包頭市大氣污染特征及其影響因素

周海軍， 劉 濤， 都達古拉， 任麗敏， 賀忠翔， 盧振國， 何 江

1．內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011 2．內(nèi)蒙古大學生命科學學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021 3．內(nèi)蒙古大學環(huán)境與資源學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021 4．包頭市環(huán)境監(jiān)測站， 內(nèi)蒙古 包頭 014010

包頭市大氣污染特征及其影響因素

周海軍1，2， 劉 濤1， 都達古拉1， 任麗敏1， 賀忠翔1， 盧振國4， 何 江2，3*

1．內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011 2．內(nèi)蒙古大學生命科學學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021 3．內(nèi)蒙古大學環(huán)境與資源學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021 4．包頭市環(huán)境監(jiān)測站， 內(nèi)蒙古 包頭 014010

為了解包頭市大氣污染特征，利用包頭市2014年ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)和ρ(O3)環(huán)境空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象參數(shù)，分析了包頭市大氣污染特征及其影響因素． 結(jié)果表明：①包頭市春季大氣污染以PM10為主，夏季以O(shè)3為主，秋冬兩季PM10和PM2．5均有不同程度污染． ②ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)的24 h平均值和ρ(O3)日最大8 h平均值分別有153、76、10、6和3 d超出GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》二級標準限值，ρ(CO)24 h平均值全年達標．ρ(PM10)、ρ(PM2．5)和ρ(NO2)年均值分別為GB 3095—2012二級標準限值的2．2、1．6和1．2倍，ρ(SO2)年均值達標． ③PM2．5PM10(質(zhì)量濃度比)四季分布為冬季(0．45)>秋季(0．39)>夏季(0．36)>春季(0．27)，年均值為0．37，粗顆粒污染特征明顯． ④SO2NO2(質(zhì)量濃度比)四季分布為冬季(1．76)>春季(1．15)>秋季(0．82)>夏季(0．75)，年均值為1．12，并且取暖季明顯高于非取暖季，說明冬季燃煤取暖對包頭市空氣質(zhì)量有重要影響． ⑤包頭市的嚴重污染主要有沙塵型和煤煙型2種． ⑥系統(tǒng)聚類分析表明，揚塵引起的PM10對包頭市環(huán)境空氣質(zhì)量有重要的影響，以SO2和CO為排放特征的燃煤對PM2．5有較大的貢獻．

空氣質(zhì)量； 顆粒物； 氣態(tài)污染物； 氣象參數(shù)； 影響因素

空氣污染是自然和人為環(huán)境條件復雜相互作用的結(jié)果[1]． 隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、交通運輸現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，化石燃料(煤、石油、天然氣)的消耗量迅猛增加，大氣污染問題日益嚴重，不僅對人體健康造成了危害[2- 5]，也引起了一系列的環(huán)境問題[6- 8]，城市空氣質(zhì)量日益受到人們關(guān)注[9- 10]． 研究[11- 13]表明，京津冀地區(qū)正在呈現(xiàn)高顆粒物濃度與高臭氧濃度并存的區(qū)域性的大氣復合污染特征． 包頭市作為內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的工業(yè)城市，工業(yè)圍城，多家企業(yè)處于城市上風向，污染物排放量大，對城市環(huán)境質(zhì)量影響較大． 包頭市能源消費結(jié)構(gòu)以煤炭為主，2014年消耗原煤40.867×106t，占總能耗的72%，其中電力及熱力生產(chǎn)和供應業(yè)占原煤消耗總量的48%[14]． 2014年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，SO2、NOx和煙粉塵工業(yè)排放量分別為15．6×104、9．48×104和9．75×104t，其中電力、熱力生產(chǎn)和供應業(yè)、黑色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)3個行業(yè)對SO2、NOx和煙粉塵工業(yè)排放量累計貢獻率均高于90%[15]，是影響包頭市環(huán)境空氣質(zhì)量的3個重點污染行業(yè)． 有關(guān)包頭市環(huán)境空氣質(zhì)量的報道較少，并且多數(shù)報道[16- 21]都是在實行GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》之前，并主要分析了PM10、SO2和NO2三種污染物的分布規(guī)律，鮮見有關(guān)6項污染物特征的報道． 綜上，利用包頭市2014年ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)和ρ(O3)環(huán)境空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合包頭市自然環(huán)境、氣候特征、能源結(jié)構(gòu)、污染物排放特征以及氣象資料，分析了包頭市大氣污染物的特征及其影響因素，以期為當?shù)卮髿馕廴局卫硖峁┛茖W依據(jù)．

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)域概況

包頭市(109°15′E～110°26′E、40°15′N～42°43′N)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，是內(nèi)蒙古最大的工業(yè)城市，是國家重要的工業(yè)基地,主要以鋼鐵制造、有色金屬、電力產(chǎn)業(yè)、稀土開發(fā)、機械制造、重型汽車和化工為支柱產(chǎn)業(yè)． 包頭屬半干旱中溫帶大陸性季風氣候,春季干燥多風，夏季降水集中，秋季涼爽少雨，冬季干燥寒冷;四季溫差大，無霜期短，降水缺乏;主要依靠燃煤供暖，全年有6個月(10月15日—翌年4月15日)的供暖期．

包頭市區(qū)共有6個環(huán)境空氣自動監(jiān)測國控點位(見表1和圖1)，分別為市環(huán)境監(jiān)測站(青山區(qū))、青山賓館(青山區(qū))、東河城環(huán)局(東河區(qū))、東河鴻龍灣(東河區(qū))、包百大樓(即包頭百貨大樓，昆都侖區(qū))、惠龍物流(稀土高新區(qū))，均屬二類環(huán)境質(zhì)量功能區(qū)． 全年主導風向為東南，風向有明顯的季節(jié)變化，冬春兩季盛行西北風，夏秋兩季盛行東南風(見圖2)．

表1 監(jiān)測點位基本情況

圖1 環(huán)境空氣自動監(jiān)測點位Fig．1 Locations of air quality monitoring stations in Baotou

圖2 包頭市四季風玫瑰Fig．2 Wind roses of Baotou during each season

1．2 數(shù)據(jù)來源

收集包頭市6個國家環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測點位的2014年1月1日—12月31日ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)和ρ(O3)等6項污染物的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)． 風速、氣溫、相對濕度和大氣壓等氣象資料來自包頭市氣象臺地面觀測數(shù)據(jù)．

2 結(jié)果與討論

2．1 環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

2014年包頭市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)如圖3所示，共出現(xiàn)172 d污染日.其中，有123 d以PM10為

首要污染物，有32 d以PM2．5為首要污染物，有16 d以O(shè)3為首要污染物，有1 d以PM10和PM2．5共同為首要污染物(見表2)． 包頭市大氣污染主要以PM10為首要污染物，占總污染天數(shù)的72%，以PM2．5和O3為首要污染物的天數(shù)分別占總污染天數(shù)的19%和9%．春季以PM10污染為主，占春季總污染天數(shù)的96%；夏季以O(shè)3污染為主，占夏季總污染天數(shù)的62%；秋冬兩季PM10和PM2．5均有不同程度污染． 嚴重污染和重度污染天數(shù)分別為4、7 d，其中嚴重污染在春、冬季分別出現(xiàn)3、1 d，重度污染分別在春、秋、冬季出現(xiàn)2、2、3 d．

圖3 2014年包頭市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)Fig．3 Air quality index of Baotou in 2014

2014年包頭市的年均ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(O3)和ρ(CO)年均值分別為151、55、54、46、54 μgm3和1．5 mgm3． 其中，ρ(PM10)、ρ(PM2．5)和ρ(NO2)分別超出GB 3095—2012年均值二級標準限值[22]的1．2、0．6和0．2倍，粗顆粒物污染特征明顯，ρ(SO2)低于年均值二級標準限值．

表2 首要污染物的出現(xiàn)天數(shù)

2．2 大氣污染物時間變化特征

2．2．1 小時變化特征

將2014年全年(1月1日—12月31日)每天24 h污染物濃度值進行統(tǒng)計分析，得出每個小時段的年均值，結(jié)果如圖4所示． 由圖4(a)可見，ρ(PM10)和ρ(PM2．5)均呈現(xiàn)“雙峰雙谷”型變化趨勢[23]，10：00—12：00達到一個峰值，16：00—19：00達到最低值，PM10PM2．5(質(zhì)量濃度比，下同)變化不明顯．ρ(SO2)在11：00達到最高值，ρ(NO2)在08：00達到最高值，而后隨著風速的增大而降低，SO2NO2呈先增高后降低的趨勢〔見圖4(b)〕，即白天高于夜間．ρ(CO)日變化規(guī)律比較明顯，08：00—09：00較高，17：00最低，ρ(O3)小時值趨勢與ρ(CO)趨勢相反〔見圖4(c)〕． 15：00—17：00風速(3 ms以上)較大，日照強度增加，溫度升高，相對濕度降低，ρ(O3)升高，ρ(CO)較低〔見圖4(d)〕．ρ(CO)受污染源排放及大氣水平和垂直擴散的影響，呈現(xiàn)白天低、夜晚高的變化規(guī)律．

圖4 污染物和氣象參數(shù)小時變化趨勢Fig．4 Hourly variation of air pollutants and meteorological conditions

2．2．2 月變化特征

從各污染物濃度月變化(見圖5)可以看出，ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(CO)在1月最高，并且整個取暖季明顯高于非取暖季，說明燃煤取暖對包頭市環(huán)境空氣質(zhì)量有較大影響． 6—9月ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(CO)均有所降低，這可能與停止燃煤取暖和降水集中有關(guān)[24- 25]． 而ρ(O3)與其他污染物變化趨勢相反，這可能與日照強度增加和溫度升高有關(guān)[26]． 3—5月風速較大，沙塵頻繁，PM10受沙塵影響較大，ρ(PM10)有所升高，PM2．5PM10平均值僅為0．27，明顯低于其他月份，春季粗離子污染特征明顯．

圖5 污染物和氣象參數(shù)月變化趨勢Fig．5 Monthly variation of air pollutants and meteorological conditions

2．2．3 季節(jié)變化特征

根據(jù)氣象學方法將全年分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—翌年2月)四季進行分析，ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)和ρ(O3)季節(jié)性變化如圖6所示，PM10受沙塵[27- 28]和燃煤取暖[29- 31]共同影響春季最高，冬季次之，夏季最低．ρ(PM2．5)、ρ(NO2)和ρ(CO)季節(jié)變化規(guī)律一致，冬季最高，秋季次之，夏季最低，這與冬秋春三季燃煤取暖和夏季降雨集中有關(guān)．ρ(SO2)冬季最高，春季次之，夏季最低． PM2．5PM10冬季最高(0．45)，夏(0．36)、秋(0．39)兩季相近，春季(0．27)最低． 冬季PM2．5PM10高可能與冬季大氣穩(wěn)定度較高、細粒子生命周期較長、易在空氣中累積有關(guān)，而春季風沙較大，粗顆粒占比高． SO2NO2在冬季(1．76)最高，春季(1．15)次之，夏季(0．75)最低，全年SO2NO2平均值為1．12． SO2NO2能夠反映固定源與移動源的影響比重，該比值高，則說明冬季燃煤取暖的影響相對其他季節(jié)較高．

圖6 污染物季節(jié)性變化趨勢Fig．6 Seasonally variation of air pollutants and meteorological conditions

2．3 污染類型

2014年包頭市全年出現(xiàn)嚴重污染天氣4次，分別為1月31日、3月17日、4月24日和5月25日，使用NOAA HYSPLIT MODEL做24 h后向軌跡圖，發(fā)現(xiàn)1月31日氣團來自西方，3月17日氣團來自北方，5月25日氣團來自西北方向，4月24日氣團由南向西轉(zhuǎn)變(見圖7)． 2014年1月31日嚴重污染主要由于污染源高強度排放和不利氣象條件共同導致[32]，全天風速較低，ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(CO)最高值分別達到1 434、938、550、148 μgm3和11．8 mgm3〔見圖8(a)〕． 2014年3月17日嚴重污染主要由揚塵引起，02：00—04：00風速較高，03：00達到最高10．8 ms，ρ(PM10)最高達到2 579 μgm3，PM2．5PM10僅為0．10，粗粒子污染明顯，其他污染物濃度均較低〔見圖8(b)〕． 2014年4月24日與3月17日類似，嚴重污染也是由揚塵引起，其中14：00—21：00風速較高，20：00達到最高13．6 ms，ρ(PM10)最高達到2 735 μgm3，PM2．5PM10僅為0．13，表明粗粒子污染明顯，其他污染物濃度均較低〔見圖8(c)〕． 2014年5月25日嚴重污染是由揚塵和高強度污染物排放共同引起的，全天風速較高，平均值為6．4 ms，07：00ρ(PM10)最高達到1 068 μgm3，PM2．5PM10僅為0．13，粗粒子污染明顯，其他污染物濃度均較低〔見圖8(d)〕． 綜上，包頭市的嚴重污染主要有沙塵型和煤煙型2種．

圖7 嚴重污染天氣24 h后向軌跡Fig．7 Twenty-four backward trajectory direction of serious pollution day

2．4 污染物空間分布特征

如圖9所示，在6個監(jiān)測點位中，東河區(qū)的兩個點位由于受北梁拆遷改造的影響，ρ(PM10)和ρ(PM2．5)明顯高于其他點位，冬春兩季東河城環(huán)局點位ρ(PM10)尤為明顯，這與春季風沙大、冬季燃煤取暖和不利氣象條件有關(guān)． 包百大樓和東河城環(huán)局點位的ρ(SO2)和ρ(CO)明顯高于其他點位，這與該點位周邊污染源排放強度有關(guān)． 包百大樓、市環(huán)境監(jiān)測站和東河城環(huán)局3個點位ρ(NO2)稍高于其他點位，這與其周邊污染源情況和機動車情況有關(guān)． 冬春兩季惠龍物流點位ρ(O3)最高，夏秋兩季東河鴻龍灣點位ρ(O3)最高． 如圖10所示，SO2NO2在包百大樓和東河城環(huán)局2個點位較高，說明這兩個點位受固定污染源影響比其他點位更大，而PM2．5PM10空間變化不明顯．

圖8 嚴重污染天污染物與氣象參數(shù)Fig．8 Concentrations of pollutants and metrological conditions

圖9 ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(O3)空間變化Fig．9 Spatial variation of ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2) and ρ(O3)

圖10 CO濃度、ρ(PM10)ρ(PM2．5)和ρ(SO2)ρ(NO2)比值空間變化Fig．10 Spatial distribution of CO，ρ(PM10)ρ(PM2．5) ratio and ρ(SO2)ρ(NO2)ratio

如圖11所示，包頭市ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、PM10PM2．5和SO2NO2均與呼和浩特市[33]接近，說明包頭市污染現(xiàn)狀與呼和浩特市相似． 包頭市PM10濃度低于石家莊[34]，高于天津[35]、北京[36]、呼和浩特、青島[37]、上海[38]和廣州[39]．ρ(PM2．5)低于石家莊、北京、天津和青島，高于上海、廣州和呼和浩特． PM2．5PM10與呼和浩特接近，而遠低于其他城市，說明包頭市主要以粗顆粒污染為主．ρ(SO2)低于石家莊，高于其他城市．ρ(NO2)低于北京、天津、石家莊、廣州，高于呼和浩特、青島和上海． SO2NO2低于石家莊，接近呼和浩特，高于北京、天津、青島、上海和廣州等其他城市． 2014年包頭市SO2和NOx排放量分別為15．62×104和9．48×104t，二者比值為1．65，遠高于北京[36](0．52)、天津[35](0．74)、青島[37](0．90)、內(nèi)蒙古平均值[33](1．04)和河北省平均值[34](0．79)，說明包頭市主要以固定污染源為主，與包頭市能源結(jié)構(gòu)吻合．

圖11 污染物與其他城市比較Fig．11 Air pollutants compared with other cities

通過對AQI、PM10、PM2．5、SO2、NO2、CO和O3的系統(tǒng)聚類分析，可以看出，揚塵引起的PM10對環(huán)境空氣質(zhì)量有重要的影響，以SO2和CO為排放特征的燃煤對PM2．5有較大的貢獻(見圖12)．

圖12 AQI與污染物的聚類分析Fig．12 Cluster analysis of AQI and air pollutants

3 結(jié)論

a) 包頭市大氣污染主要以PM10為首要污染物，占總污染天數(shù)的72%，以PM2．5和O3為首要污染物的天數(shù)分別占總污染天數(shù)的19%和9%． 春季以PM10污染為主，占春季總污染天數(shù)的96%；夏季以O(shè)3污染為主，占夏季總污染天數(shù)的62%；秋冬兩季PM10和PM2．5均有不同程度污染．

b)ρ(PM2．5)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(CO)冬季最高，分別為79．9、96．6、54．0 μgm3和2．47 mgm3，并且取暖季明顯高于非取暖季，說明燃煤取暖對包頭市空氣質(zhì)量有重要影響． 春季ρ(PM10)受揚塵影響較大，春季濃度最高(181 μgm3)，PM2．5PM10平均值最低(0．27)，粗粒子污染特征明顯．

c) 東河區(qū)的兩個點位由于受北梁拆遷改造的影響，ρ(PM10)和ρ(PM2．5)明顯高于其他點位． 受周邊污染源排放強度影響，包百大樓和東河城環(huán)局2個采樣點的ρ(SO2)和ρ(CO)明顯高于其他采樣點． 受周邊污染源情況和機動車情況影響，包百大樓、市環(huán)境監(jiān)測站和東河城環(huán)局3個采樣點的ρ(NO2)稍高于其他采樣點． SO2NO2在包百大樓和東河城環(huán)局較高，說明這2個采樣點位受固定污染源影響比其他點更大．ρ(PM10)、ρ(PM2．5)、ρ(SO2)和ρ(CO)呈現(xiàn)中部低，東、西高的趨勢，即青山區(qū)低于東河區(qū)和昆都侖區(qū)．

d) 包頭市PM10PM2．5年均值為0．36，與呼和浩特(0．38)接近，遠低于北京(0．74)、天津(0．63)、石家莊(0．58)、青島(0．55)、上海(0．73)和廣州(0．73)等其他城市，說明包頭市主要以粗顆粒污染為主． SO2NO2年均值為1．17，與呼和浩特(1．19)接近，而遠高于北京(0．38)、天津(0．90)、青島(0．86)、上海(0．40)和廣州(0．35)等其他城市，遠低于石家莊(1．54)，說明包頭市主要以固定源污染為主．

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Characteristics of Atmospheric Pollutants and Influencing Factors in Baotou

ZHOU Haijun1，2， LIU Tao1， Dudagula1， REN Limin1， HE Zhongxiang1， LU Zhenguo4， HE Jiang2，3*

1.Environmental Monitoring Center of Inner Mongolia， Hohhot 010011， China 2.College of Life Sciences，Inner Mongolia University， Hohhot 010021， China 3.College of Environment and Resources， Inner Mongolia University， Hohhot 010021， China 4.Environmental Monitoring Station of Baotou， Baotou 014010， China

In order to understand characteristics of atmospheric pollutants in Baotou city，the contents of PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO and O3，as well as the influencing factors were analyzed from data from the automatic air quality monitoring stations. The results showed that：(1)PM10pollution mainly occurred in spring，while O3pollution mainly occurred in summer. PM10and PM2.5caused different extents of pollution in autumn and winter.(2)For concentrations of PM10，PM2.5，SO2，NO2and O3，there were 153， 76， 10， 6 and 3 days exceeding the Grade II standard ofChina′sNationalAmbientAirQualityStandard(GB 3095- 2012)，respectively，while the concentrations of CO were all lower than the standard. The annual concentrations of PM10，PM2.5and NO2were 2.2 ， 1.6 and 1.2 times the Grade II standard of GB 3095- 2012，respectively，while the annual concentration of SO2was lower than the standard.(3)The PM2.5PM10ratio in terms of the four seasons followed the order：winter(0.45)> fall(0.39)> summer(0.36)> spring(0.27)，with the annual average ratio of 0.37，indicating more coarse particle pollution than fine.(4)The SO2NO2ratio in terms of the four seasons followed the order：winter(1.76)> autumn(1.15)> spring(0.82)> summer(0.75)，with the annual average ratio of 1.12. The ratio of heating season was significantly higher than that of non-heating season，and it showed that the coal combustion in the winter for heating contributed to air quality as a decisive role.(5)There were two main types of severe pollution in Baotou，including the type of dust and a type of soot.(6)Cluster analysis demonstrated that PM10caused by dust event had important influence on the air quality in Baotou city，while coal combustion characterized by SO2and CO pollution had greater contributions to PM2.5.

air quality； particulate matter； atmospheric pollutant； meteorological condition； impact

2016- 06- 08

2016- 09- 23

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201509020)；內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項目(140202020101314)

周海軍(1981-)，男(蒙古族)，遼寧法庫人，navy0415@163．com．

*責任作者，何江(1958-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，教授，博士，博導，主要從事環(huán)境地球化學研究，ndjhe@imu．edu．cn

X823

1001- 6929(2017)02- 0202- 12

A

10．13198j．issn．1001- 6929．2017．01．42

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