銀川都市圈不同功能區(qū)臭氧污染及超標特征

李曉虹,姜文娟,馬映雪,納 麗,劉建軍

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風險管理重點實驗室,寧夏 銀川 750000;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,寧夏 銀川 750000; 3.石嘴山市氣象局,寧夏 石嘴山 753000;4.石嘴山市環(huán)境監(jiān)測站,寧夏 石嘴山 753000; 5.寧夏氣象服務(wù)中心,寧夏 銀川 750000)

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和科技進步,人類賴以生存的大氣環(huán)境質(zhì)量不斷惡化,相繼發(fā)生了許多嚴重的城市大氣污染事件,其中有一類為“光化學煙霧”,而臭氧(O3)是構(gòu)成光化學煙霧的重要成分之一[1],O3生成過程主要是過氧自由基氧化NO產(chǎn)生NO2,NO2發(fā)生光解生成O3,所以對O3及前體物的變化特征進行研究至關(guān)重要。國內(nèi)外學者對不同地區(qū)的O3污染特征及超標情況進行了研究,Latif等[2]對馬來西亞婆羅洲的O3質(zhì)量濃度變化進行了分析,指出O3變化的季節(jié)性差異;Safieddine等[3]研究了東亞區(qū)域O3及其前體物的水平與垂直分布;王占山等[4]、石玉珍等[5]、嚴茹莎等[6]、宗雪梅等[7]先后對北京市的O3質(zhì)量濃度變化進行了分析,O3呈現(xiàn)出較明顯的“周末效應(yīng)”;Zou等[8]對廣州地區(qū)O3及前體物的觀測數(shù)據(jù)進行了特征分析;Li等[9]研究表明珠江三角洲O3質(zhì)量濃度增加主要是由氮氧化物和揮發(fā)性有機物控制的;殷永泉等[10]、吳鍇等[11]、陳宜然等[12]、黃志新[13]、楊雅琴等[14]、孫銀川等[15]對濟南、成都、上海、青島等地及中國典型城市的O3質(zhì)量濃度進行了研究,表明不同地區(qū)的O3質(zhì)量濃度具有各自的特征。

有學者分不同功能區(qū)對O3污染特征進行了研究,安俊琳等[16-17]和邵平等[18]對北京市和南京市臭氧及前體物的特征進行了研究,分析了重工業(yè)地區(qū)夏季光化學污染特征,表明觀測點污染物受周邊排放源的影響較大;周艷明等[19]研究表明廣州市O3質(zhì)量濃度一年出現(xiàn)2個峰值并且郊區(qū)質(zhì)量濃度大于城區(qū);趙辰航等[20]研究表明上海地區(qū)夏季光化學污染嚴重,周邊城區(qū)O3污染明顯高于中心城區(qū),不同功能區(qū)污染情況不同;王占山等[21]探討了近10年北京市定陵、官園、琉璃河和前門4個站點O3質(zhì)量濃度水平、變化趨勢、時間變化規(guī)律和超標情況等,表明不同站點超標率和重污染率差異較大。所以有必要對銀川及周邊地區(qū)的O3污染特征及超標情況進行研究。

近年來,O3已成為銀川市及周邊最主要的空氣污染物,污染防控形勢嚴峻,對銀川都市圈不同功能區(qū)O3與前體物的污染特征及超標情況進行研究,對深入了解和掌握銀川及周邊地區(qū)O3污染特性,科學制定O3污染治理對策具有重要科學價值。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

銀川都市圈以銀川市為核心，輻射帶動石嘴山市、吳忠市、寧東基地協(xié)同發(fā)展,位于寧夏北部,地處干旱、半干旱氣候地帶,東、西、北三面被毛烏素沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠所包圍。銀川都市圈監(jiān)測站點的分布如圖1所示,其中包含石嘴山4站,銀川6站,吳忠3站,寧東4站。

圖1 銀川都市圈17個監(jiān)測站點分布

1.2 資料來源及方法

研究使用的2017—2019年石嘴山、銀川、吳忠、寧東NO、NO2、NOX、O3逐時質(zhì)量濃度資料來源于環(huán)境監(jiān)測站,按《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范》(HJ/T193—2005)對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制,剔除因斷電、儀器維修維護、校準等原因造成的異常值。按照各站點功能的不同分為工業(yè)園區(qū)、風景旅游區(qū)、交通居民混合區(qū)及無人區(qū)(對照點),選擇其中的寧煤烯烴(工業(yè)園區(qū))、石嘴山沙湖旅游區(qū)(風景旅游區(qū))、銀川賀蘭山東路和吳忠教育園區(qū)(交通居民混合區(qū))、賀蘭山馬蓮口(對照點)進行分析。

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095—2012),超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準的O3質(zhì)量濃度限值為1 h平均質(zhì)量濃度≥200 μg/m3,日最大8 h平均質(zhì)量濃度≥160 μg/m3。將O3逐時質(zhì)量濃度超過200 μg/m3定義為一個超標時次,超標時次與總時次的比值為O3超標率。

2 結(jié)果與討論

2.1 O3及前體物年際變化特征

為了深入研究銀川都市圈不同功能區(qū)O3與前體物的污染特征,分析了2017—2019年5站點O3質(zhì)量濃度第90百分位及前體物質(zhì)量濃度年際變化(見圖2)。由圖2可知:2017—2019年賀蘭山東路、賀蘭山馬蓮口、沙湖旅游區(qū)O3質(zhì)量濃度“先升后降”,2018年相對較高,O3質(zhì)量濃度超標較嚴重,3站的超標倍數(shù)分別為0.25倍、0.20倍、0.15倍;2017—2019年吳忠教育園區(qū)O3質(zhì)量濃度升高,而寧煤烯烴O3質(zhì)量濃度“先降后升”。從近3年O3平均質(zhì)量濃度來看,交通居民混合點賀蘭山東路質(zhì)量濃度(189.3 μg/m3)最高,其次為對照點賀蘭山馬蓮口(187.2 μg/m3),吳忠教育園區(qū)(154.7 μg/m3)和工業(yè)園區(qū)寧煤烯烴(163.1 μg/m3)相對較低,風景旅游區(qū)沙湖(180.0 μg/m3)居中。

圖2 2017—2019年各站點O3、NOX、NO、NO2質(zhì)量濃度年際變化

2017—2019年賀蘭山東路NO、NO2、NOX質(zhì)量濃度逐年減少;對照點賀蘭山馬蓮口NO、NO2、NOX質(zhì)量濃度逐年變化不大,相比其他站點質(zhì)量濃度較低;沙湖旅游區(qū)NO、NO2、NOX質(zhì)量濃度有所增加,但變化幅度不大;教育園區(qū)NO、NO2、NOX質(zhì)量濃度逐年“先降后升”,相比其他站點雖然O3平均質(zhì)量濃度最低,但NO質(zhì)量濃度較高,可能與局地氣象因素影響及近年來周邊機動車保有量的增加有關(guān),較高的NO質(zhì)量濃度滴定反應(yīng)了O3[22];寧煤烯烴NO2、NOX質(zhì)量濃度逐年“先降后升”,NO質(zhì)量濃度逐年變化不大。

2.2 O3月際變化特征

分析2017—2019年平均O3質(zhì)量濃度第90百分位月際變化(見圖3)可知:除沙湖旅游區(qū)平均O3質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在6月,其他4站均出現(xiàn)在7月,其中賀蘭山東路值最大,為215.4 μg/m3,教育園區(qū)值最小,為160.9 μg/m3,由于6—7月溫度高、太陽輻射強,有利于O3生成,因此O3質(zhì)量濃度最高;除沙湖旅游區(qū)平均O3質(zhì)量濃度最低值出現(xiàn)在12月,其他4站均出現(xiàn)在1月。

圖3 2017—2019年各站點平均O3質(zhì)量濃度月際變化

賀蘭山東路平均O3質(zhì)量濃度4—8月超標,賀蘭山馬蓮口、沙湖旅游區(qū)5—8月超標,寧煤烯烴6—7月超標,教育園區(qū)6月超標;2017—2019年O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度≥160 μg/m3賀蘭山東路出現(xiàn)137天,賀蘭山馬蓮口出現(xiàn)139天,沙湖旅游區(qū)出現(xiàn)110天,教育園區(qū)出現(xiàn)48天,寧煤烯烴出現(xiàn)47天。

2.3 O3及前體物的日變化特征

分析O3及前體物的日變化特征(見圖4)可知:O3的日變化均呈單峰型分布,白天的質(zhì)量濃度明顯高于夜間,12:00—19:00的O3質(zhì)量濃度基本高于80 μg/m3,賀蘭山東路、沙湖旅游區(qū)、寧煤烯烴于16:00達到峰值,分別為112.8 μg/m3、114.1 μg/m3、99.0 μg/m3,賀蘭山馬蓮口、教育園區(qū)于17:00達到峰值,分別為114.9 μg/m3、100.1 μg/m3,此后逐時減少,從22:00至次日09:00一直維持在較低的水平,最低值出現(xiàn)在08:00前后。

圖4 各站點O3、NOX、NO、NO2的質(zhì)量濃度日變化

對照點賀蘭山馬蓮口NOX、NO、NO2的日變化表現(xiàn)出單峰結(jié)構(gòu),10:00—12:00質(zhì)量濃度較高,與其他站點相比質(zhì)量濃度偏低,由于賀蘭山馬蓮口屬于無人區(qū),受機動車的影響較小。其他4站均表現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu),基本上在08:00—10:00、21:00—次日01:00質(zhì)量濃度較高,由于NOX主要來自機動車的尾氣排放,所以上下班高峰期值較高;夜間大氣擴散能力較差,所以NOX的質(zhì)量濃度較白天高。

2.4 O3超標變化特征

為了解O3超標特征,分析了2017—2019年各站點O3超標累計小時數(shù)月際變化(見圖5)。由圖5可知:除教育園區(qū)呈雙峰結(jié)構(gòu),其他4站均呈單峰結(jié)構(gòu),賀蘭山東路和賀蘭山馬蓮口峰值出現(xiàn)在6月,沙湖旅游區(qū)出現(xiàn)在7月,寧煤烯烴出現(xiàn)在8月,教育園區(qū)峰值出現(xiàn)在6月和8月;O3超標主要集中在5—8月,其中賀蘭山東路這4個月O3超標小時數(shù)占全年的89.9%,賀蘭山馬蓮口為86.1%,沙湖旅游區(qū)為87.4%,教育園區(qū)為61.4%,寧煤烯烴為72.7%;銀川都市圈O3超標情況多發(fā)生在夏季,冬季O3超標情況較少發(fā)生,主要因為受冬季輻射弱、氣溫低等氣象條件影響。

圖5 2017—2019年各站點O3超標累計小時數(shù)月際變化

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095—2012)中二級標準O3小時均值質(zhì)量濃度限值為200 μg/m3,對銀川、石嘴山、吳忠、寧東的小時質(zhì)量濃度進行評價,統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1可知,2017—2019年銀川都市圈O3質(zhì)量濃度平均時均值中賀蘭山馬蓮口最高，為93.3 μg/m3,其他站點介于59.7～72.6 μg/m3之間。O3質(zhì)量濃度最高時均值中賀蘭山東路最大,達872 μg/m3,高達國家二級標準的4.4倍,其次為上海東路,為860 μg/m3。O3質(zhì)量濃度累計超標時數(shù)賀蘭山東路最多,為278 h,超標率達1.1%,其次為學院路,為254 h,超標率為1.0%,超標率最低為寧東地區(qū)的0.1%;整體來看O3質(zhì)量濃度累計超標時數(shù)銀川最多,其次為石嘴山,最少為寧東。O3超標平均質(zhì)量濃度最大為吳忠教育園區(qū),達370.2 μg/m3,其次為吳忠新區(qū)二泵站368.9 μg/m3和吳忠高級中學332.7 μg/m3,其他站點位于234.3～280.5 μg/m3之間?？傮w來看,寧東雖然屬于能源化工基地,但O3質(zhì)量濃度并不是很高;而賀蘭山東路屬于交通居民混合區(qū),O3質(zhì)量濃度最高時均值和超標率較大,吳忠O3超標平均質(zhì)量濃度較高。

表1 2017—2019年銀川都市圈O3超標特征統(tǒng)計

3 結(jié)論

(1) 2017—2019年賀蘭山東路、賀蘭山馬蓮口、沙湖旅游區(qū)O3質(zhì)量濃度“先升后降”,2018年相對較高,O3質(zhì)量濃度超標較嚴重,吳忠教育園區(qū)O3質(zhì)量濃度升高,而寧煤烯烴O3質(zhì)量濃度“先降后升”。

(2) 2017—2019年平均O3質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在6—7月,其中賀蘭山東路值最大,為215.4 μg/m3,教育園區(qū)值最小,為160.9 μg/m3。

(3) 各站點O3質(zhì)量濃度的日變化呈單峰型分布,一天中O3質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在16:00—17:00,最低值出現(xiàn)在08:00前后;對照點賀蘭山馬蓮口NOX、NO、NO2的日變化表現(xiàn)出單峰結(jié)構(gòu),10:00—12:00質(zhì)量濃度較高,其他站為雙峰結(jié)構(gòu),08:00—10:00、21:00—次日01:00質(zhì)量濃度較高。

(4) O3質(zhì)量濃度超標主要集中在5—8月;O3質(zhì)量濃度累計超標時數(shù)銀川最多,其次為石嘴山,最少為寧東;交通居民混合區(qū)賀蘭山東路O3質(zhì)量濃度最高時均值和超標率較大,吳忠O3超標平均質(zhì)量濃度較高。