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大气环境污染特征分析

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摘要:利用城区4个大气监测点的监测数据,按照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)对德阳城区的空气质量进行评价,德阳市的主要污染特征为颗粒物和臭氧交替污染,夏季臭氧污染较为突出,冬季PM2.5污染较为突出。对比近三年的总体变化特征,颗粒物污染的突出性略有下降,臭氧污染的突出性略有上升。PM2.5/PM10的比值范围在0.26-0.82之间,比值范围较宽,颗粒物来源包括北方沙尘南下和自身工业生产排放等多种因素。

关键词:大气环境;污染;颗粒物

随着工业的飞速发展,能源消耗规模不断上升,机动车保有量的快速增加,城市空气污染对人类健康的威胁逐渐凸显[1]。世界卫生组织于2005年发布了《空气质量准则》规定了各污染物浓度标准值,并于2013年公布PM2.5能致癌,引起人们对城市空气质量的普遍关注,尤其是对雾霾天的关注,各地政府均制定了相关的重污染天气应急处置措施。每年冬季我国中东部地区常出现雾霾天气,大范围的大气污染,多地已制定区域联防联控机制。德阳市环境质量公报显示德阳市近年空气污染物主要是可吸入颗粒物,臭氧污染也时有发生,主要发生在夏季。对德阳市的大气环境进行分析,以近3年的空气污染特征,探讨该城市的空气质量的变化,影响城市空气质量的因素。

1研究方法

1.1研究区概况

德阳市地处四川盆地西北边缘,地势西北高东南低,西北部为龙门山脉中段,中部为成都平原东北部,东南部为盆中丘陵,距省会成都58公里。地处东经103°45′-105°15′北纬30°31′-31°42′之间。属中纬度亚热带季风湿润气候,季风气候明显,四季分明,气候温和,雨量充沛,日照较少,夏无酷暑,冬少严寒。年平均气温16.6~17.9℃,极端最高气温36.5℃,极端最低气温-4.5℃。年降水量882.0~1024.1mm,年日照时数891.8~1218.7小时,年平均相对湿度81%,平均湿度月最高85%,平均湿度月最小75%。长年主导风向为东北风,年平均风速1.6m/s。

1.2实验数据及点位使用数据

为德阳市东山公园、西小区、检察院、耐火材料厂4个空气质量自动监测点监测值。监测设备全部为点式设备,PM10、PM2.5监测使用β射线法颗粒物监测仪,PM2.5采样系统中配置动态湿度控制系统(DHS),量程为0~10mg/m3,最低检出限为1μg/m3。

2结果与讨论

2.1首要污染物变化特征

2014年按照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)对SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5六个项目开展监测,使用空气质量指数(AQI)替代原有的空气污染指数(API)定量描述空气质量状况。以4个监测点的平均值计算德阳市区各污染物的空气质量分指数(IAQI),从各项污染物的IAQI中选择最大值确定为AQI,当AQI大于50时将IAQI最大的污染物确定为首要污染物。德阳市的主要污染特征为颗粒物和臭氧交替污染。每年冬季PM2.5污染较为突出,冬季首要污染物为PM2.5的比例较高。结合德阳市的气候和地理位置进行分析。德阳市处于四川盆地成都平原的东北边缘。夏季降水充沛,对空气中的颗粒物有清洗作用,气温较高,空气对流较强,化石燃料的燃烧废气、汽车尾气等污染源产生的颗粒物不易累积,日照时间增长,在强烈的阳光紫外线照射下,污染源排入大气的挥发性有机物(VOCS)和氮氧化物(NOX)等一次污染物发生复杂光化学反应,生成臭氧等二次污染物。对比近三年的总体变化特征,颗粒物污染的突出性略有下降,PM2.5为首要污染物的天数2014年共182天,2015年138天,2016年132天,下降较明显。PM10为2014年共44天,2015年61天,2016年64天。臭氧污染的突出性明显上升,臭氧为首要污染物2014年共56天,2015年100天,2016年108天。NO2为首要污染物的天数明显下降,2014年共9天,2015年1天,2016年0天,SO2和CO未出现为首要污染物。

2.2颗粒物和臭氧的浓度变化

以4个监测点的平均值计算全市的日均浓度值,颗粒物浓度变化如图1所示。由图1可以看出,PM10和PM2.5浓度变化基本一致,1-4月和11-12月间浓度相对较高。2-3月PM10浓度变化较大,全年最高值为3月5日301μg/m3,超标1.0倍,PM10/PM2.5比值为3.1。冬季气温偏低空气湿度较大且流动性较弱,污染物易累积,PM2.5全年最高值为12月9日178μg/m3,超标1.4倍,PM10/PM2.5比值为1.5。4个监测点2016年PM10年均值分别为:东山公园87μg/m3,西小区87μg/m3,检察院83μg/m3,耐火材料厂97μg/m3,耐火材料厂点位浓度较高,其他3个点位相差不大。PM2.5年均值分别为:东山公园41μg/m3,西小区52μg/m3,检察院55μg/m3,耐火材料厂64μg/m3,东山公园最低,比西小区点位低21%。东山公园点位位于德阳市区东北角,位于东山娱乐城最高点,紧邻东湖山公园,东湖山公园是集山水园林为一体的生态公园,PM2.5较低可能是由于点位周边森林覆盖率较高,汪永英[2]等研究森林对PM2.5有一定的净化作用。如图3所示,臭氧8小时浓度波动特征与颗粒物相反,5-9月浓度相对较高。夏季受青藏高压和副热带高压影响,6-8月易出现晴热高温天气,紫外线照射强烈,臭氧全年最高值为6月7日239μg/m3,超标0.5倍。

2.3PM10和PM2.5的浓度关系

分别选取2016年中PM10为首要污染物和PM2.5为首要污染物两种监测结果时的日均浓度,分析PM10和PM2.5浓度值的相关性,用SPSS数据分析软件计算两者的相关性。当首要污染物为PM2.5时,PM10和PM2.5的相关系数为0.96,线性回归方程斜率为0.67。当首要污染物为PM10时,两者的相关系数为0.89,斜率为0.28,两者存在显著的线性关系且有较强的同向相关性,其中由于沙尘输入型污染对PM10影响较大,PM10为首要污染物时两者的相关系数较低。2016年PM2.5/PM10的日均浓度比值范围在0.26-0.82之间。李卫军[3]等的研究测得北京2006年PM2.5/PM10比值范围为0.45-0.60,黄郦鸣等的实验测得南京2001年比值范围为0.54-0.86,说明北方城市PM10对空气污染的影响较大,南方城市的细颗粒物占比更高,德阳市的比例范围较宽,原因可能是春秋季受北方的沙尘影响较明显,冬季由于空气湿度较大,空气流动性较弱,细颗粒物易形成累积。由于颗粒物越小危害越大,PM2.5占PM10的比例越高,对环境潜在的污染可能就越大,冬季污染物对环境和人体健康的危害更高。

2.4污染物浓度与气象参数相关性

使用SPSS19.0计算相关系数。计算2017年1月1日-31日污染物浓度与气象参数的相关性。颗粒物与能见度、风速均呈负相关关系,与气温、湿度的相关性较弱。可能冬季风速变化较小,对颗粒物累积及扩散的影响较小。能见度能够反映空气中颗粒物的消光特性,与颗粒物的浓度变化呈现相反的特征。由于四川盆地地形原因和城市热岛效应市区常出现逆温层,对逆温层的探测目前主要靠激光雷达。重污染期间激光雷达探测大气边界层最低达到约400m,大气边界层内空气运动受地表面的热力和动力作用影响较大,边界层的下降会影响颗粒物在垂直方向的扩散能力。

2.5臭氧及NO2浓度值的变化关系

NO2为首要污染物天数逐年减少,NO2年均浓度逐年下降,2014年、2015年、2016年年均浓度分别为35μg/m3、30μg/m3、26μg/m3,臭氧超标天数逐年上升,臭氧污染逐渐凸显。臭氧在一天当中的变化曲线一般为单峰污染,表3冬季相关性计算结果中,臭氧与气温为正相关关系,城区一天当中的最高温度一般在15时左右,臭氧浓度变化相对气温变化存在滞后性。目前的研究表明,臭氧污染的前体物为NO2和VOCS。2016年6月臭氧超标率为43%。用SPSS软件计算2016年6月臭氧小时平均浓度与NO2小时平均浓度的相关系数为-0.475,在0.01水平(双侧)上显著相关。

3结论

(1)在目前已开展的六个污染物监测项目中颗粒物和臭氧污染较为突出。从时间分布上看,冬、夏两季空气质量较差,冬季PM2.5污染较突出,夏季臭氧污染较突出,春、秋季三种污染物均有出现污染,PM2.5和PM10日均浓度变化较大,沙尘天气对PM10影响较大。臭氧污染天数有逐年增加的趋势。

(2)从空间分布看,城区4个监测点颗粒物浓度变化趋势基本一致,4个监测点PM2.5/PM10比值变化曲线较一致,东山公园点位因周边森林对PM2.5有一定净化作用,年均浓度较低。以城市均值进行PM2.5和PM10的相关性计算,PM2.5/PM10比值范围较宽,首要污染物为PM10时相关系数为0.893,首要污染物为PM2.5时相关系数为0.963,相关性较强。

(3)沙尘天气中德阳市与周边城市PM10浓度变化趋势一致,说明德阳市处于沙尘输送路径中。对比4个城市的PM10日均浓度值,北方沙尘在传输过程中对城市空气质量的影响逐渐减弱。

(4)冬季出现雾霾频率较高,从1月和6月污染物和气象参数的相关性计算来看,颗粒物和臭氧浓度变化与气象参数变化的相关性较强。

参考文献

[1]王淑兰,柴发合,张远航等.成都市大气颗粒物污染特征及其来源分析[J].地理科学,2004,24(4):488-492.

[2]汪永英,孙琪,李昭,韩冬荟,孟琳,郭敏,段文标等.典型天气条件下哈尔滨城市森林不同林型对PM2.5的调控作用研究[J].安徽农业科学,2016,(5):175-179.

[3]李卫军,邵龙义,李金娟,杨书申等.北京市大气中PM10和PM2.5的污染水平特征研究[J].环境与可持续发展,2006,(2):18-20.

作者:高韦韦;肖勇,傅德瑜;杨净 单位:德阳市环境监测中心站

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