發(fā)展,威脅人民群眾身體健康[1]。太原市作為能源大省山西省的省會,地處山西省的中部太原盆地,屬于傳統(tǒng)重工業(yè)城市,由于其特殊的工業(yè)結(jié)構(gòu)及地形條件,大氣污染較為嚴重。根據(jù)國家重點區(qū)域大氣污染防治十二五規(guī)劃,太原市屬于山西省北中部城市群重點控制區(qū),本文收集和整理了太原市區(qū)冬季環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù),分析了SO2、PM10和PM2.5的濃度變化污染特征,可為太原市冬季空氣污染狀況分析及大氣環(huán)境管理提供一定借鑒和依據(jù)。
本文所利用的SO2、PM10和PM2.5濃度來自中國環(huán)境監(jiān)測總站全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺對外發(fā)布的太原市上蘭和小店的空氣質(zhì)量實時數(shù)據(jù),平臺根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準》(GB3095-2012)的有關(guān)規(guī)定,發(fā)布全國空氣質(zhì)量狀況。數(shù)據(jù)采集時段為2013年12月21日至2014年1月22日,每日記錄了上一日11 時至當(dāng)日10 時的SO2、PM10和PM2.5的24 小時濃度均值,各項大氣污染物共采集了30 個有效數(shù)據(jù)。上蘭監(jiān)測點位于太原市區(qū)西北部,位于城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向,屬于城市郊區(qū),人口稀疏,交通流量小,屬于清潔對照點。小店監(jiān)測點位于太原市區(qū)南部,位于城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向,屬于市區(qū)內(nèi)部人口擁擠,交通密集區(qū)域。
2.1.1 SO224 小時濃度平均值變化
在兩個監(jiān)測點采樣結(jié)果可知,上蘭監(jiān)測點SO2濃度為11~140μg/m3,平均值為51.5μg/m3,SO224 小時平均值國家二級標(biāo)準為150μg/m3,上蘭監(jiān)測點位超標(biāo)率為0,小店監(jiān)測點SO2濃度為24~321μg/m3,平均值為149.6μg/m3,超標(biāo)率為53.3%,見表1 所示。
監(jiān)測期間位于采暖期,SO2超標(biāo)主要受工業(yè)企業(yè)和居民燃煤采暖排放SO2影響。由于上蘭監(jiān)測點周邊工業(yè)企業(yè)、居民區(qū)較少且位于城區(qū)上風(fēng)向,而小店監(jiān)測點周邊工業(yè)企業(yè)和居民區(qū)較多且位于下風(fēng)向,SO2濃度污染較上蘭監(jiān)測點嚴重。上蘭監(jiān)測點和小店監(jiān)測點地形條件、氣象條件基本一致,兩個監(jiān)測點SO2濃度變化趨勢基本一致。如圖1 所示。
表1 SO224 小時濃度值監(jiān)測結(jié)果
2.1.2 PM1024 小時濃度平均值變化
PM10指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10μm 的顆粒物,也稱可吸入顆粒物[2],PM10可通過呼吸道進入人體,引發(fā)許多疾病。在兩個監(jiān)測點采樣結(jié)果可知,上蘭監(jiān)測點PM10濃度為33-144μg/m3,平均值為69.8μg/m3,PM1024 小時平均值國家二級標(biāo)準為150μg/m3,上蘭監(jiān)測點位超標(biāo)率為0,小店監(jiān)測點PM10濃度為56~275μg/m3,平均值為136.3μg/m3,超標(biāo)率為36.7%,監(jiān)測結(jié)果見表2。
圖1 SO2 24 小時的平均值月變化
表2 PM10 24 小時濃度值監(jiān)測結(jié)果
PM10主要來源于燃煤、冶金、化工、內(nèi)燃機等污染源排放的顆粒物,總體而言,小店監(jiān)測點PM10濃度污染較清潔對照點上蘭監(jiān)測點嚴重,而兩監(jiān)測點PM10濃度變化趨勢基本一致。
圖2 PM10 24 小時的平均值月變化
2.1.3 PM2.524 小時濃度平均值變化
PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm 的顆粒物,也稱細顆粒物[2],細顆粒物來源復(fù)雜,約50%來自燃煤、機動車、揚塵、生物質(zhì)燃燒等直接排放的一次細顆粒物;約50%是空氣中二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機物等氣態(tài)污染物經(jīng)過復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)形成的二次細顆粒物。PM2.5是典型的大氣累積性的復(fù)合污染形態(tài)[3]。由于體積小,重量輕,PM2.5可以在空氣中滯留很長的時間,而其巨大的比表面積能吸附更多的細菌、病毒、重金屬等各種對人體有害的污染物[4]。
在兩個監(jiān)測點采樣結(jié)果可知,上蘭監(jiān)測點PM2.5濃度為13~110μg/m3,平均值為43.1μg/m3,PM2.524 小時平均值國家二級標(biāo)準為75μg/m3,上蘭監(jiān)測點位超標(biāo)率為13.3%,小店監(jiān)測點PM2.5濃度為13-183μg/m3,平均值為76.3μg/m3,超標(biāo)率為46.7%。結(jié)果見下表3所示。由圖3 可知,總體而言,小店監(jiān)測點PM2.5濃度污染較清潔對照點上蘭監(jiān)測點嚴重,而兩監(jiān)測點PM2.5濃度變化趨勢基本一致,同時與PM10的濃度變化趨勢也基本一致。
2.1.4 PM2.5/PM1024 小時平均濃度比值變化
在兩個監(jiān)測點采樣結(jié)果可知,上蘭監(jiān)測點PM2.5/PM10濃度比值為0.22~0.83,平均值為0.59,小店監(jiān)測點PM2.5/PM10濃度比值為0.19~0.80,平均值為0.52。比值結(jié)果見表4。有研究表明,污染越重的地區(qū)PM2.5/PM10濃度比值也越大,污染較輕的城市比值在0.3~0.4 之間,而污染較重的在0.5~0.7 之間[5]。兩監(jiān)測點位監(jiān)測期間PM2.5/PM10濃度比值范圍為0.19~0.83,污染程度不同,既有重污染日又有輕污染日。兩監(jiān)測點PM2.5/PM10濃度比值變化趨勢基本一致,說明兩監(jiān)測點污染程度變化趨勢基本一致,區(qū)域污染物的來源相同或相近,見圖4。
表3 PM2.5 24 小時濃度值監(jiān)測結(jié)果
表4 PM2.5/PM10濃度比值結(jié)果
圖3 PM2.5 24 小時的平均值月變化
圖4 PM2.5和PM10 24 小時的平均值月變化
2.2.1 PM2.5與PM10相關(guān)性分析
通過對PM10與PM2.5濃度之間的相關(guān)性分析,可以初步判斷兩者是否來自相同的污染源,還可以根據(jù)PM 10的質(zhì)量濃度來估算PM2.5的質(zhì)量濃度[6]。
將PM 2.5和PM10的24 小時平均濃度做相關(guān)分析(見圖5)。根據(jù)最小二乘法分別對兩個監(jiān)測點PM2.5做回歸方程,得到線性方程。小店監(jiān)測點PM2.5=0.7185PM10- 21.606,上蘭監(jiān)測點方程為PM2.5=0.9058PM10-20.157。相關(guān)系數(shù)分別為R 小店=0.97,R 上蘭=0.90,均為高度相關(guān)。表明二者的污染來源基本相同或相近。
圖5 PM2.5與PM10濃度相關(guān)曲線
2.2.2 PM2.5與SO2相關(guān)性分析
將PM2.5和SO224 小時平均濃度做相關(guān)分析(如圖6)。根據(jù)最小二乘法分別對兩個監(jiān)測點PM2.5做回歸方程,得到線性方程。小店監(jiān)測點PM2.5=0.5119SO2-0.294,上蘭監(jiān)測點方程為PM2.5=0.6469SO2+9.76。相關(guān)系數(shù)分別為R 小店=0.88,R 上蘭=0.84,均為高度相關(guān)。表明PM2.5與SO2的關(guān)系較為密切,有研究表明,太原市目前仍屬于燃煤型污染[7],燃煤排放細顆粒物和SO2往往具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。
圖6 PM2.5與SO2 濃度相關(guān)曲線
當(dāng)前我國的大氣環(huán)境形勢十分嚴峻,在傳統(tǒng)煤煙型污染尚未得到有效控制的情況下,以細顆粒物(PM2.5)等為特征的區(qū)域性復(fù)合大氣污染日益增多,制約社會經(jīng)濟的發(fā)展,威脅人民群眾身體健康。太原市作為能源大省山西省的省會,地處山西省的中部太原盆地,屬于傳統(tǒng)重工業(yè)城市,由于其特殊的工業(yè)結(jié)構(gòu)及地形條件,大氣污染較為嚴重。根據(jù)國家重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃,太原市屬于山西省北中部城市群重點控制區(qū),本文收集和整理了太原市區(qū)冬季環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù),分析了SO2、PM10和PM2.5的濃度變化污染特征,可為太原市冬季空氣污染狀況分析及大氣環(huán)境管理提供一定借鑒和依據(jù)。主要研究結(jié)論如下:
(1)上蘭監(jiān)測點SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度范圍分別為11~140μg/m3、33~144μg/m3和13~110μg/m3,超標(biāo)率分別為0,0 和13.3%;在小店監(jiān)測點SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度范圍分別為24~321μg/m3、56~275μg/m3和13~183μg/m3,超標(biāo)率分別為53.3%,36.7%和46.7%。
總體而言,上蘭空氣質(zhì)量污染較輕,小店污染較重。這是由于冬季為采暖期,污染源來源于工業(yè)污染、燃煤煙氣、機動車尾氣等。上蘭監(jiān)測點位于城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向,周邊工業(yè)企業(yè)、居民區(qū)、城市道路分布較少,而小店監(jiān)測點位于太原市區(qū)中南部,位于城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向,屬于城市工業(yè)、人口、交通道路密集地區(qū)。
(2)盡管SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度城郊差異明顯,但城郊地形條件、氣象條件基本一致,因此,城郊各污染物濃度月變化曲線趨勢基本一致。
(3)雖然城郊PM2.5和PM10的污染程度不同,但PM2.5和PM10的比值范圍與均值差別較小,PM2.5和PM10的比值變化趨勢基本一致,說明城郊污染程度變化趨勢基本相同,區(qū)域顆粒物污染物的來源相同或相近。
(4)通過相關(guān)性分析表明,太原冬季PM2.5分別與PM10和SO2均為高度相關(guān)的正相關(guān)關(guān)系,三者的污染源存在較大一致性,區(qū)域污染主要以燃煤排放大氣污染物為主要特征。
[1]環(huán)境保護部.重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃,2012.10.
[2]環(huán)境保護部,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(GB3095-2012).中國環(huán)境科學(xué)出版社,2012.
[3]徐映如,王丹俠,張建文.PM10和PM2.5危害、治理及標(biāo)準體系的概況.職業(yè)與健康,2013,1:117-119.
[4]李廣德,李效文.北京市區(qū)春夏PM2.5和PM10濃度變化特征研究.環(huán)境科學(xué)與管理,2013,38(5):52-56.
[5]徐敬,丁國安,顏鵬,等.北京地區(qū)PM2.5的成分特征及來源分析.應(yīng)用氣象學(xué)報,2007,18(5):645-654.
[6]郭清彬,程學(xué)豐,侯輝,等.冬季大氣中PM10和PM2.5污染特征及形貌分析.中國環(huán)境監(jiān)測,2010,26(4):55-58.
[7]李瑞金,耿紅,蔡宗葦,等.太原市冬季PM2.5中多環(huán)芳烴、硝基多環(huán)芳烴、和NO 3-的污染特征.建材技術(shù)與應(yīng)用,2014,1:12-15.