2017-2019年天水市污染物時(shí)空變化特征

孔祥如 王靖雅

摘要：本文基于2017-2019年天水市主城區(qū)三個(gè)國控站點(diǎn)逐時(shí)的污染物質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了天水市大氣污染物的時(shí)空變化特征，揭示了天水市大氣污染的變化情況。研究結(jié)果表明：（1）污染物具有明顯的季節(jié)變化特征，臭氧濃度呈現(xiàn)“夏高冬低”的變化趨勢;SO2、NO2、顆粒物和CO的濃度均呈現(xiàn)“冬高夏低”的變化趨勢。（2）臭氧濃度小時(shí)變化特征呈“單峰型”，峰值出現(xiàn)在15：00-16：00;其他5種污染物則呈“雙峰型”變化趨勢，峰值分別出現(xiàn)在10：00-11：00和21：00-22：00，谷值出現(xiàn)在16：00-17：00。（3）SO2和PM2.5均呈“北高南低”的空間分布特征，進(jìn)步巷和文化館兩個(gè)主城區(qū)的站點(diǎn)濃度明顯高于仙人崖站點(diǎn);O3高值區(qū)出現(xiàn)在天水市城區(qū)的中部區(qū)域，仙人崖背景點(diǎn)和文化館站點(diǎn)的O3濃度高于進(jìn)步巷監(jiān)測點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：顆粒物;臭氧濃度;季節(jié)變化;空間分布

中圖分類號：X51 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，大氣污染問題日益嚴(yán)重[1]。大氣污染已經(jīng)成為影響提高民生福祉和幸福感的嚴(yán)重阻礙。近年來霧霾天氣和沙塵天氣頻發(fā)，給人民的正常出行和生產(chǎn)生活造成諸多困擾。環(huán)境污染不僅會影響空氣質(zhì)量和能見度，還會嚴(yán)重危害人體健康，也會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和全球氣候變化產(chǎn)生重要影響[1]。因此，大氣污染物的研究受到國內(nèi)外學(xué)者的的高度重視。天水位于甘肅省東南部，地勢西北高，東南低，東西長、南北窄，呈“兩山夾一河”的特殊地理形態(tài)[2]。根據(jù)發(fā)布的生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)顯示，2016-2018年連續(xù)三年天水市的可吸入顆粒物和細(xì)顆粒物均超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過研究天水市大氣污染物的時(shí)空變化特征，可以揭示天水市大氣污染的變化情況，對于改善天水市的環(huán)境空氣質(zhì)量，確保居民的身心健康具有重要意義。

本文基于2017-2019年天水市3個(gè)國控站點(diǎn)監(jiān)測的6項(xiàng)大氣污染物（PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3）的逐時(shí)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，分析了其月變化特征和日變化特征;同時(shí)利用ArcGIS中的Kriging插值法對天水市6種大氣污染物的空間分布特征進(jìn)行了研究[11]，以期為天水市今后的空氣污染防治等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

污染物濃度資料來源于天水市主城區(qū)3個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量國控站點(diǎn)2017-2019年的逐時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。使用Excel 2010、Origin8.0 和ArcGIS10.4.1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析工作。

2 顆粒物質(zhì)量濃度的變化特征

2.1 時(shí)間變化特征

2.1.1 月變化特征

由圖1可知，天水市主城區(qū)3個(gè)國控點(diǎn)臭氧濃度的月變化均呈“夏高冬低”的變化趨勢，其主要原因?yàn)椋合募緶囟容^高，太陽輻射較強(qiáng)，導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，臭氧濃度隨之升高;而冬季溫度最低，太陽輻射最弱，光化學(xué)反應(yīng)受到抑制，臭氧濃度隨之降低[12-17]。此外，仙人崖站點(diǎn)的臭氧濃度值高于進(jìn)步巷和文化館站點(diǎn)。

3個(gè)國控點(diǎn)PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO濃度月變化特征均呈“夏低冬高”的變化趨勢，冬季污染物濃度最高主要與冬季燃煤取暖以及冬季擴(kuò)散條件較差有關(guān)，而夏季溫度較高，上層空氣和下層空氣交換比較頻繁，水平風(fēng)速較大，垂直輸送和水平擴(kuò)散條件都比較好，所以污染物的濃度最低[14-19];此外，仙人崖背景點(diǎn)PM2.5、PM10、SO2、CO和NO2濃度均低于進(jìn)步巷和文化館站點(diǎn)，因?yàn)橄扇搜抡军c(diǎn)屬于空氣質(zhì)量背景點(diǎn)，受人為源排放影響較小。進(jìn)步巷和文化館站點(diǎn)的顆粒物濃度在11月-次年5月出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，11月-次年3月顆粒物超標(biāo)主要與冬季燃煤供暖有關(guān)，大量煤炭等化石燃料的燃燒導(dǎo)致顆粒物濃度迅速增加;4月-5月顆粒物超標(biāo)主要與沙塵天氣有關(guān)。進(jìn)步巷與文化館站的NO2濃度超標(biāo)出現(xiàn)在冬季，與冬季燃煤供暖有關(guān)。除此之外，SO2和CO月均濃度在三個(gè)站點(diǎn)均無超標(biāo)現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.1.2 小時(shí)變化特征

由圖2可知，天水市主城區(qū)3個(gè)國控點(diǎn)臭氧濃度的日變化特征均呈現(xiàn)典型的“單峰型”，峰值出現(xiàn)在15：00-16：00，其主要原因是午后溫度不斷升高，太陽輻射增強(qiáng)，紫外線較強(qiáng)，相對濕度不斷降低，光化學(xué)反應(yīng)持續(xù)增強(qiáng)，氮氧化物不斷被消耗轉(zhuǎn)化為臭氧，臭氧濃度逐漸升高，并在16時(shí)左右達(dá)到峰值[12]。之后，隨著太陽輻射的減弱，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度降低，臭氧的生成受到限制，所以臭氧濃度急劇下降。

SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO小時(shí)濃度變化特征大致呈“雙峰型”，峰值分別出現(xiàn)在10：00-11：00和21：00-22：00，谷值出現(xiàn)在16：00-17：00。主要原因是早上8點(diǎn)之后，人類各項(xiàng)生產(chǎn)生活活動開始進(jìn)行，交通進(jìn)入早高峰，機(jī)動車開始工作，汽車尾氣排放較多，使得NO2、CO、SO2和顆粒物濃度都較高[13-14];之后，隨著溫度的升高，邊界層高度也逐漸升高，擴(kuò)散條件相對較好;而21：00之后，溫度下降，空氣及顆粒物下沉，大氣層結(jié)穩(wěn)定，相對濕度增大，擴(kuò)散條件較差，污染物濃度再次升高，達(dá)到第二個(gè)峰值。

2.2 空間變化特征

利用ArcGIS中的Kriging插值法得到天水市城區(qū)2017-2019年SO2、PM2.5以及O3-8h平均質(zhì)量濃度的空間分布如圖3所示（因?yàn)镾O2、CO、NO2的空間分布圖基本相同，PM10與PM2.5的空間分布圖基本相同，所以本文只給出SO2、PM2.5、O3的空間分布圖）。由圖3可知，SO2、PM2.5以及O3年均濃度具有鮮明的空間分布特征：SO2和PM2.5的空間分布相差不大，均呈“北高南低”的分布趨勢，進(jìn)步巷和文化館兩個(gè)主城區(qū)的站點(diǎn)濃度明顯高于生態(tài)植被優(yōu)良的仙人崖站點(diǎn)，說明SO2和PM污染的主要來源為人為源排放（排放高值區(qū)位于水泥建材企業(yè)和集中供熱企業(yè)所處區(qū)域）。O3高值區(qū)出現(xiàn)在天水市城區(qū)的中部區(qū)域，仙人崖背景點(diǎn)和文化館站點(diǎn)的O3濃度高于進(jìn)步巷監(jiān)測點(diǎn)。仙人崖背景點(diǎn)O3濃度高主要是因?yàn)橹参锼尫诺拇罅繐]發(fā)性有機(jī)物為光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了大量前體物，從而導(dǎo)致O3濃度較高;而文化館站點(diǎn)O3濃度較高主要與周邊分布有較多的工業(yè)企業(yè)有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO濃度月變化特征呈“夏低冬高”的變化趨勢，且仙人崖站點(diǎn)的污染物濃度均低于進(jìn)步巷和文化館監(jiān)測點(diǎn);臭氧濃度的月變化呈“夏高冬低”的變化趨勢，且仙人崖站點(diǎn)的臭氧濃度值高于進(jìn)步巷和文化館站點(diǎn);SO2、NO2和CO冬季的濃度明顯高于其它季節(jié)，表明冬季供暖對城市空氣質(zhì)量影響較大。

（2）受太陽輻射的影響，臭氧濃度的日變化特征均呈現(xiàn)典型的“單峰型”，峰值出現(xiàn)在15：00-16：00;SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO小時(shí)濃度變化特征大致呈“雙峰型”，峰值分別出現(xiàn)在10：00-11：00和21：00-22：00，谷值出現(xiàn)在16：00-17：00。

（3）SO2和PM2.5均呈“北高南低”的分布趨勢，進(jìn)步巷和文化館兩個(gè)主城區(qū)的站點(diǎn)濃度明顯高于生態(tài)植被優(yōu)良的仙人崖站點(diǎn)，說明SO2和PM污染的主要來源為人為源排放。仙人崖背景點(diǎn)和文化館站點(diǎn)的O3濃度高于進(jìn)步巷監(jiān)測點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]沈楠馳 ，周丙鋒 ，李珊珊 ，趙文慧 ，王麗麗 ，董潔 ，趙文吉 2015—2019 年天津市大氣污染物時(shí)空變化特征及成因分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào) 2020， 29（9） ：1-3.

[2]王芳龍，李忠勤，尤曉妮，劉峰，周茜，仝紀(jì)龍，張昕，汪芳琳，馬珊，張?zhí)碜说龋?2015—2017 年天水市大氣污染物變化特征及來源分析[J]. 環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2018 38 （ 12 ） ： 1-2.

[3] WENDT C H，RAMACHANDRAN G，LO C，et al.Increasing fine particulate air pollution in China and the potential use of exposure and biomarker data in disease prevention[J].Chemical Research in Toxicology，2015，28（ 3） ： 319-324.

[4] HUO Hong，ZHANG Qiang，GUAN Dabo，et al. Examining air pollution in China using production-and consumption-based emissions accounting approaches[J]. Environmental Science & Technology，2014，48（ 24） ： 14139-14147.

[5] QI Ji，ZHENG Bo，LI Meng，et al.A high-resolution air pollutants emission inventory in 2013 for the Beijing-Tianjin-Hebei Region， China[J].Atmospheric Environment，2017，170： 156-168.

[6] WANG Kun， TIAN Hezhong， HUA Shenbing， et al. A comprehensive emission inventory of multiple air pollutants from iron and steel industry in China： temporal trends and spatial variation characteristics[J]. Science of the Total Environment， 2016，559： 7-14.

[10]《甘肅發(fā)展年鑒》編輯部. 2017. 甘肅發(fā)展年鑒[M].北京： 中國統(tǒng)計(jì) 出版社.

[11]王化杰，張波，胡昊，等.安徽省大氣污染物時(shí)空分布特征及演化規(guī)律[J].環(huán)境科學(xué)研究，2018，31（ 4） ： 628-641.

[12]馬秉吉，馬玉霞，虞志昂，張藝凡，焦浩然，辛金元，劉 梅.蘭州市近地面臭氧污染分布特征[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2019 ，45 （ 3 ） ：4-8.

[13]柴敏平，羅 勇，商 娟，等.江西省城市空氣臭氧污染狀況及時(shí)空分布特征[J]. 江西科學(xué)，2018，36（ 1） ： 95 - 100.

[14]張祥志，陳文泰，黃 櫻，等. 江蘇省 2013—2016 年臭氧時(shí)空分布 特征[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，2017，33（ 4） ： 50 - 59.

[15]張?jiān)葡?，吳婷婷，白志娜，?城市地表臭氧的時(shí)空分布特征研究 [J]. 農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2017，7（ Z4） ： 28 - 29.

[16]李全喜，王金艷，劉筱冉，等.蘭州市區(qū)臭氧時(shí)空分布特征及氣象和環(huán)境因子對臭氧的影響[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2018，44（ 2） ： 78 -84 .

[17]陳長和，黃建國，任陣海，等.蘭州西固工業(yè)區(qū)夏季臭氧濃度變化的氣象條件[J]. 環(huán)境研究，1986（ 4） ： 8 - 9.

[18]溫玲，徐建平.中歐環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比較分析研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2017，42（9） ： 76 - 80.

[19]曹庭偉，吳 鍇，康 平，等.成渝城市群臭氧污染特征及影響因 素分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（ 4） ： 1275 - 1284.