西寧市城東區(qū)夏季臭氧污染來源解析

李景，祁維斌，叢曉曉，溫美玲，盧子健

(1.西寧市生態(tài)環(huán)境局，青海 西寧 810000；2.青海潔神環(huán)境能源產(chǎn)業(yè)有限公司，青海 西寧 810000)

引言

近年來，大氣污染問題日益突出，表現(xiàn)為由傳統(tǒng)單一的煤煙型污染轉(zhuǎn)化為以煤煙型污染和臭氧、二次氣溶膠污染并存的復(fù)合型污染特征[1～3]。2017～2020年空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，京津冀地區(qū)O3已連續(xù)3a不降反升(生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)中心：http：//datacenter.mep.gov.cn/)。研究發(fā)現(xiàn)，近地面高濃度O3會損害人體健康，影響植物生長，是影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量的重要?dú)怏w[4～6]。同時O3的減排對PM2.5等污染物的減排也有一定的影響，需要進(jìn)行深入研究和分析[7]。目前，針對蘭州市、銀川市等城市的O3問題已有較多研究，但西寧市缺乏相關(guān)研究，文章首先分析了西寧市臭氧污染特征、臭氧生成原因及來源，其次結(jié)合排放現(xiàn)狀為西寧市O3防治工作提供一定的理論支持和技術(shù)建議[8～11]。

1 西寧市2020年空氣質(zhì)量污染現(xiàn)狀

1.1 西寧市2020年優(yōu)良天損失原因分析

2020年1～7月共出現(xiàn)17個污染天(均為輕度污染天)，較2019年同期(15d)增加2d。其中PM2.5污染5d，主要分布在1月；PM10污染9d，主要分布在2～5月；O3污染3d，主要分布在6～7月。具體污染原因如下：

1.2 O3污染天原因分析

2020年西寧市出現(xiàn)3個O3污染天，分別為6月20日、6月28日、7月7日。從當(dāng)日氣象來看，均為26℃以上高溫天；從周邊污染情況來看，僅西寧市和海東市污染，且西寧市O3濃度高于海東市，污染以本地為主；從點(diǎn)位數(shù)據(jù)來看，3日市環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)位O3濃度均為最高。從污染源分布來看，東川工業(yè)園和甘河工業(yè)園在西寧市南部，屬于城市整體上風(fēng)向，多為化工行業(yè)，主要排放VOCs(O3重要前體物)，因O3的傳輸型和生成的滯后性，污染主要在下風(fēng)向市環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)位生成。整體來看，西寧市O3污染多為本地污染，建議在26℃以上高溫天重點(diǎn)管控，主要排查上風(fēng)向化工園區(qū)和市環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)位周邊污染源。

表1 2020年西寧市臭氧污染天分析

對流層O3主要是由氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在陽光下的大氣光化學(xué)反應(yīng)生成：NO2的光解導(dǎo)致了O3的生成，NO與O3反應(yīng)生成NO2，NO2和O3保持平衡；VOCs與OH反應(yīng)生成HO2，HO2與NO反應(yīng)生成NO2，替代O3氧化NO，使O3消耗減少，濃度累積[12]。

圖1 西寧市2020年1～7月逐月污染物分布圖

2 城東區(qū)政府、四陸醫(yī)院站點(diǎn)4～7月O3概況

西寧市位于高原地區(qū)，海拔高、氣壓低、太陽輻射強(qiáng)。根據(jù)O3生成機(jī)制(見圖2)，容易形成高氧化性的大氣環(huán)境，消耗對流層的NOx、VOCs。根據(jù)西寧市歷史污染數(shù)據(jù)變化規(guī)律，4～7月為西寧市O3高發(fā)期。2020年4～7月四陸醫(yī)院、城東區(qū)政府站點(diǎn)分別出現(xiàn)3個和17個O3污染天，O3累積濃度(以統(tǒng)計時段90百分位計)分別為138μg/m3、166μg/m3；從O3污染天數(shù)來看，四陸醫(yī)院站點(diǎn)與2019年同期持平，城東區(qū)政府站點(diǎn)同比增加9d；從O3累積濃度看，四陸醫(yī)院、城東區(qū)政府站點(diǎn)較2019年同期分別上升1μg/m3、14μg/m3。2019年四陸醫(yī)院、城東區(qū)政府站點(diǎn)的O3累計濃度情況較2018年有明顯改善(詳見表2)，分別下降7μg/m3、24μg/m3，但2020年發(fā)生回升現(xiàn)象。鑒于此，為有效開展大氣污染防治工作，對位于城東區(qū)的四陸醫(yī)院與城東區(qū)政府站點(diǎn)2020年4～7月O3問題進(jìn)行專項分析。

圖2 O3生成機(jī)制示意圖

表2 2018～2020年城東區(qū)政府、四陸醫(yī)院站點(diǎn)4～7月O3監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 城東區(qū)政府、四陸醫(yī)院站點(diǎn)位置分布

四陸醫(yī)院國控點(diǎn)位于經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)民和路中小企業(yè)創(chuàng)業(yè)園，屬東川工業(yè)園區(qū)管轄，城東區(qū)政府省控點(diǎn)地處昆侖東路城東區(qū)政府樓頂，為城東區(qū)考核點(diǎn)位，監(jiān)測點(diǎn)位均位于湟水河西寧段下游西側(cè)，具體分布詳見圖3。

圖3 城東區(qū)政府與四陸醫(yī)院監(jiān)測點(diǎn)位分布

4 四陸醫(yī)院、城東區(qū)政府站點(diǎn)O3變化特征分析

4.1 O3濃度變化

通過對2020年4～7月城東區(qū)政府省控點(diǎn)與四陸醫(yī)院國控點(diǎn)O3數(shù)據(jù)對比，可以看出城東區(qū)政府省控點(diǎn)O3日濃度整體高于四陸醫(yī)院國控點(diǎn)(見圖4)；城東區(qū)政府省控點(diǎn)以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)高達(dá)17d，也遠(yuǎn)高于四陸醫(yī)院國控點(diǎn)(3d)。

圖4 2020年4～7月O3日濃度變化趨勢

從2020年4～7月O3月際濃度變化(見圖5)來看，2個監(jiān)測站點(diǎn)濃度變化趨勢差異較大。四陸醫(yī)院國控點(diǎn)O3月濃度逐漸升高，在6月、7月達(dá)到最大值140μg/m3；城東區(qū)政府省控點(diǎn)O3月濃度：5月>6月>4月>7月，其中5月、6月O3濃度高達(dá)182μg/m3、166μg/m3。

圖5 2020年4～7月O3月際濃度變化趨勢

4.2 O3、NOx及CO小時濃度變化

根據(jù)2020年4～7月2個監(jiān)測站點(diǎn)同一時段小時值均值，統(tǒng)計1d內(nèi)O3小時濃度變化趨勢(具體見圖6)，結(jié)果如下：

圖6 2020年4～7月O3小時均值日變化趨勢

(2)O3和NOx小時濃度恰好呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，這說明作為O3前體物，在一定條件下，O3和NOx發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使兩者濃度呈現(xiàn)此消彼長的規(guī)律。

(3)O3濃度基本隨CO濃度變化，在峰值出現(xiàn)時間上，O3一般滯后于CO，表明CO可能作為O3的重要前體物，參與其生成反應(yīng)。

4.3 四陸醫(yī)院、城東區(qū)政府站點(diǎn)O3來源分析

(1)O3污染風(fēng)玫瑰

如圖7所示，城東區(qū)政府省控點(diǎn)O3從4月份開始出現(xiàn)高值，其中5月份除本地排放外還受到北方氣象傳輸影響，6月份主要除本地排放外，正南和正東方向氣象小風(fēng)速傳輸也對站點(diǎn)產(chǎn)生一定影響；四陸醫(yī)院國控點(diǎn)在進(jìn)入5月份后出現(xiàn)高值，6月份除本地排放外，東北方向的小風(fēng)速傳輸對O3有所貢獻(xiàn)。

圖7 2020年4～7月城東區(qū)政府與四陸醫(yī)院O3污染風(fēng)玫瑰

(2)O3來源聚類

根據(jù)圖8聚類分析結(jié)果，定量分析本地生成與區(qū)域傳輸對重點(diǎn)區(qū)域O3的貢獻(xiàn)。對于城東區(qū)政府省控點(diǎn)，聚類1、2代表西南方向本地產(chǎn)生和區(qū)域傳輸，聚類3代表東南方向遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，聚類4代表本地產(chǎn)生及東部方向傳輸、遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，聚類5代表東北方向本地產(chǎn)生及區(qū)域傳輸。聚類6代表西北方向本地產(chǎn)生及區(qū)域傳輸。聚類1、4對全年O3濃度均顯著貢獻(xiàn)較大，其中來自東部方向貢獻(xiàn)最高，約占總濃度貢獻(xiàn)的65%(見圖9)。對四陸醫(yī)院國控點(diǎn)，聚類1代表西南方向本地產(chǎn)生和區(qū)域傳輸，聚類2代表東南方向遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，聚類3代表西部及東部本地產(chǎn)生及區(qū)域傳輸，聚類4代表東部區(qū)域傳輸及遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，聚類5代表西北至東北范圍本地產(chǎn)生及區(qū)域傳輸。聚類6代表西北方向本地產(chǎn)生及區(qū)域傳輸。聚類3對全年O3濃度顯著貢獻(xiàn)最大，約占總濃度貢獻(xiàn)的95%以上。

圖8 2020年4～7月城東區(qū)政府與四陸醫(yī)院O3來源聚類

圖9 2020年4～7月城東區(qū)政府與四陸醫(yī)院O3各來源分擔(dān)率

5 O3濃度的影響因素分析

5.1 O3濃度與溫度、濕度關(guān)系

2020年4～5月，處于春季，氣溫較低；6～7月為夏季，溫度較高。城東區(qū)政府省控點(diǎn)和四陸醫(yī)院國控點(diǎn)O3濃度與相對濕度、氣溫的關(guān)系如圖10所示，4～5月高濃度O3分別出現(xiàn)在10℃和18℃以上，受濕度影響不明顯；6～7月2個監(jiān)測站點(diǎn)O3高濃度主要出現(xiàn)在高溫低濕的氣象條件下[13]。為有效控制O3生成，應(yīng)在4～7月午前增加監(jiān)測站點(diǎn)周圍灑水頻次，通過降溫減少O3累積。

圖10 城東區(qū)政府與四陸醫(yī)院O3濃度與溫度、濕度關(guān)系

5.2 O3與NOx的關(guān)系

如圖11所示，O3高濃度與NOx有較強(qiáng)的相關(guān)性，一定濃度NO排放消耗部分O3，O3與NOx濃度呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，并且這種非線性關(guān)系的拐點(diǎn)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，高溫(即O3高值)時過渡區(qū)NOx濃度為15～25μg/m3，NOx濃度位于拐點(diǎn)左邊時為NOx控制區(qū)，NOx濃度位于拐點(diǎn)右邊時為VOCs控制區(qū)[14]。區(qū)域內(nèi)形成高的NO2后會增加O3，造成排放升高。有效地控制O3應(yīng)切斷其反應(yīng)生成路徑，通過控制NOx排放減少O3生成[15]。

圖11 城東區(qū)政府與四陸醫(yī)院O3與NOx的關(guān)系

6 結(jié)論與建議

O3生成不僅受光照強(qiáng)度、大氣溫度、相對濕度等氣象要素的影響，同時受NOx等O3前體物的共同影響。為進(jìn)一步明確O3成因，需加強(qiáng)VOCs的觀測與重點(diǎn)污染源的排放調(diào)查，同時加強(qiáng)光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的分析研究。鑒于四陸醫(yī)院國控點(diǎn)、城東區(qū)政府省控點(diǎn)的空氣質(zhì)量現(xiàn)狀、污染源排放以及氣象要素及污染聚類分析結(jié)果，有針對性地制定污染天預(yù)報預(yù)警，建立區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控等大氣污染防控機(jī)制。

(2)針對四陸醫(yī)院國控點(diǎn)、城東區(qū)政府省控點(diǎn)O3污染加重的情況，結(jié)合各類污染源的排放特征，科學(xué)定量VOCs排放對O3形成的影響，從而得到精準(zhǔn)控制O3生成的控制對策。通過觀測VOCs數(shù)據(jù)，研判生成O3貢獻(xiàn)較大的活性組分。

(3)根據(jù)企業(yè)治理排放狀況，實(shí)施差異化管理，對于符合深度治理要求，納入“白名單”，免于錯峰；不滿足深度治理要求的企業(yè)納入O3高發(fā)期錯峰生產(chǎn)管控名單，實(shí)施錯峰生產(chǎn)。通過常態(tài)化治理和應(yīng)急性管控相結(jié)合的方式，突出重點(diǎn)、嚴(yán)控深治、跟蹤評估、動態(tài)調(diào)控，持續(xù)做好O3污染防治工作。

(4)工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)集群等重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測管控，對重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和園區(qū)，以幫扶為主，集中力量，深入一線進(jìn)行“點(diǎn)對點(diǎn)”的指導(dǎo)和幫助。綜合運(yùn)用各種監(jiān)測監(jiān)管手段，確保治污措施落地見效。加強(qiáng)無組織排放和有組織排放、廠區(qū)環(huán)境和廠界環(huán)境的監(jiān)測力度。加強(qiáng)對治理設(shè)施運(yùn)行情況的監(jiān)控，通過工況用電監(jiān)控等手段，確保治污設(shè)施正常高效運(yùn)行。