太原市2022年1月份PM2.5變化特征

張國(guó)斌

（山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山西 太原 030002）

PM2.5是空氣污染物的主要成分，是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm 的細(xì)顆粒物[1]，由于其比表面積大，可以載帶有毒物質(zhì)進(jìn)入人體肺泡內(nèi)，對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2-3]。PM2.5由多種化學(xué)成分組成，主要包括水溶性離子、各種礦物元素和有機(jī)物等，其中，水溶性離子是PM2.5的重要化學(xué)成分，其能反映顆粒物的形成和表面性質(zhì)，改變顆粒物的酸堿性[4-5]。通過對(duì)PM2.5及其組分的大小、變化特征及來源情況的研究，對(duì)制定科學(xué)合理的PM2.5防治措施具有重要意義。本文利用PM2.5在線監(jiān)測(cè)儀、在線氣體/氣溶膠監(jiān)測(cè)儀、單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀對(duì)太原市2022 年1 月份PM2.5的質(zhì)量濃度、組分及污染物來源進(jìn)行了分析，以期為太原市環(huán)境空氣治理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)和時(shí)間

本研究采樣點(diǎn)位于山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心樓頂（緯度和經(jīng)度分別為37°52′09"N，112°32′13"E），點(diǎn)位和地面相距約15 m，由于其地處交通、商業(yè)和居民混合區(qū)，四周空曠，沒有高大建筑物，并且人流、車流量較大，采樣點(diǎn)能夠代表典型的太原市城市環(huán)境，采樣時(shí)間為2022 年1 月1 日至31 日。

1.2 儀器

本研究使用儀器均處于山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心樓頂，包括PM2.5 在線監(jiān)測(cè)儀（美國(guó)熱電）、在線氣體/氣溶膠監(jiān)測(cè)儀（瑞士萬通）、單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（廣州禾信），除國(guó)控點(diǎn)位PM2.5 在線監(jiān)測(cè)儀按國(guó)家要求運(yùn)維外，另外2 臺(tái)儀器由工作人員按相關(guān)要求進(jìn)行定期維護(hù)，確保數(shù)據(jù)連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 太原市1 月份PM2.5 質(zhì)量濃度概況

2022 年1 月份太原市優(yōu)良天為16 d，3 級(jí)及以上污染天共15 d，優(yōu)良率為51.6%，PM2.5平均質(zhì)量濃度為86 μg/m3，同比上升53.6%，環(huán)境空氣質(zhì)量惡化明顯。1 月份PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度變化情況見圖1。如圖1所示，在監(jiān)測(cè)時(shí)間，大部分時(shí)間段PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度值均超過了75 μg/m3（二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)線），個(gè)別時(shí)間段PM2.5質(zhì)量濃度值達(dá)到中至重度污染水平，PM2.5質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在28 日17 時(shí)，其質(zhì)量濃度值為244 μg/m3，達(dá)到了較高的5 級(jí)重度污染。將監(jiān)測(cè)期間太原市不同國(guó)控點(diǎn)位PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行比較（見下頁圖2），從圖2 中可以看出，北部點(diǎn)位PM2.5質(zhì)量濃度值較低，南部點(diǎn)位PM2.5質(zhì)量濃度值較高，其中，上蘭點(diǎn)位PM2.5質(zhì)量濃度值最低，小店最高，這符合太原市地形特點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分布。

圖1 太原市1 月份PM2.5 小時(shí)質(zhì)量濃度變化

圖2 太原市各國(guó)控點(diǎn)位PM2.5 質(zhì)量濃度對(duì)比

2.2 PM2.5 組分分析

在PM2.5組分中，無機(jī)水溶性離子占比最高，尤其是通過化學(xué)反應(yīng)生成的SO42-、NO3-、NH4+三種離子含量最高，它們一般能占到PM2.5的30%～50%，本研究中它們?nèi)哔|(zhì)量濃度之和為PM2.5的39.0%（見下頁表1）。如表1 所示，1 月份二次生成離子質(zhì)量濃度同比均有明顯上升，上升幅度在105.2%～158.2%之間；鎂離子、鈣離子質(zhì)量濃度下降，降幅分別為48.6%和41.7%，鉀離子質(zhì)量濃度上升，鈉離子質(zhì)量濃度下降。同比2021 年1 月，SO42-、NO3-、NH4+三者在PM2.5中的占比均有上升，升幅在3.4%～4.4%，顆粒物的二次轉(zhuǎn)化增強(qiáng)。

表1 在線離子色譜離子濃度統(tǒng)計(jì)

2.3 PM2.5 在線源解析情況

單顆粒質(zhì)譜儀采用自適應(yīng)共振理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ART-2a）對(duì)顆粒物進(jìn)行分析，然后再根據(jù)化學(xué)成分特征人為將這些顆粒物類型合并，能夠快速對(duì)PM2.5進(jìn)行在線來源解析[6-7]。太原市1 月份PM2.5在線源解析結(jié)果見圖3。如圖3 所示，在各污染源中，工業(yè)工藝源、燃煤源及二次無機(jī)源為最主要的污染源類，它們?nèi)哒急戎蜑?8.2%，冬季燃煤源貢獻(xiàn)有較為明顯增加，同時(shí)也應(yīng)重視二次無機(jī)源對(duì)PM2.5濃度的貢獻(xiàn)。

圖3 太原市1 月份在線源解析結(jié)果

將1 月份PM2.5源解析結(jié)果按照不同污染等級(jí)作圖，對(duì)比結(jié)果見圖4。如圖4 所示，從優(yōu)級(jí)天至重度污染天變化過程中，PM2.5質(zhì)量濃度從21 μg/m3上升至244 μg/m3，增加了11.6 倍，在此期間，燃煤源貢獻(xiàn)持續(xù)上升，占比增加了8.2%，顆粒數(shù)質(zhì)量濃度從625 個(gè)/h 上升至13 206 個(gè)/h，升幅約20 倍。從優(yōu)至中度污染，二次無機(jī)源占比上升了7.6%，顆粒數(shù)濃度從403 個(gè)/h 上升至3875 個(gè)/h，升幅約8.6 倍。各PM2.5濃度等級(jí)時(shí)段內(nèi)工業(yè)工藝源維持較高，占比在24%以上。

圖4 不同PM2.5 污染等級(jí)下在線源解析結(jié)果

2.4 污染源分析

將PM2.5主要污染源貢獻(xiàn)及風(fēng)向來源進(jìn)行作圖，得出主要污染物及污染源的時(shí)空分布情況，結(jié)果見下頁圖5、圖6。如圖所示，PM2.5質(zhì)量濃度高值主要來自于西南方向，機(jī)動(dòng)車尾氣源高值區(qū)零散出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位周邊，主要集中在北面，受早高峰影響占比在6 h～10 h 逐漸上升。燃煤源高值區(qū)與SO2基本一致，均主要集中在西南方向，高值時(shí)段為午后至傍晚，應(yīng)關(guān)注太原市南部及鄰近縣市污染物排放情況。工業(yè)工藝源高值主要來源于太原市北部和東北部，結(jié)合圖6，工業(yè)工藝源占比在3 h～11 h 較高，注意關(guān)注該方向企業(yè)污染物排放對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響。

圖5 桃園點(diǎn)位主要污染源與PM2.5、SO2、NO2 風(fēng)向來源熱點(diǎn)圖

圖6 桃園點(diǎn)位主要污染源貢獻(xiàn)占比日變化規(guī)律

3 結(jié)論

1）2022 年1 月份太原市環(huán)境空氣優(yōu)良率為51.6%，與去年同期相比，PM2.5質(zhì)量濃度上升53.6%，上升幅度較為明顯；從空間分布看，PM2.5質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)北部較低、南部較高的特征；

2）在PM2.5水溶性離子組分中，通過化學(xué)反應(yīng)生成的SO42-、NO3-、NH4+三種二次離子占比最高，它們濃度之和占PM2.5的39.0%。在PM2.5占比中，二次離子濃度同比均有所增加；

3）太原市1 月份工業(yè)工藝源、燃煤源和二次無機(jī)源為最主要的PM2.5來源，三者占比之和為68.2%；從污染源時(shí)空分布結(jié)果看，1 月份太原市PM2.5主要來自于西南風(fēng)向。