泰安市PM2.5污染特征及其與其他污染物相關(guān)性分析

楊 雪

（泰安環(huán)境保護(hù)檢測(cè)站，山東 泰安 271000）

空氣動(dòng)力學(xué)將直徑小于2.5μm的細(xì)顆粒物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為PM2.5，其具有較長(zhǎng)的大氣滯留時(shí)間和較大的比表面積，對(duì)人體健康、農(nóng)作物生長(zhǎng)、大氣能見(jiàn)度、氣候變化均有重要影響，已成為我國(guó)當(dāng)前首要大氣污染物，是改善環(huán)境空氣質(zhì)量的主要鉗制因素之一［1-2］。研究城市空氣污染物的變化規(guī)律、污染機(jī)制和控制因素會(huì)對(duì)污染治理措施提供理論和技術(shù)支持，現(xiàn)已成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題［3-6］。根據(jù)山東省環(huán)保廳公布的《2016年山東省環(huán)境狀況公報(bào)》，與省內(nèi)17個(gè)開(kāi)展PM2.5監(jiān)測(cè)的城市相比，泰安市的空氣污染嚴(yán)重程度列第5位，處于全省中上游水平。但是根據(jù)泰安環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2016年，泰安市PM2.5濃度為64μg/m3，是環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-2012）（35μg/m3）的1.8倍，污染形勢(shì)嚴(yán)峻，這對(duì)泰安打造一流的國(guó)際旅游城市的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)造成了一定阻礙。本文基于泰安市PM2.5及其它大氣污染物（PM10、SO2、CO、NO2、O3）濃度數(shù)據(jù)，針對(duì)泰安市PM2.5污染的時(shí)間和空間的分布特征及與其它氣體污染物的相互關(guān)系進(jìn)行了討論和分析，以期為泰安市大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

泰安市從2001年起開(kāi)始建立大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位逐步由自動(dòng)監(jiān)測(cè)代替人工連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。之后因城市發(fā)展，監(jiān)測(cè)點(diǎn)不斷優(yōu)化，至2015年城區(qū)共有環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)7個(gè)（見(jiàn)表1）。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)的基本情況

續(xù)表

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及統(tǒng)計(jì)方法

研究所用數(shù)據(jù)資料來(lái)自于泰安市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，PM2.5作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用Excel 2013建立數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)2013年至2016年數(shù)據(jù)用IBM SPSS Sta?tistics 19.0進(jìn)行PM2.5年際變化、月際變化、日變化的分析，并依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）［7］的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)泰安市PM2.5污染狀況。

2 PM2.5濃度時(shí)空變化

2.1 時(shí)間變化

2.1.1 年際變化

2013年起，各國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位持續(xù)監(jiān)測(cè)PM2.5濃度（見(jiàn)圖2）。泰安市PM2.5濃度在64.21-91.61μg/m3之間，呈下降趨勢(shì)，下降幅度明顯，可能與泰安市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整及“藍(lán)天工程”三年行動(dòng)計(jì)劃有關(guān)，但全部在國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（35μg/m3）的1.8倍以上，可見(jiàn)PM2.5的超標(biāo)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

圖2 PM2.5濃度年際變化

2.1.2 季節(jié)變化

根據(jù)四年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析看出（圖3），PM2.5存在明顯的季節(jié)變化。冬季PM2.5濃度最高，達(dá)到107.4μg/m3；夏季最低，為51.36μg/m3。冬季PM2.5濃度高主要與冬季燃煤取暖及穩(wěn)定的氣象條件有關(guān)；夏季PM2.5濃度低主要是由于夏季大氣穩(wěn)定度低，利于污染物擴(kuò)散，而且夏季多雨，相對(duì)濕度大，不利于揚(yáng)塵的生成。

圖3 PM2.5濃度季節(jié)變化

2.1.3 月際變化

PM2.5月均濃度變化如圖4所示。可以看出，1月PM2.5濃度最高，為123.86μg/m3，其次為12月，為110.99μg/m3；7月PM2.5濃度最低，為47.47μg/m3，這與PM2.5的季節(jié)變化表現(xiàn)出一致性。

圖4 PM2.5濃度月變化

2.1.4 日變化

根據(jù)日變化統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖5），發(fā)現(xiàn)PM2.5存在比較明顯的日變化，呈雙峰型。波峰出現(xiàn)在9時(shí)（90.19μg/m3）和21時(shí)（84.42μg/m3），波谷出現(xiàn)在15時(shí)（65.35μg/m3）。這與交通早晚高峰以及餐飲油煙等有關(guān)，晚上穩(wěn)定的氣象條件以及逆溫層，更有利于污染物的積累。

圖5 PM2.5濃度日變化

2.2 空間變化

由表2可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位歷年P(guān)M2.5平均濃度在56-101μg/m3之間，具體濃度變化表現(xiàn)為：農(nóng)業(yè)大學(xué)＞電力學(xué)校＞信通科技＞厚豐公司＞監(jiān)測(cè)站＞交通技校＞人口學(xué)校，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位變化趨勢(shì)相似，均呈逐年下降趨勢(shì)，均未達(dá)到國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。與2013年相比，2016年交通技校PM2.5濃度下降幅度最大，監(jiān)測(cè)站下降幅度最小。各點(diǎn)位PM2.5濃度差異不大，農(nóng)業(yè)大學(xué)和電力學(xué)校顆粒物的濃度較高但相差不大，可能主要是因?yàn)檫@兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為工業(yè)區(qū)和商業(yè)交通混合區(qū)，顆粒物排放源較多。例如，電力學(xué)校周邊分布有泰山城建熱力有限公司、泰山玻璃纖維廠等；農(nóng)業(yè)大學(xué)附近有北方光學(xué)電子有限公司、城建熱電、溫泉路南段燒烤園等。PM2.5濃度較低的點(diǎn)位人口學(xué)校和交通技校分別位于居民區(qū)和旅游經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，周邊企業(yè)少，植被覆蓋率較高，環(huán)境質(zhì)量好較其它點(diǎn)位好，故PM2.5濃度低。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度年際變化情況 單位：μg/m3

3 PM2.5與其他氣體污染物相關(guān)性分析

對(duì)于二次顆粒來(lái)說(shuō)，其主要是由氣態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化而成的，在一些空氣污染比較厲害的地方，這種污染物的化學(xué)變化是PM2.5污染的重要組成部分，研究這兩者之間的關(guān)系是非常必要的。散點(diǎn)圖是回歸分析中數(shù)據(jù)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系平面上的分布圖，表示因變量隨自變量變化的整體趨勢(shì)，能直觀的反應(yīng)兩個(gè)變量之間的關(guān)系，但不準(zhǔn)確。而相關(guān)系數(shù)則以數(shù)值的方式精確的反映了變量之間相互關(guān)系的強(qiáng)弱程度，相關(guān)系數(shù)通過(guò)正、負(fù)表示相關(guān)的方向，系數(shù)取值在-1～1之間。表3通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)描述相關(guān)程度。

表3 相關(guān)系數(shù)與相關(guān)程度

本文基于2016年1月1日至2016年12月31日空氣自動(dòng)站PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用IBM SPSS Statistics 19.0分別繪制出PM2.5和其它大氣污染物的散點(diǎn)圖及相關(guān)系數(shù)，旨在定性定量的分析PM2.5和其他大氣污染物的相互關(guān)系。

3.1 PM2.5與PM10相關(guān)性分析

運(yùn)用SPSS19.0繪制 PM2.5與PM2.5的散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖6）發(fā)現(xiàn)：R2為0.833，R為0.913＞0.8，線性擬合極好，PM2.5與PM10高度線性相關(guān)。PM2.5與PM10均為氣體顆粒污染物，區(qū)別在于粒徑的大小。二者表現(xiàn)為高度線性相關(guān)，表明二者濃度關(guān)系密切。其中一個(gè)濃度的上升，會(huì)引起另外一個(gè)濃度值的升高。

圖 6 PM2.5與 PM10散點(diǎn)圖

3.2 PM2.5與SO2相關(guān)性分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)期間的PM2.5和SO2濃度數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS19.0繪制這兩個(gè)變量散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖7，我們可以看出：R2為0.444，R為0.666，PM2.5與SO2二者線性相關(guān)且顯著。SO2在一定的條件下，遇到水容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，容易形成硫酸，而硫酸與空氣中的氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)就容易形成（NH4）2SO4，而（NH4）2SO4是PM2.5關(guān)鍵部分。SO2的來(lái)源主要為煤炭石油等化石燃料的燃燒，顯著相關(guān)性表明泰安市煤煙塵對(duì)PM2.5有一定貢獻(xiàn)率。

圖 7 PM2.5與 SO2散點(diǎn)圖

3.3 PM2.5與NO2相關(guān)性分析

由PM2.5與NO2的散點(diǎn)圖8看出：R2=0.582，R=0.763，線性擬合較好，PM2.5與NO2呈顯著正相關(guān)。氮氧化物主要是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣和工業(yè)排放產(chǎn)生，顯著相關(guān)性表明泰安市汽車(chē)尾氣等對(duì)PM2.5有一定的貢獻(xiàn)率。

圖8 PMPM2.5與NO2

3.4 PM2.5與CO相關(guān)性分析

由圖9看出：R2為0.677，R為0.823，PM2.5與CO高度線性相關(guān)。CO主要來(lái)自于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、煤氣發(fā)生站、采暖鍋爐、民用爐灶、固體廢棄物焚燒排出的廢氣。二者表現(xiàn)為高度線性相關(guān)，表明煤煙和汽車(chē)塵對(duì)PM2.5有較大的貢獻(xiàn)率。

圖9 PM2.5與CO散點(diǎn)圖

3.5 PM2.5與O3相關(guān)性分析

由圖10看出：R2為0.151，R為-0.394，PM2.5與O3為較弱的負(fù)相關(guān)，點(diǎn)的分布與橫坐標(biāo)呈平行狀態(tài)，點(diǎn)的離散程度較大，其中一個(gè)濃度的上升，會(huì)引起另外一個(gè)濃度值的降低。臭氧是光化學(xué)反應(yīng)的主要結(jié)果，研究臭氧與 PM2.5的關(guān)系是非常必要的，可以通過(guò)這個(gè)過(guò)程判斷反應(yīng)過(guò)程對(duì)PM2.5的影響。VOCs通過(guò)氧化、吸附、凝結(jié)等與空氣中的氧化劑OH、硝酸HNO3、臭氧O3發(fā)生反應(yīng)生成二次有機(jī)顆粒物，這些二次有機(jī)顆粒物就包含PM2.5和PM10，同時(shí)，當(dāng)VOCs通過(guò)光照與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)后，會(huì)生產(chǎn)臭氧O3及俗稱(chēng)的光化學(xué)煙霧。

圖 10 PM2.5與O3散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

（1）2013年P(guān)M2.5濃度最高，之后呈逐年下降趨勢(shì)，下降幅度明顯，但年均濃度仍高于環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-2012）。

（2）泰安市PM2.5濃度 1月最高，7月最低，季節(jié)變化明顯，冬季污染最重，夏季最輕，這主要是由冬季燃煤取暖和氣象條件不利于污染物擴(kuò)散造成的。

（3）PM2.5存在比較明顯的日變化，呈雙峰型。波峰出現(xiàn)在9時(shí)和21時(shí)，波谷出現(xiàn)在15時(shí)。

（4）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位PM2.5濃度差異不大，其中農(nóng)業(yè)大學(xué)、電力學(xué)校濃度較高，PM2.5人口學(xué)校、交通技校濃度較低。

（5） PM2.5與PM10、CO線性關(guān)系為高度正相關(guān)，與SO2、NO2為顯著正相關(guān)，與O3為低度負(fù)相關(guān)。