太原市冬季SO2、PM10和PM2.5濃度城郊變化特征研究

王浩宇 王三平 郭志明 韓 震 鞏鑫磊 李 楊

(中國輻射防護研究院，山西 太原 030006)

當(dāng)前我國的大氣環(huán)境形勢十分嚴峻，在傳統(tǒng)煤煙型污染尚未得到有效控制的情況下，以細顆粒物(PM2.5)等為特征的區(qū)域性復(fù)合大氣污染日益增多，制約社會經(jīng)濟的發(fā)展，威脅人民群眾身體健康［1］。太原市作為能源大省山西省的省會，地處山西省的中部太原盆地，屬于傳統(tǒng)重工業(yè)城市，由于其特殊的工業(yè)結(jié)構(gòu)及地形條件，大氣污染較為嚴重。根據(jù)國家重點區(qū)域大氣污染防治十二五規(guī)劃，太原市屬于山西省北中部城市群重點控制區(qū)，本文收集和整理了太原市區(qū)冬季環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析了SO2、PM10和PM2.5的濃度變化污染特征，可為太原市冬季空氣污染狀況分析及大氣環(huán)境管理提供一定借鑒和依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所利用的SO2、PM10和PM2.5濃度來自中國環(huán)境監(jiān)測總站全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺對外發(fā)布的太原市上蘭和小店的空氣質(zhì)量實時數(shù)據(jù)，平臺根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準》(GB3095－2012)的有關(guān)規(guī)定，發(fā)布全國空氣質(zhì)量狀況。數(shù)據(jù)采集時段為2013年12月21日至2014年1月22日，每日記錄了上一日11 時至當(dāng)日10 時的SO2、PM10和PM2.5的24 小時濃度均值，各項大氣污染物共采集了30 個有效數(shù)據(jù)。上蘭監(jiān)測點位于太原市區(qū)西北部，位于城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向，屬于城市郊區(qū)，人口稀疏，交通流量小，屬于清潔對照點。小店監(jiān)測點位于太原市區(qū)南部，位于城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，屬于市區(qū)內(nèi)部人口擁擠，交通密集區(qū)域。

2 結(jié)果與分析

2.1 濃度值變化分析

2.1.1 SO224 小時濃度平均值變化

在兩個監(jiān)測點采樣結(jié)果可知，上蘭監(jiān)測點SO2濃度為11～140μg/m3，平均值為51.5μg/m3，SO224 小時平均值國家二級標(biāo)準為150μg/m3，上蘭監(jiān)測點位超標(biāo)率為0，小店監(jiān)測點SO2濃度為24～321μg/m3，平均值為149.6μg/m3，超標(biāo)率為53.3%，見表1 所示。

監(jiān)測期間位于采暖期，SO2超標(biāo)主要受工業(yè)企業(yè)和居民燃煤采暖排放SO2影響。由于上蘭監(jiān)測點周邊工業(yè)企業(yè)、居民區(qū)較少且位于城區(qū)上風(fēng)向，而小店監(jiān)測點周邊工業(yè)企業(yè)和居民區(qū)較多且位于下風(fēng)向，SO2濃度污染較上蘭監(jiān)測點嚴重。上蘭監(jiān)測點和小店監(jiān)測點地形條件、氣象條件基本一致，兩個監(jiān)測點SO2濃度變化趨勢基本一致。如圖1 所示。

表1 SO224 小時濃度值監(jiān)測結(jié)果

2.1.2 PM1024 小時濃度平均值變化

PM10指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10μm 的顆粒物，也稱可吸入顆粒物［2］，PM10可通過呼吸道進入人體，引發(fā)許多疾病。在兩個監(jiān)測點采樣結(jié)果可知，上蘭監(jiān)測點PM10濃度為33－144μg/m3，平均值為69.8μg/m3，PM1024 小時平均值國家二級標(biāo)準為150μg/m3，上蘭監(jiān)測點位超標(biāo)率為0，小店監(jiān)測點PM10濃度為56～275μg/m3，平均值為136.3μg/m3，超標(biāo)率為36.7%，監(jiān)測結(jié)果見表2。

圖1 SO2 24 小時的平均值月變化

表2 PM10 24 小時濃度值監(jiān)測結(jié)果

PM10主要來源于燃煤、冶金、化工、內(nèi)燃機等污染源排放的顆粒物，總體而言，小店監(jiān)測點PM10濃度污染較清潔對照點上蘭監(jiān)測點嚴重，而兩監(jiān)測點PM10濃度變化趨勢基本一致。

圖2 PM10 24 小時的平均值月變化

2.1.3 PM2.524 小時濃度平均值變化

PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm 的顆粒物，也稱細顆粒物［2］，細顆粒物來源復(fù)雜，約50%來自燃煤、機動車、揚塵、生物質(zhì)燃燒等直接排放的一次細顆粒物;約50%是空氣中二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機物等氣態(tài)污染物經(jīng)過復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)形成的二次細顆粒物。PM2.5是典型的大氣累積性的復(fù)合污染形態(tài)［3］。由于體積小，重量輕，PM2.5可以在空氣中滯留很長的時間，而其巨大的比表面積能吸附更多的細菌、病毒、重金屬等各種對人體有害的污染物［4］。

在兩個監(jiān)測點采樣結(jié)果可知，上蘭監(jiān)測點PM2.5濃度為13～110μg/m3，平均值為43.1μg/m3，PM2.524 小時平均值國家二級標(biāo)準為75μg/m3，上蘭監(jiān)測點位超標(biāo)率為13.3%，小店監(jiān)測點PM2.5濃度為13－183μg/m3，平均值為76.3μg/m3，超標(biāo)率為46.7%。結(jié)果見下表3所示。由圖3 可知，總體而言，小店監(jiān)測點PM2.5濃度污染較清潔對照點上蘭監(jiān)測點嚴重，而兩監(jiān)測點PM2.5濃度變化趨勢基本一致，同時與PM10的濃度變化趨勢也基本一致。

2.1.4 PM2.5/PM1024 小時平均濃度比值變化

在兩個監(jiān)測點采樣結(jié)果可知，上蘭監(jiān)測點PM2.5/PM10濃度比值為0.22～0.83，平均值為0.59，小店監(jiān)測點PM2.5/PM10濃度比值為0.19～0.80，平均值為0.52。比值結(jié)果見表4。有研究表明，污染越重的地區(qū)PM2.5/PM10濃度比值也越大，污染較輕的城市比值在0.3～0.4 之間，而污染較重的在0.5～0.7 之間［5］。兩監(jiān)測點位監(jiān)測期間PM2.5/PM10濃度比值范圍為0.19～0.83，污染程度不同，既有重污染日又有輕污染日。兩監(jiān)測點PM2.5/PM10濃度比值變化趨勢基本一致，說明兩監(jiān)測點污染程度變化趨勢基本一致，區(qū)域污染物的來源相同或相近，見圖4。

表3 PM2.5 24 小時濃度值監(jiān)測結(jié)果

表4 PM2.5/PM10濃度比值結(jié)果

圖3 PM2.5 24 小時的平均值月變化

圖4 PM2.5和PM10 24 小時的平均值月變化

2.2 污染物相關(guān)性分析

2.2.1 PM2.5與PM10相關(guān)性分析

通過對PM10與PM2.5濃度之間的相關(guān)性分析，可以初步判斷兩者是否來自相同的污染源，還可以根據(jù)PM 10的質(zhì)量濃度來估算PM2.5的質(zhì)量濃度［6］。

將PM 2.5和PM10的24 小時平均濃度做相關(guān)分析(見圖5)。根據(jù)最小二乘法分別對兩個監(jiān)測點PM2.5做回歸方程，得到線性方程。小店監(jiān)測點PM2.5=0.7185PM10－ 21.606，上蘭監(jiān)測點方程為PM2.5=0.9058PM10－20.157。相關(guān)系數(shù)分別為R 小店=0.97，R 上蘭=0.90，均為高度相關(guān)。表明二者的污染來源基本相同或相近。

圖5 PM2.5與PM10濃度相關(guān)曲線

2.2.2 PM2.5與SO2相關(guān)性分析

將PM2.5和SO224 小時平均濃度做相關(guān)分析(如圖6)。根據(jù)最小二乘法分別對兩個監(jiān)測點PM2.5做回歸方程，得到線性方程。小店監(jiān)測點PM2.5=0.5119SO2－0.294，上蘭監(jiān)測點方程為PM2.5=0.6469SO2+9.76。相關(guān)系數(shù)分別為R 小店=0.88，R 上蘭=0.84，均為高度相關(guān)。表明PM2.5與SO2的關(guān)系較為密切，有研究表明，太原市目前仍屬于燃煤型污染［7］，燃煤排放細顆粒物和SO2往往具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖6 PM2.5與SO2 濃度相關(guān)曲線

3 結(jié) 論

當(dāng)前我國的大氣環(huán)境形勢十分嚴峻，在傳統(tǒng)煤煙型污染尚未得到有效控制的情況下，以細顆粒物(PM2．5)等為特征的區(qū)域性復(fù)合大氣污染日益增多，制約社會經(jīng)濟的發(fā)展，威脅人民群眾身體健康。太原市作為能源大省山西省的省會，地處山西省的中部太原盆地，屬于傳統(tǒng)重工業(yè)城市，由于其特殊的工業(yè)結(jié)構(gòu)及地形條件，大氣污染較為嚴重。根據(jù)國家重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃，太原市屬于山西省北中部城市群重點控制區(qū)，本文收集和整理了太原市區(qū)冬季環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析了SO2、PM10和PM2．5的濃度變化污染特征，可為太原市冬季空氣污染狀況分析及大氣環(huán)境管理提供一定借鑒和依據(jù)。主要研究結(jié)論如下:

(1)上蘭監(jiān)測點SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度范圍分別為11～140μg/m3、33～144μg/m3和13～110μg/m3，超標(biāo)率分別為0，0 和13.3%;在小店監(jiān)測點SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度范圍分別為24～321μg/m3、56～275μg/m3和13～183μg/m3，超標(biāo)率分別為53.3%，36.7%和46.7%。

總體而言，上蘭空氣質(zhì)量污染較輕，小店污染較重。這是由于冬季為采暖期，污染源來源于工業(yè)污染、燃煤煙氣、機動車尾氣等。上蘭監(jiān)測點位于城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向，周邊工業(yè)企業(yè)、居民區(qū)、城市道路分布較少，而小店監(jiān)測點位于太原市區(qū)中南部，位于城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，屬于城市工業(yè)、人口、交通道路密集地區(qū)。

(2)盡管SO2、PM10和PM2.524 小時平均值濃度城郊差異明顯，但城郊地形條件、氣象條件基本一致，因此，城郊各污染物濃度月變化曲線趨勢基本一致。

(3)雖然城郊PM2.5和PM10的污染程度不同，但PM2.5和PM10的比值范圍與均值差別較小，PM2.5和PM10的比值變化趨勢基本一致，說明城郊污染程度變化趨勢基本相同，區(qū)域顆粒物污染物的來源相同或相近。

(4)通過相關(guān)性分析表明，太原冬季PM2.5分別與PM10和SO2均為高度相關(guān)的正相關(guān)關(guān)系，三者的污染源存在較大一致性，區(qū)域污染主要以燃煤排放大氣污染物為主要特征。

［1］環(huán)境保護部．重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃，2012．10．

［2］環(huán)境保護部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(GB3095－2012)．中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012．

［3］徐映如，王丹俠，張建文．PM10和PM2．5危害、治理及標(biāo)準體系的概況．職業(yè)與健康，2013，1:117－119．

［4］李廣德，李效文．北京市區(qū)春夏PM2．5和PM10濃度變化特征研究．環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38(5):52－56．

［5］徐敬，丁國安，顏鵬，等．北京地區(qū)PM2．5的成分特征及來源分析．應(yīng)用氣象學(xué)報，2007，18(5):645－654．

［6］郭清彬，程學(xué)豐，侯輝，等．冬季大氣中PM10和PM2．5污染特征及形貌分析．中國環(huán)境監(jiān)測，2010，26(4):55－58．

［7］李瑞金，耿紅，蔡宗葦，等．太原市冬季PM2．5中多環(huán)芳烴、硝基多環(huán)芳烴、和NO 3－的污染特征．建材技術(shù)與應(yīng)用，2014，1:12－15．