基于AQI技術(shù)規(guī)范的NO2污染特征分析

康 濤

(安徽省滁州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,安徽 滁州 239000)

隨著我國城市和工業(yè)的不斷發(fā)展,城市機(jī)動(dòng)車保有量急劇增加,尾氣排放量增加導(dǎo)致氮氧化物濃度居高不下[1],空氣污染特征也發(fā)生了變化,大多數(shù)城市污染類型均由單一的“煤煙型”污染發(fā)展成多變的“復(fù)合型”污染。各級(jí)環(huán)保和科研部門對(duì)環(huán)境空氣污染特征開展了深入的研究,空氣污染物來源及輸送途徑已逐漸摸清。各項(xiàng)研究表明,滁州市所處的長三角區(qū)域是我國氮氧化物的高值區(qū),NO2一直以來都是環(huán)境空氣中主要的污染物,直接影響著環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率,還是臭氧生成的前體物,對(duì)臭氧有著直接影響,在環(huán)境空氣中可發(fā)生二次反應(yīng)生成硝酸鹽,對(duì)顆粒物濃度有著間接影響[2],是環(huán)境空氣中的“活潑分子”。本研究對(duì)滁州市2016—2020年的NO2監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)合氣象數(shù)據(jù)等資料,分析滁州市NO2污染特征,探討污染成因及影響因素,以期為大氣污染防治工作深入開展提供參考和依據(jù)。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)來源及評(píng)價(jià)方法

選取滁州市2016—2020年3個(gè)國控環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測站NO2監(jiān)測數(shù)據(jù)(均以實(shí)況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析),結(jié)合同步觀測的氣象參數(shù)等數(shù)據(jù),分析滁州市NO2污染特征。環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測站由第三方運(yùn)維公司按照技術(shù)規(guī)范開展日常運(yùn)維工作,及時(shí)維護(hù)和校準(zhǔn),確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[3]和《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2012)中的有關(guān)要求進(jìn)行。

2 分析與評(píng)價(jià)

2.1 NO2濃度變化趨勢

2016—2020年是滁州市加大大氣污染防治工作力度的重要時(shí)期,以控煤、控氣、控車、控塵、控?zé)拔蹇亍睘樽ナ?不斷調(diào)整優(yōu)化全市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu),強(qiáng)化區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控和重污染天氣應(yīng)對(duì),穩(wěn)定和持續(xù)改善區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量。2016—2020年滁州市環(huán)境空氣污染物年均濃度如表1所示。由表1可知,5年間的各項(xiàng)污染物濃度年變化趨勢均存在一定波動(dòng),整體上除臭氧濃度呈上升趨勢,其他5種污染物濃度均呈下降趨勢,其中NO2濃度由2016年的36 μg/m3下降至2020年的31 μg/m3,下降幅度為13.9%,雖呈逐年緩慢下降趨勢,但下降幅度最小,期間還存在波動(dòng)上升的趨勢,由此可見,NO2的污染防治工作任重道遠(yuǎn)。2016—2020年,滁州市NO2濃度控制水平在全省16個(gè)地市排名相對(duì)靠后,基本維持在12名左右。

表1 2016—2020年滁州市環(huán)境空氣污染物年均濃度統(tǒng)計(jì)

滁州市NO2、O3、PM10、PM2.5小時(shí)濃度日變化趨勢如圖1所示。由圖1可見,滁州市NO2小時(shí)濃度呈顯著的峰谷變化特征,峰值出現(xiàn)時(shí)間通常為8:00和20:00左右,谷值出現(xiàn)時(shí)間通常為14:00—15:00左右。該變化規(guī)律在秋冬季更為顯著,此時(shí)的空氣質(zhì)量易受大氣邊界層的高度影響,8:00之前大氣溫度低,濕度大,邊界層高度低,就像個(gè)鍋蓋籠罩在城市上空,隨著太陽的照射強(qiáng)度加大,溫度升高,濕度降低,邊界層高度緩慢抬升,擴(kuò)散條件逐漸好轉(zhuǎn),NO2、PM10、PM2.5濃度逐步降低,NO2通過參與光化學(xué)反應(yīng),14:00—15:00左右降至最低,同時(shí)O3濃度上升至一天中最高值,隨后隨著太陽照射強(qiáng)度減弱,光化學(xué)反應(yīng)速度降低,O3濃度降低,邊界層高度也逐漸降低,空氣擴(kuò)散條件變差,邊界層逐漸達(dá)到穩(wěn)定后,NO2、PM10、PM2.5不斷累積,濃度逐漸上升,20:00左右達(dá)到峰值。NO2與PM10、PM2.5變化呈正相關(guān)趨勢,與O3變化呈負(fù)相關(guān)趨勢。

圖1 滁州市NO2、O3、PM10、PM2.5小時(shí)濃度日變化趨勢

滁州市2016—2020年NO2濃度月際變化如圖2所示。由圖2可見,滁州市NO2濃度呈現(xiàn)出夏季低、秋冬季高的年變化特征[4-5]。其中2020年12月濃度最高,達(dá)到60 μg/m3,8月最低,NO2濃度為14 μg/m3,最高月濃度是最低月濃度的4.2倍。主要是由于夏季的光照強(qiáng)度大、時(shí)間長,大氣氧化性明顯,NO2易與空氣中揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),NO2生命周期縮短,秋冬季則反之,另外夏季的擴(kuò)散條件和邊界層高度都優(yōu)于秋冬季,污染物濃度亦偏低。每年一季度的NO2濃度有明顯的變化趨勢,2月份與1月和3月相比,易出現(xiàn)低值[6],可能與春節(jié)多出現(xiàn)在1月底、2月初,工業(yè)企業(yè)停工放假,人為活動(dòng)降低有關(guān)。

圖2 滁州市2016—2020年NO2濃度月際變化

2.2 首要污染物的變化趨勢

隨著《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)在2016年的正式實(shí)施,標(biāo)準(zhǔn)中的6項(xiàng)基本監(jiān)測項(xiàng)目均有可能成為城市污染的首要污染物。2016年以來,滁州市良及以上天氣的首要污染物有PM2.5、PM10、O3-8h和NO2,其中2016年仍以顆粒物污染為主,首要污染物為PM2.5,占比達(dá)52.7%,處于主導(dǎo)地位,隨后幾年滁州市加大了顆粒物防治力度,2020年顆粒物污染占比明顯下降,首要污染物為PM2.5占比為25.4%,相反O3-8h和NO2作為首要污染物的比例逐年遞增,分別為39.9%和8.5%,其中NO2上升幅度最高,較2016年相比上升幅度高達(dá)123.7%。

按照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[3]中對(duì)首要污染物的定義,對(duì)滁州市2016—2020年環(huán)境空氣首要污染物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,滁州市以NO2為首要污染物的天數(shù)2016年14 d,2017年9 d,2018年15 d,2019年19 d,2020年31 d,可見以NO2為首要污染物的天數(shù)和超標(biāo)天數(shù)均呈上升趨勢[7]。以NO2為輕度污染的天氣成倍增多,2016—2017年沒有以NO2為輕度污染的天氣,2018年以NO2為輕度污染的天數(shù)為2 d,2019年為3 d,2020年為6 d。因此,滁州市的NO2污染應(yīng)引起足夠的重視。

2.3 典型污染過程中NO2的變化情況分析

滁州市在2020年12月21日11:00—29日6:00出現(xiàn)了長時(shí)間的污染天氣,污染過程持續(xù)了188 h,小時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)最高為269,空氣質(zhì)量指數(shù)AQI最高為170,達(dá)到中度污染水平。滁州市重污染天氣應(yīng)急工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室2020年12月24日發(fā)布了重污染天氣橙色預(yù)警,12月24日18時(shí)啟動(dòng)Ⅱ級(jí)應(yīng)急響應(yīng);12月29日14時(shí)解除重污染天氣橙色預(yù)警。

圖3 滁州市2016—2020年環(huán)境空氣首要污染物分布情況

此次污染過程發(fā)展前期區(qū)域受弱氣壓場控制,空氣擴(kuò)散條件逐漸變差,本地污染物不斷累積,21日11時(shí)開始為輕度污染水平,23日出現(xiàn)短時(shí)段中度污染,至24日22:00累積效應(yīng)達(dá)最高值,小時(shí)AQI最大值210,屬于重度污染,此過程中PM2.5由最低濃度57 μg/m3上升到峰值160 μg/m3,上升幅度180.7%,NO2由最低濃度42 μg/m3上升到峰值130 μg/m3,上升幅度209.5%,NO2上升幅度明顯大于PM2.5。此后25日風(fēng)速增加,濕度降低,擴(kuò)散條件有所改善,污染物濃度開始緩慢回落,至28日6:00降至最低,小時(shí)AQI由最大值210降至74,空氣質(zhì)量從重度污染降至良,此過程中PM2.5由最高濃度160 μg/m3降至54 μg/m3,下降幅度196.3%,NO2由最高濃度136 μg/m3降至27 μg/m3,下降幅度403.7%,NO2下降幅度明顯大于PM2.5;28日7:00開始風(fēng)力快速增大,冷空氣過境滁州市,外源輸送效應(yīng)開始顯現(xiàn),僅12 h后的18:00空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染,PM2.5由 最 低 濃 度54 μg/m3上 升 到 峰 值219 μg/m3,NO2由最低濃度56 μg/m3上升到峰值160 μg/m3,受冷空氣過境外源輸送影響,污染過程持續(xù)了20 h,在29日4:00—6:00時(shí)間段內(nèi)空氣質(zhì)量快速好轉(zhuǎn),由重度污染轉(zhuǎn)至中度污染再到輕度污染,在7:00達(dá)到良。

此次污染過程中,輕度污染及以上污染程度時(shí)段共持續(xù)了143 h。期間部分時(shí)間段由于空氣濕度降低,擴(kuò)散條件短時(shí)間轉(zhuǎn)好,污染物濃度有所下降,空氣質(zhì)量為良。發(fā)生污染之前NO2維持了長時(shí)間的較高濃度,受高濕度低風(fēng)速靜穩(wěn)天氣的影響,本地污染物累積效應(yīng)逐步顯現(xiàn),PM2.5和NO2不斷交替成為首要污染物,充分顯現(xiàn)了復(fù)合型污染的特征,不僅給預(yù)警預(yù)報(bào)增加了難度,而且給大氣污染防治、污染物削峰工作提出更高的要求。此次污染過程中,NO2濃度上升幅度和下降幅度均大于PM2.5,增加速度最快,NO2峰值點(diǎn)多出現(xiàn)晚間20:00左右,期間NO2的平均濃度88.8 μg/m3,污染狀態(tài)下的NO2的平均濃度92.9 μg/m3,貢獻(xiàn)值達(dá)0.76。在秋冬季,機(jī)動(dòng)車尾氣排放的氮氧化物在早晚上班下班高峰期不斷累積[1],受邊界層高度影響,近地面風(fēng)速小,濕度增加,極易造成NO2濃度升高,風(fēng)速增大后,其濃度呈下降趨勢。

此次污染過程中,滁州市2020年12月15日—31日空氣質(zhì)量狀況見表2:

表2 滁州市2020年12月15日—31日空氣質(zhì)量狀況

續(xù)表2

2.4 NOx與O3形成的敏感性分析

在經(jīng)典的O3與前體物VOCs和NOx濃度水平關(guān)系圖中,即經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)建模方法曲線圖中,位于O3等值線脊線上方的部分,O3濃度隨著VOCs濃度上升而上升,隨著NOx濃度上升而下降,稱為VOCs控制區(qū)(敏感區(qū));位于O3等值線脊線下方的部分,O3濃度與VOCs濃度關(guān)系不顯著,隨著NOx濃度上升而上升,稱為NOx控制區(qū)(敏感區(qū))。

相關(guān)研究表明,我國O3污染重點(diǎn)區(qū)域總體上為VOCs與NOx協(xié)同控制區(qū),但多數(shù)市區(qū)為VOCs控制區(qū),主要受烯烴、芳香烴和醛類的控制。根據(jù)對(duì)滁州市3個(gè)國控環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測站O3與NOx監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷,以O(shè)3/NOx作為判別指標(biāo),其值小于15時(shí),區(qū)域?yàn)閂OCs控制區(qū),反之則為NOx控制區(qū)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,1月—4月和10月—12月各站點(diǎn)的O3/NOx指標(biāo)均小于15,5月—9月各站點(diǎn)的O3/NOx指標(biāo)明顯升高,尤其是夏季的指標(biāo)大于15,總體來說,滁州市基本屬于VOCs控制區(qū),O3隨著VOCs濃度的增加而增加,隨著NOx濃度的增加而降低,但有部分月份過渡到NOx控制區(qū)。因此,對(duì)于滁州市而言,O3控制應(yīng)強(qiáng)調(diào)VOCs和NOx協(xié)同減排,特別是應(yīng)加大VOCs的減排力度,但絕不能忽視NOx的控制。據(jù)統(tǒng)計(jì),滁州市NOx排放主要來自道路移動(dòng)源(59.0%)、工 業(yè) 源(31.9%)、非 道 路 移 動(dòng) 源(6.2%)、生物質(zhì)燃燒源(2.2%)和其他排放源(0.7%)?？刂芅Ox排放的關(guān)鍵在于需強(qiáng)化道路移動(dòng)源和本地工業(yè)源的治理,控制NOx排放應(yīng)以本地內(nèi)源管理為主,應(yīng)優(yōu)化交通管理規(guī)劃以減緩交通擁堵,并合理安排企業(yè)錯(cuò)峰生產(chǎn)[8]。

3 結(jié)論

(1)滁州市NO2年均值呈下降趨勢,但下降幅度沒有其他污染物大;NO2小時(shí)濃度變化特征顯著,“雙峰”現(xiàn)象明顯,夏季為全年最低,進(jìn)入秋冬季基本呈現(xiàn)直線升高趨勢。

(2)NO2成為空氣質(zhì)量首要污染物頻率升高,說明其他污染物治理成效顯著,凸顯NO2治理難度,機(jī)動(dòng)車尾氣排放管理點(diǎn)多、面廣、量大、線長,深入治理刻不容緩。

(3)在秋冬季,太陽輻射強(qiáng)度減弱,光化學(xué)反應(yīng)緩慢,受邊界層高度和擴(kuò)散條件差等影響,滁州市NO2易在近地面累積,在空氣中二次反應(yīng)生成硝酸鹽,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為顆粒物;早晚交通高峰期,城市道路易擁堵,機(jī)動(dòng)車尾氣中的NOx排放累積效應(yīng)加劇,污染過程短時(shí)頻發(fā),濃度上升過程快幅度大,下降過程亦如此。

(4)研究表明,滁州市的O3控制總體屬于VOCs控制區(qū),但仍需VOCs與NOx協(xié)同管控,進(jìn)而有效降低O3濃度,提高空氣質(zhì)量優(yōu)良率。