董婭瑋,杜新黎,李揚揚,曹 磊,張佳音,蒙瑞麗,唐小威,趙胤翔
陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站,陜西 西安 710054
可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)分別指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10、2.5 μm的顆粒物,其大小、形態(tài)和化學(xué)組成與人們的健康有著密切的聯(lián)系。PM10可通過呼吸道進(jìn)入人體,累積在呼吸系統(tǒng)中,引發(fā)許多疾病,危害人體健康。PM2.5作為PM10中粒徑較小的部分,對人體健康和大氣環(huán)境的危害更為突出[1-3],逐漸成為公眾重點關(guān)注和研究的熱點問題。PM2.5可通過呼吸道直接進(jìn)入人體肺部,并在肺泡內(nèi)沉積,進(jìn)入血液循環(huán),對人體產(chǎn)生極大的危害[4]。由于粒徑小,重量輕,PM2.5可以在空氣中滯留很長時間,能顯著降低大氣能見度[1,5],而其巨大的比表面積能吸附更多的細(xì)菌、病毒、重金屬等各種對人體健康有害的污染物[6]。有研究指出,大氣中PM2.5與醫(yī)院就診率、呼吸器官疾病發(fā)病率乃至死亡率等諸多不利健康效應(yīng)之間關(guān)系密切[7]。
中國在1996年已將PM10正式納入空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)開展了常規(guī)監(jiān)測,但直到2012年2月,國家頒布《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)才建立PM2.5質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。目前,中國 PM2.5的研究主要集中在北京、上海、珠三角等發(fā)達(dá)城市,對東北、中部和西部所做的研究相對較少。就近年來相關(guān)研究來看,中國大部分地區(qū)PM2.5的污染都比較嚴(yán)重,并且 PM2.5占到 PM10的 40% ~80%,PM2.5成為PM10中的主要組成部分。PM2.5污染嚴(yán)重地區(qū)主要集中在北京、天津、武漢、南京、青島、濟(jì)南等地,達(dá)標(biāo)率均在31.7%以下,而在海口、深圳、上海等地的污染程度較輕[4,8-15]。綜上所述,PM2.5和PM10與人體健康密切相關(guān),同時中國PM2.5污染形勢嚴(yán)峻,已引起各地高度重視。
西安是中國北方的重要城市,屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,顆粒物污染較為嚴(yán)重。根據(jù)陜西省環(huán)境保護(hù)廳公布數(shù)據(jù)顯示:2013年西安市首要污染物為PM2.5的天數(shù)占年度非一級天數(shù)的比例為38.8%,PM2.5逐漸成為西安市最主要的空氣污染物。通過分析西安市區(qū)2013年3月—2014年2月大氣中PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度,探討了二者的污染水平,研究了PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的變化特征,初步摸清了西安市區(qū)空氣顆粒物的污染現(xiàn)狀,旨在對PM2.5研究及制定防治措施提供借鑒,以期為西安市空氣質(zhì)量預(yù)報、有效控制大氣顆粒物污染提供參考依據(jù)。
采樣地點設(shè)在陜西環(huán)保綜合大廈3樓平臺(距地面約10 m),周圍無高大建筑物,該點地處交通十字交叉路、辦公樓和居民區(qū)之間,且采樣期間周邊有建筑施工,屬于典型的混合區(qū)。
采樣儀器為TH-3150大氣與顆粒物組合采樣器,工作流量為100 L/min。監(jiān)測點放置分別裝有PM10和PM2.5切割器的采樣器2臺,同步采集PM10和PM2.5樣品。采樣前先進(jìn)行流量校準(zhǔn),采樣濾膜為直徑90 mm的石英纖維濾膜(英國)。根據(jù)西安市污染源排放的季節(jié)變化情況和氣象條件的季節(jié)規(guī)律,分別在春季(2013年3—5月)、夏季(2013年6—8月)、秋季(2013年9—11月)、冬季(2013年12月—2014年2月)共4個時期進(jìn)行采樣,每月中旬開始采樣,共10 d,每次持續(xù)采樣23 h,在無降水過程時段采樣,共獲得220張有效濾膜。采樣期間氣象數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 采樣期間風(fēng)速、溫度和相對濕度
樣品分析采用重量法。采樣前,將空白濾膜于恒溫恒濕箱中平衡24 h。平衡溫度為20℃,相對濕度為50%。在上述平衡條件下用感量為0.01 mg的分析天平稱量濾膜,將稱量好的濾膜平展地放在濾膜袋中,采樣前不得將濾膜彎曲或折疊。樣品采集后,在同樣條件下平衡穩(wěn)定24 h后稱量,同一濾膜連續(xù)2次稱量質(zhì)量之差小于0.04 mg為滿足恒重要求。
西安市城區(qū)2013年環(huán)境空氣PM10、PM2.5質(zhì)量濃度分布見表2,PM10、PM2.5濃度超標(biāo)情況如表3所示。
表2 西安市城區(qū)2013年P(guān)M10和PM2.5日均質(zhì)量濃度分布
表3 西安市城區(qū)2013年P(guān)M10和PM2.5污染程度
由表2可見,春季PM10和PM2.5日均質(zhì)量濃度范圍分別為 59 ~496、37 ~267 μg/m3,平均值分別為 295、141 μg/m3;冬季 PM10和 PM2.5日均質(zhì)量濃度范圍分別為 130 ~88、50 ~558 μg/m3,平均值分別為 343、191 μg/m3;夏季 PM10和 PM2.5日均質(zhì)量濃度范圍分別為32 ~297、16 ~188 μg/m3,平均值分別為 133、72 μg/m3;秋季 PM10和 PM2.5日均質(zhì)量濃度范圍為 93~472、43~284 μg/m3,平均值分別為 244、122 μg/m3。
頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級評價標(biāo)準(zhǔn)中PM10日平均質(zhì)量濃度為150 μg/m3,PM2.5日平均質(zhì)量濃度為 75 μg/m3。由表3可以看出,春季PM10和PM2.5日均質(zhì)量濃度超標(biāo)率分別為90.0%和86.7%;PM10日均質(zhì)量濃度超標(biāo)倍數(shù)為0.08~2.31,平均超標(biāo)倍數(shù)為1.10;PM2.5日均質(zhì)量濃度超標(biāo)倍數(shù)為0.03~2.56,平均超標(biāo)倍數(shù)為1.06。夏季PM10和PM2.5日均質(zhì)量濃度超標(biāo)率分別為32.1%和35.7%;PM10日均質(zhì)量濃度超標(biāo)倍數(shù)為0.07~0.98,平均超標(biāo)倍數(shù)為0.41;PM2.5日均質(zhì)量濃度超標(biāo)倍數(shù)為0.09~1.51,平均超標(biāo)倍數(shù)為0.63。秋季PM10和PM2.5日均質(zhì)量濃度超標(biāo)率分別為81.5%和69.0%;PM10日均質(zhì)量濃度超標(biāo)倍數(shù)在0.09~2.15之間,平均超標(biāo)倍數(shù)為0.89;PM2.5日均質(zhì)量濃度超標(biāo)倍數(shù)為0.02~2.79,平均超標(biāo)倍數(shù)為1.00。冬季PM10和PM2.5日均質(zhì)量濃度超標(biāo)率分別為91.3%和87.0%;PM10日均質(zhì)量濃度超標(biāo)倍數(shù)為0.08~4.91,平均超標(biāo)倍數(shù)為1.42;PM2.5日均質(zhì)量濃度超標(biāo)倍數(shù)為0.01~6.44,平均超標(biāo)倍數(shù)為1.80。四季共110個樣品中PM10日超標(biāo)率達(dá)71.8%,日均超標(biāo)平均倍數(shù)為1.05;PM2.5日超標(biāo)率達(dá)69.1%,日均超標(biāo)平均倍數(shù)為1.17。以上結(jié)果說明,西安市區(qū)PM2.5和 PM10的污染狀況都較嚴(yán)重。
2.2.1 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的逐日變化特征
將2013年3月—2014年2月測量的PM10與PM2.5日均質(zhì)量濃度繪圖,如圖1所示。
圖1 西安市區(qū)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度及β值逐日變化情況
從圖1可以看出,PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度在整體變化趨勢上沒有明顯的差異,有較好的相關(guān)性,且日波動范圍較大。最小值在20 μg/m3以下,最大值可達(dá)到500 μg/m3以上,最大值為最小值的25倍。如此波動巨大的日變化情況主要受該地區(qū)大氣環(huán)境的氣象因素影響。
2.2.2 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的季節(jié)變化規(guī)律
采樣期間西安市城區(qū)大氣顆粒物質(zhì)量濃度四季變化情況如圖2所示。
圖2 西安市城區(qū)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度四季變化情況
由圖2可知,西安市區(qū)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化規(guī)律相同,均為冬季最高,春季次之,秋季較低,夏季最低。冬季兩者濃度均最高,這可能是由于西安市區(qū)供暖多為燃煤集中供暖,煤粉塵和二氧化硫排放增加;同時整個冬季降水很少,氣候干燥,長期處于靜風(fēng)天氣,且溫度較低,經(jīng)常出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,大氣聯(lián)合穩(wěn)定度增加,不利于污染物擴(kuò)散稀釋。2013年春季揚塵天氣頻繁,導(dǎo)致PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度相對較高。夏季大氣對流活動旺盛,污染物容易擴(kuò)散,加上2013年7月降雨偏多,降水對顆粒物有明顯的濕沉降作用,污染物容易被清除,因此夏季PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度最低,空氣質(zhì)量相對較好。
通過對PM2.5和PM10之間的相關(guān)性分析,可以初步判斷兩者是否來自相同的污染源,還可以根據(jù) PM10的質(zhì)量濃度來估算 PM2.5的質(zhì)量濃度[3]?,F(xiàn)對所采集的110組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到PM2.5與PM10質(zhì)量濃度之間的關(guān)系,即y=0.557 7x-10.684(r=0.831 9,置信度為 95%)。由此可見,PM2.5與PM10質(zhì)量濃度存在顯著的正相關(guān)性。兩者的相關(guān)性曲線如圖3所示,隨著PM10質(zhì)量濃度的增加,PM2.5濃度亦在變大,說明兩者有相同或者相似的來源。
圖3 PM2.5與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)性曲線
采樣期間β值的變化幅度較大,當(dāng)β值較大時,相對應(yīng)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度比較小。
PM10分為粒徑為2.5~10 μm的粗顆粒和粒徑小于2.5 μm的細(xì)顆粒2部分,β值反映出PM2.5在PM10中的含量。對110組樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明,β值為0.245~0.822之間,平均值為0.510,說明 PM2.5在 PM10中所占比例大于PM2.5~10。監(jiān)測得到的β值與沿海城市比較,與上海0.529(2011 年)[16]相當(dāng),比青島、寧波、南京、杭州(0.647 ~0.850)低[11,17-19],與內(nèi)陸城市濟(jì)南、北京、天津(0.542 ~0.590)相近[4,8,12]。
從表2可以看出,春、夏、秋、冬四季β均值分別為0.485、0.523、0.505和0.532。有研究表明即使在無污染情況下β值也不是恒定不變的,一般情況下,春季和夏季初較低,這是由于生物源(如花粉)會成為一部分粗顆粒的來源[20]。從數(shù)據(jù)可以看出,西安市β值冬季最高,可能是冬季逆溫天氣較多,容易形成二次離子(主要是PM2.5)的積累;夏季較高,可能是由于夏季光化學(xué)煙霧形成的PM2.5較多,而PM2.5~10卻由于降水的清除作用而減少,導(dǎo)致PM2.5在PM10中的比值增高;春季最低,可推測此季節(jié)PM2.5~10中較多部分來源于生物源,另外,春季頻繁的揚塵天氣也對PM2.5~10有較大貢獻(xiàn)。
采樣期間西安市區(qū)出現(xiàn)9次霾天氣,均發(fā)生在2013年12月,其PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度和各氣象因子列于表4。
表4 形成霾天氣的因素
從表4可以看出,霾天氣與無霾天氣顯著的不同之處是相對濕度較高(66.7%),明顯高于無霾天氣,另外,PM2.5質(zhì)量濃度和β值都很高,分別為407 μg/m3和0.604;無霾天氣的β值雖然較高,但PM2.5和PM10質(zhì)量濃度相對較低。這是因為在無風(fēng)、高濕的天氣下,顆粒物多附著、溶解或混合于霧氣之中,不但得不到有效的擴(kuò)散和去除,還易與其他污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),增加二次氣溶膠產(chǎn)生的可能性,加之西安市冬季供暖期能源消耗猛增,逆溫天氣條件下機(jī)動車尾氣排放累積,加劇了霾污染天氣的形成。
1)2013年3月—2014年2月期間西安市區(qū)的監(jiān)測結(jié)果顯示,PM2.5日均質(zhì)量濃度范圍為16~558 μg/m3,平均值為 128 μg/m3,相對《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)率為69.1%;PM10日均質(zhì)量濃度范圍為32~887 μg/m3,平均值為 249 μg/m3,相對《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)率為71.8%,這說明西安市區(qū)PM2.5和PM10的污染狀況都較嚴(yán)重。
2)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度存在明顯的季節(jié)變化,均為冬季最高,春季次之,秋季較低,夏季最低。
3)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的變化幅度比較大,但在整體變化趨勢上沒有明顯的差異,存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,說明兩者有相似或者相同的來源。
4)西安市區(qū)β值在0.245~0.822之間,平均值為0.510,說明 PM2.5在 PM10中所占比例大于PM2.5~10;季節(jié)變化規(guī)律為冬季和夏季較高,秋季次之,春季最低;當(dāng)β值較大時,相對應(yīng)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度比較小。
5)西安市區(qū)霾天氣β值和PM2.5質(zhì)量濃度明顯高于無霾天氣。
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