2008—2016年濟南市SO2污染特征及變化趨勢分析

桑博，孫明虎

（1.山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250101；2.山東大學環(huán)境科學與工程學院，山東濟南250100；3.濟南市環(huán)境保護局，山東濟南250033）

2008—2016年濟南市SO2污染特征及變化趨勢分析

桑博1，2，孫明虎3*

（1.山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250101；2.山東大學環(huán)境科學與工程學院，山東濟南250100；3.濟南市環(huán)境保護局，山東濟南250033）

根據(jù)2008—2016年濟南市大氣中SO2的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了SO2濃度的時間變化特征。結果表明，相比于2008年，2016年濟南市SO2年均濃度累計降低了約58%，年均濃度變化率為-0.008mg/（m3·a）；濟南市SO2的月均濃度呈U型分布，在季節(jié)分布上呈現(xiàn)出冬季＞春季＞秋季＞夏季的特征，采暖季SO2濃度明顯高于非采暖季。

二氧化硫；年際變化；季節(jié)變化；月變化；濟南市

SO2作為一種重要的大氣污染物，在城市區(qū)域的大氣環(huán)境中，其主要來自于化石燃料的燃燒過程[1]。SO2對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面SO2通過氣粒轉化形成粒徑小于2.5μm的硫酸鹽氣溶膠，為霧霾的主要成分之一，降低大氣能見度，直接影響人體健康；另一方面SO2及其氧化產(chǎn)物可以與水分子結合，通過濕沉降的形式降落至地面，這種酸性較強的濕沉降會對自然生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。基于SO2的環(huán)境危害，包括我國和美國在內的多個國家，均將SO2作為判斷城市環(huán)境空氣質量狀況的指標之一[2-3]。為了抑制SO2排放量的不斷增長，1998年國務院正式批復了關于酸雨控制區(qū)和SO2污染控制區(qū)的劃分方案。位于“兩控區(qū)”內的城市自此開始將環(huán)保工作的重點確定為SO2污染防治，督促工業(yè)污染源及燃煤設施增設脫硫裝置。

作為最早納入到常規(guī)監(jiān)測的大氣污染物，國內針對SO2的濃度現(xiàn)狀、影響因素等作了大量的研究。這些研究開展于20世紀末至21世紀初，主要集中于北京、廣州、深圳等城市，較多的關注于具體污染事件或某一時段的SO2變化規(guī)律，關于長時間序列的SO2變化特征研究較少[4-6]。濟南作為東部沿海省份的省會城市，工業(yè)結構偏重，燃煤消耗巨大。本研究利用2008—2016年SO2逐時濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了濟南市SO2時間變化特征，評價了該地區(qū)SO2污染的最新現(xiàn)狀，以期為環(huán)境保護管理部門提供準確、全面的SO2污染信息。

1 研究方法

1.1 樣品采集

觀測始于2008年1月1日，到2016年12月31日結束。觀測點設置于濟南市中心城區(qū)的核心位置——泉城廣場，其附近主要為居民區(qū)及商業(yè)區(qū)，周圍5 km范圍內無工業(yè)企業(yè)。該區(qū)域的大氣污染主要來自于機動車尾氣污染。該站點的觀測儀器設置在恒隆廣場樓頂（36.66°N，117.02°E），海拔高度約36 m，采樣口距地面約20 m。樣品的采集與輸送分析的儀器設備均采用聚四氟乙烯材料，盡量避免儀器本身對樣品造成污染。

1.2 實驗儀器

本次觀測使用的SO2分析儀器為美國熱電環(huán)境儀器公司（TEI）生產(chǎn)的43 S型紫外脈沖熒光法SO2分析儀。分析儀最低檢出限為0.6×10-9（體積分數(shù)），零漂小于1×10-9（24 h），跨漂±0.5%/7 d。儀器采樣響應時間為120 s。觀測為24 h自動連續(xù)進行，利用觀測儀器自帶的軟件每分鐘記錄一次濃度數(shù)據(jù)。濃度數(shù)據(jù)的處理以及作圖分別用Microsoft Excel和Origin兩個軟件進行。

2 結果與討論

2.1 SO2年際變化

圖1是2008—2016年濟南市環(huán)境空氣中SO2濃度、SO2排放量、燃煤消耗量的逐年變化曲線圖。從圖1可以看出，自2008年以來，濟南市環(huán)境空氣中SO2年均濃度呈下降趨勢。SO2年均濃度最高值出現(xiàn)在2008年，達到了0.116 mg/m3。2015年，濟南市SO2年均濃度首次低于《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095-2012）二級濃度限值（0.060mg/m3）。2016年濟南市環(huán)境空氣中SO2濃度達到這一時期的最低值0.049 mg/m3。令人意外的是，2013年SO2濃度出現(xiàn)了大幅度反彈，年均濃度高達0.115 mg/m3，該年份SO2排放量及燃煤消耗量在這幾年中處于中等水平。由此可見，SO2排放總量的增加并不是SO2濃度上升的主要原因，SO2濃度上升的原因將在下文中詳細討論。

圖1 2008—2016年SO2年際變化曲線

2008—2016年間，SO2年均濃度相比上年度下降的比例分別為1.72%、6.14%、15.89%、4.44%、-34.88%、32.76%、23.08%和18.33%。整個這一時期，SO2濃度下降趨勢波動較大，甚至出現(xiàn)反彈?？傊?，2016年與2008年年均濃度相比累積降低了57.76%，SO2年均濃度的變化率為-0.008 mg/（m3·a）。

利用SPSS計算空氣中SO2濃度、SO2排放量和燃煤消耗量三者之間的相關性關系，發(fā)現(xiàn)濟南市SO2濃度與全市SO2排放量有著明顯的正相關關系，相關系數(shù)為0.852；但SO2濃度與燃煤量之間關系不明顯，相關性僅為-0.233。濟南市SO2排放量的削減并不是單純對燃煤量進行控制取得的。“十三五”期間，對于SO2排放大戶的工業(yè)污染源，環(huán)保部門督促其全部建設了脫硫、脫硝、除塵等污染治理設施；對于工業(yè)及民用的燃煤品質，濟南市也提出了明確的要求。通過提高煤炭質量、升級改造SO2治理設施等措施，濟南市在煤炭消耗小幅下降的背景下，實現(xiàn)了SO2排放量的大幅削減，從而使得大氣中SO2濃度下降。

2.2 SO2季節(jié)變化

圖2是2008—2016年濟南市SO2濃度的季節(jié)分布。由圖2可見，SO2濃度的季節(jié)變化極為明顯。2008—2016年這9年間，春季（3月～5月）、夏季（6月～8月）、秋季（9月～11月）、冬季（12月、1月、2月）的平均濃度分別為0.074 mg/m3、0.046 mg/m3、0.071 mg/m3、0.172 mg/m3，整體呈現(xiàn)出冬季濃度最高、春秋季次之、夏季濃度最低的季節(jié)變化特征，這與北京、太原等北方城市的SO2季節(jié)變化規(guī)律基本一致[7-8]。SO2濃度的季節(jié)性變化與燃煤消耗以及大氣邊界層高度、風向風速等氣象因素的季節(jié)變化有著重要關聯(lián)[9]。出現(xiàn)SO2濃度高值的冬季，季節(jié)性的供暖企業(yè)開始生產(chǎn)，大量耗煤，貢獻了大量的SO2，另外，城郊及鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民為取暖大量燃燒散煤，也貢獻了大量的SO2；除了排放源強較高外，這一季節(jié)的氣象條件也不利于污染物擴散，濟南冬季大部分時間處于高壓控制下的靜穩(wěn)天氣，使得水平和垂直方向均不利于污染物擴散，從而導致近地面大氣中SO2濃度偏高。對于出現(xiàn)SO2濃度低值的夏季而言，相當一部分工業(yè)污染源在這一時期對生產(chǎn)設備進行檢修，這使得夏季成了SO2排放量最低的時期；另外，夏季大氣邊界層高度相對較高，大氣對流活動強烈，使得近地面大氣中SO2在垂直方向上被充分稀釋；高強度的太陽輻射更有利于光化學反應的進行，SO2快速與大氣中OH自由基以及臭氧等物質反應，氧化成硫酸鹽；夏季頻繁的降雨也對SO2起到了有效的清除作用。以上這幾個方面的因素共同作用，使得夏季地面SO2濃度相對較低。而對于春秋兩季來說，其污染物排放源強和大氣擴散條件介于夏季和冬季之間，這使得SO2濃度也處于中間水平。

從圖2可見，2013年的SO2濃度明顯高于其前一年，比其之后的幾年也要高出不少。究其原因，主要是2013年冬季SO2濃度顯著升高。2013年冬季SO2濃度偏高，主要是由于當年1月份的SO2濃度月均值高達0.302 mg/m3，這是2008—2016年這9年間月均濃度的最高值。出現(xiàn)這樣的高值是因為2013年1月包括濟南在內的我國中東部地區(qū)發(fā)生持續(xù)性的大范圍霧霾天氣，此次霧霾天氣導致濟南市環(huán)境質量指數(shù)（AQI）持續(xù)爆表，受不利氣象因素影響，SO2、PM2.5等大氣污染物在很長一段時間內保持在較高的濃度水平[10]。1月份較高的SO2濃度水平，拉高了2013年全年的SO2年均濃度值，使得該年度濟南SO2濃度大幅度反彈，空氣質量出現(xiàn)惡化趨勢。

圖2 2008—2016年SO2濃度的季節(jié)分布

從2008—2016年采暖季和非采暖季SO2濃度分布上看（圖3），2008—2016年采暖季SO2濃度為0.063～0.192mg/m3，非采暖季SO2濃度為0.040～0.068 mg/m3。采暖季濃度明顯高于非采暖季濃度，前者為后者的2.54倍，這說明采暖季遍布全市的采暖鍋爐及居民使用的散煤排放出大量的SO2氣體，使得SO2濃度處于較高水平[11]。對于不同的年份而言，采暖季與非采暖季的SO2濃度比值呈現(xiàn)下降趨勢，由最高時的3.25倍已經(jīng)降至2016年的1.57倍（最低值）。2013年以來，濟南市為落實《大氣污染防治行動計劃》，積極采取一系列措施，截止到2016年，已關停濟鋼燒結廠等重污染企業(yè)，對建成區(qū)100余臺燃煤鍋爐進行了淘汰或清潔能源改造，集中供熱企業(yè)全部實現(xiàn)超低排放，這使得采暖季空氣質量有了明顯好轉，采暖季SO2濃度的大幅下降就是表現(xiàn)之一。

圖3 2008—2016年采暖季和非采暖季SO2濃度分布

2.3 SO2月變化

圖4是2008—2016年濟南市SO2濃度的逐月變化圖。從圖中可知，SO2月均濃度曲線整體呈U型分布，1～3月濃度迅速下降，4～10月濃度變化不明顯，逐月基本保持穩(wěn)定，11～12月濃度迅速上升。一年的各月份中，1月、2月、12月的濃度均值最高，9年均值分別為0.195 mg/m3、0.172 mg/m3、0.149 mg/m3，這主要是受冬季采暖用煤的影響[12]，大量的燃煤消耗加之較強的逆溫，綜合作用導致SO2在近地面大氣中累積，形成較高濃度；6月、7月、8月的SO2濃度值最低，9年濃度均值分別為0.052 mg/m3、0.033 mg/m3、0.053 mg/m3，這主要是由于這些月份SO2排放源強較低，另外大氣垂直活動活躍，降水事件較多。

2016年12月份的SO2濃度相比于往年同期嚴重偏低，月濃度僅為0.053 mg/m3；即使與同一年度的其他月份相比，12月份的月均濃度也只屬于中間水平。從排放源強和與污染物擴散有關的氣象因素兩方面分析出現(xiàn)這種情況的原因。對于排放量而言，2016年12月出現(xiàn)了長時間的嚴重霧霾天氣，天數(shù)高達15 d左右，為此濟南市采取了一系列污染減排措施，包括SO2在內的大氣污染物排放量均出現(xiàn)不同程度下降。氣象因素方面，受長時間靜穩(wěn)天氣影響，12月份的平均風速僅為1.44 m/s，但該月相對濕度高達59%。如圖5所示，較高的濕度有利于在顆粒物表面形成水膜，吸附氣相中的SO2，并不斷地轉為硫酸鹽[13]。綜上所述，雖然2016年12月份風速極低，并出現(xiàn)了15 d左右的霧霾天氣，但通過采取一系列污染減排措施，加之較高的空氣濕度有利于氣相的SO2向硫酸鹽轉化，這使得空氣中SO2的濃度出現(xiàn)低值。

圖4 2008—2016年SO2月變化曲線

圖5 2016年SO2濃度與空氣相對濕度關系曲線

3 結論

（1）2016年與2008年相比，濟南市SO2年均濃度出現(xiàn)大幅的下降，下降幅度高達50%以上，這主要歸功于SO2排放量的大幅削減。

（2）濟南市SO2濃度的季節(jié)變化和逐月變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，冬季較高，夏季較低，春季處于中間水平。這主要是各季節(jié)和各月份間SO2排放源的排放強度和污染物擴散的氣象條件存在差異導致的。

（3）2008—2016年SO2年均濃度下降趨勢明顯，但偶有反彈，采暖季SO2濃度在全年中的比重呈現(xiàn)下降趨勢，說明濟南市采取的環(huán)保措施發(fā)揮了成效。

[1]任陣海，萬本太，蘇福慶，等.當前我國大氣環(huán)境質量的幾個特征[J].環(huán)境科學研究，2004，17（1）：1-6.

[2]環(huán)境保護部，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 3095-2012環(huán)境空氣質量標準[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2012.

[3]USENVIRONMENTALPROTECTION AGENCY.Air quality criteria for carbon Monoxide[R].Rep.EPA/600/8290/045F，Office of Health and EnvironmentalAssessment，EnvironmentalCriteriaand Assessment Office.Research Triangle Park，NC，Available from：NTIS，Springfield，VA，1991，PB932167492.

[4]孟曉艷，王普才，王庚辰，等.北京及其周邊地區(qū)冬季SO2的變化與輸送特征[J].氣候與環(huán)境研究，2009，14（3）：309-317.

[5]謝媚，陳粵蓀.近年廣州市二氧化硫污染特征及污染來源分析[J].環(huán)境科學與技術，2003，26（2）：18-20.

[6]王淑蘭，柴發(fā)合，夏廣鋒，等.深圳市SO2污染來源及其特征分析[J].環(huán)境科學研究，2009，22（10）：1128-1133.

[7]程念亮，張大偉，李云婷，等.2000—2014年北京市SO2時空分布及一次污染過程分析[J].環(huán)境科學，2015，36（11）：3961-3971.

[8]溫麗仙，李素清.1996—2005年太原市SO2污染特征及變化趨勢分析[J].四川環(huán)境，2007，26（2）：54-57.

[9]李菲，譚浩波，鄧雪嬌，等.2006—2010年珠三角地區(qū)SO2特征分析[J].環(huán)境科學，2015，36（5）：1530-1537.

[10]張小曳，孫俊英，王亞強，等.我國霧-霾成因及其治理的思考[J].科學通報，2013，58（13）：1178-1187.

[11]吉東生，王躍思，孫楊，等.北京大氣中SO2濃度變化特征[J].氣候與環(huán)境研究，2009，14（1）：69-76.

[12]樸曄，劉夢思.長春市復合型大氣污染成因及對策[J].中國環(huán)境管理干部學院學報，2016，26（6）：86-90.

[13]張秋彭，李三民，路洪榮，等.大氣顆粒物與SO2的相互作用[J].環(huán)境科學，1985，6（4）：88-91.

（編輯：程俊）

Analysis on The Characteristics and Changing Trends of SO2Pollution from 2008 to 2016 in Jinan

Sang Bo1,2,Sun Minghu3*
（1.Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd,Jinan Shandong 250101,China；2.School of Environmental Science and Engineering,Shandong University,Jinan Shandong 250100,China；3.Jinan Environmental Protection Bureau,Jinan Shandong 250033,China）

Characteristics of the temporal distribution of SO2during 2008 to 2016 were analyzed at an urban site in Jinan.The results showed thatmass concentration of SO2in 2016 decreased about 58%compared to that in 2008,with an annual gradient of-0.008 mg/(m3·a).Monthly average concentration of SO2displayed an U shape curve and the seasonal concentration order of SO2was as follows:winter＞spring＞autumn＞summer.Significantly higher concentrations of SO2were observed in heating season than that in non-heating season.

sulfur dioxide,annual variation,seasonal variation,monthly variation,Jinan

X512

A

1008-813X（2017）02-0075-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.02.20

2017-03-01

桑博（1987-），男，山東聊城人，畢業(yè)于山東大學環(huán)境工程專業(yè)，碩士研究生，工程師，主要從事環(huán)境影響評價、環(huán)境監(jiān)測工作。

*通訊作者：孫明虎（1986-），男，山東濟南人，畢業(yè)于山東大學環(huán)境工程專業(yè)，博士，主要從事環(huán)境行政管理工作。