蘇州市一次秋冬季典型PM2.5污染過(guò)程分析

周民鋒，吳也正，魏 恒，楊 倩

(1.江蘇省蘇州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 蘇州 215004;2.江蘇省環(huán)境保護(hù)空氣復(fù)合污染監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215004)

1 引言

PM2.5(空氣動(dòng)力學(xué)等效粒徑小于2.5 μm的顆粒物)是大氣復(fù)合污染的重要污染物之一。PM2.5的來(lái)源分析受到廣泛關(guān)注[1～4]，主要有兩個(gè)方面的原因：一方面，PM2.5會(huì)損害人體健康，增加呼吸道系統(tǒng)疾病的發(fā)病率和死亡率；另一方面，PM2.5具有明顯消光作用，會(huì)導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度下降。因此，開(kāi)展城市地區(qū)的PM2.5組分和來(lái)源分析對(duì)保護(hù)人體健康和改善空氣質(zhì)量具有重要意義。

劉洋等[5]對(duì)安陽(yáng)市冬季觀測(cè)期間PM2.5污染特征進(jìn)行分析及來(lái)源解析，發(fā)現(xiàn)燃煤源最高達(dá)29.8%，其次為工業(yè)源和機(jī)動(dòng)車(chē)源。李昌龍等[6]對(duì)徐州市新城區(qū)大氣細(xì)顆粒物組成及污染特征分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域水溶性離子受移動(dòng)源的影響大于固定源。金紅紅等[7]分析長(zhǎng)沙市2019年12月一次重污染過(guò)程，發(fā)現(xiàn)各化學(xué)組分中二次無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)碳占比較高，且隨著污染加重呈增大趨勢(shì)，有機(jī)碳/無(wú)機(jī)碳比值平均為5.1，二次污染特征顯著。林昕等[8]選取中國(guó)東部典型城市長(zhǎng)春、北京、上海、杭州和南京作為研究對(duì)象，探討PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子濃度變化特征。張曉華等[9]結(jié)合2013年連續(xù)重污染過(guò)程細(xì)顆粒物中可溶性離子組分，發(fā)現(xiàn)可溶性離子組分占到細(xì)顆粒物組分的一半，可溶性離子又以硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽為主要成分。污染過(guò)程的分析還有其他報(bào)道[10～12]。

蘇州市PM2.5污染時(shí)有發(fā)生，尤其是進(jìn)入秋冬季。對(duì)蘇州市秋冬季典型PM2.5污染過(guò)程開(kāi)展研究，探索城市尺度的內(nèi)源污染成因分析方法，為今后在不利氣象條件下精準(zhǔn)地開(kāi)展內(nèi)源污染防治工作提供有力的技術(shù)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器和試劑觀測(cè)站點(diǎn)和時(shí)間

蘇州南門(mén)觀測(cè)站點(diǎn)位于蘇州市區(qū)內(nèi)馬路9-2號(hào)(36.40°N，117.03°E)的4樓，觀測(cè)儀器的采樣口距地面約15 m，連續(xù)在線觀測(cè)。該觀測(cè)點(diǎn)周?chē)鸀榫用駞^(qū)，基本能夠代表城區(qū)大氣的環(huán)境特征。

2.2 采樣分析儀器

PM2.5采用顆粒物分析儀(BAM1020)，測(cè)量原理為β射線法，配備動(dòng)態(tài)智能加熱裝置。PM2.5中水溶性離子的在線測(cè)量使用美國(guó)的在線離子色譜(URG一9000)。該儀器由3個(gè)部分組成：大氣粒子導(dǎo)入系統(tǒng)，主要由粒子切割器和抽氣泵組成，主要功能是將PM2.5輸送到粒子捕集器；PM2.5快速捕集器，為整個(gè)儀器的核心部分，主要由蠕動(dòng)泵、蒸汽發(fā)生器、樣品收集器、液體樣品輸送和轉(zhuǎn)移部分組成，主要功能是將PM2.5快速捕集后送到分析系統(tǒng)檢測(cè)；化學(xué)成分分析系統(tǒng)，主要為2臺(tái)離子色譜儀(Dionex ICS-2100)。在線采樣時(shí)間分辨率為60 min，進(jìn)樣時(shí)間分辨率為5 min，樣品在線分析時(shí)間分辨率為27 min，陰離子系統(tǒng)采用梯度淋洗程序。

重金屬采用在線重金屬分析儀(Xact625)。該儀器的整個(gè)分析過(guò)程包括采樣周期和測(cè)量周期。采樣周期是環(huán)境空氣中的顆粒物樣品經(jīng)過(guò)PM2.5切割頭，在濾帶上進(jìn)行富集；測(cè)量周期是通過(guò)x射線熒光光譜儀(XRF測(cè)量模塊)分析富集在濾膜上的樣品，獲得重金屬的質(zhì)量濃度。

單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS05系列)基本原理為，環(huán)境空氣經(jīng)PM2.5切割頭后進(jìn)入SPAMS監(jiān)測(cè)，采用空氣動(dòng)力學(xué)透鏡作為顆粒物接口，通過(guò)雙光束測(cè)徑原理進(jìn)行單顆粒氣溶膠粒徑測(cè)量及計(jì)數(shù)，利用飛行時(shí)間質(zhì)譜原理進(jìn)行正負(fù)化學(xué)成分的同時(shí)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了單顆粒氣溶膠化學(xué)成分和顆粒物粒徑同步檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 污染過(guò)程

2020年11月1～4日，蘇州市經(jīng)歷了一次秋冬季典型PM2.5污染過(guò)程。11月1日凌晨開(kāi)始，PM2.5濃度顯著升高，污染峰值出現(xiàn)在11月2日8時(shí)，蘇州南門(mén)站點(diǎn)PM2.5濃度達(dá)130 μg/m3。11月3日凌晨 PM2.5濃度開(kāi)始快速回落，從當(dāng)日早上到11月4日，PM2.5濃度基本穩(wěn)定在35 μg/m3(一級(jí)標(biāo)準(zhǔn))以下(圖1)。此次污染過(guò)程造成蘇州市11月2日環(huán)境空氣質(zhì)量類(lèi)別為輕度污染。

圖1 蘇州南門(mén)站點(diǎn)PM2.5濃度時(shí)間序列(11月1～4日)

3.2 天氣條件

圖2為2020年11月1日20時(shí)、2日2時(shí)、3日8時(shí)和4日14時(shí)地面天氣圖。由圖2可以看出，1日夜間至2日受臺(tái)風(fēng)北抬的影響，華東區(qū)域處于鞍形氣壓場(chǎng)的控制，整體擴(kuò)散條件明顯惡化。1日夜間至2日白天，臺(tái)風(fēng)向東北方向移動(dòng)，3日至4日鞍形氣壓場(chǎng)消失，擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn)。

圖2 11月1日至4日東亞區(qū)域地面天氣

3.3 分析和討論

南門(mén)站點(diǎn)位于蘇州城區(qū)，具有很好的代表性。蘇州監(jiān)測(cè)中心利用南門(mén)的大氣超級(jí)站在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)上述污染過(guò)程開(kāi)展溯源分析。

3.3.1 水溶性離子組分

11月1～4日期間，PM2.5組分監(jiān)測(cè)結(jié)果有以下特征。從相關(guān)性分析來(lái)看，在各顆粒物組分中，銨根離子、硝酸根離子濃度與總體PM2.5濃度的時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)R2最高，分別高達(dá)0.92和0.91。從變化趨勢(shì)來(lái)看，11月1日上午，硝酸根離子在PM2.5中的質(zhì)量濃度占比約為20%；11月2日上午，該占比上升到30%左右；11月4日上午，該占比又回落到15%左右。銨根離子在PM2.5中的質(zhì)量濃度占比變化情況也與硝酸根離子相似。上述監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，本次污染過(guò)程中有大量二次無(wú)機(jī)顆粒物生成，主要以硝酸銨或者硝酸氫銨的形式存在。因此，二次無(wú)機(jī)顆粒物的生成是本次污染過(guò)程中顆粒物濃度升高的直接原因。

時(shí)間

時(shí)間

時(shí)間

圖3 S/N比值與PM2.5濃度時(shí)間序列

3.3.2 無(wú)機(jī)元素

相關(guān)研究表明[13～16]，交通活動(dòng)中的輪胎磨損是大氣顆粒物中鋅組分的主要來(lái)源，元素鋅一直被看作典型的交通源特征因子，而交通源也是城市中最主要的流動(dòng)污染源。此次污染過(guò)程中，各無(wú)機(jī)元素組分中與PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)最高的元素正是元素鋅(Zn)，其濃度變化趨勢(shì)與PM2.5高度一致(如圖4)。11月1日至4日鋅元素濃度日均值分別為0.17 μg/m3、0.26 μg/m3、0.10 μg/m3和0.07 μg/m3。整個(gè)過(guò)程中，鋅元素濃度達(dá)到峰值出現(xiàn)在11月2日10時(shí)，達(dá)0.47 μg/m3。所以，交通源是此次污染過(guò)程中PM2.5濃度升高的主要來(lái)源。

3.3.3 單顆粒質(zhì)譜

3.3.3.1 污染過(guò)程分析

此次污染過(guò)程，隨著PM2.5質(zhì)量濃度升高，整體各污染物數(shù)濃度均出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，其中機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源占比在1～3日貢獻(xiàn)從39.6%大幅度升高至49.3%(圖5)。

下面對(duì)此次污染過(guò)程分為7個(gè)時(shí)段進(jìn)行討論。如圖6所示，時(shí)段1至?xí)r段2，PM2.5質(zhì)量濃度從29 μg/m3升至118 μg/m3，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣占比從39.6%升至46.3%，上升6.7%，相比其他源增幅最大；時(shí)段3至?xí)r段4，PM2.5質(zhì)量濃度從68 μg/m3升至83 μg/m3，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣占比從47.3%升至49.3%，上升2.0%；時(shí)段5中，PM2.5質(zhì)量濃度降至68 μg/m3，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣占比降至43.3%，下降6.0%；時(shí)段6中，PM2.5質(zhì)量濃度升至82 μg/m3，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣占比升至43.8%，上升0.5%；時(shí)段7中，PM2.5質(zhì)量濃度降至9 μg/m3，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣占比降至23.2%，下降20.6%。

在整個(gè)污染過(guò)程中機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源的占比皆有所升高，是影響空氣質(zhì)量的主要因素，除此之外，在時(shí)段3～5的污染過(guò)程中還受到燃煤源、揚(yáng)塵和工業(yè)工藝等影響。

3.3.3.2 污染源時(shí)空分布

機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源整體變化趨勢(shì)與PM2.5質(zhì)量濃度較為接近，占比高值主要集中在1～3 m/s風(fēng)速下點(diǎn)位偏西面和2～4 m/s風(fēng)速下北面區(qū)域，與PM2.5質(zhì)量濃度高值區(qū)域存在大部分重合，可見(jiàn)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣源是影響空氣質(zhì)量的主要因素(圖7)。

(a) (b)

4 結(jié)論

5 措施建議

機(jī)動(dòng)車(chē)保有量持續(xù)快速增長(zhǎng)，對(duì)空氣質(zhì)量的影響日趨嚴(yán)重。針對(duì)典型污染日，制定落實(shí)一攬子交通源污染防治措施很有必要。一是不斷加大對(duì)以重型柴油車(chē)為代表的移動(dòng)污染源執(zhí)法力度，尤其是對(duì)重點(diǎn)進(jìn)蘇路口實(shí)行全天候執(zhí)法監(jiān)管，禁止超標(biāo)排放環(huán)境違法行為。二是多部門(mén)高效協(xié)作，全力開(kāi)展好路面交通疏導(dǎo)和交通管理，及時(shí)消除各類(lèi)交通安全隱患，最大程度減少機(jī)動(dòng)車(chē)擁堵和怠速滯行。三是倡導(dǎo)綠色出行，打造低碳生活，加大電動(dòng)公交車(chē)投運(yùn)，提升群眾公交出行的舒適度滿意度，打造綠色環(huán)保的新型公交體系。