西安城市主干道黑碳排放特征及源解析*

李世浩，譚志海，秦韓淼，譚探探，谷茂林

（西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

黑碳（Black carbon, BC）氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分, 主要由含碳物質(zhì)的不完全燃燒造成,例如汽車尾氣、燃煤發(fā)電等都能排放黑碳?xì)馊苣z[1]。黑碳?xì)馊苣z具有很強(qiáng)的吸附性, 其表面能夠吸附其它污染物（如多環(huán)芳烴類、重金屬等）。這些污染物粒子可以通過(guò)呼吸作用進(jìn)入人體, 從而引起呼吸系統(tǒng)疾病、癌癥等。因此,黑碳?xì)馊苣z粒子能對(duì)人體健康產(chǎn)生極大危害[2]。黑碳?xì)馊苣z對(duì)可見光和部分紅外光譜有很強(qiáng)的吸收能力，它在大氣中的各種化學(xué)和光化學(xué)反應(yīng)、非均相反應(yīng)以及氣粒轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著重要作用[3]?？諝庵械暮谔剂Ｗ幽馨岩徊糠止夥瓷浠靥眨瑢?duì)溫室效應(yīng)有緩解作用，因此，黑碳粒子能導(dǎo)致溫室效應(yīng)[4]。同時(shí)檢測(cè)表明，黑碳濃度在不同交通區(qū)域之間有顯著變化，顯示出了黑碳和道路交通的巨大聯(lián)系。本文研究西安市主干道路黑碳排放問(wèn)題,揭示道路黑碳排放的特征及源解析，更加全方位地了解西安道路黑碳污染狀況。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)所用儀器為AE-51 手持式微型便攜式黑碳儀（美國(guó)Aethlabs）。

1.1 采樣點(diǎn)分布及采樣方法

實(shí)驗(yàn)所在城市為西安，實(shí)驗(yàn)所選區(qū)域位于城東紡織城樞紐長(zhǎng)樂(lè)東路，紡織城城市路網(wǎng)密布。在西安市內(nèi)紡織城長(zhǎng)樂(lè)東路設(shè)置8 個(gè)采樣點(diǎn)，布點(diǎn)見表1。為使采樣數(shù)據(jù)具有代表性，采用定點(diǎn)和個(gè)體暴露2種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)采樣。

表1 采樣點(diǎn)Tab.1 Sampling point

主要污染物為：PM2.5、PM10、CO、NO2、O3、SO2，空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)及氣象因素?cái)?shù)據(jù)均來(lái)源于真氣網(wǎng)（https://www.aqistudy.cn/）實(shí)時(shí)發(fā)布的空氣質(zhì)量報(bào)告。

1.2 研究方法

本研究使用AE-51 手持式微型便攜式黑碳儀測(cè)量黑碳濃度，取數(shù)據(jù)密集區(qū)域的平均濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析；利用Origin 軟件將測(cè)得的黑碳濃度數(shù)據(jù)繪制圖表，分析其濃度特征；利用SPSS 軟件將黑碳濃度與其他主要污染物以及氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析并解析其來(lái)源。

2 結(jié)果與討論

2.1 黑碳時(shí)間分布特征

2.1.1 黑碳濃度日變化特征（5 月）

如圖1 所示，對(duì)西安市長(zhǎng)樂(lè)東路道路黑碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如下：5 月7 日早高峰期間道路黑碳濃度為3.89~7.38μg·m-3及晚高峰時(shí)期道路黑碳濃度為2.89~8.00μg·m-3，明顯大于午間非高峰期道路黑碳濃度（2.31~5.86μg·m-3）；5 月9 日早高峰期間道路黑碳濃度為3.70~7.57μg·m-3及晚高峰時(shí)期道路黑碳濃度為3.15~8.19μg·m-3，明顯大于午間非高峰期道路黑碳濃度（2.03~4.41μg·m-3）。高峰期黑碳濃度明顯高于非高峰期時(shí)的黑碳濃度，且大部分時(shí)段平均濃度超過(guò)背景值3.63μg·m-3[5]。結(jié)合不同時(shí)段車流量來(lái)看，車流量增加會(huì)導(dǎo)致道路黑碳排放源增多，黑碳?xì)馊苣z濃度增大。因此，道路黑碳濃度變化與車流量有緊密聯(lián)系。

圖1 黑碳濃度日變化特征Fig.1 Daily variation characteristics of black carbon concentration

2.1.2 工作日與休息日黑碳濃度變化特征

圖2 為工作日與休息日的黑碳濃度比較圖。

圖2 工作日與休息日的黑碳濃度Fig.2 Black carbon concentration on working days and rest days

由圖2 可知，長(zhǎng)樂(lè)東路4 月30 日黑碳濃度集中在3.92~9.64μg·m-3之間變化；5 月2 日黑碳濃度則集中在3.38~9.08μg·m-3之間變化；5 月7 日黑碳濃度集中在4.38~10.82μg·m-3之間變化；5 月9 日黑碳濃度集中在3.28~8.58μg·m-3之間變化，工作日的道路黑碳濃度略高于休息日時(shí)的黑碳濃度，且平均濃度均高于黑碳背景值3.63μg·m-3[5]，這可能是由于工作日時(shí)早晚高峰有較多車輛，造成黑碳濃度的變化。

2.2 空間分布

2.2.1 西安市不同站點(diǎn)黑碳濃度對(duì)比 查閱文獻(xiàn)收集西安市不同區(qū)域站點(diǎn)黑碳排放濃度數(shù)據(jù)（長(zhǎng)樂(lè)東路（本研究）、二環(huán)路[6]、長(zhǎng)樂(lè)中路[5]、雁翔路[7]、五星街[8]）進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖3。

圖3 西安市不同站點(diǎn)黑碳濃度Fig.3 Black carbon concentration at different sites in Xi'an

由圖3 可知，分析西安不同采樣點(diǎn)的黑碳排放濃度，最高濃度出現(xiàn)在雁塔區(qū)雁翔路，為16.00μg·m-3；最低濃度出現(xiàn)于二環(huán)路，為3.66μg·m-3。

2.2.2 西安與國(guó)內(nèi)其他城市黑碳濃度對(duì)比 查閱文獻(xiàn)收集其他城市黑碳排放濃度數(shù)據(jù)，并將具有一定代表性的城市黑碳濃度與西安市數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖4。

圖4 各城市黑碳濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of black carbon concentrations in various cities

根據(jù)搜集得到的數(shù)據(jù)，從中選取黑碳濃度水平相差較大的城市，探究社會(huì)指標(biāo)（人均生產(chǎn)總值、森林覆蓋率、車流量）對(duì)黑碳濃度的影響，并通過(guò)柱狀圖進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5。

圖5 不同城市社會(huì)指標(biāo)與黑碳濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between social indicators and black carbon concentration in different cities

由圖5 可知，通過(guò)分析不同社會(huì)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)域的黑碳濃度的影響，可以得出以下結(jié)論：黑碳濃度分布水平：烏魯木齊＞合肥＞北京＞西安＞上海＞大連，從圖5 中變化趨勢(shì)來(lái)看，人均生產(chǎn)總值、森林覆蓋率越高的城市，黑碳濃度越低。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的城市，雖污染排放量占比較大，但其污染治理投入多，致使其環(huán)境水平較高；且黑碳濃度受周圍森林覆蓋率的影響較大，例如烏魯木齊的森林覆蓋率為35%，西安市森林覆蓋率為48%，可以看出，森林覆蓋率對(duì)黑碳濃度具有較大的影響。

2.3 源解析（主成分分析）

對(duì)黑碳進(jìn)行主成分分析，可了解不同來(lái)源所占比重。黑碳與其他空氣污染物因子分析見圖6、表2。

表2 主成分分析結(jié)果Tab.2 Principal component analysis results

圖6 旋轉(zhuǎn)后的空間組件圖Fig.6 Spatial component diagram after rotation

由表2、圖6 可知，通過(guò)主成分分析，提取了3個(gè)成分。第一主成分貢獻(xiàn)率為61.578%，PM2.5、PM10、NO2、CO、黑碳濃度及車流量在第一主成分上有較高載荷；第二主成分貢獻(xiàn)率為20.978%，O3、溫度在第二主成分上有較高載荷；第三主成分貢獻(xiàn)率為12.938%，SO2則在第三主成分上有較高載荷。這證明，黑碳的主要來(lái)源為機(jī)動(dòng)車尾氣排放。

3 結(jié)論

（1）西安市主干道路黑碳濃度在高峰期明顯高于非高峰期、且在工作日略高于休息日。同時(shí)，近幾年來(lái)西安市大氣中的黑碳濃度總體呈下降趨勢(shì)。

（2）對(duì)于西安市不同站點(diǎn)，黑碳濃度與街道繁華程度，周邊建筑物有很大關(guān)系，這證明，黑碳的來(lái)源與人類活動(dòng)密切相關(guān)。

（3）人均生產(chǎn)總值和森林覆蓋率越高的城市，黑碳濃度越低。

（4）西安市主干道的黑碳，主要來(lái)源為機(jī)動(dòng)車尾氣排放。