太原市元宵節(jié)期間PM2.5 變化特征

李永麒

（山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山西 太原 030002）

細(xì)顆粒物PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑等于或小于2.5 μm 的液滴或顆粒，能夠通過呼吸道進(jìn)入肺泡并沉積，造成呼吸道、肺部和心血管疾病，對(duì)人體健康危害極大，高濃度的PM2.5會(huì)影響地區(qū)或全球氣候[1]，也會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生不利影響[2]。近年來(lái)隨著我國(guó)的快速發(fā)展，化石燃料等消耗量和機(jī)動(dòng)車數(shù)量大幅增長(zhǎng)，PM2.5濃度污染情況時(shí)有發(fā)生[3]，經(jīng)過近些年對(duì)環(huán)境空氣治理，PM2.5濃度下降明顯，但仍然處于高位，因此，研究PM2.5及其組分的大小、變化特征及來(lái)源情況對(duì)人體健康及相關(guān)政府部門科學(xué)合理制定防控措施具有重要意義。

本文利用PM2.5在線監(jiān)測(cè)儀（美國(guó)熱電）、Marga（瑞士萬(wàn)通）、OC/EC（美國(guó)Sunset）及SPAMS（廣州禾信）對(duì)2020 年元宵節(jié)期間太原市PM2.5的質(zhì)量濃度變化、主要組成及在線來(lái)源進(jìn)行了分析，以期為太原市環(huán)境空氣治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)和采樣時(shí)間

采樣點(diǎn)設(shè)在山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心樓頂（37°52'09"N，112°32'13"E），距地面約15 m，采樣點(diǎn)地處商業(yè)、交通和居民混合區(qū)，周圍無(wú)高大建筑物，臨近街道，附近人流密集、車流量較大，可以代表太原市典型的城市環(huán)境，采樣時(shí)間為2020 年2 月6 日1 時(shí)至10 日1 時(shí)。

1.2 所用儀器

本研究所用儀器包括PM2.5在線監(jiān)測(cè)儀（美國(guó)熱電，太原市國(guó)控點(diǎn)位PM2.5監(jiān)測(cè)儀器）、在線氣體/氣溶膠監(jiān)測(cè)（Marga，瑞士萬(wàn)通）、有機(jī)碳/元素碳分析儀（OCEC，美國(guó)Sunset）、單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（SPAMS，廣州禾信），所有儀器均位于山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心樓頂，除國(guó)控點(diǎn)位儀器外，其余兩臺(tái)儀器均按照要求定期進(jìn)行維護(hù)，確保數(shù)據(jù)連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5 變化概況

2020 年元宵節(jié)期間（2 月8 日至9 日），受不利氣象條件及城鄉(xiāng)結(jié)合部、部分農(nóng)村煙花爆竹燃放影響，元宵節(jié)前至正月十六太原市PM2.5濃度上升明顯。從小時(shí)濃度變化情況看，從2 月6 日16 時(shí)開始，PM2.5濃度迅速升高，19 時(shí)達(dá)到重度污染水平，整個(gè)重污染時(shí)間持續(xù)至2 月9 日11 時(shí)，期間除個(gè)別時(shí)段略有緩解外，基本都處于重度污染水平，PM2.5濃度最高值出現(xiàn)在9 日1 時(shí)，質(zhì)量濃度值為249 μg/m3。圖1 為各國(guó)控點(diǎn)位PM2.5濃度變化情況，從圖1 中可知，太原市PM2.5濃度開始升高時(shí)間呈現(xiàn)從南到北的特征，且南部晉源、小店、金勝點(diǎn)位PM2.5濃度峰值明顯高于北部點(diǎn)位，這與太原市產(chǎn)業(yè)分布情況與元宵節(jié)期間風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)相一致（太原市各國(guó)控點(diǎn)位分布情況見第264 頁(yè)圖2）。

圖1 各國(guó)控點(diǎn)位PM2.5 濃度變化情況

圖2 太原市國(guó)控點(diǎn)位分布情況

2.2 PM2.5 主要組分變化情況

大氣PM2.5的化學(xué)組成復(fù)雜，主要是由水溶性離子、有機(jī)物質(zhì)、含碳組分及載帶金屬元素[4]組成，將太原市PM2.5中主要組分質(zhì)量濃度與PM2.5質(zhì)量濃度變化情況進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3。從圖3 中可知，PM2.5中含量較高的組分為SO42-、NO3-、NH4+及OC，EC 和金屬元素相對(duì)較低，隨著PM2.5質(zhì)量濃度的升高，各組分質(zhì)量濃度均有不同的增加，特別是8 日至9 日元宵節(jié)期間，SO42-與OC 增幅最為明顯，可能與燃煤、工業(yè)排放有關(guān)。SO42-、NO3-、NH4+及OC 最高值和最低值相比，分別增加了18 倍、14 倍、17 倍以及6.3 倍，可見二次離子的大量生成是PM2.5濃度升高的主要因素。需要注意的是，雖然PM2.5中載帶金屬元素濃度相對(duì)較低，但是在元宵節(jié)期間，金屬元素濃度有明顯升高，最高濃度與最低濃度相差接近16 倍，可能與燃放煙花爆竹產(chǎn)生的金屬元素有關(guān)。

圖3 PM2.5 中主要組分變化情況

2.3 PM2.5 在線源解析情況

單顆粒質(zhì)譜儀采用自適應(yīng)共振理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ART-2a）對(duì)顆粒物進(jìn)行分析，然后再根據(jù)化學(xué)成分特征人為將這些顆粒物類型合并，能夠快速對(duì)PM2.5進(jìn)行在線來(lái)源解析[5-6]。將2 月6 日至10 日PM2.5變化圖根據(jù)污染程度分為5 個(gè)部分，分別進(jìn)行在線來(lái)源解析，結(jié)果見圖4。圖4 中1、3、5 三個(gè)餅圖分別為各段低值點(diǎn)源解析圖，2 和4 部分為PM2.5濃度平均譜圖。從圖4 中可知，從1 空氣相對(duì)較好階段（良）到2污染時(shí)段，二次無(wú)機(jī)源和工業(yè)工藝源占比增加；從3（輕度污染）到4 污染時(shí)段（元宵節(jié)），二次無(wú)機(jī)源、工業(yè)工藝源及燃煤源均有上升。與5 時(shí)段（受冷空氣影響，空氣質(zhì)量為良）相比，前4 個(gè)餅圖中機(jī)動(dòng)車尾氣明顯偏高?？傮w來(lái)說(shuō)，PM2.5濃度的升高跟較高的機(jī)動(dòng)車尾氣排放，以及二次污染物生成、工業(yè)污染物累加有關(guān)。

圖4 不同污染時(shí)段PM2.5 在線源解析情況

2.4 元宵節(jié)煙花爆竹燃放影響分析

受煙花爆竹燃放影響，晉源與小店點(diǎn)位正月十六凌晨0 時(shí)PM2.5達(dá)到峰值，分別為294 μg/m3與266 μg/m3；桃園點(diǎn)位1∶00 達(dá)到峰值249 μg/m3；南寨點(diǎn)位則是早晨9∶00 達(dá)到峰值177 μg/m3，上蘭點(diǎn)位中午12∶00 達(dá)到峰值148 μg/m3，南寨與上蘭PM2.5濃度相對(duì)其他點(diǎn)位較低。各點(diǎn)位受煙花爆竹的影響程度不同，總體上全市元宵節(jié)21∶00 至正月十六1∶00 ρ（PM2.5）從161 μg/m3上升至227 μg/m3，PM2.5受煙花燃放的影響約29.1%。

元宵節(jié)煙花爆竹引起PM2.5濃度上升至最高值時(shí)段（圖5），各個(gè)國(guó)控點(diǎn)煙花爆竹燃放對(duì)空氣質(zhì)量的影響，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，金勝點(diǎn)位低谷至高峰ρ（PM2.5）從48μg/m3躍升至260μg/m3，煙花源貢獻(xiàn)約81.5%，晉源點(diǎn)位低谷至高峰ρ（PM2）.5從78μg/m3躍升至294μg/m3，煙花源貢獻(xiàn)約73.5%，金勝點(diǎn)位與晉源點(diǎn)位煙花燃放貢獻(xiàn)率分別排名第1 名與第2 名，大幅高于全市均值。元宵夜至正月十六凌晨上蘭點(diǎn)位PM2.5呈下降趨勢(shì)，直至6∶00 開始上升，該時(shí)段太原市主導(dǎo)風(fēng)向以南風(fēng)為主。

圖5 各國(guó)控點(diǎn)元宵夜至正月十六PM2.5 小時(shí)最高值時(shí)段煙花爆竹燃放對(duì)PM2.5 貢獻(xiàn)

從單顆粒質(zhì)譜數(shù)據(jù)看，2 月8 至9 日（元宵至正月十六）煙花燃燒特征離子鎂離子、鋇離子、鋁離子、氯化鉀等質(zhì)量濃度均出現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)（圖6）。與非燃放時(shí)段優(yōu)良天氣相比，9 日污染峰值時(shí)段氯化鉀數(shù)濃度升幅為39 倍，鋇離子數(shù)濃度升幅為7 倍，鋁離子數(shù)濃度升幅為9 倍，鎂離子數(shù)濃度升幅為3 倍，說(shuō)明元宵節(jié)期間煙花爆竹燃放對(duì)PM2.5的增加有一定影響。同時(shí)，受不良天氣條件影響，元宵節(jié)煙花爆竹燃放產(chǎn)生的污染物存在明顯滯留情況，鎂離子、鋇離子、鋁離子、氯化鉀等離子直至正月十六中午仍保持較高的數(shù)濃度水平。

圖6 單顆粒質(zhì)譜煙花特征離子小時(shí)變化曲線

3 結(jié)論

1）元宵節(jié)期間，受不利氣象條件及城鄉(xiāng)結(jié)合部、部分農(nóng)村煙花爆竹燃放影響，太原市多個(gè)點(diǎn)位PM2.5濃度明顯升高，達(dá)到重度污染水平。受地形及風(fēng)向的影響，點(diǎn)位PM2.5濃度呈現(xiàn)從南部到北逐漸升高且南部點(diǎn)位濃度峰值高于北部點(diǎn)位的變化特征；

2）在PM2.5濃度升高階段，主要組分SO42-、NO3-、NH4+、OC、EC 和金屬元素濃度均有不同程度的增加，其中二次生成離子的大量生成是PM2.5濃度升高的主要因素；

3）PM2.5在線源解析表明，元宵節(jié)期間，PM2.5濃度的升高跟較高的機(jī)動(dòng)車尾氣排放，以及二次污染物生成、工業(yè)污染物累加有關(guān)；

4）煙花爆竹燃放分析結(jié)果表明，太原市南部點(diǎn)位及城鄉(xiāng)結(jié)合部分點(diǎn)位受煙花爆竹燃放影響較為明顯，煙花燃燒特征離子鎂離子、鋇離子、鋁離子、氯化鉀等離子數(shù)濃度均出現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)。