2017～2019年武漢市空氣重污染期及污染物二次轉(zhuǎn)化分析

楊家鵬，黃碧捷，張茂榮，王一靖

(江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

1 引言

空氣污染已成為限制我國(guó)城市實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，尤其是當(dāng)前我國(guó)部分中心城市較為頻繁地出現(xiàn)季節(jié)性空氣重污染狀況。PM2.5和O3成為首要的空氣污染物，并能促進(jìn)SOx、NOx等其他空氣污染物發(fā)生二次轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生硫酸根、硝酸根、銨根等二次無(wú)機(jī)離子，進(jìn)而造成更大的空氣污染危害。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從污染物濃度、氣象條件、化學(xué)機(jī)理等方面對(duì)污染物的二次轉(zhuǎn)化的特征及其成因進(jìn)行了探索性研究。普遍認(rèn)為因二次轉(zhuǎn)化促成的空氣重污染時(shí)期對(duì)人群健康和生態(tài)安全均帶來(lái)了嚴(yán)重的危害，并且會(huì)顯著影響人們?cè)诓煌竟?jié)的舒適度[1]。二次轉(zhuǎn)化后形成的無(wú)機(jī)離子在PM2.5中占比較大，例如：北京地區(qū)2013年重污染期間，硫酸根、硝酸根、銨根等無(wú)機(jī)離子占到了PM2.5中的40.29 %[2]。同時(shí)，二次轉(zhuǎn)化存在一定的季節(jié)差異，冬季和春季更易發(fā)生[3]。轉(zhuǎn)化后的離子還能與PM2.5中來(lái)源于機(jī)動(dòng)車尾氣、工業(yè)源、揚(yáng)塵和燃料燃燒[4]的重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步加劇重污染天氣。近5年來(lái)，我國(guó)研究者們對(duì)北京、西寧、南京、昆明、廣州、鄭州、石家莊、上海、天津等主要中心城市重污染時(shí)期及其污染物二次轉(zhuǎn)化進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)分析研究，力圖揭示二次轉(zhuǎn)化與重污染天氣間的規(guī)律。然而，由于地域、天氣狀況、氣候背景、污染物來(lái)源等皆有不同，還需要提供更多的樣本數(shù)據(jù)。武漢市做為國(guó)家中心城市之一，隨著大氣攻堅(jiān)計(jì)劃和藍(lán)天行動(dòng)的實(shí)施，在空氣質(zhì)量不斷好轉(zhuǎn)的同時(shí)，還存在季節(jié)性的重污染天氣狀況。本文基于武漢市生態(tài)環(huán)境局實(shí)時(shí)發(fā)布的PM2.5、PM10等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以2017～2019年為例，判斷武漢市城區(qū)典型的重污染時(shí)期，對(duì)重污染時(shí)期污染物的濃度以及二次指標(biāo)的變化分析，可以更好地掌握重污染時(shí)期污染物二次轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，以期為該領(lǐng)域相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)參考。

2 重污染時(shí)期判定及主要污染物危害

依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)中的規(guī)定：對(duì)SO2、NO2、PM10、PM2.5等規(guī)定了重度污染濃度限值，本研究以PM2.5監(jiān)測(cè)值持續(xù)24 h超過(guò)150 μg/m3時(shí)為重度污染，并且以重污染時(shí)段結(jié)束后2～4 d和發(fā)生前2～4 d的時(shí)間段內(nèi)PM2.5的日平均濃度低于75 μg/m3時(shí)為清潔時(shí)段。按照此標(biāo)準(zhǔn)，2018年武漢市出現(xiàn)了4個(gè)典型重污染時(shí)期(含清潔時(shí)段)，分別是：1月1日～1月27日(時(shí)期1)；2月2日～2月20日(時(shí)期2)；11月15日～12月6日(時(shí)期3)；12月7日～12月30日(時(shí)期4)。將以上4個(gè)重污染時(shí)期的SO2、NO2、PM10、O3和PM2.5濃度變化繪于圖1。武漢市重污染期絕大多數(shù)以PM2.5為首要污染物，4個(gè)時(shí)期PM2.5的平均濃度分別為：179 μg/m3、169 μg/m3、195 μg/m3和177 μg/m3；其相對(duì)應(yīng)的清潔時(shí)段PM2.5平均濃度為：64 μg/m3、50 μg/m3、57 μg/m3和51 μg/m3。

圖1 武漢市2018年重污染期主要污染物濃度(μg/m3)

PM2.5帶來(lái)的渾濁狀態(tài)是最直觀的大氣污染表現(xiàn)，顏色多為橙灰色或者偏黃色[5]，關(guān)于PM2.5污染帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估也是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，PM2.5對(duì)健康有明顯影響，還會(huì)造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失[6]。SO2主要來(lái)源于含硫元素燃料的燃燒，長(zhǎng)期暴露于高濃度SO2的空氣中會(huì)導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病，并加重心腦血管疾病或彌漫性肺疾病[7]。此外，較高濃度SO2將限制植物的生長(zhǎng)，甚至枯萎死亡[8]。NO2是形成光化學(xué)煙霧的主要因素，城區(qū)汽車尾氣的排放是其重要的特征源。NO2有腐蝕和生理刺激性，對(duì)人體特別是兒童的肺部呼吸系統(tǒng)有危害[9]。O3污染比PM2.5污染更隱蔽，它不會(huì)造成空氣污濁，在視覺(jué)和嗅覺(jué)上不容易被感知。其毒性主要體現(xiàn)在強(qiáng)氧化性上，對(duì)人的眼睛和呼吸道有刺激作用，對(duì)肺功能也有影響，可誘發(fā)哮喘。

3 二次轉(zhuǎn)化趨勢(shì)分析

將武漢市2018年二次轉(zhuǎn)化特征指標(biāo)PM10/PM2.5、NO2/SO2和O3/PM2.5的值列于表1。由表1可知：重污染時(shí)段的PM10/PM2.5均值比清潔時(shí)段低36.47%，這從側(cè)面表明二次轉(zhuǎn)化形成的PM2.5的激增是重污染時(shí)段形成的重要原因之一。黃凡[10]等的研究也發(fā)現(xiàn)武漢市冬季的氣象條件較穩(wěn)定，濕度高有利于二次離子的轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)PM2.5的污染特征。交通移動(dòng)源和燃煤源對(duì)污染的貢獻(xiàn)率通?？捎肗O2/SO2來(lái)表示[11,12]。NO2/SO2均值在重污染時(shí)段和清潔時(shí)段差距不明顯，整體而言，重污染時(shí)段時(shí)，SO2二次轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)和量較NO2更強(qiáng)，武漢市2018年燃煤源相比交通移動(dòng)源對(duì)重污染的貢獻(xiàn)度更大。重污染時(shí)段O3/PM2.5均值是清潔時(shí)段的0.37倍，相較于1/PM2.5均值倍數(shù)0.31增加了近20%，這也從另外角度說(shuō)明在重污染時(shí)段O3生成潛勢(shì)增加，污染物二次轉(zhuǎn)化趨勢(shì)增強(qiáng)。

表1 武漢市2018年二次污染轉(zhuǎn)化特征指標(biāo)

4 前后年份相關(guān)分析

以同樣的研究方法對(duì)2017年和2019年武漢市城區(qū)的二次轉(zhuǎn)化特征指標(biāo)進(jìn)行了分析，將PM10/PM2.5、NO2/SO2、O3/PM2.5值分別列于表2和表3。武漢市2017年和2019年重污染時(shí)期分別為6個(gè)和3個(gè)，無(wú)論是從重污染時(shí)期數(shù)還是實(shí)際污染天數(shù)都呈現(xiàn)依次降低的趨勢(shì)。值得關(guān)注的是：2017年和2019年的NO2/SO2倍數(shù)均值分別為0.77和0.86，交通移動(dòng)源對(duì)二次轉(zhuǎn)化的作用大于2018年，呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)。

表2 武漢市2017年二次污染轉(zhuǎn)化特征指標(biāo)

表3 武漢市2019年二次污染轉(zhuǎn)化特征指標(biāo)

2017年和2019年O3/PM2.5的倍數(shù)，相較于1/PM2.5均值倍數(shù)都增加了近20%，這點(diǎn)與2018年幾乎一致。這既表明在重污染時(shí)段O3生成潛勢(shì)增加，污染物二次轉(zhuǎn)化趨勢(shì)增強(qiáng)，也似乎暗示著O3轉(zhuǎn)化趨勢(shì)在同一地域保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，值得進(jìn)一步跟蹤調(diào)查及深入研究。

5 結(jié)論與展望

2017年以來(lái)開(kāi)展的大氣重污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目，PM2.5源解析在我國(guó)35個(gè)城市中有效開(kāi)展，已證實(shí)燃煤、揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車、秸稈焚燒都是PM2.5的重要來(lái)源。在空氣重污染時(shí)期，二次轉(zhuǎn)化相較于一次排放貢獻(xiàn)更大。PM2.5的二次轉(zhuǎn)化的微觀機(jī)理十分復(fù)雜，硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽和二次有機(jī)物等組分快速生成助推了PM2.5爆發(fā)式增長(zhǎng)，不同時(shí)段、不同城市和不同氣象條件下，各二次組分增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)不同。武漢市2017～2019年空氣質(zhì)量不斷好轉(zhuǎn)，重污染時(shí)期及其持續(xù)時(shí)間逐漸減少，重污染時(shí)段較清潔時(shí)段，PM2.5濃度分別上升2.45倍、2.23倍和1.86倍，值得關(guān)注的是雖然同期O3/PM2.5的比值逐年上升，但是O3二次轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，這從另一個(gè)角度也說(shuō)明了PM2.5和O3協(xié)同處置的重要性。NO2、SO2二次轉(zhuǎn)化變化趨勢(shì)較為波動(dòng)，武漢市在燃煤源和交通源的大氣污染物控制上都應(yīng)引起重視。