太原市污染物與植被對臭氧生成過程的影響

董宇輝

（太原市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心，山西 太原 030002）

臭氧，是由3 個氧原子組成的物質(zhì)，具有很強的氧化作用，在日常生活中多用于消毒、殺菌。在大氣當(dāng)中，90%的臭氧分布在大氣層的上層和平流層中，可以抵擋太陽輻射中紫外線對地球表面環(huán)境、生物的破壞作用。該臭氧層的破壞，會導(dǎo)致更多的紫外線到達(dá)地表，增強其對地表物質(zhì)、生物的破壞作用。而在近年來對大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，地表層臭氧的濃度值呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。

由于在地表層的氧分子接受到太陽輻射能量相較于大氣層上層氧分子大幅減少，在不受其他影響因素的干擾下，其轉(zhuǎn)化成臭氧的幾率較低。隨著人類活動強度的增強，對大氣環(huán)境的影響日益增加，再疊加自然因素后，使得地表生成臭氧需要的能量和難度降低。本研究通過對2020 年太原市監(jiān)測數(shù)據(jù)和自然源物質(zhì)產(chǎn)生量的估算值進行研究，分析得出各類因子對臭氧生成過程產(chǎn)生的影響。

1 影響因子的確定

本研究中將對臭氧生成可能產(chǎn)生影響的因素產(chǎn)生源分為人為源和自然源。人為源分為工業(yè)源、移動源和生活源，在工業(yè)源和移動源中以NOx、CO2、CO、SO2、VOCs 為主要因子；生活源以NOx、CO2、CO、VOCs 為主要因子。自然源以植被為主，以植物產(chǎn)生的BVOCs 為主要因子。對于CO2、N2及其他大氣中化學(xué)穩(wěn)定性較強的氣體，本研究忽略這類氣體在臭氧生成中可能的作用。本研究中的分析影響因子為NOx、SO2、CO 和VOCs。

2 臭氧、各影響因子排放數(shù)據(jù)及估算值

2.1 臭氧排放濃度數(shù)據(jù)

太原市2020 年臭氧的日均排放質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 太原市2020 年臭氧排放質(zhì)量濃度

2.2 NOx、SO2 的排放數(shù)據(jù)

太原市2020 年NOx、SO2的日均排放質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 太原市2020 年NOx、SO2 的日均排放質(zhì)量濃度

2020 年太原市工業(yè)源污染物排放量中，SO2為1.18 萬t，NOx為3.66 萬t；移動源污染物排放量中，NOx為6.87 萬t；生活源污染物排放量中，SO2為1.16 萬t，NOx為1.72 萬t。

2.3 CO 排放數(shù)據(jù)

2020 年太原市CO 排放日均濃度數(shù)據(jù)見第220頁圖3。

圖3 太原市2020 年CO 的日均排放質(zhì)量濃度

2.4 VOCs 排放數(shù)據(jù)

太原市大氣環(huán)境中VOCs 的連續(xù)監(jiān)測體系目前還未建立，僅在2018 年—2020 年開展了太原市環(huán)境空氣中117 種VOCs 組分的監(jiān)測工作[1]。在此次工作中，在太原市選取了上蘭、桃園、小店和晉源4 個站點作為監(jiān)測點，其點位布置符合太原市地理條件和工業(yè)布局情況，可作為本研究的參考數(shù)據(jù)，對VOCs 排放質(zhì)量濃度作定性分析。

從VOCs 組成季節(jié)分布看，烯烴、烷烴、芳香烴、鹵代烴和炔烴質(zhì)量濃度均為冬季最高,但醛酮類VOC 質(zhì)量濃度夏季最高。占比特征顯示，烷烴、芳香烴、鹵代烴占比分別為28.53%、17.56%、17.73%，均為冬季最高，夏季最低；醛酮類占比為22.47%，夏季最高，冬季最低。

從VOCs 月變化特征看，桃園、上蘭、晉源和小店4 個站點的月變化特征相似，1 月出現(xiàn)峰值（146.58、100.95、166.38、174.01 μg/m3），4 月出現(xiàn)谷值（89，83、52.07、64.03、87.51 μg/m3）。烷烴、烯烴、芳香烴和乙炔的質(zhì)量濃度1 月達(dá)到最大，醛酮類在6 月達(dá)到峰值。

VOCs 的產(chǎn)生源主要為工業(yè)源、移動源、生活源和自然源。其中，工業(yè)源在2020 年的排放量為1.31萬t，移動源的排放量為1.62 萬t，生活源的排放量為2.13 萬t，合計5.06 萬t。自然源中以植被產(chǎn)生的BVOCs 為主，其產(chǎn)生量估算值為2.83 萬t，以異戊二烯和單萜烯排放為主，且具有明顯的季節(jié)特征，見圖4。

圖4 植被BVOCs 排放估算值

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 臭氧

臭氧的質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在夏季，春季的排放質(zhì)量濃度高于秋季，冬季的濃度為最低。臭氧1 小時平均質(zhì)量濃度峰值為292 μg/m3，最低值為19 μg/m3。臭氧8 小時平均質(zhì)量濃度峰值為248 μg/m3，最低值為12 μg/m3。

3.2 NOx、SO2 和CO

NOx、SO2和CO 在2020 年的日均質(zhì)量濃度的年平均值為45.44 μg/m3、16.9 μg/m3、0.94 mg/m3，三者的最高值為96 μg/m3、66 μg/m3、2.56 mg/m3，最低值為8 μg/m3、2 μg/m3、0.39 mg/m3。最高值均出現(xiàn)在秋冬季的采暖時段，氣象條件為靜穩(wěn)天氣，而最低值出現(xiàn)在擴散條件非常有利的氣象條件下。除去因極端氣象條件產(chǎn)生污染物積聚和因采暖而加大排放量引起的濃度升高這兩種情況來看，太原市2020 年三者日均質(zhì)量濃度變化均不大，NOx日均質(zhì)量濃度值在40 μg/m3～50 μg/m3之間浮動，SO2的日均質(zhì)量濃度在15 μg/m3～25 μg/m3之間浮動，CO 的日均質(zhì)量濃度在0.6 mg/m3～1.0 mg/m3之間浮動。

3.3 揮發(fā)性有機物VOCs

由于太原市的VOCs 監(jiān)測數(shù)據(jù)為非連續(xù)監(jiān)測且布點不充分，本研究只能通過排放總量、計算模型估值和得到的監(jiān)測結(jié)果，對VOCs 進行定性分析。

1）工業(yè)源、移動源、生活源的VOCs 排放總量合計為5.06 萬t。

2）根據(jù)文獻[2]中推薦使用的計算模型計算，太原市城市植被BVOCs 的年排放量為2.83 萬t，其中夏季的排放量為1.83 萬t，占比為65%；春季多于秋季，兩季的排放量合占35%；冬季最少，植物的BVOCs 排放量可忽略不計。

3）從VOCs 的監(jiān)測結(jié)果來看，冬季水平最高，其根源是因11 月到次年3 月為供暖期，會排放大量污染物；而冬季夜晚常出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，擴散條件差，也會造成污染物進一步累積。此外，冬季較弱的光化學(xué)反應(yīng)也是污染物累積的原因之一。春季VOCs 水平最低,是由于受西北風(fēng)作為主導(dǎo)風(fēng)向影響，并且在2020 年受疫情影響導(dǎo)致污染排放降低，對環(huán)境VOCs 的擴散稀釋提供了有利的條件。上蘭站點夏季高于秋季，可能是由于該站點周圍植被茂盛，夏季高溫，生物排放增強，導(dǎo)致VOCs 水平較高。

3.4 污染物排放趨勢

根據(jù)2016 年—2020 年空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計，NOx、SO2和CO 的日均質(zhì)量濃度呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，其中CO 的降幅最大，SO2的次之，NOx的降幅最小。根據(jù)排放濃度數(shù)據(jù)分析，可知在一年當(dāng)中，除去采暖因素和天氣因素，NOx、SO2和CO 每日的產(chǎn)生量是比較穩(wěn)定的。

由于缺乏對大氣環(huán)境中的VOCs 連續(xù)監(jiān)測，不能準(zhǔn)確地給出每年和逐年排放濃度和排放量趨勢。在考慮工業(yè)源、移動源和生活源這些排放源在一年中是穩(wěn)定的，不會產(chǎn)生較大的變化，可以近似地認(rèn)為這些源的每日排放量是穩(wěn)定的。而植被在一年中的排放量是隨著季節(jié)的改變而變化的，以夏季為最多，春、秋季次之，冬季可忽略不計。由以上可以確定，在一年當(dāng)中，夏季的VOCs 排放量是最多的。

4 結(jié)論

1）NOx、SO2和CO 在一年當(dāng)中的日均濃度峰值均出現(xiàn)在秋冬季的采暖時段，該時段內(nèi)的臭氧濃度較低。

2）NOx、SO2和CO 在2016 年—2020 年的排放濃度逐年降低，CO 的降幅最大，NOx的降幅最小。

3）VOCs 的排放量峰值出現(xiàn)在夏季，谷值出現(xiàn)在秋冬季。

4）在臭氧的形成過程中，VOCs 的參與度最高，其有可能為臭氧生成過程中的反應(yīng)物和生成物，CO對臭氧形成過程影響最?。籒Ox、SO2在臭氧形成過程有一定的參與度，但有可能只是反應(yīng)中的一個環(huán)節(jié)，且臭氧形成過程對兩者排放濃度的影響較小。

以上結(jié)論是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及計算模型估值進行的分析結(jié)論，實際情況還需要通過實驗、實際監(jiān)測等方法進行進一步的研究。