王　瑋,王　爍，強　杰,周靜博，李亞飛，任振科

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊　050022)

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石家莊市秋季以NO2為主的氣態(tài)污染物典型污染案例分析

王瑋,王爍，強杰,周靜博，李亞飛，任振科

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊050022)

摘要：為保障空氣質(zhì)量明顯改善，石家莊市采取了一系列舉措治理大氣污染，然而2015年9月出現(xiàn)了一次以NO2為首要污染物的氣態(tài)污染物典型污染過程,各項氣態(tài)污染物濃度明顯高于歷史同期水平。NO2作為二次顆粒物及光化學污染的重要前體物，研究其污染來源及影響因素，對于保護公眾健康及提高大氣污染綜合治理水平具有重要的指導意義。對污染過程中NO2的濃度變化、時空變化及氣象條件對NO2的影響等方面進行了分析。結(jié)果表明：2015年9月由于氣象條件與區(qū)域污染的影響，造成空氣中氣態(tài)污染物聚集，濃度高于去年同期水平。大氣環(huán)境中的NO2主要來源于東南部工業(yè)和燃煤源的排放，與機動車保有量增加、大型車輛多活動于夜間、晚出行高峰時段擁堵造成的尾氣排放量增加也有直接關(guān)系。

關(guān)鍵詞：大氣污染防治工程；石家莊市；NO2；氣象影響；區(qū)域污染

石家莊市是河北省的政治、經(jīng)濟、文化中心，同時也是中國重要的工業(yè)基地之一，大氣污染比較嚴重。2014年，石家莊市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)同比改善了26.6%，6項污染物平均濃度全面下降[1-2]。2015年,為確?？諝赓|(zhì)量得到明顯改善，石家莊市采取了一系列舉措治理大氣污染，然而9月卻出現(xiàn)了一次以NO2為首要污染物的典型污染過程，NO2濃度明顯高于歷史同期水平。典型污染過程作為大氣污染水平最突出的表現(xiàn)，與一般污染過程相比，其受污染源排放、氣象條件及區(qū)域傳輸?shù)任廴舅揭蛩氐挠绊懜黠@。對典型污染過程進行研究,更有利于深化對污染特點及形成機理的認識。本文通過對石家莊市2015年9月典型NO2污染案例分析，從氣象條件影響、區(qū)域污染分布演變特征等進行剖析，探尋該案例的形成原因及主要影響因素，一方面為政府決策提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，另一方面也可以為其他城市提供參考[3]。

1案例過程基本分析

1.12015年9月石家莊市空氣質(zhì)量整體狀況

按照新的環(huán)境空氣質(zhì)量標準(GB 3095—2012)[4]進行評價，2015年9月，石家莊市空氣質(zhì)量一級優(yōu)天氣8天，二級良天氣14天，三級輕度污染天氣8天，優(yōu)良率為73.3%，重污染比率為0。其中有8天的首要污染物為O3，6天首要污染物為PM2.5，5天首要污染物為NO2，2天首要污染物為PM10，1天首要污染物為PM10和O3。對各項污染物進行分擔率評價，顆粒物的污染分擔率為28.8%(其中PM10的污染分擔率為14.6%，PM2.5的污染分擔率為14.2%)；NO2的污染分擔率為27.4%；O3的污染分擔率為25.2%；SO2的污染分擔率為9.5%；CO的污染分擔率為9.0%，對大氣污染貢獻最大的為顆粒物，其次為NO2和O3。2015年9月，石家莊市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為5.40，其中NO2的空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQINO2)為1.15，成為僅次于顆粒物(PM10，PM2.5的空氣質(zhì)量分指數(shù)分別為1.21，1.20)的大氣污染貢獻較大的氣態(tài)污染物。

圖1　2015年9月石家莊市各項污染物　　　濃度同比環(huán)比情況Fig.1　Pollutant concentration on gear-on-year basis and link relative ratio basis in September 2015 of Shijiazhuang City

2015年9月，石家莊市環(huán)境空氣的各項污染物濃度同比環(huán)比情況見圖1。由圖1發(fā)現(xiàn)，雖然顆粒物濃度較歷史同期明顯下降，但各項氣態(tài)污染物濃度明顯高于歷史同期水平。同比去年，PM10的質(zhì)量濃度下降了26.7%，PM2.5下降了41.7%，SO2上升了33.3%，NO2上升了76.9%，CO日均值第95百分位質(zhì)量濃度上升了25.0%，O3日最大8 h均值第90百分位質(zhì)量濃度上升了44.4%，空氣質(zhì)量綜合指數(shù)下降了5.3%；環(huán)比8月也呈現(xiàn)顆粒物濃度均下降，氣態(tài)污染物濃度均上升的態(tài)勢。其中，SO2，NO2，CO和O3的質(zhì)量濃度與8月相比分別上升了84.6%，58.6%，50.0%，9.0%，PM10和PM2.5分別下降了24.8%，33.3%，空氣質(zhì)量綜合指數(shù)下降了3.1%。

1.22015年9月氣態(tài)污染物時間變化規(guī)律

統(tǒng)計9月各項氣態(tài)污染物24 h濃度變化，如圖2所示。由圖2可見，SO2濃度于一天中11:00—12:00達到最大值，2:00—4:00達到最小值，全天呈現(xiàn)波浪形走勢。NO2濃度于一天中15:00—17:00達到最小值，然后逐漸升高，23:00—24:00達到最大值，全天呈現(xiàn)“U”形走勢。CO濃度于一天中17:00—18:00達到最小值，8:00—9:00達到最大值，全天呈現(xiàn)較平穩(wěn)走勢。O3濃度于一天中16:00—17:00達到最大值，7:00—8:00達到最小值，全天呈現(xiàn)劇烈的“倒U”形走勢。

由圖2可以看出，NO2與O3變化趨勢具有負相關(guān)性，而NO2與CO變化趨勢具有正相關(guān)性。觀察9月的NO2濃度日變化趨勢發(fā)現(xiàn)，NO2濃度呈現(xiàn)雙峰形分布，在早上7:00—8:00出現(xiàn)第1個峰值，在夜間的23:00—24:00之間出現(xiàn)第2個峰值且第2個峰值濃度明顯高于第1個峰值。2次峰值的出現(xiàn)反映了機動車尾氣污染對城市的影響[5]。早上的峰值與交通早高峰比較一致，夜間的峰值可能與夜間NO和O3反應生成NO2，而NO2光解反應停滯，濃度逐漸積累有關(guān)，推測原因，首先是施工車、渣土車等大型、重型車輛多活動于夜間，以NO為主的汽車尾氣排放量大且夜間道路較為順暢使得尾氣燃燒充分造成氮氧化物排放顯著增加；其次由于晚高峰時段道路擁堵，車流總量大且機動車怠速時間延長造成尾氣氮氧化物排放逐步累積。

圖2　石家莊市2015年9月氣態(tài)污染物時間序列圖Fig.2　Time sequence diagram of gaseous pollutants in September 2015 of Shijiazhuang City

1.32015年9月氣態(tài)污染物空間變化規(guī)律

1.3.1石家莊市區(qū)氣態(tài)污染物空間變化規(guī)律

選取石家莊市主城區(qū)的7個國控空氣自動監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析，2015年9月各點位氣態(tài)污染物濃度見圖3?？梢钥闯觯?月，石家莊市SO2質(zhì)量濃度最高點位為高新區(qū)(33 μg/m3)；NO2質(zhì)量濃度最高點位為職工醫(yī)院(57 μg/m3)；CO日均值第95百分位質(zhì)量濃度最高點位為職工醫(yī)院(2.1 mg/m3)；O3日最大8 h均值第90百分位質(zhì)量濃度最高點位為世紀公園(191 μg/m3)。由此可以看出，SO2的污染分布受工業(yè)污染源和生活污染源的局部燃煤污染影響較大，同時受風向影響直接造成市區(qū)東部污染較重。NO2和CO的區(qū)域分布與機動車行駛密度分布關(guān)系密切。NO2和CO濃度最高的職工醫(yī)院測點毗鄰交通干線且道路周邊附近有地鐵工程的圍擋施工，機動車行駛密度較大且較易造成道路擁堵，受機動車排放的NO2和CO污染影響相對較重[6]。

圖3　石家莊市各點位2015年9月氣態(tài)污染物濃度圖Fig.3　Concentration of gaseous pollutants in September 2015 of Shijiazhuang City

1.3.2石家莊市域氣態(tài)污染物空間變化規(guī)律

2015年9月，石家莊市17個縣(市)區(qū)的氣態(tài)污染物濃度分布情況見圖4。由圖4可知，趙縣的SO2質(zhì)量濃度最高(46 μg/m3)，靈壽最低(18 μg/m3)，并且僅靈壽、鹿泉、贊皇3個縣(市)區(qū)的SO2質(zhì)量濃度低于市區(qū)水平；而對于NO2，欒城的質(zhì)量濃度最高(51 μg/m3)，新樂最低(29 μg/m3)，并且市區(qū)的NO2質(zhì)量濃度僅低于欒城、趙縣、元氏3個縣(市)區(qū)水平；對于O3日最大8 h均值第90百分位質(zhì)量濃度，高邑最高(211 μg/m3)，欒城最低(127 μg/m3)，并且僅欒城、無極2個區(qū)(縣)的O3日最大8 h均值第90百分位質(zhì)量濃度低于市區(qū)水平；對于CO日均值第95百分位質(zhì)量濃度，正定最高(1.9 mg/m3)，新樂最低(1.1 mg/m3)，并且僅新樂、行唐、靈壽、無極、晉州5個縣(市)區(qū)的CO日均值第95百分位質(zhì)量濃度低于市區(qū)水平。

并且，SO2，NO2與O3在全市域范圍內(nèi)的濃度分布基本呈現(xiàn)出東部平原縣(市)區(qū)明顯高于西部山區(qū)縣(市)區(qū)的態(tài)勢，CO的濃度分布基本呈現(xiàn)西北山區(qū)高于東部平原。

圖4　2015年9月石家莊市域氣態(tài)污染物濃度分布情況Fig.4　Gaseous pollutants concentration distribution in September 2015 of Shijiazhuang City

1.3.3河北省內(nèi)城市間氣態(tài)污染物濃度對比

2015年9月，河北省11個城市的氣態(tài)污染物濃度與去年同期對比結(jié)果見圖5，各城市的NO2濃度空間分布情況與去年同期對比結(jié)果見圖6。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，與2014年同期相比，河北省11個城市中，石家莊、邢臺2個城市的4項氣態(tài)污染物濃度均上升；唐山、邯鄲有3項氣態(tài)污染物濃度上升；秦皇島、滄州、廊坊、衡水有2項氣態(tài)污染物濃度上升；保定、張家口、承德有1項氣態(tài)污染物濃度上升。氣態(tài)污染物濃度對比中，石家莊市的SO2，NO2及O3日最大8 h均值第90百分位濃度略高于河北省平均水平，CO日均值第95百分位濃度低于省內(nèi)平均水平。結(jié)合圖1、圖5及圖6發(fā)現(xiàn)，2015年9月除張家口、承德、秦皇島基本與往年持平外，全省NO2濃度普遍高于歷史同期水平，且呈典型區(qū)域性污染狀態(tài)。

圖5　2015年9月河北省11個城市氣態(tài)污染物　　　濃度與去年同期對比Fig.5　Concentration of gaseous pollutant monitoring in September 2015 of 11 cities in Hebei Province compared with the same period of last year

圖6　2015年9月河北省NO2濃度空間分布情況與去年同期對比Fig.6　NO2 concentration distribution in September 2015 of Hebei Province compared with the same period of last year

1.42015年9月氣象條件對比

2015年9月，石家莊市平均濕度為71%，平均風速為1.8 m/s。2014年同期，平均濕度為74%，平均風速為1.0 m/s。對比氣象條件發(fā)現(xiàn)，2015年9月風速較大，使得顆粒物尤其是細顆粒物更易擴散，而較低濕度使得氣態(tài)污染物不易反應形成硫酸鹽、銨鹽、硝酸鹽沉降[7]，因此造成空氣中氣態(tài)污染物形成聚集，濃度高于去年同期水平。且根據(jù)2015年9月石家莊市風向頻率圖(見圖7)可以發(fā)現(xiàn)，9月的石家莊市多以西風到西南風以及西風為主，這也是石家莊市域氣態(tài)污染物濃度東部明顯高于西部的原因之一。

圖7　2015年9月石家莊市風向頻率圖Fig.7　Wind direction frequency in September 　　　2015 of Shijiazhuang City

2重污染時段NO2比較分析

2.1重污染時段NO2空間分析

2015年9月石家莊及周邊城市中(北京、唐山、邯鄲、邢臺、保定、廊坊、衡水、鄭州)以NO2為首要污染物天數(shù)統(tǒng)計見表1(數(shù)據(jù)來源于全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺)。選取石家莊首要污染物為NO2的日期分別為9月的13日、20日、23日、26日、30日，比較9月13日周邊城市(保定、北京、邯鄲、衡水、濟南、邢臺、唐山、鄭州)首要污染物發(fā)現(xiàn)，9個城市中(含石家莊)共5個城市的首要污染物為NO2，占55.6%；20日、23日，2個城市的首要污染物為NO2，占22.2%；26日，3個城市的首要污染物為NO2，占33.3%；30日，4個城市的首要污染物為NO2，占44.4%。同時對比圖6發(fā)現(xiàn)，2015年9月河北省各城市的NO2濃度除張家口、承德、秦皇島與往年基本持平外，其余各市普遍高于歷史同期水平，因此可以認為本次NO2污染過程是區(qū)域性污染造成的。

表12015年9月石家莊及周邊城市以NO2

為首要污染物的天數(shù)統(tǒng)計表

Tab.1Number of major pollutants of NO2in September 2015 of Shijiazhuang and surrounding cities

項 目城 市石家莊 北京唐山邯鄲邢臺保定廊坊衡水鄭州NO2為首要污染物天數(shù)5411231724總監(jiān)測天數(shù)303030303030303028

2.2重污染時段氣象條件比較

統(tǒng)計石家莊市首要污染物為NO2的日期的氣象數(shù)據(jù)：平均濕度為63.8%，平均風速為1.6 m/s，城市以東南風及南風到東南風為主，風向頻率占34.32%。選取9月NO2濃度最重的5天(分別為17日、16日、22日、20日、27日)，統(tǒng)計石家莊市的氣象數(shù)據(jù)：平均濕度為64.2%，平均風速為1.5m/s，風向以東南風及南風到東南風為主，風向頻率占31.46%。對比濕度及風向頻率可以得出：1)隨著濕度的降低，NO2濃度升高[8]；2)當石家莊市主導風向為東南風時，受東南部裕華熱電、宏源熱電、良村熱電、高新區(qū)熱電煤氣公司等大型熱電廠影響，石家莊市的NO2濃度會明顯升高。

3NO2源解析

參照《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南》，將石家莊市顆粒物污染來源進行歸類，依據(jù)石家莊市污染源譜庫，應用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件提取9月23日至9月30日來自燃煤、機動車尾氣、工業(yè)工藝和生物質(zhì)燃燒4類主要排放源的小時顆粒物數(shù)濃度與NO2質(zhì)量濃度的小時進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8　NO2質(zhì)量濃度與主要排放源顆粒物數(shù)濃度的小時變化相關(guān)性Fig.8　Correlation of NO2 mass concentration and the number of major emission sources with hours

從圖8可以看出，9月23日至9月30日期間，NO2小時濃度與燃煤源和工業(yè)源的相關(guān)系數(shù)較大，其次為機動車尾氣源，與生物質(zhì)燃燒源也有一定的相關(guān)性。初步推測，9月23日至9月30日期間，大氣環(huán)境中的NO2可能主要來源于工業(yè)和燃煤源的排放。

4結(jié)語

2013年以來，為進一步確保空氣質(zhì)量得到明顯改善，石家莊市采取了一系列舉措治理大氣污染。2015年9月，石家莊市出現(xiàn)了一次以氣態(tài)污染物尤其是NO2為首要污染物的典型污染過程，風速變大、濕度減小等氣象條件的影響，使得顆粒物尤其是細顆粒物更易擴散，而氣態(tài)污染物不易與其反應形成硫酸鹽、銨鹽、硝酸鹽沉降，從而造成空氣中氣態(tài)污染物聚集，且其濃度高于2014年同期水平。大氣環(huán)境中的NO2主要來源于東南部工業(yè)和燃煤源的排放。與機動車保有量增加、大型車輛多活動于夜間、晚出行高峰時段擁堵造成的氣態(tài)污染物排放量增加也有直接關(guān)系。同時，河北省大部分城市以NO2為主的氣態(tài)污染物濃度較歷史同期有所增長，說明本次過程呈現(xiàn)區(qū)域污染狀態(tài)。

近年來，雖然石家莊市的大氣污染防治工作取得了一定成效，但改善空氣質(zhì)量的道路仍是曲折而漫長的。NO2是二次顆粒物及光化學污染的重要前體物，研究其污染成因及影響因素對于保護公眾健康及大氣污染綜合治理具有重要的指導意義。防治NO2污染是一個系統(tǒng)工程，需要政府、企業(yè)、個人共同努力，可考慮采取如下幾方面措施。

1)優(yōu)化城市工業(yè)布局，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，逐步實現(xiàn)城市中心污染型工業(yè)空心化[9]。

2)加強對東南部熱電廠等大型消耗燃煤企業(yè)的監(jiān)控檢查力度，特別是加大對轄區(qū)內(nèi)燃煤鍋爐、爐窯等的監(jiān)督管理力度，確保其脫硫、脫氮等污染治理設施的正常運行和達標排放。繼續(xù)推進集中供熱的采暖方式，加快城市工業(yè)和民用煤氣、液化石油氣的發(fā)展，逐步推廣使用天然氣、煤氣和石油液化氣，加強可再生能源的開發(fā)利用[10]，按國家產(chǎn)業(yè)政策淘汰和關(guān)停落后的產(chǎn)量低、大氣污染物排放量高的生產(chǎn)工藝和設備，降低面源污染排放[11]。加強對垃圾、秸稈焚燒的環(huán)境監(jiān)管力度，減少無組織氣體排放[12]。

3)加強對機動車的系統(tǒng)管理，減少汽車廢氣排放[10]，主要是加強機動車排放管理和提高燃油品質(zhì)及燃燒質(zhì)量。首先，可采用行政和市場經(jīng)濟等手段發(fā)展公共交通網(wǎng)絡[13]、適時采取“限號”、“區(qū)域限行”等措施限制機動車數(shù)量的過快增長，降低機動車使用頻率；其次，應加強對機動車尾氣排放的污染防治力度，加強技術(shù)創(chuàng)新，積極推廣新型燃料汽車[14]，鼓勵“黃標車”的提前報廢和換新，對機動車尾氣排放實施定期檢測的動態(tài)管理，對尾氣排放不合格的車輛應進行限期治理；最后，應加強晚高峰時段的道路疏導，減少擁堵，同時加強對夜間大型車輛的檢查，減少大型車輛夜間進入市區(qū)。

4)加強區(qū)域聯(lián)防聯(lián)治[15]。大氣污染的形成與區(qū)域大氣環(huán)境密切相關(guān)，石家莊市應與周邊城市統(tǒng)籌考慮，推動區(qū)域一體聯(lián)動，在治理時加強地區(qū)聯(lián)手，力求達到最佳治理效果。

5)加強綠化造林，培育人工草場，加快生態(tài)恢復和建設生態(tài)環(huán)境，利用植物吸收污染物，從而減輕大氣污染程度，提高生態(tài)承載力[16]。

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Pollution episode analysis of typical air pollutants mainly full of NO2in autumn of Shijiazhuang City

WANG Wei, WANG Shuo, QIANG Jie, ZHOU Jingbo, LI Yafei, REN Zhenke

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang，Hebei 050022, China)

Abstract:In order to ensure significantly air quality improvement, a series of measures for controlling air pollution of Shijiazhuang City has been taken. However, in September 2015, there appeared in Shijiazhuang City a typical pollution process by gaseous pollutants, with NO2 as primary pollutants, and the amounts of all the gaseous pollutants reached their peak value. As an important precursor of the secondary particle and photochemical pollution, NO2 has important significance in the protection of public health and the comprehensive treatment of air pollution. The paper analyzes the effects of NO2 concentration, the temporal and spatial variation and the effect of meteorological conditions on NO2. The results show that: affected by meteorological conditions and regional transport in September, gaseous pollutants accumulate in the air, and the concentration is higher than that of last year; NO2 in the atmosphere is mainly from the industrial and coal combustion sources in southeastern; the increasing motor vehicle ownership, the large vehicles travelling most at night and the increasing emission during late rush-hour congestion also have directly relationship with the pollution.

Keywords:atmospheric pollution control engineering；Shijiazhuang City；NO2；meteorological influence；regional pollution

文章編號：1008-1534(2016)03-0258-07

收稿日期：2015-12-21;修回日期：2016-03-10；責任編輯：王海云

作者簡介：王瑋(1986—)，男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測方面的研究。E-mail:wayever@126.com

中圖分類號：X51

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03014

王瑋,王爍，強杰,等.石家莊市秋季以NO2為主的氣態(tài)污染物典型污染案例分析[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):258-264.

WANG Wei, WANG Shuo, QIANG Jie, et al.Pollution episode analysis of typical air pollutants mainly full of NO2in autumn of Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):258-264.