哈爾濱市大氣顆粒物粒徑分布及濃度變化特征

儲(chǔ)江偉，彭 敏，王 旭，段 超

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

大氣顆粒物是工業(yè)過程、發(fā)電廠、機(jī)動(dòng)車排放和自然源排放及長(zhǎng)距離傳輸?shù)囊淮晤w粒物和氣-固轉(zhuǎn)換反應(yīng)產(chǎn)生的二次顆粒物的混合物，大氣污染已成為當(dāng)前面臨的重大環(huán)境問題之一［1］。已有對(duì)大氣顆粒物污染狀況的研究集中在TSP或 PM 2．5上，而對(duì)細(xì)化顆粒物粒徑的研究尚不多見［2］。事實(shí)上，大氣顆粒物的物理和化學(xué)性質(zhì)都與其粒徑大小有關(guān)［3］。

不同粒徑大氣顆粒物的形成、遷移、轉(zhuǎn)化和清除過程及物理化學(xué)性質(zhì)遵循不同規(guī)律，在大氣環(huán)境中的行為千變?nèi)f化，其產(chǎn)生的生態(tài)影響也相差甚大［4］。特別是對(duì)人類身體健康會(huì)存在不同程度的威脅，粒徑越小產(chǎn)生的危害性越大，且大氣顆粒物在輻射衰減和成云過程中起重要作用，進(jìn)而影響和調(diào)節(jié)全球氣候［1］。當(dāng)顆粒物粒徑小于2 μm時(shí)，由于人體呼吸道對(duì)細(xì)粒子的過濾防御功能很差，大部分可通過呼吸道直達(dá)肺部沉積，并對(duì)人體產(chǎn)生較大危害［5-8］。不同粒徑的大氣顆粒物，產(chǎn)生的消光效應(yīng)也有所不同，其中粒徑范圍為0．1～1 μm顆粒物對(duì)能見度影響最大。在城市，區(qū)域尺度大氣顆粒物引起城市大氣能見度下降，造成霧霾天氣［9］。因此，針對(duì)不同粒徑的顆粒物濃度分布及其影響的研究越來越受到重視。

1 取樣環(huán)境與取樣方法

1．1 取樣環(huán)境及其測(cè)點(diǎn)選擇

取樣點(diǎn)選擇在位于哈爾濱市香坊區(qū)的東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)外。東北林業(yè)大學(xué)校園地處哈爾濱市老城區(qū)，是居民和商業(yè)區(qū)比較集中的區(qū)域，對(duì)空氣質(zhì)量要求相對(duì)較高。校園附近沒有大的工業(yè)污染源，大氣顆粒物的主要來源為采暖鍋爐和機(jī)動(dòng)車排放等。校園內(nèi)樹木較多，且西南側(cè)有兩片面積較大的樹林。根據(jù)校園環(huán)境特點(diǎn)選取6個(gè)不同位置為取樣點(diǎn)，分別標(biāo)記為A、B、C、D、E、F，如圖1所示。

圖1 大氣顆粒物取樣點(diǎn)位置Fig．1 Sampling site of atmospheric particulates

1．2 取樣儀器及其取樣方法

取樣所使用的儀器為福祿克電子儀器儀表公司生產(chǎn)的Fluke 985空氣塵埃粒子計(jì)數(shù)器，可記錄取樣粒子數(shù)和每個(gè)樣本的樣本體積。具有6個(gè)粒徑通道(0．3、0．5、1．0、2．0、5．0、10．0 μm)，取樣粒徑范圍為0．3～10．0 μm，儀器可自動(dòng)記錄樣本粒子數(shù)。選擇儀器的計(jì)數(shù)模式為累加計(jì)數(shù)模式，該模式包含了大于或等于樣本體積字段內(nèi)選定粒度的粒子。

儀器設(shè)定為每次取樣3 min，連續(xù)進(jìn)行3個(gè)周期。同時(shí)，記錄測(cè)量環(huán)境氣候條件。取樣要求是在非雨雪天氣、風(fēng)力小于3～4級(jí)、無特殊污染短期排放，且處于該月份顆粒物濃度較為正常的環(huán)境下進(jìn)行［10］。取樣在2015年3月25日～7月31日期間進(jìn)行。

1．3 顆粒物數(shù)量濃度換算

在累加計(jì)數(shù)模式下取樣所得顆粒物數(shù)量濃度數(shù)據(jù)，包含了所有大于或等于樣本體積字段內(nèi)選定粒度的粒子。按照粒徑大小將顆粒物粒徑劃分為6個(gè)等級(jí)，見表1。按劃分等級(jí)對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。

表1 顆粒物粒徑范圍等級(jí)劃分Tab．1 Division of particle size range

顆粒物在空氣中的數(shù)量濃度是將3周期取樣顆粒數(shù)值累積總數(shù)，再比上取樣氣體量的總體積，即得空氣中顆粒物的數(shù)量濃度。空氣中顆粒物數(shù)量濃度由公式(1)計(jì)算:

式中:i為取樣周期;Xi為各周期顆粒數(shù)，Counts;V0為取樣氣體總體積，L;N(D)為顆粒物數(shù)量濃度，Counts/L。

2 結(jié)果與討論

2．1 大氣顆粒物數(shù)量濃度逐月變化趨勢(shì)

大氣顆粒物在數(shù)量上受溫度、濕度、風(fēng)速和大氣壓等氣候條件的影響［11］。3月至7月在東北林業(yè)大學(xué)校園環(huán)境下對(duì)6個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行連續(xù)5個(gè)月的取樣，取樣期間哈爾濱市氣溫和降水情況如圖2所示。

圖2 取樣期間哈爾濱月平均氣溫和降水Fig．2 Monthly average temperature and precipitation during sampling in Harbin

對(duì)6個(gè)取樣點(diǎn)位的大氣顆粒物樣本數(shù)量濃度逐月變化特征進(jìn)行分析，不同粒徑范圍顆粒物數(shù)量濃度逐月變化趨勢(shì)如圖3所示。從圖3中可以看出，6種不同粒徑范圍的顆粒物數(shù)量濃度逐月變化趨勢(shì)基本相似，呈現(xiàn)了遞減趨勢(shì)，在6月份略有增長(zhǎng)。最高值出現(xiàn)在3月份，此時(shí)6個(gè)等級(jí)顆粒物數(shù)量濃度的最大值分別為 264 490、89 630、13 288、4 476、660、239 Counts/L，主要由于3月正值采暖末期，加之溫度較低濕度較大，顆粒物的排放和累積都較為嚴(yán)重;4月份停止供暖后，植物開始發(fā)芽生長(zhǎng)，加上溫度和降雨的影響，顆粒物濃度下降十分明顯;粒徑范圍為 0．3 ～0．5、0．5 ～1．0、1．0～2．0 μm的大氣顆粒物數(shù)量濃度最低值出現(xiàn)在6月份，分別為50 012、3 663、382 Counts/L;粒徑范圍為 2．0 ～ 5．0、5．0 ～ 10．0、10．0 μm ～ ∞ 的大氣顆粒物數(shù)量濃度最低值出現(xiàn)在5月份，分別為220、31、6 Counts/L。

圖3 大氣顆粒物逐月變化趨勢(shì)Fig．3 Monthly variation of atmospheric particles

2．2 大氣顆粒物不同取樣時(shí)間變化趨勢(shì)

受人類活動(dòng)和天氣因素的影響，會(huì)造成顆粒物濃度在全年各月份分布的不同，同時(shí)也會(huì)因?yàn)橐惶熘胁煌瑫r(shí)間人類活動(dòng)性質(zhì)的不同而造成顆粒物濃度在時(shí)間上的差異［12］。本研究為了探討每日不同時(shí)間人類活動(dòng)對(duì)各尺寸顆粒物濃度的影響，選取取樣點(diǎn)位A，在該點(diǎn)位分別在取樣周期每日的7時(shí)、10時(shí)、14時(shí)、17時(shí)進(jìn)行顆粒物的取樣和濃度分析，分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，5個(gè)取樣月里不同粒徑顆粒物在取樣日不同時(shí)間的分布基本一致。由于選取的取樣點(diǎn)位A地理位置的特殊性，造成公路附近大氣污染主要是機(jī)動(dòng)車尾氣排放的污染物［13］，故該點(diǎn)位顆粒物取樣情況受交通影響較大。在每日的早高峰期，車流較多的情況下，顆粒物濃度相對(duì)較高;隨著高峰期過去車輛流動(dòng)減少，溫度有所升高，濕度降低，顆粒物濃度下降;而晚高峰的時(shí)候濃度又會(huì)有所提高。且對(duì)于細(xì)顆粒物這種情況尤為明顯。6個(gè)等級(jí)顆粒物一天中4個(gè)取樣時(shí)間下最大濃度差分別可達(dá)到154 062、66 914、17 293、2 709、197、81 Counts/L。如圖4(c)3月樣本最高值甚至達(dá)到最低值的3倍。由于3月份日落時(shí)間較早，17時(shí)基本天黑，生活燃料燃燒和下班高峰車輛尾氣排放成為顆粒物濃度急劇增加的主要原因。由圖4(d)、(e)、(f)該粒徑范圍的顆粒物基本為粗粒子模態(tài)粒子，主要來源于機(jī)械過程所造成的揚(yáng)塵和風(fēng)砂等，受環(huán)境影響較大，在4、5月份，季節(jié)交替升溫較快，可能存在一些不規(guī)律的情況。

圖4 不同時(shí)間大氣顆粒物變化趨勢(shì)Fig．4 Comparison of atmospheric particles concentration at different time

2．3 不同取樣點(diǎn)位顆粒物粒徑分布

在不同的取樣環(huán)境下，顆粒物濃度也會(huì)有所不同，這對(duì)于顆粒物濃度變化的影響因素、源解析和植物對(duì)顆粒物的吸附作用的研究都具有重要意義。在5個(gè)取樣月份，不同取樣點(diǎn)位顆粒物粒徑分布如圖5所示。由圖5(a)可知，6個(gè)取樣點(diǎn)位所取樣本中粒徑范圍為0．3～0．5 μm的顆粒物數(shù)量濃度差別不大，說明該范圍顆粒物數(shù)量濃度受環(huán)境因素影響不大，來源相近。

A、B和F點(diǎn)位顆粒物濃度較C、D和E點(diǎn)位高，粒徑范圍為 0．3 ～ 0．5 μm 和 0．5 ～1．0 μm 的大氣顆粒物數(shù)量濃度最高值出現(xiàn)在B點(diǎn)位，粒徑范圍為 1．0 ～2．0、2．0 ～5．0、5．0 ～10．0 μm 的大氣顆粒物數(shù)量濃度最高值出現(xiàn)在F點(diǎn)位。6個(gè)等級(jí)大氣顆粒物數(shù)量濃度最低值均出現(xiàn)在C點(diǎn)位，且C點(diǎn)在不同取樣月和取樣日的不同時(shí)間顆粒物濃度波動(dòng)都較其它點(diǎn)位小。參照?qǐng)D1可以發(fā)現(xiàn)，A、B和F取樣點(diǎn)靠近道路，平時(shí)車流不息，顆粒物主要來源于汽車排放;C取樣點(diǎn)位環(huán)境空間開闊，較其他取樣點(diǎn)遠(yuǎn)離道路，顆粒物濃度受氣象條件和校園內(nèi)學(xué)生活動(dòng)影響較大，在取樣周期出現(xiàn)過揚(yáng)塵較大的情況，可能成為粗顆粒物的主要來源;D和E取樣點(diǎn)位周圍植物密集，尤其是D點(diǎn)，環(huán)境比較封閉，顆粒物濃度受到環(huán)境和交通的影響較其它點(diǎn)位不大，且植物對(duì)于顆粒物的形成和傳播也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

圖5 各取樣點(diǎn)位大氣顆粒物粒徑分布對(duì)比Fig．5 Comparison of atmospheric particles concentration at different points

2．4 相關(guān)性分析

大氣顆粒物在數(shù)量上容易受到周圍環(huán)境中各種各樣的因素的影響，這會(huì)造成不同粒徑大氣顆粒物數(shù)量濃度之間變量關(guān)系的不確定性［14］。但是，可以肯定的是，不同粒徑范圍大氣顆粒物存在相互影響，共同變化的關(guān)系，故可用相關(guān)關(guān)系來表示［15］。各點(diǎn)位不同粒徑范圍大氣顆粒物兩兩組合相關(guān)性分析的相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，見表2。

通過對(duì)大氣顆粒物不同粒徑范圍顆粒物數(shù)量濃度的相關(guān)性分析表明，其相關(guān)程度為完全相關(guān)且相關(guān)方向?yàn)檎嚓P(guān)。相關(guān)系數(shù)最大可達(dá)到0．964，相關(guān)性最小也在0．05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。取樣中不同粒徑范圍大氣顆粒物粒徑相近的相關(guān)系數(shù)大，相關(guān)性強(qiáng)。可以看出，粒徑相近的兩種大氣顆粒物其在環(huán)境空氣污染中的污染源及變化規(guī)律相似，且污染源排放大氣顆粒物的粒度分布長(zhǎng)期比較穩(wěn)定，有可能遵循相同的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

表2 Pearson相關(guān)系數(shù)Tab．2 Pearson correlation coefficients

3 結(jié)論

通過對(duì)哈爾濱市大氣顆粒物粒徑分布及數(shù)量濃度變化特征的研究，得出以下結(jié)論:

(1)5個(gè)取樣月里，6種不同粒徑范圍的大氣顆粒物濃度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在3月份，4月份顆粒物濃度下降十分明顯，粒徑范圍為0．3～0．5、0．5 ～1．0、1．0 ～ 2．0 μm 的大氣顆粒物數(shù)量濃度最低值出現(xiàn)在六月份，粒徑范圍為2．0～5．0、5．0 ～10．0、10．0 μm ～ ∞ 的大氣顆粒物數(shù)量濃度最低值出現(xiàn)在5月份。

(2)5個(gè)取樣月里，不同粒徑顆粒物在取樣日不同時(shí)間的分布基本一致。選取的取樣點(diǎn)A靠近道路，顆粒物取樣情況受交通影響較大。早晚高峰期，顆粒物濃度相對(duì)其它取樣時(shí)間較高;

(3)受周圍環(huán)境影響，不同取樣點(diǎn)位大氣顆粒物濃度也會(huì)有所不同。A、B和F點(diǎn)位顆粒物濃度較C、D和E點(diǎn)位高，大氣顆粒物數(shù)量濃度最高值出現(xiàn)在B、F點(diǎn)位，最低值均出現(xiàn)在C點(diǎn)位。

(4)不同粒徑大氣顆粒物間的相關(guān)系數(shù)較大，相關(guān)性強(qiáng)，具有相似性和同源性?？梢酝ㄟ^某一粒徑顆粒物的取樣分析結(jié)果間接估算其它粒徑大氣顆粒物的污染狀況。

(5)綜上可知，哈爾濱市大氣中顆粒物的受供暖所需燃料的燃燒、機(jī)動(dòng)車的尾氣排放及工業(yè)排放影響較大，要控制顆粒物的數(shù)量濃度，降低城市環(huán)境污染，必須從源頭上減少排放，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)防治力度，控制機(jī)動(dòng)車的污染，大力倡導(dǎo)綠色環(huán)保的生活方式，鼓勵(lì)城市居民優(yōu)先選擇公共交通出行，強(qiáng)化相關(guān)化工產(chǎn)業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)等。

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