鎮(zhèn)江市冬季 PM2.5的來源解析

劉 曄，甘小兵

（鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站預(yù)警室，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

鎮(zhèn)江市冬季 PM2.5的來源解析

劉 曄，甘小兵

（鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站預(yù)警室，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

采集了鎮(zhèn)江環(huán)境監(jiān)測(cè)站 1月份的 PM2.5樣品，用 SPAMS 0515對(duì) PM2.5來源進(jìn)行解析，結(jié)果顯示，對(duì)鎮(zhèn)江市區(qū)冬季環(huán)境空氣有明顯貢獻(xiàn)的顆粒物來源是汽車尾氣、燃煤、工業(yè)排放和揚(yáng)塵，4者的貢獻(xiàn)率分別為汽車尾氣占 22.5%、燃煤占 16.3%、工業(yè)源占 13.6%、揚(yáng)塵占 11.8%。鎮(zhèn)江市區(qū)冬季 PM2.5顆粒中，汽車尾氣、燃煤分布在小粒徑段，揚(yáng)塵分布在大粒徑段。日間汽車尾氣和揚(yáng)塵對(duì) PM2.5增高的影響增大，早高峰、晚高峰汽車尾氣貢獻(xiàn)增長(zhǎng)。PM2.5中含的 Mn、Fe、Cr、Zn、Pb 5種金屬元素顆粒中含 Pb顆粒數(shù)量最大。

PM2.5；源解析；冬季；鎮(zhèn)江

1 引言

當(dāng)前我國(guó)大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，以可吸入顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物 （PM2.5）為特征污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出。為切實(shí)改善空氣質(zhì)量，國(guó)務(wù)院于2013年9月發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱 “國(guó)十條”），其中提出具體指標(biāo)：到2017年，全國(guó)地級(jí)及以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10%以上，優(yōu)良天數(shù)逐年提高；京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等區(qū)域細(xì)顆粒物濃度分別下降25%、20%、15%左右。位于長(zhǎng)三角地區(qū)的鎮(zhèn)江，到2017年細(xì)顆粒物濃度要下降20%，要達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，首先要搞清楚鎮(zhèn)江市細(xì)顆粒物的組成及來源，然后才能對(duì)癥下藥治理。

目前，成都［1］、鄭州［2］、上海［3］、青島［4］等城市都已開展 PM2.5的監(jiān)測(cè)與源解析工作，采用的大氣顆粒物來源解析技術(shù)方法主要有源清單法、源模型法和受體模型法。源清單法和源模型法因需要收集統(tǒng)計(jì)污染源數(shù)據(jù)等大量前期工作，使用限制較多，而受體模型不依賴排放源數(shù)據(jù)，不用追蹤顆粒物遷徙過程，使用方便，應(yīng)用廣泛［5］。受體模型主要包括化學(xué)質(zhì)量平衡模型（CMB）和因子分析類模型 （PMF、PCA／MLR、UNMIX等），國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的是 CMB模型［6］、PMF模型［7］和 PCA模型［8］。除此以外，還有一些不完全屬于上述任何一種的源解析技術(shù)，廣州禾信的在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀就是其中一種。該儀器通過激光粒徑掃描和飛行時(shí)間質(zhì)譜在線分析統(tǒng)計(jì)PM2.5顆粒中各來源顆粒的數(shù)量，得到 PM2.5中各來源顆粒的情況，目前已在20多個(gè)城市分析應(yīng)用，效果良好。

本文對(duì)鎮(zhèn)江市區(qū)冬季的PM2.5進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)分析，分析鎮(zhèn)江市區(qū)冬季PM2.5來源組成和變化情況，以揭示鎮(zhèn)江市區(qū)冬季 PM2.5的來源，全面提高對(duì)鎮(zhèn)江市區(qū)空氣質(zhì)量問題的認(rèn)識(shí)，為降低細(xì)顆粒物濃度提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

布設(shè)采樣點(diǎn)依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量檢測(cè)規(guī)范》（試行）的相關(guān)要求，優(yōu)先選擇國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)［9］。因此本文選擇鎮(zhèn)江市潤(rùn)州區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 （119°26′E，32°12′N）這個(gè)國(guó)控點(diǎn)進(jìn)行研究。本文中的 PM2.5濃度監(jiān)測(cè)和來源解析都采用 24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)方式，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2014年1月8日16∶00 至2014年1月11日 16∶00，觀測(cè)期間定期進(jìn)行質(zhì)量控制，審核數(shù)據(jù)有效性，根據(jù)審核數(shù)據(jù)審核規(guī)則剔除無效數(shù)據(jù)。PM2.5濃度監(jiān)測(cè)儀器為武漢天虹TH2000PM β射線監(jiān)測(cè)儀，PM2.5源解析采用廣州禾信的 SPAMS 0515在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀。SPAMS 0515由進(jìn)樣系統(tǒng)、測(cè)徑系統(tǒng)、電離系統(tǒng)和質(zhì)譜分析系統(tǒng)組成，氣溶膠經(jīng)由 PM2.5切割頭進(jìn)入進(jìn)樣系統(tǒng)，通過空氣動(dòng)力學(xué)透鏡引入顆粒物至真空系統(tǒng)，再將聚焦顆粒物送至中軸線，在測(cè)徑系統(tǒng)里測(cè)定單顆粒粒徑，隨后精確觸發(fā) 266nm激光電離顆粒物，在電離系統(tǒng)里單顆粒中的各種正負(fù)離子成分同時(shí)電離，最后進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)譜分析系統(tǒng)同時(shí)檢查正負(fù)離子。儀器簡(jiǎn)圖見圖1。將測(cè)得的顆粒質(zhì)譜圖與系統(tǒng)內(nèi)污染源譜庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)各種來源顆粒的數(shù)量，即得到相關(guān)的源解析數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

觀測(cè)期內(nèi) SPAMS 0515測(cè)徑的顆粒物達(dá) 668372個(gè)，其中有正負(fù)質(zhì)譜圖的顆粒164106個(gè)，由于有的顆粒被電離后僅僅能檢測(cè)到正離子或負(fù)離子，有的顆粒未被精準(zhǔn)電離，所以檢測(cè)有正負(fù)質(zhì)譜圖的顆粒數(shù)和測(cè)徑的顆粒物數(shù)目并不一致，但是從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來看，所測(cè)離子數(shù)已經(jīng)能夠反映 PM2.5的總體情況。

3.1 PM2.5來源總體分析

SPAMS 0515將觀測(cè)期內(nèi)的顆粒通過雙質(zhì)譜分析后分類成有機(jī)碳、元素碳有機(jī)碳、元素碳、富硅酸鹽、高分子有機(jī)物、富鉀、重金屬和其他。其中，元素碳有機(jī)碳項(xiàng)是指既含有機(jī)碳粒子特性、又有元素碳粒子特性的顆粒，各種類顆粒數(shù)的比例見圖2。由圖2可見，PM2.5顆粒主要成分是有機(jī)碳顆粒，其次是元素碳有機(jī)碳顆粒，然后是富鉀顆粒。

通過與 SPAMS 0515內(nèi)建的源譜圖對(duì)比后統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，得到觀測(cè)期內(nèi) PM2.5各來源的分擔(dān)率 （圖3），可以看出明確已知的來源中分擔(dān)率最大的是汽車尾氣和燃煤，分別為22.5%和16.3%，工業(yè)源和揚(yáng)塵次之，分擔(dān)率分別為 13.6%和11.8%。鎮(zhèn)江不是沿海城市，海鹽的影響非常低，僅有0.7%。由此可見，鎮(zhèn)江市區(qū)冬季PM2.5濃度較高，主要與鎮(zhèn)江市區(qū)汽車保有量大、尾氣排放量大有關(guān)，因此，要降低鎮(zhèn)江市區(qū)PM2.5濃度，勢(shì)必要控制機(jī)動(dòng)車尾氣排放。鎮(zhèn)江冬季不燒煤供暖，燃煤部分對(duì) PM2.5濃度高的貢獻(xiàn)，主要來源于工廠燃煤和外區(qū)域顆粒物的長(zhǎng)距離輸送。工業(yè)源分擔(dān)率僅為13.6%，說明單純靠企業(yè)減排、灰霾天氣下的停產(chǎn)停工，并不能顯著降低冬季鎮(zhèn)江市區(qū)PM2.5的濃度。

3.2 各類來源與粒徑分布的關(guān)系

通過SPAMS 0515的激光測(cè)徑與組分分析，可以得到各類來源在不同粒徑里的分布情況 （圖4）。在小粒徑（粒徑≤1 μm）范圍里，汽車尾氣和燃煤所占比例較大。隨著顆粒的增大，揚(yáng)塵和生物質(zhì)燃燒所占比例增大，汽車尾氣和燃煤的比例減小。工業(yè)源和二次無機(jī)源比例較穩(wěn)定。當(dāng)粒徑增大到2.5μm時(shí)，主要來源變?yōu)閾P(yáng)塵和生物質(zhì)燃燒。

3.3 各類來源與時(shí)間的關(guān)系

將6∶00—18∶00點(diǎn)歸類為日間，18∶00—次日6∶00歸類為夜間，可以得到各顆粒物來源日夜變化關(guān)系 （圖5）。白天隨著人類活動(dòng)增加，汽車尾氣和揚(yáng)塵貢獻(xiàn)比例增加。夜間生物質(zhì)燃燒所占比例有所上升，可能與夜間焚燒秸稈等生物質(zhì)有關(guān)。

為進(jìn)一步獲得各類來源與時(shí)間的關(guān)系，截取觀測(cè)期內(nèi)3個(gè)比較有特征的時(shí)間段，分別為早高峰（7∶00—9∶00）、晚高峰 （17∶00—19∶00）和深夜（23∶00—1∶00），得到不同時(shí)段顆粒物來源變化情況（圖6）。由圖6可見，與深夜時(shí)段相比，早高峰和晚高峰的汽車尾氣分擔(dān)率明顯升高，且晚高峰的分擔(dān)率大于早高峰，這進(jìn)一步說明，城市機(jī)動(dòng)車尾氣控制勢(shì)在必行。

3.4 污染天氣下顆粒物來源的變化

圖 7是觀測(cè)期內(nèi) PM2.5濃度隨時(shí)間的變化圖。為考察污染天氣下顆粒物來源的變化，選擇圖 7 中PM2.5較低、較高以及中間位置的三個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析。每個(gè)時(shí)段為4個(gè)小時(shí)，三個(gè)時(shí)段分別為1月8日22∶00—1月9日2∶00、1月9日18∶00— 22∶00、1月10日 22∶00—1月 11日 2∶00。三個(gè)時(shí)段 PM2.5的 小 時(shí) 均 值分 別 為 27 μg／m3、54 μg／m3、94 μg／m3，三個(gè)時(shí)段PM2.5的小時(shí)濃度涵蓋空氣質(zhì)量?jī)?yōu)、良、輕度污染時(shí)的顆粒物濃度情況（PM2.5小時(shí)濃度一級(jí)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別為35 μg／m3、75 μg／m3）。

通過圖8可以看出，在 PM2.5濃度升高時(shí)，汽車尾氣所占的比例急劇增大，說明汽車尾氣對(duì)鎮(zhèn)江市區(qū)冬季空氣質(zhì)量的影響最大。揚(yáng)塵所占比例隨 PM2.5濃度的增高而加大，結(jié)合8日至11日的氣象數(shù)據(jù)可獲知PM2.5濃度增高時(shí)風(fēng)向由北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，揚(yáng)塵比例增大可能是東南方向顆粒物的長(zhǎng)距離輸送造成的。

3.5 顆粒物中金屬來源分析

利用SPAMS 0515對(duì) Mn、Fe、Cr、Zn、Pb等金屬元素的分析結(jié)果，可以得到含5種重金屬顆粒數(shù)量在 PM2.5中的相對(duì)比例（圖9）。含5種金屬元素顆粒數(shù)目中，含 Pb顆粒最多，占 38.07%；其次是Fe，占27.22%；Mn占26.09%。Pb主要來源于機(jī)動(dòng)車排放和工業(yè)排放，F(xiàn)e主要源自揚(yáng)塵里的地殼物質(zhì)和土壤元素，Mn主要來自工業(yè)排放［10～12］。這說明鎮(zhèn)江市區(qū) PM2.5濃度高主要源于機(jī)動(dòng)車尾氣和工業(yè)排放，與前文分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

（1）對(duì)鎮(zhèn)江市區(qū)冬季環(huán)境空氣有明顯貢獻(xiàn)的顆粒物來源是汽車尾氣、燃煤、工業(yè)排放和揚(yáng)塵。機(jī)動(dòng)車尾氣和燃煤的貢獻(xiàn)最大，所以機(jī)動(dòng)車尾氣和燃煤仍應(yīng)作為鎮(zhèn)江市控制大氣顆粒物污染的重點(diǎn)進(jìn)行治理；

（2）鎮(zhèn)江市區(qū)冬季PM2.5顆粒中，汽車尾氣、燃煤分布在小粒徑段，揚(yáng)塵分布在大粒徑段；

（3）日間汽車尾氣和揚(yáng)塵對(duì)PM2.5增高的影響增大，早高峰、晚高峰汽車尾氣貢獻(xiàn)增長(zhǎng)；

（4）分析含 5種金屬元素顆粒在 PM2.5顆粒物中的比例，得到含Pb顆粒數(shù)量最多。

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Study on the Sources of PM2.5in Winter in Zhenjiang

LIU Ye，GAN Xiao－bing
（Zhenjiang Environmental Monitoring Centre，Zhenjiang Jiangsu 212000 China）

Air was sampled in January in Zhenjiang.The Single Particle Aerosol Mass Spectrometer（SPAMS0515）was applied to examine the sources of PM2.5.The results showed that the sources of PM2.5were from tail gas，coal －burning，discharge from the industry，and dust.Their contribution rates were 22.5%，16.3%，13.6%，and 11.8%respectively.PM2.5from tail gas and coal burning form the smaller particles.However，dusts become bigger particles.The increase of PM2.5in the day time was correlated closely to tail gas and dust，especially in the rushing hours in the morning and in the afternoon.Five heavy metals（Mn，F(xiàn)e，Cr，Zn，and Pb）were found on PM2.5particles.The particles with the most of Pb absorbed have the biggest size.

PM2.5；Source analysis；winter；Zhenjiang

X82

A

1673－9655（2014）02－0057－05

2014－02－07

劉曄，鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，預(yù)警室主任，工程師。