鹽城市秋冬季節(jié)PM2.5污染特征及來源分析

咸月，王磊黎，單龍，郭振東，吉祝美，張俊，馬晶晶

(江蘇省鹽城環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 鹽城 224002)

近年來，我國霧霾治理取得了一定成效，大部分城市大氣環(huán)境污染狀況得到明顯改善[1]，但在秋、冬季節(jié)的不利天氣條件下，顆粒物污染仍時(shí)有發(fā)生，首要污染物以細(xì)顆粒物(PM2.5)為主[2-3]。PM2.5主要由有機(jī)碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性離子及無機(jī)元素等組成[4]。研究PM2.5的濃度及其化學(xué)組分的時(shí)空特征，對(duì)把握城市和區(qū)域整體污染水平，進(jìn)而科學(xué)制定污染防治措施，指導(dǎo)人們生產(chǎn)生活都有重要意義[5-7]。

為了進(jìn)一步摸清鹽城市大氣顆粒物組分的時(shí)空變化規(guī)律，在鹽城市開展大氣PM2.5離線監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行組分分析和重建，科學(xué)研判大氣污染成因，評(píng)估重污染天氣應(yīng)對(duì)措施成效，以期為開展大氣污染治理，改善空氣質(zhì)量提供決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣品采集

1.1.1 采樣點(diǎn)位及時(shí)間

采樣點(diǎn)位：綜合考慮城市功能分布、人口密度、環(huán)境敏感程度等因素，選取鹽城市監(jiān)測(cè)站國控考核點(diǎn)位(東經(jīng)：120.160317°，北緯：33.392806°)進(jìn)行采樣，采樣高度15 m。

采樣時(shí)間：2019年10月—2020年2月，為期152 d。

1.1.2 儀器及方法

使用4臺(tái)嶗應(yīng)2050單通道小流量大氣顆粒物采樣器(流量16.7 L/min，青島嶗應(yīng)環(huán)境科技有限公司)，同步采集4個(gè)PM2.5平行樣品，其中2個(gè)為石英濾膜樣品，2個(gè)為特氟龍有機(jī)濾膜樣品。采樣時(shí)長(zhǎng)為23 h(當(dāng)日09：00—次日08：00)，每月第1個(gè)采樣日加采2個(gè)全程序空白樣品(1個(gè)石英濾膜樣品和1個(gè)特氟龍濾膜樣品)。

1.1.3 監(jiān)測(cè)頻次

手工監(jiān)測(cè)頻次為每3 d 1次；若采樣期間出現(xiàn)以PM2.5為首要污染物的空氣重污染過程時(shí)，監(jiān)測(cè)頻次為1次/d。

1.2 樣品分析

1.2.1 分析項(xiàng)目及依據(jù)

分析項(xiàng)目為：PM2.5質(zhì)量濃度，PM2.5中水溶性離子、無機(jī)元素和碳組分的質(zhì)量濃度。

1.2.2 分析方法

采樣濾膜使用前，將石英濾膜放入550 ℃ 的馬弗爐中烘2 h，以除去雜質(zhì)；采樣前后濾膜平衡時(shí)間不少于24 h，平衡溫度應(yīng)控制在(25±1) ℃，平衡相對(duì)濕度應(yīng)控制在(50±5)% 。

水溶性離子分析測(cè)試時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)分膜器或陶瓷刀進(jìn)行濾膜切割，試樣管、過濾頭等器具均為1次性使用，避免交叉污染；樣品超聲提取時(shí)，在超聲外部水溶液環(huán)境中須通過加冰塊等方法保證水浴溫度<20 ℃，以減少目標(biāo)物的損失量。碳組分分析測(cè)試時(shí)，統(tǒng)一使用DRI2015有機(jī)碳/無機(jī)碳分析儀(DRI-M0061，美國Atmosiytic公司)，須記錄每日所有樣品分析中的甲烷(CH4)內(nèi)標(biāo)FID響應(yīng)值，統(tǒng)計(jì)所有樣品的甲烷峰面積的平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)于明確離群的樣品則須重新測(cè)定。

1.3 氣象條件

2019年10月—2020年2月，鹽城市月平均氣溫為1.8～17 ℃，其中2020年1月和2月氣溫相較近3年同期平均偏高1.5 ℃。2019年10月—2020年2月降水量為1.4～55.5 mm，其中10月降水量最少，1月降水量最多。鹽城市秋季的主導(dǎo)風(fēng)向以東南風(fēng)為主，冬季以西北風(fēng)為主。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量變化

2019年10月—2020年2月鹽城市空氣質(zhì)量及優(yōu)良率統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可見，鹽城市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率均≥71.0%。2019年10月，空氣質(zhì)量全省排名第1位；2020年2月，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率達(dá)到96.6%，這是由于疫情管控使人為活動(dòng)和污染源排放大大減少。監(jiān)測(cè)期間以優(yōu)、良天為主，其中12月和1月污染天較多，12月出現(xiàn)輕度污染9 d，1月出現(xiàn)輕度污染5 d、中度污染2 d、重度污染2 d。

表1 2019年10月—2020年2月鹽城市空氣質(zhì)量及優(yōu)良率統(tǒng)計(jì)

2.2 PM2.5質(zhì)量濃度變化

2019年10月—2020年2月鹽城市PM2.5月均質(zhì)量濃度變化見圖1。由圖1可見，鹽城市2019年10—12月ρ(PM2.5)月均值為50.19 ～59.56 μg/m3，2020年1月該值升至62.59 μg/m3，這可能與1月春運(yùn)期間移動(dòng)源排放增加有關(guān)。2020年2月，受疫情管控的影響，ρ(PM2.5)降至43.32 μg/m3，同1月份相比，降低了30.8%。

圖1 2019年10月—2020年2月鹽城市PM2.5月均質(zhì)量濃度

圖2 2019年10月—2020年2月鹽城市PM2.5化學(xué)組成變化

2.3 PM2.5質(zhì)量平衡分析

圖3 2019年10月—2020年2月鹽城市實(shí)測(cè)PM2.5和重建PM2.5相關(guān)性分析

2.4 PM2.5組分分析

2.4.1 PM2.5化學(xué)組成變化

監(jiān)測(cè)期間鹽城市PM2.5的化學(xué)組成包括：OC、EC、SNA、crustal、K+、Cl-和other。2019年10月—2020年2月鹽城市PM2.5化學(xué)組成變化見圖4(a)(b)(c)(d)(e)。由圖4可見，鹽城市PM2.5的主要成分是水溶性離子中的SNA，其每月占比為49%，39%，51%，62%，56%。OC在PM2.5組分中占比為13%～19%，其中，2020年1月占比最低，2019年12月占比最高。crustal主要表征局地?fù)P塵以及沙塵過境影響，在城市中主要表征土壤、沙塵對(duì)顆粒物的影響，2019年10月和11月受北方沙塵傳輸影響，鹽城市PM2.5組分中crustal是除SNA之外占比最大的組分，分別是20%和28%。

圖4 2019年10月—2020年2月鹽城市PM2.5化學(xué)組成變化

2.4.2 水溶性離子組成變化

圖5 2019年10月—2020年2月鹽城市水溶性離子組成

2.4.3 后向軌跡分析

2019年10月30日鹽城市后向軌跡見圖6。由圖6可見，鹽城市在2019年10月底和11月初受到一次明顯的北方沙塵天氣影響，在11月1日08：00達(dá)到最大污染濃度(AQI指數(shù)為211，PM10小時(shí)質(zhì)量濃度為308 μg/m3)。通過氣象觀測(cè)資料可知，10月和11月的降雨量明顯少于12月—次年2月，濕沉降減少。外源沙塵影響和內(nèi)部不利的氣象條件會(huì)共同導(dǎo)致顆粒物中crustal濃度的顯著增加。

圖6 2019年10月30日鹽城市后向軌跡

2.5 PM2.5來源解析

2.5.2 OC/EC的質(zhì)量比變化

OC和EC的質(zhì)量比[m(OC)/m(EC)]在研究碳質(zhì)氣溶膠的主要來源上具有重要作用。柴油和汽油車尾氣排放的m(OC)/m(EC)為1.0～4.2，燃煤排放為2.5～10.5，生物質(zhì)的燃燒排放為16.8～40.0[13]。

2019年10月—2020年2月鹽城市m(OC)/m(EC)變化見圖8。由圖8可見，m(OC)/m(EC)比值波動(dòng)范圍較大，為1.56～14.37，均值為4.70。從時(shí)間上來看，大部分時(shí)間m(OC)/m(EC)落在2～6區(qū)間內(nèi)，說明碳質(zhì)氣溶膠可能主要來自機(jī)動(dòng)車尾氣和工業(yè)燃煤的共同排放。

圖7 2019年10月—2020年2月鹽城市變化

圖8 2019年10月—2020年2月鹽城市m(OC)/m(EC)變化

2.6 主成分因子分析

主成分因子分析法(PCA)[14-15]是指通過正交變換將一組可能存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量。各化學(xué)組分載荷值越大，不同因子與相應(yīng)化學(xué)組分的相關(guān)性也越大，一般認(rèn)為載荷值>0.5 的化學(xué)組分為因子(源類型)的指示物。為得到更加清晰的指示物，使各因子(源類型)中指示物的載荷值更加接近1.0，而非接近0，在主成分因子分析時(shí)進(jìn)行了最大方差旋轉(zhuǎn)。在主成分分析提取因子時(shí)，保留了特征值>1.0 的因子(特征值等于數(shù)據(jù)在旋轉(zhuǎn)之后的坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)維度上的方差)。

表2 2019年10月—2020年2月鹽城市PM2.5化學(xué)組分主成分因子分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 2019年10月—2020年2月鹽城市ρ(PM2.5)平均值為54.25 μg/m3，月均值為43.32～62.59 μg/m3；受疫情管控影響，2020年2月，ρ(PM2.5)最低為43.32 μg/m3，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率達(dá)到96.6%。

(4)通過分析2019年11月初重污染過程中crustal濃度變化，可知秋、冬季鹽城市PM2.5受北方沙塵天氣等外源影響嚴(yán)重。

(5)利用PCA法對(duì)監(jiān)測(cè)期間鹽城市PM2.5組分來源進(jìn)行解析，分析結(jié)果為土壤和揚(yáng)塵源、燃燒源以及二次無機(jī)源對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)分別為40.32%，28.46%和14.18%。