秦皇島市大氣重污染特征及防控策略

龍小菊

（東北石油大學秦皇島分校，河北秦皇島066000）

秦皇島市大氣重污染特征及防控策略

龍小菊

（東北石油大學秦皇島分校，河北秦皇島066000）

2016年采樣期間和重污染期間，秦皇島市區(qū)PM2.5濃度分別為85.9 μg/m3和180.7 μg/m3，表明重污染期間大氣復合污染更為嚴重。采樣期間水溶性離子濃度為39.7 μg/m3，其中SO42-、NO3-和NH4+占總離子的66.5%，重污染期間水溶性離子濃度是采樣期間濃度均值的1.5倍。重污染天氣主要是受大陸均壓場控制，導致污染物不易擴散。因此，建議從完善重污染應急措施、調整產業(yè)與能源結構、提高能源利用率、加強生態(tài)農業(yè)建設、建立大氣污染聯防聯控合作機制等方面進行重污染防控。

PM2.5；重污染；防控策略；秦皇島市區(qū)

區(qū)域大氣復合污染問題已經成為近幾年制約我國經濟發(fā)展的重要因素之一，尤其是京津冀地區(qū)[1]。秦皇島市位于河北省東北部，是環(huán)渤海地區(qū)重要的港口城市。2015年秦皇島市PM2.5、PM10、NO2年均濃度分別為45 μg/m3、99 μg/m3、45 μg/m3，分別超過國家二級濃度標準0.37倍、0.41倍和0.12倍，SO2和O3年均濃度分別為38 μg/m3、107 μg/m3，均達到國家標準限值要求。雖然與京津冀地區(qū)的邢臺、保定等城市相比，秦皇島市大氣環(huán)境質量相對較好，2015年全年達標天數比例為73.7%，但秦皇島市環(huán)境空氣質量仍有96 d達到輕度污染及以上級別。尤其是冬季，燃煤量的增加以及不利于污染物擴散的氣象條件，使得重污染天氣頻發(fā)。天氣后報網站的污染物監(jiān)測結果顯示，2015年1月份秦皇島市PM2.5濃度為21～173 μg/m3，平均為73.1 μg/m3，其中1月份超過國家二級濃度標準（75 μg/m3）的天數占51.6%。較高的PM2.5濃度對大氣環(huán)境、室內環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)均有嚴重的負面影響[2-4]。一方面，重污染天氣下大氣層結構比較穩(wěn)定，容易造成污染物集聚、水汽聚集，促進環(huán)境陰霾的形成，高濃度PM2.5對太陽光具有很強的吸收和散射能力[3]，導致能見度降低，對公眾健康和出行產生不利影響[4]；另一方面，重污染天氣下較低的風速使得PM2.5在大氣環(huán)境中滯留時間更長，有機物和重金屬等有害物質更易通過呼吸系統(tǒng)進入人體，對人體支氣管等系統(tǒng)產生負面影響[5]，而且醫(yī)學研究已證明重污染與呼吸系統(tǒng)的發(fā)病率存在明顯相關性[6]。

目前，國內外學者對大氣復合污染已經展開了一系列前瞻性研究[7-8]。例如陳衍婷等[9]對海西城市群PM2.5中重金屬元素的污染特征及健康風險進行了研究，結果顯示建筑塵等排放源的分布，導致PM2.5中重金屬分布特征與PM2.5濃度不一致，解析結果顯示PM2.5中痕量重金屬主要來自燃煤、機動車尾氣、混合源以及其他工業(yè)源，PM2.5中Cr、Ni、As等致癌重金屬的風險值低于一般可接受風險水平，表明該組分未對人體健康造成危害；張寶貴等[10]對秦皇島市PM2.5、SO2、NO2、CO和O3的分布特征進行了研究，結果表明秦皇島市冬季有16 d處于重度及以上污染，秋冬季PM2.5濃度在午夜出現峰值，春夏季峰值出現在早晚；葛琳琳等[11]對溫州市PM2.5中水溶性離子的污染特征、化學組分和來源進行了分析，離子總濃度的季節(jié)變化特征為冬季最高，夏季最低，水溶性離子主要來源于燃煤、生物質燃燒、機動車尾氣等排放源。但目前對秦皇島市大氣重污染特征的研究相對不足，為此，本研究在秦皇島市設置大氣環(huán)境采樣點，于2016年12月份重污染期間進行大氣PM2.5采集，分析PM2.5及主要水溶性離子的污染特征，并提出重污染天氣應對策略，以期為政府及管理部門減緩大氣重污染提供科學支撐。

圖1 采樣期間秦皇島市各污染物日均濃度

1 實驗部分

1.1 樣品采集

秦皇島市大氣PM2.5采樣點設置在市區(qū)一辦公樓樓頂，采樣點周圍主要是辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)和居民區(qū)，采樣點距離地面垂直高度為20 m左右。PM2.5采樣時間為2016年12月9日—12月31日，采樣設備為武漢天虹有限公司生產的大氣顆粒物采樣器，樣品采集時間為早9：00—次日早8：00，樣品采集于纖維素濾膜上用于PM2.5質量濃度和水溶性離子濃度分析。

1.2 水溶性離子分析

將1/2纖維素濾膜剪碎后放置于容積約為20 ml的試管中，并加入10 ml高純水密封，于超聲波清洗器內進行超聲萃取1 h。隨后采用離子色譜儀對PM2.5中的SO42-、NO3-、F-、Cl-、NO2-、Mg2+、Ca2+、NH4+、Na+和K+共10種水溶性離子的濃度進行測試。水溶性離子濃度上機測試過程中，設置3組空白膜樣品，并采用同樣的方法進行測試分析，水溶性離子組分的最終濃度結果均扣除3組空白膜的均值。

2 結果與分析

2.1 采樣期間PM2.5濃度變化特征

秦皇島市PM2.5、SO2、NO2、O3濃度變化如圖1所示。采樣期間秦皇島市PM2.5濃度為15.5～222.0 μg/m3，平均為85.9 μg/m3，是環(huán)境空氣質量標準二級濃度的1.1倍，采樣期間超標天數占采樣天數的39.1%；采樣期間SO2、NO2、O3濃度分別為49.7 μg/m3、60.2 μg/m3、23.1 μg/m3。PM2.5與SO2、NO2具有較好的相關性，相關系數分別為0.62，0.85，表明三者具有較相似來源；PM2.5與O3呈負相關（-0.77），主要是由于重污染頻發(fā)的冬季，靜穩(wěn)型天氣下易發(fā)生二次化學反應，消耗O3等氧化劑。

重污染期間（PM2.5濃度大于150 μg/m3）PM2.5、SO2、NO2、O3濃度分別為180.7 μg/m3、61.9 μg/m3、87.3 μg/m3和10.1 μg/m3，可見與采樣期間濃度均值相比，重污染期間PM2.5、SO2、NO2濃度升高明顯，其中PM2.5日均最高濃度可達222.0 μg/m3，是環(huán)境空氣質量標準二級濃度的3.0倍，PM2.5的重要前體物SO2、NO2濃度分別是采樣期間的1.2和1.5倍。由此可見，重污染期間以PM2.5為主的大氣復合污染更為嚴重。

2.2 采樣期間水溶性離子濃度變化特征

采樣期間和重污染期間10種水溶性離子在PM2.5中含量示意如圖2所示。結果顯示，采樣期間10種水溶性離子濃度均值為39.7 μg/m3，可占PM2.5質量濃度的46.2%，可見水溶性離子是PM2.5的主要組分。其中，SO42-、NO3-和NH4+（二次無機氣溶膠，SIA）是含量較多的3種組分，主要是通過SO2和NOx等氣態(tài)污染物的二次反應生成，其質量百分比分別為12.6%、10.7%和7.4%，三者濃度之和占總水溶性離子的66.5%。重污染期間各水溶性離子濃度均有明顯升高，濃度均值為57.6 μg/m3，是采樣期間濃度均值的1.5倍，尤其是SIA，重污染期間三者濃度之和占PM2.5質量濃度的46.2%。

圖2 采樣期間和重污染期間秦皇島市水溶性離子含量

SO42-濃度較高主要是由于秦皇島市冬季排放源以燃煤等高污染排放源為主，秦皇島市統(tǒng)計局數據顯示，秦皇島市2015年能源消費總量1 027.78萬t標準煤，原煤產量高達37.5億t，原油、粗鋼和鋼材產量分別為21 455.6萬t、80 382.5萬t和112 349.6萬t[12]，企業(yè)排放的前體物SO2在靜穩(wěn)型天氣下易轉化為SO42-。NO3-濃度較高主要是由于前體物NOx主要來自于機動車排放，2015年底秦皇島市機動車保有量為56.5萬輛左右，較2014年增長8.8%[13]，大氣環(huán)境中的NOx90%左右均來自于機動車尾氣排放。NH4+主要來自NH3的轉化，采樣點NH3濃度受化肥施用及人畜排放的影響較大，NH4+與SO42-、NO3-結合生成（NH4）2SO4、NH4HSO4和NH4NO3，因此NH3排放對PM2.5濃度的影響也不容忽視。SO42-與NO3-的質量比大于1與否，通?？梢杂脕碓u估固定源和移動源對大氣環(huán)境中SO2與NO2貢獻大小[14-15]。采樣期間秦皇島市SO42-與NO3-的質量比為1.2，表明與移動源相比，電廠、燃煤鍋爐等固定源對SO2與NO2的貢獻較大。

作為沿海城市，采樣期間秦皇島市的海鹽氣溶膠（sea-salt aerosols，SSA）特征組分Na+和Cl-濃度分別占PM2.5質量濃度的2.1%和5.3%。國內外通常采用3.246倍Na+的濃度定量估算SSA的含量，本研究中SSA可占PM2.5的6.8%。采樣期間周邊居民的生物質燃燒使得K+的濃度達到1.9 μg/m3，占PM2.5質量濃度的2.3%。Ca2+、Mg2+是無組織揚塵的特征組分，采樣期間兩者可占PM2.5濃度的5.7%，因此應加強建筑揚塵、道路揚塵等無組織排放的監(jiān)管與控制。

2.3 重污染天氣的形成過程分析

區(qū)域大氣重污染現象具有突發(fā)性，是復雜的大氣物理、大氣化學和天氣過程共同作用的結果。我國華北地區(qū)的地理環(huán)境與氣象條件較為復雜，易形成污染物的輻合匯聚帶，在均壓場天氣條件下易造成區(qū)域性的大氣環(huán)境高濃度污染。本研究以采樣期間2016年12月13日—22日典型重污染過程為例，分析重污染天氣的形成過程。

重污染過程一般分為三個階段，分別為濃度上升階段、濃度持續(xù)積累階段和濃度下降階段（圖3）。13日—16日為本次重污染的濃度上升階段，此時秦皇島市主要受持續(xù)數日的大陸高壓均壓控制，大氣混合層高度開始降低、逆溫層厚度大、污染物不易擴散，雖然此時各污染物濃度較低，PM2.5、SO2和NO2濃度分別為36.4 μg/m3、36.0 μg/m3和42.9 μg/m3，但各污染物濃度均呈現明顯上升趨勢（O3除外），第二個階段秦皇島市主要受大陸低壓均壓場控制，地面主要以靜風為主，不利于第一階段中污染物的擴散，導致污染物濃度進一步升高達到峰值（O3除外），17日PM2.5、SO2和NO2濃度分別高達189.7 μg/m3、90.9 μg/m3和90.5 μg/m3，前兩個過程中O3濃度整體上呈現下降趨勢，主要是由于在靜穩(wěn)型重污染天氣下，硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等發(fā)生二次化學反應消耗了一定量的O3。第三個階段（18日—22日）秦皇島市主要受高壓梯度場控制，氣壓梯度較大，有利于污染物擴散，到22日，各污染物濃度均達到此次重污染過程的最低值。

圖3 采樣期間和重污染期間水溶性離子含量

3 重污染防控策略

3.1 深入完善重污染應急措施，妥善應對重污染天氣

目前，京津冀區(qū)域已經統(tǒng)一了重污染天氣預警分級標準，并建立了大氣重污染應急管理決策平臺。針對重污染天氣，秦皇島市應提高應對能力，加強工業(yè)企業(yè)、機動車、生物質燃燒、建筑施工工地等排放源的環(huán)境執(zhí)法監(jiān)察，尤其是對重點區(qū)域重點企業(yè)的排污狀況進行實時監(jiān)測、監(jiān)察，最大限度降低重污染天氣造成的危害，保障人民群眾身體健康。

3.2 調整產業(yè)結構

2015年秦皇島市第一、二、三產業(yè)比例分別為9.0%，40.5%，50.5%，雖然與服務業(yè)相關的第三產業(yè)比例高于河北省整體情況（40.2%），但與英國、美國等發(fā)達國家相比，秦皇島市仍需合理規(guī)劃產業(yè)布局，淘汰落后產能，大力發(fā)展居民服務、旅游等無污染服務業(yè)[16]。

3.3 調整能源結構，提高能源利用率

2011年河北省能源生產結構調查結果顯示，河北省煤炭在能源生成量中的比重高達85.6%，石油、天然氣和水電的比例分別為13.0%、1.3%和0.1%[17]。秦皇島市同樣以煤炭作為主要能源[18]，因此建議推廣使用天然氣、水電等清潔能源或符合標準的低硫優(yōu)質煤，逐步推進城市居民集中供暖，新能源汽車替代，降低粉塵、SO2和NOx排放量；淘汰落后產能和生產工藝，改進現有落后的燃燒方式，例如采用先進的燃氣輪機發(fā)電設備，減少對大氣環(huán)境的污染。

3.4 加強生態(tài)農業(yè)建設

3.5 建立秦皇島市與周邊省市的大氣污染聯防聯控合作機制

污染物在邊界層中的擴散、輸送、湍流運動、積累、清除受到大尺度環(huán)境背景場的影響，除當地排放的污染物在局部地區(qū)積累之外，外來污染物向本地的輸送是形成重污染的原因之一。雖然重污染時段是靜穩(wěn)型天氣，但是區(qū)域性氣象背景場的湍流可能會造成污染物傳輸。因此，為了緩解秦皇島市的PM2.5污染，不僅需要減少本地的排放，也需要加強重污染期間與周邊省市的大氣污染聯防聯控合作機制建立。

4 結論

本研究選取秦皇島市區(qū)為采樣點，于2016年12月份重污染期間進行PM2.5樣品采集，分析PM2.5和水溶性組分的污染特征，并提出重污染天氣應對策略，研究結果表明：

（1）采樣期間秦皇島市PM2.5濃度為85.9 μg/m3，超標天數占采樣天數的39.1%；重污染期間各污染物濃度升高明顯，PM2.5濃度為180.7 μg/m3，由此可見，重污染期間以PM2.5為主的大氣復合污染更為嚴重。

（2）采樣期間水溶性離子濃度為39.7 μg/m3，可占PM2.5質量濃度的46.2%，S、N和N是含量較多的3種組分，其質量百分比分別為12.6%、10.7%和7.4%；重污染期間水溶性離子濃度是采樣期間濃度均值的1.5倍。

（3）重污染天氣的形成過程分析表明，秦皇島市重污染天氣主要是受大陸高壓均壓、大陸低壓均壓場控制，導致污染物不易擴散。

（4）建議從完善重污染應急措施等方面進行重污染防控。完善重污染應急措施、調整產業(yè)與能源結構、提高能源利用率、加強生態(tài)農業(yè)建設、建立秦皇島市與周邊省市的大氣污染聯防聯控合作機制等方面進行重污染防控。

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（編輯：程俊）

Atmospheric Heavy Pollution Characteristics and Prevention and Control Strategies in Qinhuangdao Urban Area

Long Xiaoju
（Northeast Petroleum University at Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066000,China）

The concentrations of PM2.5were 85.9 and 180.7 μg/m3during sampling period and during heavy pollution period,respectively in Qinhuangdao urban area in 2016,which indicated that the combined air pollution was more serious during heavy pollution.The concentrations of water soluble ions were 39.7 μg/m3during sampling period,and the sum concentrations of SO42-, NO3-,and NH4+accounted for 66.5%of PM2.5.The concentrations of water soluble ions during heavy pollution were 1.5 times higher than that during sampling period.The heavy pollution was mainly controlled by uniform pressure field,and it was not easy for pollutants to diffuse.Therefore, this paper suggested to prevent and control the heavy pollution from the following aspects, including improving the heavy pollution emergency measures,adjusting the industrial structure and energy structure,improving energy efficiency,promoting the construction of ecological agriculture, and setting up mechanisms for joint prevention and control atmospheric pollution.

PM2.5,heavy pollution,prevention and control strategies,Qinhuangdao urban area

X51

A

1008-813X（2017）03-0082-05

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.22

2017-02-07

龍小菊（1978-），女，河北秦皇島人，畢業(yè)于大慶石油學院礦產勘探與普查專業(yè)，碩士，講師，主要從事大氣污染治理的研究工作。