高速公路服務(wù)設(shè)施大氣污染物的變化規(guī)律與特征研究

賀勝義

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

高速公路作為重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮了十分重要的作用。然而，隨著高速公路建設(shè)運(yùn)營(yíng)的快速發(fā)展，不可避免地帶來(lái)了一系列生態(tài)破壞和環(huán)境污染問(wèn)題。通過(guò)高速公路運(yùn)營(yíng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，可有效掌握環(huán)境質(zhì)量和污染源排放狀況及變化趨勢(shì)，為高速公路周邊環(huán)境空氣變化及防控措施研究提供科學(xué)依據(jù)。

本研究利用山西省交通運(yùn)輸環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)工程4套環(huán)境空氣在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（分別位于太舊、太長(zhǎng)高速服務(wù)區(qū)，忻阜、侯禹高速收費(fèi)站），分析了高速公路服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站環(huán)境空氣中VOCS、PM10、O3、NO、NO2、NOx、SO2等污染物濃度變化規(guī)律及特征。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)

本研究選擇4個(gè)環(huán)境空氣在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2014年10月—2015年9月的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析研究，同時(shí)采集溫度、壓力、濕度、風(fēng)速、主導(dǎo)風(fēng)向等氣象參數(shù)。站點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)表1。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

采用連續(xù)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方法，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由子站連接信息平臺(tái)，信息平臺(tái)協(xié)調(diào)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，完成對(duì)各種監(jiān)測(cè)儀器的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程通訊控制、數(shù)據(jù)處理，最終形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表[1]。

1.3 評(píng)價(jià)依據(jù)

該研究空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)污染物濃度限值依據(jù)主要為《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》（HJ 663—2012）等。

表1 環(huán)境空氣在線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)[2]

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2010和SPSS16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、繪圖和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 太舊高速陽(yáng)泉服務(wù)區(qū)北區(qū)

2.1.1 大氣污染物月變化趨勢(shì)[3]

表2列出了2014年10月—2015年9月期間甲烷、非甲烷烴、PM10和O3的逐月日均值濃度及超標(biāo)情況。圖1給出了監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣污染物濃度的月變化情況。

甲烷的日均值變化范圍為0.007～4.296 mg/m3，平均濃度為2.081 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間超標(biāo)率為70%，12月份濃度值最高，3月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)；非甲烷烴的日均值變化范圍為0.006～1.823 mg/m3，平均濃度為0.125 mg/m3。2014年10月—2015年9月期間全部達(dá)標(biāo)，7月份濃度值最高，1月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)。PM10的日均值變化范圍為0.043～0.591 mg/m3，平均濃度為0.238 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間超標(biāo)率為83%，5月份濃度值最高，11月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的正態(tài)分布變化趨勢(shì)。O3的日均值變化范圍為0.001～0.130 mg/m3，平均濃度為0.027 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間全部達(dá)標(biāo)，6月份濃度值最高，1月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出緩慢上升的變化趨勢(shì)。

表2 陽(yáng)泉服務(wù)區(qū)北區(qū)環(huán)境空氣逐月日平均值統(tǒng)計(jì) mg/m3

圖1 陽(yáng)泉服務(wù)區(qū)北區(qū)大氣污染物月變化

2.1.2 大氣污染物季度變化趨勢(shì)

圖2為大氣污染物濃度的季度變化情況。甲烷在冬季的平均濃度最高，為2.508 mg/m3，夏季平均濃度最低，為1.999 mg/m3，整體呈下降的變化趨勢(shì)。非甲烷烴在秋季的平均濃度最高，為0.211 mg/m3，冬季平均濃度最低，為0.071 mg/m3，整體呈上升的變化趨勢(shì)。PM10在夏季的平均濃度最高，為0.326 mg/m3，秋季平均濃度最低，為 0.138 mg/m3，整體呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。O3在夏季的平均濃度最高，為0.041 mg/m3，冬季平均濃度最低，為0.016 mg/m3，整體呈上升的變化趨勢(shì)。

圖2 陽(yáng)泉服務(wù)區(qū)北區(qū)大氣污染物季度變化

2.1.3 大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率

甲烷年度日均濃度值為2.081 mg/m3，非甲烷烴年度日均值為 0.125 mg/m3，PM10年度日均值為0.238 mg/m3，O3年度日均值為 0.027 mg/m3，其中甲烷、非甲烷烴和O3達(dá)標(biāo)率為100%，PM10達(dá)標(biāo)率為12.2%。由圖3可以看出，各類大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率中，甲烷占比最高，為84%，PM10占比為10%，非甲烷烴占比為5%，O3占比最低，為1%。

圖3 陽(yáng)泉服務(wù)區(qū)北區(qū)大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率

2.2 太長(zhǎng)高速武鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)東區(qū)

2.2.1 大氣污染物月變化趨勢(shì)[3]

表3列出了2014年10月—2015年9月期間NO、NO2、NOx和 SO2的逐月日均值濃度及超標(biāo)情況。圖4給出了監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣污染物濃度的月變化情況。

NO的日均值變化范圍為0.001～0.125 mg/m3，平均濃度為 0.022 mg/m3，2014年 10月—2015年9月期間全部達(dá)標(biāo)，11月份濃度值最高，6月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)。NO2的日均值變化范圍為0.001～0.104 mg/m3，平均濃度為0.034 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間全部達(dá)標(biāo)，11月份濃度值最高，9月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出緩慢下降的變化趨勢(shì)。NOx的日均值變化范圍為 0.002～0.229 mg/m3，平均濃度為 0.057 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間超標(biāo)率為8%，11月份濃度值最高，9月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)。SO2的日均值變化范圍為0.010～0.391 mg/m3，平均濃度為 0.085 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間超標(biāo)率為8%，1月份濃度值最高，9月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)。

表3 武鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)東區(qū)環(huán)境空氣逐月日平均值統(tǒng)計(jì) mg/m3

圖4 武鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)東區(qū)大氣污染物月變化

2.2.2 大氣污染物季度變化趨勢(shì)

圖5為大氣污染物濃度的季度變化情況。NO在冬季的平均濃度最高，為0.047 mg/m3，夏季平均濃度最低，為0.006 mg/m3，整體呈先下降后上升的變化趨勢(shì)。NO2在冬季的平均濃度最高，為0.041 mg/m3，秋季平均濃度最低，為 0.020 mg/m3，整體呈下降的變化趨勢(shì)。NOx在冬季的平均濃度最高，為0.088 mg/m3，秋季平均濃度最低，為0.036 mg/m3，整體呈下降的變化趨勢(shì)。SO2在春季的平均濃度最高，為 0.136 mg/m3，秋季平均濃度最低，為0.035 mg/m3，整體呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。

圖5 武鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)東區(qū)大氣污染物季度變化

2.2.3 大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率

大氣污染物中NO年度日均濃度值為0.022 mg/m3，NO2年度日均值為 0.034 mg/m3，NOx年度日均值為 0.057 mg/m3，SO2年度日均值為0.085 mg/m3，其中 NO、NO2達(dá)標(biāo)率為 100%，NOx、SO2達(dá)標(biāo)率分別為94.7%、88.6%。由圖6可以看出，各類大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率中，SO2占比最高，為43%，NOx占比為29%，NO2占比為17%，NO占比最低，為11%。

圖6 武鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)東區(qū)大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率

2.3 忻阜高速石咀收費(fèi)站

2.3.1 大氣污染物月變化趨勢(shì)[3]

表4列出了2014年10月—2015年9月期間O3、SO2的逐月日均值濃度及超標(biāo)情況。圖7給出了監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣污染物濃度的月變化情況。

O3的日均值變化范圍為 0.002～0.166 mg/m3，平均濃度為0.038 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間全部達(dá)標(biāo)，4月份濃度值最高，11月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)。SO2的日均值變化范圍為 0.006～0.085 mg/m3，平均濃度為0.022 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間全部達(dá)標(biāo)，11月份濃度值最高，7月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)。

表4 石咀收費(fèi)站環(huán)境空氣逐月日平均值統(tǒng)計(jì) mg/m3

圖7 石咀收費(fèi)站大氣污染物月變化

2.3.2 大氣污染物季度變化趨勢(shì)

圖8為大氣污染物濃度的季度變化情況。O3在夏季的平均濃度最高，為0.056 mg/m3，冬季平均濃度最低，為0.025 mg/m3，整體呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。SO2在冬、春季的平均濃度最高，為0.033 mg/m3，秋季平均濃度最低，為 0.010 mg/m3，整體呈下降的變化趨勢(shì)。

圖8 石咀收費(fèi)站大氣污染物季度變化

2.3.3 大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率

大氣污染物中O3年度日均濃度值為0.038 mg/m3，達(dá)標(biāo)率為 99.5%，SO2年度日均值為0.022 mg/m3，達(dá)標(biāo)率為100%。由圖9可以看出，兩類大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率中，O3占比為63%，SO2占比為37%，O3占比較SO2高26%。

圖9 石咀收費(fèi)站大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率

2.4 侯禹高速龍門(mén)收費(fèi)站

2.4.1 大氣污染物月變化趨勢(shì)[3]

表5列出了2014年10月—2015年9月期間CO、NO、NO2、NOx和 PM10的逐月日均值濃度及超標(biāo)情況。圖10給出了監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣污染物濃度的月變化情況。

CO的日均值變化范圍為0.588～24.758 mg/m3，平均濃度為 5.883 mg/m3，2014年 10月—2015年9月期間超標(biāo)率為100%，10月份濃度值最高，3月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)。NO的日均值變化范圍為0.001～0.199 mg/m3，平均濃度為0.057 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間超標(biāo)率為16%，1月份濃度值最高，7月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)。NO2的日均值變化范圍為 0.002～0.120 mg/m3，平均濃度為0.058 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間全部達(dá)標(biāo)，7月份濃度值最高，2月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)。NOx的日均值變化范圍為 0.013～0.300 mg/m3，平均濃 度為 0.115 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間超標(biāo)率為66%，1月份濃度值最高，2月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)。PM10的日均值變化范圍為0.095～0.678 mg/m3，平均濃度為 0.279 mg/m3，2014年10月—2015年9月期間超標(biāo)率為100%，1月份濃度值最高，7月份濃度值最低，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)。

表5 龍門(mén)收費(fèi)站環(huán)境空氣逐月日平均值統(tǒng)計(jì) mg/m3

圖10 龍門(mén)收費(fèi)站大氣污染物月變化

2.4.2 大氣污染物季度變化趨勢(shì)

圖11為大氣污染物濃度的季度變化情況。CO在冬季的平均濃度最高，為11.673 mg/m3，夏季平均濃度最低，為4.858 mg/m3，整體呈下降的變化趨勢(shì)。NO在冬季的平均濃度最高，為0.074 mg/m3，秋季平均濃度最低，為0.040 mg/m3，整體呈下降的變化趨勢(shì)。NO2在秋季的平均濃度最高，為0.064 mg/m3，冬、春季平均濃度最低，為0.056 mg/mm3，整體呈上升的變化趨勢(shì)。NOx在冬季的平均濃度最高，為0.132 mg/m3，秋季平均濃度最低，為0.222 mg/mm3，整體呈下降的變化趨勢(shì)。

圖11 龍門(mén)收費(fèi)站大氣污染物季度變化

2.4.3 大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率

大氣污染物中CO年度日均濃度值為5.883 mg/m3，達(dá)標(biāo)率為 44.5%，NO年度日均值為0.057 mg/m3，達(dá)標(biāo)率為 100%，NO2年度日均值為0.058 mg/m3，達(dá)標(biāo)率為 89.1%，NOx年度日均值為0.115 mg/m3，達(dá)標(biāo)率為46.1%，PM10年度日均值為0.279 mg/m3，達(dá)標(biāo)率為9.3%。由圖12可以看出，各類大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率中，CO占比最高，為92%，PM10占比為4%，NO、NO2占比最低，均為1%，NOx占比為2%。

圖12 龍門(mén)收費(fèi)站大氣污染物年度日均值貢獻(xiàn)率

2.5 大氣污染物濃度影響因素相關(guān)分析[4]

2.5.1 太舊高速陽(yáng)泉服務(wù)區(qū)北區(qū)

選擇2014年10月—2015年9月期間壓力、風(fēng)速、溫度和濕度為影響因素，甲烷、非甲烷烴、PM10和O3的逐月日均值濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。由表6可以看出，甲烷與壓力呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速、溫度和濕度呈正相關(guān)；非甲烷烴與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與壓力、溫度和濕度呈正相關(guān)；PM10與壓力、溫度和濕度呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)；O3與壓力呈正相關(guān)，與溫度呈極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速和濕度呈負(fù)相關(guān)。

表6 陽(yáng)泉服務(wù)區(qū)北區(qū)大氣污染物濃度影響因素相關(guān)分析

2.5.2 太長(zhǎng)高速武鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)東區(qū)

選擇2014年10月—2015年9月期間溫度、壓力、濕度和風(fēng)速為影響因素，NO、NO2、NOx和SO2的逐月日均值濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。由表7可以看出，NO與溫度、濕度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與壓力呈顯著正相關(guān)；NO2與溫度和濕度呈負(fù)相關(guān)，與壓力和風(fēng)速呈正相關(guān)；NOx與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與濕度呈負(fù)相關(guān)，與壓力和風(fēng)速呈正相關(guān)；SO2與溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與濕度呈負(fù)相關(guān)，與壓力呈顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)。

表7 武鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)東區(qū)大氣污染物濃度影響因素相關(guān)分析

2.5.3 忻阜高速石咀收費(fèi)站

選擇2014年10月—2015年9月期間壓力、溫度、濕度和風(fēng)速為影響因素，O3、SO2的逐月日均值濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。由表8可以看出，O3與壓力呈顯著負(fù)相關(guān)，與濕度呈負(fù)相關(guān)，與溫度和風(fēng)速呈正相關(guān)；SO2與壓力呈極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)，與溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)，濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。

表8 石咀收費(fèi)站大氣污染物濃度影響因素相關(guān)分析

2.5.4 侯禹高速龍門(mén)收費(fèi)站

選擇2014年10月—2015年9月期間溫度、壓力、濕度和風(fēng)速為影響因素，CO、NO、NO2、NOx、PM10的逐月日均值濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。由表9可以看出，CO與溫度和濕度呈正比，與壓力和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)；NO與溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與濕度呈負(fù)相關(guān)，與壓力呈極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)；NO2與溫度和濕度呈正相關(guān)，與壓力和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)；NOx與溫度和濕度呈負(fù)相關(guān)，與壓力呈顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)；PM10與溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，與壓力呈極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)。

表9 龍門(mén)收費(fèi)站大氣污染物濃度影響因素相關(guān)分析

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)4個(gè)環(huán)境空氣在線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣污染物的變化規(guī)律、影響因素的研究，得出如下結(jié)論：

a）從變化規(guī)律來(lái)看，甲烷第四季度濃度值高于其他3個(gè)季度，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)，平均濃度為2.081 mg/m3，按月全年超標(biāo)率為70%。非甲烷烴第三季度濃度值高于其他3個(gè)季度，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)，平均濃度為0.125 mg/m3，按月全部達(dá)標(biāo)。PM10在兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，這可能與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)周邊氣象因子、車流量等影響因素有關(guān)，按月全年超標(biāo)率均超過(guò)80%，說(shuō)明PM10為服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站區(qū)域大氣污染物的重要組成。O3第二季度濃度值高，第四季度濃度值低，按月全年達(dá)標(biāo)。NO、NO2、NOx基本表現(xiàn)為第四季度濃度值高于其他3個(gè)季度，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)，NO2全部達(dá)標(biāo)，NO和NOx有不同程度的超標(biāo)，實(shí)際情況表明：冬季煤炭運(yùn)輸車輛較多，重載車輛尾氣對(duì)空氣有一定影響。SO2呈整體下降的變化趨勢(shì)，第一季度濃度值高于其他3個(gè)季度，按月全年超標(biāo)率為8%，是服務(wù)區(qū)大氣污染物的重要組成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，設(shè)置燃煤采暖鍋爐對(duì)周邊環(huán)境有一定影響，增加配套脫硫除塵設(shè)備，能有效降低SO2排放。CO整體呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)，平均濃度為5.883 mg/m3，按月全年超標(biāo)率為100%，說(shuō)明高速公路收費(fèi)站停留繳費(fèi)車輛尾氣排放是大氣污染物重要組成。

b）從影響因素來(lái)看，甲烷與壓力呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速、溫度和濕度呈正相關(guān)。非甲烷烴與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與壓力、溫度和濕度呈正相關(guān)。PM10與溫度和濕度呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)。O3與風(fēng)速和濕度呈負(fù)相關(guān)，與溫度和壓力呈正相關(guān)。NO與溫度和濕度呈負(fù)相關(guān)，與壓力呈顯著正相關(guān)。NOx與溫度和濕度呈負(fù)相關(guān)，與壓力和風(fēng)速呈正相關(guān)。SO2與溫度和濕度呈負(fù)相關(guān)，與壓力呈顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)。CO與溫度和濕度呈正比，與壓力和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。

該研究利用山西省交通運(yùn)輸環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)工程已建的4套環(huán)境空氣在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)1年的環(huán)境空氣數(shù)據(jù)分析，得出了一定的變化規(guī)律和趨勢(shì)特征，能清楚地反映高速公路服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站及沿線周邊環(huán)境空氣污染現(xiàn)狀，可以為公路交通運(yùn)輸節(jié)能減排和大氣污染防治工作提供重要的科學(xué)依據(jù)。