汕頭市澄海區(qū)春季大氣細顆粒物來源解析及特征分析*

李 娟，肖亮洪，郭 巖，黃宜耀，張宇烽，陳舒遲

(廣東省汕頭市環(huán)境保護監(jiān)測站，廣東 汕頭 515041)

近年來，隨著我國城市化、工業(yè)化進程的不斷加快，環(huán)境空氣質(zhì)量惡化日趨嚴重，大氣顆粒物已成為我國大部分城市的首要大氣污染物。大氣細顆粒物與暴露人群的健康狀況有很強相關性[1-2]，也是引起能見度下降的主要因素[3-4]。尤其是以京津冀、長三角、珠三角為代表的城市群頻繁遭遇灰霾襲擊?；姻蔡鞖庖呀?jīng)成為一種常見的環(huán)境污染事件，因其對于能見度、人體健康以及全球氣候的影響，受到各方的廣泛關注[5]。

隨著汕頭市經(jīng)濟快速發(fā)展，人類活動對環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生了一定程度的負面影響，灰霾天氣時有發(fā)生。研究表明，灰霾天氣的形成除受氣象條件的影響外，還與懸浮細顆粒物(PM2.5)的濃度直接相關[6]，因而弄清楚PM2.5的源排放特征是進行來源解析、制定相應法規(guī)、進而實施相應防控措施的必要前提[7]。本文選取汕頭市澄海區(qū)為研究對象，采用了具有國際領先水平的在線高時間分辨率單顆粒氣溶膠飛行質(zhì)譜直接測量法實時監(jiān)測源排放單個顆粒物的化學成分和粒徑大小，全面了解澄海區(qū)環(huán)境空氣顆粒物的變化，進而判斷大氣污染成因，為政府決策提供基礎數(shù)據(jù)和有力的科技支撐，因此開展汕頭市澄海環(huán)境空氣細顆粒物源解析研究工作具有十分重要和現(xiàn)實的社會意義。

1 方 法

1.1 觀測點位

采樣點設置在汕頭市澄海區(qū)環(huán)保局六樓(汕頭市環(huán)境空氣國控監(jiān)測點)，該測點距離地面高度約12 m，屬于居住區(qū)和商業(yè)區(qū)的混合區(qū)，受周邊人群活動的局部影響較小。觀測時間為2015年3月14日17:00-3月23日9:00，歷時9天，24 h不間斷觀測。

1.2 儀器設備

本次實驗使用的測試儀器為在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS0515，廣州禾信分析儀器有限公司)，是目前國際首臺細顆粒物在線源解析監(jiān)測設備，是實現(xiàn)細顆粒物實時在線源解析的唯一手段。

2 結(jié)果與討論

2.1 細顆粒物信息

監(jiān)測期間得到具有粒徑信息的顆粒物563.5萬個，其中有正負質(zhì)譜圖的顆粒117萬個。如圖1所示，監(jiān)測期間SPAMS采獲的小時顆粒數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的時間變化趨勢基本一致(相關系數(shù)R2為0.51)，說明顆粒數(shù)的變化趨勢可一定程度上反映大氣顆粒物的污染狀況。

圖1 SPAMS小時顆粒數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的時間變化趨勢圖

2.2 細顆粒物粒徑分析

澄海區(qū)顆粒粒徑分布如圖2所示，從圖2可以看出，細顆粒物粒徑主要分布0.32～0.88 μm，峰值出現(xiàn)在0.62 μm處，粒徑分布呈現(xiàn)較好的正態(tài)分布。

圖2 顆粒粒徑分布圖

2.3 整體細顆粒物成分分析

圖3 整體細顆粒物化學成分平均質(zhì)譜圖

澄海區(qū)大氣細顆粒物中的離子比例如表1所示，從表1可以看出，多數(shù)顆粒含有鉀離子、硫酸鹽和硝酸鹽，另外鈉離子、銨離子、氯離子、鈣離子和鐵離子的含量也都在10%以上，占比較高。

表1 大氣細顆粒物中的離子比例

2.4 總體細顆粒物分類結(jié)果

利用自適應共振神經(jīng)網(wǎng)絡分類算法(Art-2a)對細顆粒物進行了分類，分類過程中使用的分類參數(shù)為：相似度0.65，學習效率0.05。分類后，再經(jīng)過人工合并，最終確定了9類細顆粒物，分別為：元素碳(EC)、混合碳(ECOC)、富鉀顆粒(K)、富鈉鉀顆粒(NAK)、重金屬(HM)、礦物質(zhì)(SIO3)、有機碳(OC)、高分子有機碳(HOC)以及左旋葡聚糖顆粒(LEV)。

澄海區(qū)細顆粒物分類結(jié)果如圖4所示，可看到首要細顆粒物類別為元素碳，占總細顆粒物的49.7%，其次是有機碳，占總細顆粒物的13.7%，第三位是混合碳，占總細顆粒物的9.5%，其他類細顆粒物占比相對較少。

圖4 細顆粒物分類結(jié)果

2.5 總體細顆粒物來源分析

基于監(jiān)測結(jié)果，參照《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南》，結(jié)合當?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)，按照環(huán)境管理需求對顆粒物排放源進行分類，可將澄海區(qū)細顆粒物污染來源歸結(jié)為八大類，分別為海鹽、揚塵源、生物質(zhì)燃燒源、機動車尾氣源、燃煤源、工業(yè)工藝源、純二次無機源和其他。

澄海區(qū)細顆粒物源分析結(jié)果如圖5所示，可看到首要污染源是機動車尾氣源，占總細顆粒物的32.3%，其次是燃煤源，占總細顆粒物的22.8%，第三位是工業(yè)工藝源，占總細顆粒物的12.3%，揚塵源占比10%，其它源類貢獻率均在10%以下。

圖5 細顆粒物來源分析

2.6 污染源變化堆疊圖

監(jiān)測期間對澄海區(qū)各類污染源實時變化趨勢和貢獻比例進行分析，結(jié)果如圖6所示。圖中橫軸為時間，縱軸為各類源所占比例，在縱軸跨度越大，代表貢獻率越高。由圖6可看出：機動車尾氣源在整個監(jiān)測過程中為首要污染源，最高比例達到66.5%；燃煤源波動較大，3月19日出現(xiàn)輕度污染天氣，且當天燃煤源占比明顯高于其他顆粒源，出現(xiàn)最大峰值，是當天的首要污染源。生物質(zhì)燃燒源在監(jiān)測期間變化幅度較大，最低和最高比例分別為0.6%和29.8%；揚塵源、工業(yè)工藝源等在監(jiān)測期間變化不大。

圖6 細顆粒物來源比例時間序列

監(jiān)測期間，各源類細顆粒物數(shù)濃度時間序列如圖7所示。從圖7中可看出，隨時間推移各源顆粒數(shù)與顆粒物濃度變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為同增同減。在顆粒數(shù)累積上升的過程中，機動車尾氣源和燃煤源顆粒增加更為明顯。

圖7 各源類細顆粒物數(shù)濃度時間序列

2.7 機動車尾氣源重點分析

監(jiān)測期間機動車尾氣源占比隨時間變化如圖8所示，連續(xù)9天的監(jiān)測中，機動車尾氣源排放高峰時段基本都分布在每天早上8點左右或晚上6點之后，顯然主要是受到上下班車流高峰的影響。3月19日06：00-12：00期間，PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)明顯的峰值，隨后濃度逐漸減低，而此期間機動車尾氣源的濃度占比較低，結(jié)合圖6可知，該時段燃煤源的占比出現(xiàn)最大峰值，PM2.5質(zhì)量濃度主要受燃煤源的影響較大。其余時段，PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)高峰，同時機動車尾氣源的占比均出現(xiàn)明顯上升，機動車尾氣源和PM2.5質(zhì)量濃度的整體變化趨勢較為一致，說明在監(jiān)測期間該區(qū)PM2.5主要受機動車尾氣影響。

圖8 機動車尾氣源比例及PM2.5質(zhì)量濃度隨時間變化

3 結(jié) 論

(1)監(jiān)測期間SPAMS采獲的小時顆粒數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的時間變化趨勢基本一致，一定程度上可反映大氣顆粒物的污染狀況；

(2)澄海區(qū)大氣細顆粒物中，多數(shù)顆粒含有鉀離子、硫酸鹽和硝酸鹽，鈉離子、銨離子、氯離子、鈣離子和鐵離子的含量也都在10%以上，占比較高；

(3)監(jiān)測期間，澄海區(qū)細顆粒物分類結(jié)果來看，首要細顆粒物類別為元素碳，占總細顆粒物的49.7%，其次是有機碳，占總細顆粒物的13.7%，第三位是混合碳，占總細顆粒物的9.5%，其他類細顆粒物占比相對較少；

(4)監(jiān)測期間，澄海區(qū)細顆粒物源解析結(jié)果來看，首要污染源是機動車尾氣源(32.3%)，其次是燃煤源(22.8%)，工業(yè)工藝源(12.3%)，揚塵源(10%)，其它源類貢獻率均在10%以下；

(5)監(jiān)測期間，機動車尾氣源排放高峰時段基本都分布在每天早上8點左右及晚上6點之后，主要是受到上下班車流高峰的影響；

(6)監(jiān)測期間，3月19日出現(xiàn)輕度污染天氣，通過對發(fā)生的污染過程的數(shù)據(jù)綜合分析可基本確定，污染過程產(chǎn)生的主要原因是當天風速較低，出現(xiàn)氣象擴散條件不利的情況，由于燃煤源排放的顆粒物富集過多導致的，因此在重污染天氣時應優(yōu)先考慮對燃煤源采取管控措施。機動車尾氣源在3月19日出現(xiàn)占比下降的趨勢，但其在大多數(shù)時間段均占比較高，尤其在上下班等高峰期對空氣質(zhì)量影響較為顯著，因此在重污染天氣或特殊時段也應成為優(yōu)先考慮采取管控措施的對象。